當(dāng)金山隧道排水盲管結(jié)晶物形成原因分析及治理措施的探討

柴天佑

（敦煌鐵路有限責(zé)任公司，甘肅 敦煌 736200）

1 工程概況

當(dāng)金山隧道是敦格鐵路甘肅段控制性工程，隧道起訖里程為DK194+980-DK215+080，全長20.10km,隧道除出口段224m位于1600m的曲線上外其余均位于直線上，坡度依次為6‰，12.3‰，7‰的單面上坡，隧道IV、V級(jí)圍巖長10.595Km,占隧道總長的52.6%。隧道穿過10個(gè)斷層，地下水、節(jié)理裂隙十分發(fā)育，為巖溶發(fā)育提供了條件。

在當(dāng)金山隧道施工中，排水盲管中形成結(jié)晶物速度非常快，水溝中沉淀物堆積明顯。尤其是富水段，兩個(gè)月左右部分盲管中形成的結(jié)晶物沉淀物堆積厚度達(dá)到5mm以上，已對(duì)排水形成阻塞，直接影響盲管正常排水功能。針對(duì)隧道施工中這個(gè)情況，對(duì)結(jié)晶物形成機(jī)理，探索預(yù)防和治理措施，從結(jié)晶物成分、來源、形成等多方面進(jìn)行探索。

2 結(jié)晶物的主要成分及形成機(jī)理

2.1 結(jié)晶物的形成過程

通過對(duì)當(dāng)金山隧道水樣和白色結(jié)晶物取樣送檢化驗(yàn)結(jié)果表明，隧道排水中鈣、鎂離子偏高，但與所在地區(qū)水平基本保持一致，白色結(jié)晶物成份主要是碳酸鹽和硫酸鹽。相關(guān)文獻(xiàn)表明，在隧道排水管內(nèi)結(jié)晶物生成的過程中，CO2起到了很大作用。具體來說就是CO2溶于水生成碳酸（H2CO3）,碳酸在水中發(fā)生電離，產(chǎn)生H+和HCO-3,當(dāng)水溶液中H+濃度在某一數(shù)值時(shí)水溶液處于平衡狀態(tài)，也就是既不發(fā)生沉淀結(jié)晶、也不繼續(xù)溶解，但當(dāng)H+濃度低于這一數(shù)值時(shí)，則會(huì)發(fā)生碳酸鈣、碳酸鎂的沉淀結(jié)晶。巖溶隧道排水管內(nèi)的沉淀結(jié)晶物主要是由化學(xué)反應(yīng)生成的結(jié)晶物在溶解度發(fā)生變化的情況下析出產(chǎn)生。當(dāng)隧道開挖后，地下水中CO2的氣體分壓下降，溶解的CO2從地下水中逸出，H+濃度降低，促使化學(xué)反應(yīng)向沉淀結(jié)晶物方向進(jìn)行，溶液中的鈣、鎂離子以碳酸鹽的形式析出，附著在隧道排水管壁上，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，直接影響盲管正常功能。

同時(shí)溫度對(duì)結(jié)晶物形成也有明顯的作用。隨著溫度升高，碳酸鈣溶液更容易趨于過飽和。在正常大氣壓下，溫度為5℃時(shí)碳酸鈣溶解度為86ppm;溫度升高10℃，碳酸鈣溶解度降低至75ppm,也就是說隨著溫度升高，碳酸鈣溶液容易趨近于過飽和溶液，過飽和溶液是一種不穩(wěn)定狀態(tài)，利于結(jié)晶物的析出。

隧道施工中，由于開挖圍巖曝露，造成CO2逸出和溫度升高，加速了盲管內(nèi)結(jié)晶物的形成。

2.2 結(jié)晶物成份中鈣離子來源

結(jié)晶物盲管內(nèi)結(jié)晶物主要成分為鈣鹽，其中鈣鎂離子的來源主要有以下幾個(gè)方面。一是當(dāng)?shù)叵滤鬟^富含碳酸鈣礦質(zhì)的巖層時(shí)，攜帶鈣酸鹽物質(zhì)；二是普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，氧化鈣（CaO）含量占到 60%，石膏（CaSO4·2H2O）也是必要礦物組成，都含有大量的鈣離子。水中的硫酸根離子與混凝土中鈣離子反應(yīng)生成的硫酸鈣，而部分的硫酸鹽也會(huì)以白色晶體形式從混凝土當(dāng)中析出；三是噴射混凝土速凝劑中碳酸鈣的存在同時(shí)增加了鈣離子跟碳酸根離子。

2.3 結(jié)晶物成份中碳酸根離子來源

CO2是結(jié)晶物生成的主要因素，CO2溶于水生成碳酸根離子。地下水中CO2的主要有以下幾個(gè)來源，一是大氣中的CO2，在隧道施工中施工機(jī)械排放、人員活動(dòng)帶來增加了CO2含量；二是土壤中的有機(jī)物或微生物分解作用產(chǎn)生的CO2，通過降水、地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給，進(jìn)入地下裂隙水；三是巖體中碳酸鹽類礦物質(zhì)由于熱解作用產(chǎn)生CO2，隨著地下水流動(dòng)進(jìn)入地下水系統(tǒng)。

