隧道初支钙华成因与降低排水堵塞措施

孙世达

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

隧道穿山而建，地质水文条件错综复杂，是交通基础设施中非常关键的结构，但是许多隧道在初期支护并运行一段时间后都出现了防排水系统堵塞失效、初支混凝土强度降低等问题。近些年，伴随着广西、云南、贵州等西南地区富水区域隧道建设数和里程数的增加，隧道排水系统被碳酸钙晶体等多种杂质堵塞的问题愈发突显。

研究表明[1]，隧道排水系统中的堵塞物主要包括隧道排水管道内形成的沉淀结晶（MgCO3、CaCO3、BaSO4和BaSO3），地下水渗流运动过程中对周围岩石的冲刷形成的围岩碎屑、围岩颗粒物以及地表水渗入夹带的部分泥沙和细沙等物质。这3 类堵塞物在排水管内低洼处沉积下来，最后堵塞排水系统。隧道排水系统一旦被堵塞，轻则造成隧道大规模渗水、衬砌开裂、钢筋被浸蚀、路床翻浆冒泥、隧底脱空等病害，影响驾驶安全和隧道美观性，重则造成隧道衬砌结构发生比较严重的形变，稳定性严重降低，极度危害隧道的安全性能。

综上所述，对隧道初期支护钙华产生机理进行了研究，并提出减少钙华形成、减少排水管堵塞情况的方法，这是确保隧道排水系统有效运转，减少隧道灾害发生，保证衬砌良好工作性能的重要手段。

1 工程概况

贵州省石阡至玉屏（大龙）高速公路土建6 标项目工程位于铜仁市石阡县青阳乡与黔东南州岑巩县平庄镇交界，项目主线经青阳乡坪场村至岑平庄镇狮兆村，主线全长5.55 km。项目连接线工程连接主线青阳互通至岑巩县，三级路设计标准，全长17 km。其中主线有一座隧道，为大坪隧道，全长2.15 km，隧道进口位于青阳乡坪场村，出口位于平庄镇镇狮兆村，隧道二衬轮廓为半径5.55 m 的单心圆。连接线有2 座隧道，皆位于青阳乡，其中大锡场隧道全长562 m，桐子岭隧道全长773 m，隧道二衬轮廓为半径5 m 的单心圆。本标段复工后，隧道二衬横向排水口出现不同程度的白色-黄色结晶物，进一步排查，隧道初支部位也发现不同程度的结晶物，初步认定该结晶物为钙华。

2 隧道初期支护钙华成因

造成隧道建设时初期支护排水系统发生钙华进而使隧道排水系统堵塞的因素有很多，包括温湿度、地下水、二氧化碳、围岩、初喷混凝土、压力、水动力等多方面耦合作用的影响。总的来说与水以及二氧化碳有很大关系，溶解于水中的二氧化碳体积分数减少或水分的蒸发都将导致富含碳酸氢钙的溶液析出碳酸钙晶体，其化学反应式如式（1）所示：

其中，富含碳酸氢钙的水溶液通常出现在碳酸（盐）岩地区，是土体中高浓度的CO2（大气浓度的10～100倍）或土体深部CO2（大气浓度的100～1 000 倍）溶解碳酸盐（岩）的结果，是反应（1）的逆反应，即：

2.1 CO2体积分数

在岩溶地区隧道排水系统内，CO2在形成钙华、堵塞排水系统中起着较大的作用。随着地下水的渗透，溶解于水中CO2便与石灰岩（CaCO3）发生反应，生成Ca2+离子与HCO3﹣离子。随着石灰岩裂缝和孔隙的扩张，更多的地下水渗入这些裂缝与孔隙，产生更多的Ca2+离子与HCO3﹣离子。由于隧道的开挖和施工改变了山体内部原始应力的分布情况，隧道周围原本封闭的岩石被揭露，围岩压力被释放出来，导致CO2分压降低。当富含Ca（HCO3）2的地下水到达隧道时，CO2分压降低，溶于地下水中的CO2体积分数减少，其余部分CO2溢出，使反应朝促进碳酸钙晶体析出的方向进行，即化学反应按式（1）进行。

相关研究表明[2]，CO2除来源于大气外，还有以下几种来源：①土体里面生物的呼吸、分解及各种微生物作用；②山体深处碳酸盐类岩石的受热分解反应；③岩石变质作用而产生的CO2气体。

2.2 压力

隧道排水管中碳酸钙晶体的析出程度受压力的改变而产生较大的变化，一般情况下，碳酸钙的电离程度随压力的增大而加剧。但在高压的情况下，岩溶地区隧道排水管内碳酸钙结晶物析出的速度比在低压的情况下更快。实验结果显示[3]，在温度为80 ℃、高压（10 MPa）情况下，碳酸（盐）岩从溶解到析出碳酸钙晶体只用了10 h，而在低压的情况下（100 kPa）需要10～24 h 才能生成结晶。其原因是在高压情况下碳酸（盐）岩的溶解速度加快，但溶液中超过沉淀-溶解平衡的CO2由于压力的影响无法逸散出来，也加剧了对碳酸（盐）岩的溶解，导致碳酸盐过饱和而析出碳酸钙晶体。

2.3 温度

CaCO3与CO2一般随着温度的升高而溶解度降低。随着隧道的开挖，隧道周围的岩体受到外界气温以及人类活动（施工设备的尾气排放、灯光照明）的影响，导致隧道围岩温度升高，地下水中的碳酸钙溶解度变低。研究显示[4]，随着温度的不断提升，CaCO3的净沉积速率不断增大。

