巖溶隧道排水系統堵塞機理的調查與分析

蔣雅君，杜 坤，陶 磊，趙菊梅，肖華榮

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.成都揚華源動新材料科技有限公司，成都 610213)

引言

我國近年來已經提出隧道工程排水系統的可維護性理念[1]，但是目前相關問題還未得到較好的解決，隧道排水系統在運營期間的堵塞問題較為常見，引發了一些運營事故[2-3]。在巖溶發育地區，隧道排水設施在運營一段時間后發生結晶堵塞的情況更為普遍，也會造成隧道滲漏水加劇、仰拱底鼓、襯砌掉塊等病害，并威脅隧道襯砌結構的安全和增加維修費用[4-6]。

目前國內部分學者對此問題也已經陸續開展了一定的研究工作[7-8]，但是由于目前對巖溶地區隧道排水管堵塞的機理認識尚不完全，現有的各種措施往往也是短期內有效，難以保證長期效果或無法根治，在巖溶隧道的設計、施工、運營等環節中尚無較為成熟和系統的預防和處治經驗可循。巖溶在我國分布非常廣泛，按可溶巖地層的分布面積計算，約占全國土地面積的1/3，按碳酸鹽巖出露面積計算，接近全國土地面積的1/10[9]。我國隧道修建和運營過程中必將會面臨越來越多的此類問題，需要對此引起關注并積極探索有效的解決措施。

因此，結合相關文獻的分析和部分工程實例的調研，對巖溶地區隧道排水系統結晶堵塞的問題進行探討，希望能對我國巖溶隧道工程排水系統的可維護性措施提供一些參考。由于目前在工程中較為常見的巖溶發育地區的巖性以灰巖為主，因此，主要圍繞碳酸鹽地層的巖溶隧道相關問題展開分析。

1 巖溶發育及沉積機理

1.1 巖溶動力系統及反應過程

碳酸鹽巖的巖溶動力系統概念模型(圖1)描述了氣相(CO2)-液相(H2O)-固相(CaCO3)三相體系動態平衡機制，包括如下可逆反應(以CaCO3的溶解和沉積為例)[10]。

(1)CO2(氣)CO2(液)，即氣相CO2溶解于水或液相轉CO2換成氣相逸出。

(2)CO2(液)+H2OH2CO3，即液相CO2與水結合為碳酸或碳酸發生水解。

(3)H2CO3H++HCO3-，即碳酸分解產生氫離子和碳酸氫根離子，或沉積(主要是結晶)發生可逆過程。

(4)CaCO3(固)Ca2++CO32-，即碳酸鈣發生溶解，可逆過程即碳酸鈣沉積。

(5)CO32-+H+HCO3-，即溶解時反應(3)產生的氫離子與反應(4)產生的碳酸根離子結合成碳酸氫根離子，使得溶解反應(4)能繼續進行，或沉積時為可逆過程。

圖1 巖溶動力系統概念模型

從上述模型及反應過程可知：由于CO2和H2O作用后形成的H+促進了CaCO3的電離(溶解)，因此CO2是巖溶發育最重要的因素，同樣對于CaCO3沉積來說，CO2也是最重要的因素；巖溶的作用過程也受到流速場效應和濃度梯度效應的影響(體現在圖1中的擴散邊界層部位[10-11])，因此該動力系統中的流速和溫度等變量(與擴散邊界層厚度相關)也對巖溶的反應過程有一定影響。

應從巖溶動力系統的角度去認識碳酸鹽的溶解與沉積的問題：溶解-沉積是一個動態的化學反應過程，當系統中的變量發生變化時就會打破平衡，使反應方向偏移。當隧道開挖改變了巖溶動力系統的平衡狀態時，即可能造成含有Ca2+、Mg2+等離子的巖溶水在隧道排水系統中發生如式(1)所示的脫碳酸作用而形成沉積[12]：

Ca2+/Mg2++2HCO3-→CO2↑+Ca/MgCO3↓+H2O(1)