2.4 盲管中結(jié)晶物的形成過程

排水盲管結(jié)晶沉淀物的形成既是一個(gè)化學(xué)過程又是一個(gè)物理過程，圍巖中的巖石顆粒、初支混凝土中的細(xì)骨料在水流的沖刷下進(jìn)入盲管，這些泥沙與結(jié)晶沉淀物共同作用，增大排水管管壁摩擦，對(duì)水流阻礙作用更加顯著，隨著沉淀物增多，最終導(dǎo)致排水能力減弱。

同時(shí)由于在施工中不規(guī)范，排水管實(shí)際坡度于設(shè)計(jì)坡度不符，造成盲管反坡布置，對(duì)盲管保護(hù)不到位，混凝土振搗造成盲管變形受損，二襯澆筑時(shí)混凝土流入盲管未及時(shí)清理等加劇排水管堵塞情況。

同時(shí)為研究不同類型盲管、二氧化碳濃度、水流速度等因素對(duì)結(jié)晶物形成的影響，我們?cè)谒淼朗┕ぶ惺褂昧藘煞N不同的排水盲管，同時(shí)搭建室外模型，模擬隧道盲管結(jié)晶過程。通過近2個(gè)月的觀察發(fā)現(xiàn)，管壁光滑的盲管形成結(jié)晶物速度小于彈簧排水盲管，水流速度相對(duì)較快的盲管也不易形成沉淀物，室外模型使用的盲管中結(jié)晶現(xiàn)象明顯低于隧道內(nèi)盲管結(jié)晶速度。

以上研究和試驗(yàn)表明，地下水中的攜帶的大量鈣（包括混凝土中析出的鈣離子，部分運(yùn)營隧道病害表明，隧道初支侵蝕問題比較嚴(yán)重，初支混凝土在長期侵蝕環(huán)境下，整體性遭到破壞，成松散狀）和水中、空氣中的CO2的相互作用、隧道內(nèi)溫度升高是結(jié)晶物析出的直接原因；盲管排水流速、盲管類型決定了析出物沉淀的速度。

3 阻止隧道排水盲管結(jié)晶物析出和防止沉淀的工程措施

在了解隧道盲管堵塞是如何形成機(jī)理后，防止隧道排水盲管堵塞可從阻止結(jié)晶物形成、析出和防止析出物沉淀兩個(gè)方向來解決。一些專家通過多年的研究，對(duì)防止結(jié)晶采取生物、化學(xué)方法，從源頭阻止結(jié)晶物析出和促進(jìn)結(jié)晶物的溶解主要有以下兩種。

1）采取CA阻止析出結(jié)晶物。CA(碳酸酐酶)是一種金屬酶，劉再華通過研究CA對(duì)灰?guī)r的溶解作用得出，如果排水管內(nèi)的地下水偏酸性，酸性環(huán)境會(huì)抑制沉淀結(jié)晶物的生成，如果排水管內(nèi)的地下水偏堿性，對(duì)CA的活性有利，會(huì)促使更多的CO2轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)排水管內(nèi)的結(jié)晶沉淀物溶解，所以如果在排水管內(nèi)放置能夠適應(yīng)排水管內(nèi)環(huán)境的可以生成大量CA的細(xì)菌，將會(huì)降低排水管內(nèi)結(jié)晶物的形成。

2）采取高效阻垢劑抑制結(jié)晶沉淀物的生成。HEDP（羥基乙叉二膦酸,化學(xué)用品，一種有機(jī)磷酸類阻垢緩蝕劑阻垢劑）可更容易碳酸鈣的碳酸根離子發(fā)生作用形成氫鍵，從而抑制了碳酸鈣的生成，所以在有堵塞傾向的排水管內(nèi)預(yù)先放置高效阻垢劑抑制結(jié)晶物的生成具有可行性。

以生物化學(xué)的方法從源頭防止結(jié)晶物的生成和析出在實(shí)際操作中具有一定的難度，并不能很好的解決這一問題。在當(dāng)前隧道施工、襯砌、材料等沒有新技術(shù)的情況下，如果在施工中，采取相應(yīng)工程措施，提高施工工藝和施工標(biāo)準(zhǔn)，防止析出物沉淀堆積，對(duì)延緩盲管堵塞、延長維修維護(hù)周期、降低運(yùn)營期維護(hù)成本還是具有積極意義。

隧道排水系統(tǒng)是由環(huán)向排水盲管、縱向排水盲管、側(cè)溝組成，環(huán)向排水盲管由于水流速度較大，形成堵塞可能性較小。縱向排水盲管由于施工中措施不到位，比如沒有形成排水坡度，在二襯澆筑過程中對(duì)排水盲管的擠壓，盲管包裹土工布脫落，盲管內(nèi)進(jìn)入混凝土微粒、圍巖顆粒，盲管引入水溝彎頭布置不合理，形成反坡等都是造成和加劇盲管堵塞的工程原因。