2.4 湿度与地下水

在气候潮湿的石灰岩地区，空气中的湿度较大，隧道的开挖施工让原本封闭、独立的地下水系统得到充分补给。在这个过程中，地下水的pH 值也随之改变。研究表明[4]，pH=5 时，CaCO3沉积速率为0；pH 值=6～8 时，CaCO3沉积速率较低；当pH=9 时，CaCO3沉积速率较大。根据相关试验，当地下水pH＜6.36 时，水体的CaCO3饱和指数较小，不易于在隧道排水系统内形成沉淀；当地下水pH＞8.33 时，水体的CaCO3饱和指数较大，有利于在排水管内析出碳酸钙沉淀。总之，酸性环境下不利于CaCO3的析出，碱性环境下不利于CaCO3的溶解。

并且在岩溶地区地下水系统中，离子种类非常丰富，其他离子也会对CaCO3晶体的生成产生影响。例如，如果地下水系统中存在大量的Na+离子，而Na+离子对CO32﹣离子的吸引力大于Ca2+离子对CO32﹣离子的吸引力，此时，就会促使碳酸钙的溶解。

2.5 围岩

隧道建设范围岩石性质是影响岩石溶蚀与否的关键，根据研究[5]，地下水的渗流运动受到岩层产状、岩层厚度、裂隙与孔隙发育程度等围岩性质的影响。在地下水的渗流运动影响下，除一部分碳酸盐岩被地下水通过裂隙、孔隙溶解产生Ca2+离子与CO32﹣离子外，另一部分未被溶解，而是被地下水冲刷产生围岩碎屑及围岩颗粒。

2.6 初喷混凝土

有研究表明[6]，隧道建设过程中排水系统结晶堵塞也与初期支护混凝土材料有重大的关系。硅酸盐水泥中的2CaO·SiO2（硅酸二钙）、3CaO·SiO2（硅酸三钙）在发生水化反应后，将会生成大量的氢氧化钙。若初期支护混凝土受到地下流动水侵蚀，硅酸二钙、硅酸三钙的水化产物不断被地下水带走，一部分与地下水中的HCO3﹣反应生成CaCO3沉淀，一部分在初支表面或排水管内与CO2反应产生CaCO3沉淀。

2.7 水动力

隧道开挖后，地下水得到降雨与地表水的充分补给，使地下水水头升高，地下水的渗流速度加大。这一方面加强了地下水对围岩的冲刷、溶蚀活动；另一方面[7]，地下水快速流动的地方也是CaCO3沉积最活跃的地方，即地下水水流速度变大的同时也加快了碳酸钙的析出。

3 降低初支排水系统堵塞的措施

3.1 优化隧道排水系统

优化隧道排水系统设计。在隧道水量较大的地方，采用能够增强排水能力的波形纵向排水管替代一般的纵向排水管。在隧道中央排水沟处设置沉砂池，使地下水中的颗粒物质沉淀下来并定时检查、疏通，确保隧道排水系统有效运转。

3.2 调整初喷混凝土配合比

由于粉煤灰中含有较多的SiO2与Al2O3，可以在混凝土中加入一定量的粉煤灰，让SiO2、Al2O3与Ca（OH）2发生二次水化反应。根据实验[6]，加入粉煤灰后，Ca2+离子浓度与CO32﹣离子浓度便会下降，发生的反应降低了溶液的pH 值，有利于CaCO3的溶解。

3.3 减少地下水与初喷混凝土的接触

为了避免硅酸盐水泥中的2CaO·SiO2、3CaO·SiO2发生水化反应后，产生的水化产物Ca（OH）2被地下水带走；防止初支受到地下水侵蚀，一方面导致混凝土内水泥浓度降低，另一方面导致地下水附着在混凝土骨料上，使胶体与骨料黏结面积减小，黏结力下降，混凝土强度降低而引起结构安全问题，应加强隧道建设过程中堵水、排水工作，贯彻“以排水为主，封堵为辅”的治理理念[8]，确保在喷射混凝土后地下水无法透过喷射混凝土层带走Ca（OH）2，保障初喷混凝土的力学强度。

3.4 量子环除垢

量子除垢环基于分子振动原理，将除垢环安装在排水管壁外，量子环产生的振动波通过管壁传递给管内的地下水。在量子环释放的振动波的影响下，水分活度（水活性）加强，水分子由大分子变成为小分子，水对碳酸钙晶体的溶解能力大大提升，使粘附在管壁上的碳酸钙晶体溶解在地下水中，从而达到减少排水系统堵塞的目的。

3.5 对隧道排水系统进行加压

由于压力越大，越会加剧碳酸钙的电离，越不利于碳酸钙结晶体的生成。因此，通过采取加压的方式，利用高压将已附着在排水系统内的碳酸钙晶体溶解，减少碳酸钙晶体的数量。同时，利用高压还可以将排水管内的泥沙、围岩碎屑和围岩颗粒物等吹走，达到疏通排水系统、延长隧道排水系统使用寿命的目的。

3.6 其他措施

其他措施有通过在排水管内壁镀层以改变内壁粗糙程度，从而使碳酸钙结晶难以附着，还有采用磁化法、加入酸性溶液、采用管壁植绒技术、加入阻垢剂等。

4 结语

隧道排水系统是一个环环相扣的整体工程，一旦造成堵塞，将会对驾驶安全、隧道美观性甚至隧道的安全性能造成影响。本文通过研究贵州省石阡至玉屏（大龙）高速公路土建6 标项目工程，得出了以下结论：①造成隧道初期支护时钙华形成的原因有很多，在实际工程中要综合温湿度、地下水、二氧化碳、围岩、初喷混凝土、压力、水动力等多个方面的因素进行分析考虑，制定最优的排水方案；②为减少隧道排水系统钙华的形成，可采取包括优化隧道排水系统、调整初喷混凝土配合比、减少地下水与初喷混凝土的接触、量子环除垢、加压等多种阻垢措施，降低隧道排水系统堵塞的风险。