1.2 巖溶水的搬運作用及碎屑沉積

灰巖在地下水流的長期沖刷侵蝕下，部分可溶性碳酸鹽巖先發生溶解，并產生細小的圍巖碎片及細顆粒[8]。同時，在巖溶系統的發育過程中，由于水流沖蝕、重力崩塌、機械破壞等作用，也會產生一定的破碎巖石或泥沙，由巖溶水的搬運作用將這些碎片和細顆粒帶入隧道排水系統中。此類過程主要為物理作用，但部分碳酸鹽碎屑也有可能會參與到巖溶水結晶的化學過程中。

另外，由于巖溶地區地質構造較為復雜，常存在巖溶管道、巖溶洞穴、巖溶裂隙等與地表連通，有利于地表水對地下水的快速補充，為巖溶水提供補給源。在季節性降雨后，也會將土壤中的細顆粒沖刷帶入隧道排水系統中。圖2所示實例為西南巖溶地區某公路隧道，由于降雨引發了隧道洞內大范圍的滲漏，同時將地層中的泥砂帶入隧道排水系統(調研時間為2015年7月)。

圖2 巖溶地層中泥砂隨降雨進入隧道排水系統

上述細顆粒或泥砂進入隧道排水系統后，在排水管的轉彎、低部處由于巖溶水的搬運作用減弱，也會發生一定程度的碎屑物質沉積。

1.3 巖溶沉積產物及形態

在碳酸鹽巖地層中，巖溶水沉積產物多以離子與結合的礦物為主，形成方解石(CaCO3)、文石(CaCO3)、白云石(CaMg[CO3]2)等產物。方解石在巖溶水結晶產物中較為常見，顏色通常為白色或黃白色[13],如圖3所示實例[8]。例如，根據西南地區某在建高鐵的隧道工地取樣分析結果可知，其主要成分為方解石(94.5%)、文石(2.82%)、石英(1.55%)、塊磷鋁礦(1.11%)等(調研時間為2018年1月)。但需要注意的是，由于不同種類可溶性巖層(如本文尚未涉及的硫酸鹽巖、鹵化物巖)地下水的離子種類差異以及碎屑沉積作用，在隧道排水系統中析出的結晶產物成分及比例也會有差別，并有機械混入物。

圖4為西南地區某城市地鐵區間隧道施工中出現的巖溶水結晶情況(調研時間為2015年12月)，當時隧道二次襯砌尚未跟進澆筑，隧道內的巖溶水漫過矮邊墻流入隧道內部臨時水溝，3個月左右即在矮邊墻混凝土的頂部、裸露鋼筋表面形成了堆積緊密的結晶物。

圖3 某隧道排水管巖溶水結晶情況

圖4 某地鐵區間隧道巖溶水結晶情況

2 巖溶隧道排水管堵塞的化學影響因素

由巖溶動力系統的化學反應過程可知，影響碳酸鈣沉積的主要指標為CO2分壓(PCO2)、流速、溫度、pH、HCO3-(或Ca2+)[10]。

2.1 CO2的影響

CO2在水中溶解導出H+對CaCO3形成侵蝕，是巖溶發育的重要條件。進入巖溶動力系統中的CO2可能來自3個主要途徑：大氣中賦存的CO2；植物、細菌或生物產生的CO2；深部碳酸鹽類礦物的熱解作用產生的CO2[8，14]。其中土壤CO2是巖溶發育的最大影響因素：在標準大氣壓下海平面處的PCO2平均值僅約為0.038%，但是在部分巖溶地區實例中土壤層中的PCO2能達到6%及以上[11]。巖溶地區地表水流經土壤層時將溶解大量的CO2增強巖溶水的侵蝕能力，攜帶更多的補給進入巖溶系統中。

由于CO2的溶解度與PCO2成正比、與溫度成反比，當PCO2和溫度條件發生變化的時候，也會造成CO2逸出使CaCO3的溶解-沉積反應朝沉積方向發生(如式(1)所示)[15]。當巖溶水進入隧道排水系統時，由于隧道內的PCO2往往小于土壤層處的PCO2，隧道洞內的溫度也可能高于地層溫度，以上兩個條件將會使得巖溶水發生脫碳酸作用，逸出CO2而形成有利于碳酸鹽發生沉積的條件。

