山區(qū)隧道排水系統(tǒng)沉積阻塞及防治建議

（山西新世紀交通建設(shè)工程咨詢有限公司，山西 太原 030000）

在山區(qū)隧道運營過程中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自然環(huán)境具有很強的不可預(yù)見性，這些給山區(qū)隧道的安全、正常運營埋下重大安全隱患。在各種隱患類型中，涉及到地下水病害及因地下水導(dǎo)致的二次病害是最主要的安全隱患之一。在各種水害及相關(guān)二次病害中，除了襯砌滲漏水、隧道路面積水等典型病害外，因地下水滲透導(dǎo)致的隧道排水系統(tǒng)阻塞是最常見的繼發(fā)性病害，由于隧道排水系統(tǒng)被阻塞，導(dǎo)致隧道內(nèi)部積水無法及時外排，大量的積水集聚在襯砌內(nèi)，嚴重威脅到襯砌結(jié)構(gòu)的強度及荷載穩(wěn)定性，部分滲出的水分因無法排出滯留在隧道路面表面，嚴重影響到道路的正常通行安全。通過工程實踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)阻塞病害的原因有以下兩方面。首先，滲透到圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)中的地下水中富含有大量的鈣、鎂、鐵離子，游離狀態(tài)的各種離子和排水系統(tǒng)中殘留的各種鹽酸根離子結(jié)合后容易生成各種難溶性鹽離子集聚中排水系統(tǒng)內(nèi)影響排水系統(tǒng)的有效截面積；再者是，巖層中滲透的地下水在水流動力學的影響下，水體攜帶著大量的泥沙和巖石碎屑進入排水系統(tǒng)內(nèi)并滯留，嚴重影響排水系統(tǒng)內(nèi)的水體外排情況。

一、山區(qū)隧道排水系統(tǒng)阻塞根原分析

（一）工程地質(zhì)條件因素

工程地質(zhì)條件因素可以細分為地質(zhì)構(gòu)造因素和隧道圍巖因素兩部分，省內(nèi)山區(qū)大部分山體隧道巖石節(jié)理發(fā)育完全，石灰?guī)r層的巖溶特性尤其明顯，巖層的密封性較差，一旦地下水水位上升到巖層內(nèi)指定高度，將導(dǎo)致大量的巖層地下水內(nèi)滲，并將大量的鈣、鎂、鐵離子等各種鹽酸根離子裹攜到排水系統(tǒng)內(nèi)，加速排水系統(tǒng)內(nèi)阻塞進度，削減排水系統(tǒng)的使用壽命。此外，石灰石圍巖中含有大量的可溶性碳酸鹽類物質(zhì)，在地下水和圍巖滲透水的長期沖刷作用下，大塊的可溶性鹽酸類物質(zhì)將分散成細小顆粒進入排水系統(tǒng)內(nèi)，地下水在圍巖中的運動受到多因素的耦合影響，難以通過一種單純的控制技術(shù)徹底阻斷圍巖阻塞影響，且圍巖滲透阻塞會隨著圍巖滲透性的增加呈現(xiàn)惡性循環(huán)，圍巖內(nèi)的滲透通道內(nèi)徑快速擴張，大量的巖層碎屑和難溶性鹽類沉淀連續(xù)補充到排水系統(tǒng)內(nèi)，最終造成排水系統(tǒng)的阻塞。

（二） 外界設(shè)計施工擾動因素

早期隧道排水系統(tǒng)在設(shè)計過程中缺乏針對性，大部分設(shè)計人員直接將標準排水系統(tǒng)設(shè)計方案遷移到項目設(shè)計中，導(dǎo)致排水系統(tǒng)設(shè)計和實際工況嚴重偏離。正確的排水設(shè)計模式應(yīng)該以隧道內(nèi)圍巖滲透水量和滲透速率為判定標準。如果排水系統(tǒng)設(shè)計直徑過小，鹽酸類沉淀物和各種碎屑泥沙將快速阻塞排水系統(tǒng)截面；如果排水系統(tǒng)設(shè)計直徑過大，在較低的排水速率條件下，排水系統(tǒng)內(nèi)的水分流動速率下降，滲透水中摻加的各種沉淀、碎屑及泥沙等沉淀物將無法以較快的速率排出管道，增加了各種沉淀物聚集在排水系統(tǒng)內(nèi)的風險。

除了設(shè)計因素外，施工因素對隧道排水系統(tǒng)的影響也不容忽視。排水系統(tǒng)設(shè)計標高直接決定了排水系統(tǒng)在隧道內(nèi)的整體坡度和總體布局，如果實際施工的坡度范圍偏離了設(shè)計范圍，將導(dǎo)致預(yù)先設(shè)計的最優(yōu)化水頭值出現(xiàn)偏離，影響排水系統(tǒng)的最佳排水效率；在部分水流交匯位置沒有設(shè)置專用的彎頭，大量水流交匯位置存在“直上直下”的情況，一旦隧道內(nèi)部水分外排壓力增加，將引發(fā)嚴重的排水倒灌問題，不但不能及時外排滲透水，還將引起嚴重的隧道內(nèi)積水；部分施工作業(yè)人員不重視排水管道內(nèi)部清潔性，將大量的施工垃圾和廢料隨意堆砌在排水管道內(nèi)部，造成內(nèi)部排水不暢，削弱了排水系統(tǒng)的排水能力和效率，增加了隧道內(nèi)排水系統(tǒng)的排水負擔。

