當金山隧道排水盲管結晶物形成原因分析及治理措施的探討

柴天佑

（敦煌鐵路有限責任公司，甘肅 敦煌 736200）

1 工程概況

當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級圍巖長10.595Km,占隧道總長的52.6%。隧道穿過10個斷層，地下水、節理裂隙十分發育，為巖溶發育提供了條件。

在當金山隧道施工中，排水盲管中形成結晶物速度非常快，水溝中沉淀物堆積明顯。尤其是富水段，兩個月左右部分盲管中形成的結晶物沉淀物堆積厚度達到5mm以上，已對排水形成阻塞，直接影響盲管正常排水功能。針對隧道施工中這個情況，對結晶物形成機理，探索預防和治理措施，從結晶物成分、來源、形成等多方面進行探索。

2 結晶物的主要成分及形成機理

2.1 結晶物的形成過程

通過對當金山隧道水樣和白色結晶物取樣送檢化驗結果表明，隧道排水中鈣、鎂離子偏高，但與所在地區水平基本保持一致，白色結晶物成份主要是碳酸鹽和硫酸鹽。相關文獻表明，在隧道排水管內結晶物生成的過程中，CO2起到了很大作用。具體來說就是CO2溶于水生成碳酸（H2CO3）,碳酸在水中發生電離，產生H+和HCO-3,當水溶液中H+濃度在某一數值時水溶液處于平衡狀態，也就是既不發生沉淀結晶、也不繼續溶解，但當H+濃度低于這一數值時，則會發生碳酸鈣、碳酸鎂的沉淀結晶。巖溶隧道排水管內的沉淀結晶物主要是由化學反應生成的結晶物在溶解度發生變化的情況下析出產生。當隧道開挖后，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，促使化學反應向沉淀結晶物方向進行，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，經過一段時間的積累，直接影響盲管正常功能。

同時溫度對結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定狀態，利于結晶物的析出。

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

2.2 結晶物成份中鈣離子來源

結晶物盲管內結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方面。一是當地下水流過富含碳酸鈣礦質的巖層時，攜帶鈣酸鹽物質；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生成的硫酸鈣，而部分的硫酸鹽也會以白色晶體形式從混凝土當中析出；三是噴射混凝土速凝劑中碳酸鈣的存在同時增加了鈣離子跟碳酸根離子。

2.3 結晶物成份中碳酸根離子來源

CO2是結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的主要有以下幾個來源，一是大氣中的CO2，在隧道施工中施工機械排放、人員活動帶來增加了CO2含量；二是土壤中的有機物或微生物分解作用產生的CO2，通過降水、地表水對地下水的補給，進入地下裂隙水；三是巖體中碳酸鹽類礦物質由于熱解作用產生CO2，隨著地下水流動進入地下水系統。

2.4 盲管中結晶物的形成過程

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

同時由于在施工中不規范，排水管實際坡度于設計坡度不符，造成盲管反坡布置，對盲管保護不到位，混凝土振搗造成盲管變形受損，二襯澆筑時混凝土流入盲管未及時清理等加劇排水管堵塞情況。

同時為研究不同類型盲管、二氧化碳濃度、水流速度等因素對結晶物形成的影響，我們在隧道施工中使用了兩種不同的排水盲管，同時搭建室外模型，模擬隧道盲管結晶過程。通過近2個月的觀察發現，管壁光滑的盲管形成結晶物速度小于彈簧排水盲管，水流速度相對較快的盲管也不易形成沉淀物，室外模型使用的盲管中結晶現象明顯低于隧道內盲管結晶速度。

以上研究和試驗表明，地下水中的攜帶的大量鈣（包括混凝土中析出的鈣離子，部分運營隧道病害表明，隧道初支侵蝕問題比較嚴重，初支混凝土在長期侵蝕環境下，整體性遭到破壞，成松散狀）和水中、空氣中的CO2的相互作用、隧道內溫度升高是結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理后，防止隧道排水盲管堵塞可從阻止結晶物形成、析出和防止析出物沉淀兩個方向來解決。一些專家通過多年的研究，對防止結晶采取生物、化學方法，從源頭阻止結晶物析出和促進結晶物的溶解主要有以下兩種。

1）采取CA阻止析出結晶物。CA(碳酸酐酶)是一種金屬酶，劉再華通過研究CA對灰巖的溶解作用得出，如果排水管內的地下水偏酸性，酸性環境會抑制沉淀結晶物的生成，如果排水管內的地下水偏堿性，對CA的活性有利，會促使更多的CO2轉化，從而促進排水管內的結晶沉淀物溶解，所以如果在排水管內放置能夠適應排水管內環境的可以生成大量CA的細菌，將會降低排水管內結晶物的形成。

2）采取高效阻垢劑抑制結晶沉淀物的生成。HEDP（羥基乙叉二膦酸,化學用品，一種有機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預先放置高效阻垢劑抑制結晶物的生成具有可行性。

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

隧道排水系統是由環向排水盲管、縱向排水盲管、側溝組成，環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排水盲管的擠壓，盲管包裹土工布脫落，盲管內進入混凝土微粒、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。

針對在以上原因，在施工中可采取如下措施來抑制盲管內結晶物沉淀：

1）優化排水系統設計。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，增強排水管的排水能力，可以延緩盲管堵塞。二是盡可能采取內壁光滑的HDPE盲管，也能減少沉淀物的堆積。

2）改進施工工藝。一是在盲管敷設施工時，要控制好盲管的掛點布置和坡度，盲管兩端彎頭角度不小于135°進入水溝，減少水頭損失，盲管伸入側溝部分外套PVC保護管，并加裝固定環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盲管的損壞和避免澆筑完成出現反坡。

3）其他措施：一是加強隧道通風和施工車輛工況的管理，減少二氧化碳的排放量，降低隧道內二氧化碳濃度；二是提高初支噴射混凝土的密實度，嚴格控制水灰比，選擇優質的速凝劑，減少混凝土中鈣離子的流失。同時對中富水、富水段運用堵排結合的防水方式，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的探索

當金山隧道在建設過程中，排水盲管堵塞現象比較嚴重，如何疏通堵塞盲管，清除沉淀物、我們在工程實施中進行了一些探索。

4.1 采取化學清洗的方法

通過與蘭州大學合作對盲管堵塞疏通進行研究，對絡合法、洗滌法、酸法進行比較，從快速溶解結晶物、對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。實驗結果表明，對結晶物具有良好的溶解效果。后期現場組織對當金山隧道盲管堵塞進行清洗試驗，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，當加壓注入溶解液時，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，存在成本相對較高、注入設備與盲管對接困難等缺點。同時為掌握溶解液對混凝土性能的長期影響，在試驗室環境下制作混凝土試塊，在達到100%設計強度時，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抗壓強度進行試驗。試驗數據表明隨著時間增長，試件質量損失、強度損失相應增大，28d已造成明顯強度破壞和侵蝕，溶解液對混凝土具有一定的侵蝕作用。

4.2 采用機械疏通的方法

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

高壓射流清洗與化學清洗相比，更能適應不同堵塞程度的需要，具有設備簡單、操作方便、對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，沒有環境污染等優點，是一種安全清潔、快速高效的疏通方式，能較好的應用于在建或運營隧道的盲管疏通維護。

5 結論

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