2.2 溫度的影響

溫度對CaCO3和CO2的溶解度有較大的影響：在一個標準大氣壓下，CaCO3和CO2的溶解度隨水溫上升而下降。當隧道內的溫度高于地下水的溫度時，就會造成CO2逸出和CaCO3溶液達到過飽和狀態而形成結晶[16-17]。圖5是碳酸鈣溶液的濃度-溫度關系曲線[18]，圖中曲線I為碳酸鈣的溶解度曲線，表示溶液的飽和狀態，該曲線上、下方區域分別表示溶液的過飽和狀態和不飽和狀態。曲線II為碳酸鈣的過飽和曲線，將飽和區域分為不穩定和亞穩定過飽和區域，也是結晶通常發生的區域。從圖5中的abcd直線可知，隨著溫度的上升(同時也會伴隨著蒸發)，碳酸鈣溶液將進入過飽和狀態(c、d點)并結晶。

圖5 碳酸鈣溶液的濃度-溫度關系

隧道的修建和運營期間，由于通風照明、車輛運行及尾氣排放、人員活動等因素的影響，會使得洞內的環境溫度上升。當巖溶水進入隧道排水系統后，也會有一定程度的升溫，使得巖溶動力系統向著沉積反應方向行進。

2.3 pH值的影響

當水溶液的pH值較低時碳酸鹽的溶解度升高，不利于結晶的形成；反之，則有利于結晶的生成。圖6是碳酸鈣飽和溶液中pH值與CaCO3含量的關系，反映出pH值增大時(H+含量減少)，CaCO3的溶解度相應降低，當pH值接近或超過10時，水溶液逐漸失去對碳酸鹽的侵蝕能力[10]。

圖6 平衡狀態時CaCO3含量與pH關系曲線

在平衡狀態下，巖溶水中的pH值與CO2分壓之間呈現直線關系，由CO2和H2O作用后產生的H+控制[7]。由本文前面對CO2、溫度影響的分析可知，當巖溶水進入隧道排水系統發生CO2逸出從而減少H+含量，降低了CaCO3的溶解度，有利于形成結晶。

2.4 流速的影響

碳酸鈣溶液體系在排水管壁上結晶析出必須經歷如下過程：首先要產生微小的粒子作為晶核，然后晶核再生長成微晶粒，微晶粒在溶液中由于熱運動不斷地相互碰撞，和管壁也不斷地進行碰撞，使小晶體不斷變成大晶體。在碰撞過程中各晶粒的正負電荷部分碰撞彼此結合形成大晶體，若連續不斷地按一定的方向碰撞，就形成了覆蓋管壁的結晶層，如圖7所示[18]。

在結晶層的形成過程中，溶液體系中的固-液接觸界面會逐步形成一個擴散邊界層(DBL)，如圖8所示[19]。在該擴散邊界層內的溶液達到或接近飽和狀態，這些密集離子層或局部飽和層如果不能轉移稀釋，則有可能持續結晶析出。因此，水流速度越快則溶質微粒的水動力彌散效應(亦稱流速場效應)越明顯[10]，溶質的局部濃度將被沖淡，排水管壁形成結晶層的速度就越慢。以上推論已經由相關的學者通過試驗予以證明，相關研究結果和結論見文獻[7-8]。

圖7 碳酸鈣結晶過程示意

圖8 具有紊流區和擴散邊界層的CaCO3-H2O-CO2系統

2.5 離子的影響

巖溶水中Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子的濃度將影響到隧道排水管中結晶的形成速度和程度，達到飽和度的離子濃度將促使式(1)朝著析出碳酸鹽結晶物的方向反應。巖溶水中通常還有如Na+、K+、Cl-、SO42-等對碳酸鹽的溶解和沉積有間接影響的離子，對多種離子形成的“混合溶蝕效應”也應引起關注[7-8]。由于相關問題較為復雜，此處不展開詳述。