（三）降水因素

氣候影響因素不同于設(shè)計施工及工程地質(zhì)因素，屬于非直接影響因素，區(qū)域降水量會影響隧道巖層內(nèi)地下水的水位、水量及各種鹽酸根離子的濃度指標。在夏季多雨季節(jié)，地表水對地下水的補給效應(yīng)較強，但同時對地下水中各種不良鹽酸根離子有不同程度的稀釋作用，地表水的的補充打破了既有的地下水離子平衡，進而影響沉淀物類型和濃度。此外，強對流天氣條件下的強降雨天氣還會裹攜大量的泥沙及巖層碎屑進入隧道內(nèi)排水系統(tǒng)內(nèi)，加劇了排水系統(tǒng)內(nèi)的阻塞風險，部分強降雨因素和排水系統(tǒng)坡度不合理因素疊加在一起，在短時間內(nèi)快速阻塞排水系統(tǒng)管道，造成隧道內(nèi)涌水病害。

二、山區(qū)隧道排水系統(tǒng)阻塞病害處治技術(shù)

（一）物理病害處治技術(shù)

物理病害處治應(yīng)嘗試從排水系統(tǒng)坡度優(yōu)化和管道內(nèi)部優(yōu)化兩方面切入。通過調(diào)查省內(nèi)隧道排水系統(tǒng)阻塞病害可知，超過80%的病害位置出現(xiàn)在縱向排水系統(tǒng)中，根本原因是縱向排水系統(tǒng)的坡度設(shè)計值較小，設(shè)計坡度基本介于0.8%至2%范圍內(nèi)，且滲透水分在縱向排水系統(tǒng)中的流速較慢，很容易引起沉淀物、巖石碎屑沉積。為了提高排水系統(tǒng)內(nèi)局部的水頭壓力，增加排水系統(tǒng)內(nèi)部的水動力，建議將傳統(tǒng)的直線型縱向排水系統(tǒng)優(yōu)化為折線型。優(yōu)化后的折線型排水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的折線型排水系統(tǒng)

由圖1分析可知，經(jīng)優(yōu)化后的縱向排水系統(tǒng)坡度值明顯大于隧道內(nèi)路面設(shè)計坡度，匯集到縱向排水系統(tǒng)中的水能夠以最快的速率流入到橫向排水系統(tǒng)中，極大地控制了地下水流入縱向排水系統(tǒng)的總時間，達到了預(yù)防縱向排水系統(tǒng)阻塞的目的。

除了從宏觀層面優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)外，還可以嘗試對隧道排水系統(tǒng)管壁優(yōu)化處理，分析排水系統(tǒng)阻塞成因可知，主要是由于大量的鹽酸類沉淀集聚在管道內(nèi)部，由于長期集聚作用導(dǎo)致管道內(nèi)有限的流動截面積下降，嚴重情況下將導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)完全阻塞?？梢栽诠艿纼?nèi)部粘貼纖維細毛，通過纖維細毛的虹吸和過濾作用盡量避免各種沉淀物質(zhì)的集聚，增加排水系統(tǒng)內(nèi)壁和水分的直接接觸面積，控制了沉淀結(jié)晶物流經(jīng)管道內(nèi)部的速率。圖2為改造后的隧道排水管道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。

圖2 改造后的隧道排水管道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)

（二）生化病害處治技術(shù)

分析病害調(diào)查數(shù)據(jù)可知，絕大多數(shù)的隧道排水系統(tǒng)阻塞病害都是由于地下滲透水結(jié)晶引起，由于省內(nèi)山區(qū)隧道基本以石灰?guī)r為主，隧道內(nèi)因結(jié)晶導(dǎo)致的阻塞病害情況極其嚴重，建議在隧道排水系統(tǒng)中摻加一定比例的阻斷劑，阻斷鈣離子、鎂離子及鐵離子與鹽酸根離子反應(yīng)，從化學干預(yù)角度控制沉淀生成，并對已經(jīng)生成的沉淀物進行溶解，從化學反應(yīng)節(jié)段和反應(yīng)后期入手進行控制。當前養(yǎng)護工程實踐中最常用的阻斷劑包括：天然高聚物阻斷劑、含磷類除垢劑、共聚物阻斷劑及新型低碳阻斷劑幾種，阻斷劑的化學活性較高，可以與排水系統(tǒng)中的鈣離子、鎂離子等物質(zhì)反應(yīng)后形成可溶性的聚合物，由于其和各種金屬離子的反應(yīng)活性和速率高于普通鹽酸根離子，進而阻斷了其與鹽酸根離子的反應(yīng)速率，控制了各種鹽酸類沉淀的生產(chǎn)速率。此外，阻斷劑還會與已經(jīng)形成的沉淀物發(fā)生化學反應(yīng)，使沉淀物無法長期集聚形成體積較大的沉淀物。

三、總結(jié)

綜上，為了保證山區(qū)隧道排水系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，最大程度控制排水系統(tǒng)內(nèi)的沉積阻塞病害，應(yīng)先對可能造成隧道排水系統(tǒng)阻塞的各種原因分類分析，并針對性提出相應(yīng)的處治措施，優(yōu)化既有的隧道排水系統(tǒng)，提升排水系統(tǒng)的可靠性和工作效率。文章提出的處治措施經(jīng)工程實踐檢驗效果良好，滿足阻塞病害處治要求。