針對(duì)在以上原因，在施工中可采取如下措施來抑制盲管內(nèi)結(jié)晶物沉淀：

1）優(yōu)化排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一是單段縱向排水盲管采取“人”字形布置，將明顯增大排水管坡度，增強(qiáng)排水管的排水能力，可以延緩盲管堵塞。二是盡可能采取內(nèi)壁光滑的HDPE盲管，也能減少沉淀物的堆積。

2）改進(jìn)施工工藝。一是在盲管敷設(shè)施工時(shí)，要控制好盲管的掛點(diǎn)布置和坡度，盲管兩端彎頭角度不小于135°進(jìn)入水溝，減少水頭損失，盲管伸入側(cè)溝部分外套PVC保護(hù)管，并加裝固定環(huán)來固定排水盲管的坡度和角度，防止混凝土澆筑澆筑過程中對(duì)盲管的損壞和避免澆筑完成出現(xiàn)反坡。

3）其他措施：一是加強(qiáng)隧道通風(fēng)和施工車輛工況的管理，減少二氧化碳的排放量，降低隧道內(nèi)二氧化碳濃度；二是提高初支噴射混凝土的密實(shí)度，嚴(yán)格控制水灰比，選擇優(yōu)質(zhì)的速凝劑，減少混凝土中鈣離子的流失。同時(shí)對(duì)中富水、富水段運(yùn)用堵排結(jié)合的防水方式，采取注漿措施，降低排水量減少圍巖中鈣離子的流失。

4 隧道盲管堵塞疏通技術(shù)的探索

當(dāng)金山隧道在建設(shè)過程中，排水盲管堵塞現(xiàn)象比較嚴(yán)重，如何疏通堵塞盲管，清除沉淀物、我們?cè)诠こ虒?shí)施中進(jìn)行了一些探索。

4.1 采取化學(xué)清洗的方法

通過與蘭州大學(xué)合作對(duì)盲管堵塞疏通進(jìn)行研究，對(duì)絡(luò)合法、洗滌法、酸法進(jìn)行比較，從快速溶解結(jié)晶物、對(duì)混凝土性能影響小方面確定了采用甲酸、檸檬酸、適量的增稠潤滑劑以一定比例配置溶解液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)結(jié)晶物具有良好的溶解效果。后期現(xiàn)場(chǎng)組織對(duì)當(dāng)金山隧道盲管堵塞進(jìn)行清洗試驗(yàn)，采取在盲管一端注入、一端自由排出的方式，通過觀察注入端和排出端盲管前后變化，沖洗后盲管壁可見部分明顯光滑，證明了在實(shí)踐中具有一定的效果。但由于排水盲管管壁具有滲水小孔，當(dāng)加壓注入溶解液時(shí)，溶液通過滲水孔流入初支與二襯中間，溶液損失較大且不易回收，存在成本相對(duì)較高、注入設(shè)備與盲管對(duì)接困難等缺點(diǎn)。同時(shí)為掌握溶解液對(duì)混凝土性能的長期影響，在試驗(yàn)室環(huán)境下制作混凝土試塊，在達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，在溶解液中分別浸泡試件3d，7d和28d，觀察試件表面侵蝕情況和對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明隨著時(shí)間增長，試件質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失相應(yīng)增大，28d已造成明顯強(qiáng)度破壞和侵蝕，溶解液對(duì)混凝土具有一定的侵蝕作用。

4.2 采用機(jī)械疏通的方法

目前在工程中采用機(jī)械疏通方式主要有以下幾種，一種使用可維護(hù)盲管，即在盲管施工時(shí)在盲管內(nèi)預(yù)置疏通裝置，疏通裝置包括鋼絞線和固定在鋼絞線上的毛刷，通過拉動(dòng)鋼絞線，達(dá)到清除管壁堆積的沉淀物。一種是高壓水射流清洗。即采取加壓設(shè)備將普通自來水加壓，通過特殊的噴嘴去除盲管內(nèi)壁的沉淀物等各種堵塞物。高壓水清洗具有清洗成本低，清洗質(zhì)量好，清洗速度快、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，選擇不同類型的噴頭，可以通過彎管等到達(dá)不容易直接清理的部位。前者由于施工復(fù)雜，在實(shí)踐中并不常見。

高壓射流清洗與化學(xué)清洗相比，更能適應(yīng)不同堵塞程度的需要，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、對(duì)不同盲管部位可選擇不同類型的清洗噴頭，不考慮溶解液的回收，取材方便，沒有環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種安全清潔、快速高效的疏通方式，能較好的應(yīng)用于在建或運(yùn)營隧道的盲管疏通維護(hù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)隧道盲管結(jié)晶沉淀物形成機(jī)理的研究和治理措施的對(duì)比，在目前不能采取有效的抑制結(jié)晶物析出措施的情況下，以工程措施，提高排水系統(tǒng)施工質(zhì)量是減緩排水盲管堵塞的有效手段，以高壓水清洗結(jié)晶盲管是在建和運(yùn)營隧道排水盲管堵塞疏通技術(shù)的首選。