3 巖溶隧道排水管堵塞的工程影響因素

巖溶隧道的設計、施工等環節中也可能存在一些因素，對隧道排水管堵塞造成一定影響。

3.1 混凝土的溶出物

巖溶水需要流過隧道襯砌混凝土(主要是噴混凝土初支)進入隧道排水系統，因此混凝土中的一些可溶性水泥水化產物也將會隨局部滲水進入巖溶水系統和排水系統中。混凝土中水泥石的主要水化產物是水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體，其中可溶性的氫氧化鈣約占25%[20]。另外，噴混凝土往往還要添加一定比例的速凝劑，其中不少種類為堿性復合制劑，且與水泥水化反應生成可溶性堿性產物(如NaOH)[21]。混凝土局部的此類物質進入到隧道排水系統內以后，一定程度上參與到碳酸鹽的結晶反應過程中去。以氫氧化鈣為例，其溶出后的主要反應過程為

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O(2)

即便不是在巖溶地區，隧道混凝土中部分溶出物被滲水帶出并在基面形成“析白”(也稱為泛堿)的情況也較為普遍(圖9)，嚴重時也會造成排水管的一定堵塞。

圖9 某在建地鐵區間隧道初支基面的析白現象

筆者在西南地區某城市地鐵區間隧道施工現場對隧道初支基面的滲水做了pH值測試對比(調研時間為2015年12月)：剛施作完幾天的初支基面滲水的pH值為12.5～13.0，而經過3個月以上巖溶水沖刷的初支基面滲水的pH值為7.5～8.0，與隧道掌子面處涌水的pH值接近。由此可知，由于混凝土局部的堿性可溶性物有限，此現象具有一定的短期效應。但是，應對隧道混凝土襯砌的密實性和抗開裂性能也引起關注，以保證其耐久性能[22]。

3.2 排水系統的設計與施工

目前對巖溶隧道排水系統的設計未能很好地考慮防止后期出現結晶堵塞的預防和處理措施，比如：巖溶隧道排水管的設計大多未能根據防止巖溶水結晶的要求進行對應的規格設計和管材選擇；如圖10所示的縱向、環向、橫向排水管的接頭部位，由于彎頭過多較易由于泥沙和碎屑的淤積和結晶而發生堵塞，造成大面積襯砌混凝土滲漏病害[22]。

圖10 隧道排水管的三通接頭構造

在隧道排水系統的施工中也難免存在一些問題：如施工誤差造成隧道排水管布設坡度與設計不符，滲水排泄不通暢；施工中不注意保護，損壞隧道排水管；遺留某些雜物于排水管中等。

由于目前國內大多數隧道尚未考慮排水系統的后期檢查、維護的構造和設施，一旦排水管發生堵塞，清理和維護就成了一個棘手的問題。

3.3 隧道開挖的影響

隧道的開挖破壞了隧址區巖溶地下水的均衡狀態，使得巖溶動力系統也進行對應的動態調整，直至達到新的均衡狀態。在這個調整過程中，系統中的一些變量也會發生改變，如地下水的流動路徑、地下水壓力和流速、pH值、CO2分壓等，也會影響巖溶動力系統中碳酸鹽的溶解—沉積反應過程。

另外，隧道穿越溶洞、斷層破碎帶等部位以及巖溶水在圍巖節理裂隙中形成的新的滲流通道，也會造成一些細顆粒填充物、碎屑等被帶入隧道排水系統中發生沉積，堵塞隧道排水管。

4 結語

通過探討分析巖溶隧道中常見的排水系統堵塞問題的原因和影響因素的作用，得到如下的認識。

(1)從巖溶動力系統及巖溶沉積的化學反應原理可知，巖溶隧道排水系統堵塞的原因主要有化學沉積和碎屑沉積兩大方面，從其形成機理上來看，巖溶動力系統的碳酸鹽沉積反應難以完全避免，需要考慮運營期間的長期維護措施。

(2)巖溶隧道排水系統結晶堵塞的化學反應影響因素主要包括PCO2、流速、溫度、pH值、離子種類和濃度等方面，相互之間還存在復雜的作用關系，相關問題仍然有待深入開展相關研究。

(3)相對而言，從工程影響因素入手妥善解決巖溶隧道排水系統堵塞問題的可操作性較強，但是目前針對這方面的研究仍然遠遠不夠，還有待做進一步全面的考慮和改進。

限于篇幅，本文尚未對碳酸鹽巖以外的其他可溶巖層(硫酸鹽巖、鹵化物巖)的相關問題展開分析，巖溶隧道排水設施的可維護措施也將另文開展討論。