隧道排水管結晶堵塞物溶解研究

林 浩，劉德龍，楊 超

（1.山西省交通科技研發有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著我國公路網不斷完善，截至2021 年底，全國公路里程已達到528 萬km，全國公路隧道達到2.3 萬余處，長度達到2 470 萬延米，包括特長隧道1 599 處和長隧道6 211 處，分別為717 萬延米和1 084 萬延米，我國已經成為隧道規模最大的國家之一。隧道運營過程中，出現了各種各樣的病害，而由于隧道結晶物堵塞引起的隧道滲漏水是非常常見的病害[1-2]。

導致隧道排水管發生堵塞現象的影響因素很多，且其形成過程相對復雜，主要影響因素包括地質構造原因、工程施工原因、圍巖狀況原因、生物原因，天然地下水狀況原因及氣候原因。其中，氣候原因是隧道排水管發生堵塞的間接作用因素中最關鍵原因，其主要影響降雨，進而影響地表水和地下水的水量，而對隧道排水管堵塞起到間接作用；工程施工原因、地質構造、生物因素和天然地下水狀態則是隧道排水管堵塞的直接原因，其影響程度遠大于氣候因素對隧道排水管堵塞的影響程度。隧道排水管正是這幾種復雜的因素同時作用而逐漸堵塞失效的[3]。

隧道排水管的具體堵塞原因有如下3 種情況：一種情況是地下水滲流沖刷巖石的碎片和顆粒，碎片和顆粒物進入隧道排水管內，形成堆積；第二種是地下水內溶解的硫酸鋇、碳酸鋇、碳酸鎂和碳酸鈣等多種無機鹽的結晶物，其中以碳酸鈣結晶物居多；第三種是地表水、降雨等沖刷部分泥土、泥沙及碎石流入隧道排水管形成堆積。無機鹽結晶物析出堵塞隧道排水管屬于化學作用，巖石碎片、泥土、泥沙及碎石形成堆積物堵塞隧道排水管屬于物理作用。隧道排水管堵塞正是化學作用和物理作用互相促進下而慢慢發生堵塞現象。據統計有70%隧道襯砌滲漏水的原因是隧道排水管中形成不溶于水的鈣鹽等結晶物堵塞而引起的[4]。

隧道排水管堵塞后會引起襯砌附件地下水上升，造成襯砌附近水的壓力增大。如果不能及時疏導結晶堵塞物，在長期的水作用下，隧道結構物及周邊受力結構均會受到嚴重影響，將會導致更多的隧道病害，輕則襯砌滲漏水、襯砌開裂和結構物變形，更嚴重的將會導致支護結構等發生破壞，影響隧道服役安全性[5-6]。

本文研究了不同的酸對隧道結晶溶解的速度，綜合考慮不同種類不同濃度的酸對隧道排水管結晶物的溶解效率、環保性、施工難易程度和安全性方面，針對應急突發情況和非應急情況，從化學溶解角度提出兩種情況下隧道排水管堵塞物的疏通方案，為后續隧道排水管的化學藥劑疏通提供理論支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

a）隧道排水管結晶物 太佳高速寶塔山隧道取樣。

b）草酸 分析純，天津市凱通化學試劑有限公司。

c）氨基磺酸 分析純，天津市凱通化學試劑有限公司。

d）冰乙酸 分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

e）鹽酸 優級純，天津市風船花謝試劑科技有限公司。

1.2 試驗儀器

JJ-5 型號水泥砂漿攪拌機，無錫市建工試驗儀器設備有限公司；YAW-300C 型號微機控制抗折壓試驗機，濟南力聯測試技術有限公司。

1.3 測試及分析

分別配置濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸溶液300 mL，測試其pH值，稱取20 組隧道排水管結晶物20 g，為了便于觀察其溶解效果，每組隧道排水管結晶物盡量取較大試樣。待4 種酸溶液溶解完畢，尤其是固體狀態的草酸和氨基磺酸溶解，15%～25%組草酸和氨基磺酸已到達飽和狀態，底部有未溶解部分。將20 組隧道排水管結晶物迅速倒入不同種類和濃度的酸溶液中，觀察其溶解速度（圖1），酸液顏色及底部隧道排水管結晶物體積變化，并跟蹤酸溶液的pH 值變化，其中濃度為5%～25%的草酸的pH 值為1.0～0.7，濃度為5%～25%的氨基磺酸的pH 值為0.8～0.5，濃度為5%～25%冰乙酸的pH 值為3.5～4.0，而濃度為5%～25%的鹽酸的pH 值小于0.5。

圖1 不同濃度不同種類的酸溶液對結晶物的溶解時間曲線圖

由圖1 可知，濃度為25%的鹽酸對隧道排水管結晶物的溶解時間最短，溶解速度最快，其在7 min 時，已將20 g 隧道排水管結晶物完全溶解，杯子底部已無顆粒狀結晶物，且不再有氣泡冒出；濃度為20%和濃度為15%的鹽酸分別在13 min 和20 min 將結晶物完全溶解，此時其他3 類酸溶液的最高濃度組的結晶物還未完全溶解；而濃度為10%的鹽酸溶液在40 min 時，將隧道排水管結晶物完全溶解，此時濃度為25%的氨基磺酸和草酸也已將隧道排水管結晶物完全溶解；濃度為25%的冰乙酸在50 min 時將隧道排水管結晶物完全溶解。不同濃度不同種類的酸溶液溶解結晶物后的顏色情況見表1，狀況見圖2。

表1 不同濃度不同種類的酸溶液溶解結晶物后的顏色情況

圖2 溶解完成后容器底部隧道排水管結晶物狀況圖

2 結果分析

配置的300 mL 濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸4 種溶液中，濃度為5%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及鹽酸均未能完全溶解20 g 的隧道排水管結晶物，其中濃度為5%的草酸溶液中隧道排水管結晶物溶解剩余物體積最大；濃度為5%的乙酸溶液中隧道排水管結晶物溶解剩余物體積較大；而濃度為5%氨基磺酸和濃度為5%的鹽酸中隧道排水管結晶物剩余物的體積較小。濃度為10%～25%的氨基磺酸和鹽酸溶液中隧道排水管結晶物已完全溶解；濃度為10%～20%的草酸和冰乙酸中隧道排水管結晶物溶解剩余物中均有不同大小的塊狀剩余物。濃度為25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及鹽酸溶液中隧道排水管結晶物均完全溶解。

濃度為25%的鹽酸對隧道排水管結晶物溶解速度最快，僅用了7 min 即可完全溶解結晶物，因其效率最高，可有效縮短封閉交通時間，可用于緊急情況下的隧道排水管應急處置。濃度為25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸用了40～50 min 將隧道排水管結晶物完全溶解，但草酸與結晶物生成乳白色溶液，且其附著在結晶物表面形成鈍化保護層，阻止了草酸繼續與結晶物的反應，在結晶物較大時會影響其進一步溶解反應；而氨基磺酸酸性較強，使用時對人員和設備存在一定的安全隱患；冰乙酸的酸性較弱，使用安全，且環保性能好，對隧道結晶物的溶解速度較快，推薦在實際施工中使用。

3 結語

本文考察了300 mL 濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸對隧道排水管結晶物溶解作用。可應對隧道排水管堵塞緊急處置和非緊急處置兩種情況，緊急情況下，為縮短封閉交通時間，緩解交通壓力，減小因封閉交通帶來的損失，推薦采用較高濃度的鹽酸溶液進行處理，而非緊急情況，綜合考慮溶解速度、環保和安全性能，推薦采用較高濃度的冰乙酸進行處理。