貴南高鐵廣西段巖溶隧道排水管鈣化結晶問題研究

摘要 貴南高鐵巖溶隧道占比大，經過多年運營過程可以預見排水管道結晶、堵塞問題將會更加突出。為解決巖溶隧道高發的排水管鈣化結晶、淤堵問題，文章通過對貴南高鐵廣西段巖溶隧道排水管結晶堵塞問題進行專題研究，采用了結晶礦物成分試驗分析、鈣化結晶機理研究及控制結晶的主要因素調研分析等方法，對鈣化結晶問題發生的條件、機理、影響因素進行了詳細的闡述，并提出了排水盲管防結晶淤堵改進措施。

關鍵詞 巖溶隧道；鈣化；結晶

中圖分類號 U453.6 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0078-03

0 引言

巖溶隧道排水管鈣化結晶問題在通車運營一段時間后十分普遍突出，堵塞嚴重后處理不當會導致襯砌背后水壓增高，對襯砌結構造成破壞，影響隧道運營安全^[1-3]。該文對貴南高鐵巖溶隧道排水管鈣化結晶堵塞問題開展研究分析，并提出防堵塞改進措施。以期對今后類似巖溶隧道排水管結晶問題解決具有一定的借鑒意義。

1 貴南高鐵巖溶隧道概況

1.1 地形地貌

沿線地勢從西北向東南傾斜，總體可分為兩大地貌單元。省界至都安段地形起伏大，總體地勢北高南低，高程300～1 000 m，為高原斜坡地帶；都安至南寧段地勢相對平坦，總體北高南低，高程750～900 m，為廣西盆地地貌。線路沿線主要為溶蝕山地、峰叢、峰林、溶蝕洼地、槽谷、谷地、盆地和構造剝蝕低山丘陵區、低中山區，地勢北高南低。

1.2 隧道巖溶發育規模、特點

廣西段隧道長度為129.478 km，其中可溶巖段落長度112.09 km，占比86.6%。大于10 km的巖溶隧道有4座，最長隧道為九萬大山四號隧道，全長15.48 km。隧道位于巖溶水季節變動帶，段落長度為89.9 km，水平循環帶3.5 km，其余為垂直滲流帶。隧道勘察及施工揭示本線巖溶、巖溶水發育，為本線最為突出的工程地質問題之一。

2 施工中巖溶隧道排水管情況

根據九萬大山四號隧道出口段及永興一號等隧道現場查看發現，部分隧道泄水孔可見白色物質沉積。大部分沉積物為白色絮狀物，手觸即散，少部分白色固體結晶物，詳見圖1～2。

3 排水管鈣化結晶問題分析

3.1 結晶物礦物成分分析

根據國家金屬制品質量監督檢驗中心檢測結果，白色固體結晶物主要成分為碳酸鈣（CaCO₃），含量71.3%；其余部分為含鈣礦物，含量約占28.7%。此外根據微譜技術做的永興一號隧道泄水孔結晶物分析，固體物質也主要為碳酸鎂鈣和碳酸鈣。

3.2 鈣化結晶機理

可以從巖溶動力系統方面去理解碳酸鹽的溶解、沉積問題，溶解至沉積為化學反應過程，地下水流動系統中的控制因素發生變化將會導致化學反應的產生。隧道施工開挖后，地下水徑流狀態改變，巖溶動力系統的平衡狀態被打破，就可能造成含有鈣、鎂等離子的巖溶地下水，在隧道排水管中發生脫碳作用而形成結晶^[4]。

Ca²⁺/Mg²⁺+2HCO₃^?→CO₂↑+Ca/MgCO₃↓+H₂O

3.3 鈣化結晶主要因素分析

3.3.1 水質成分分析

理論上碳酸鹽沉積的條件為地下水中碳酸氫鈣的離子濃度大于碳酸氫鈣在水中的溶解度時，發生脫碳作用，形成結晶。

但根據九萬大山四號隧道出口段泄水孔取水樣分析結果（詳見表1），水質類型主要為SO₄^2?.CL^?—Mg²⁺型水。水質類型并不符合碳酸鹽沉積的條件。

永興一號隧道地下水水質分析結論為：水質類型屬HCO₃^?.SO₄^2?—Ca²⁺.Mg²⁺型水。其中Ca²⁺離子濃度一般為1.8～3.36 mmol/L，72～134 mg/L；HCO₃^?離子濃度一般為4～5.68 mmol/L，251～346 mg/L。可得到水中碳酸氫鈣濃度約為0.048 g/100 mL，此濃度要遠低于碳酸氫鈣在水中的溶解度16.6 g/100 mL（20 ℃），因此天然地下水中的碳酸氫鈣未到達飽和狀態，位于溶解度曲線的下方（穩定區），不易發生結晶。但影響碳酸鈣沉積（結晶）的影響因素很多，包括CO₂分壓（Pco₂）、流速、溫度、pH值及離子濃度等，例如泄水孔中的Pco2往往小于巖層及填筑層中的Pco₂，隧道中的溫度也可能高于地層及填筑層的溫度，以上兩個條件將會加速地下水發生脫碳作用，逸出CO₂而形成有利于碳酸鹽發生沉積的條件，流速和pH值同樣會影響結晶作用的發生。

綜上所述，影響碳酸鹽沉積的因素很多，但最直接的要素離子濃度與飽和溶液濃度相距甚遠，因此從機理上分析認為環境水自然結晶沉積的可能性小。

3.3.2 混凝土材質的影響

混凝土是以膠凝材料，粗、細骨料，以及外加劑與水按一定比例拌制而成的混合體。作為膠凝材料的水泥，在影響排水管鈣化結晶物形成的原因中屬于決定性因素。水泥產品通常包含水泥熟料、石膏和混合材料等幾種組分。其中水泥熟料的主要成分包括3CaO·SiO₂，2CaO·SiO₂，3CaO·Al₂O₃及4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃四種。熟料的組分當中CaO的含量大于60%，而且這四種熟料礦物都能夠與水發生反應，形成相應的水化產物，水化物中的主要成分是Ca（OH）₂，為一種白色的晶體，極易溶于水，Ca（OH）₂能與CO₂相結合生成白色的CaCO₃和Ca（HCO₃^?）晶體。此外，水泥中另一重要組分為石膏，化學式為CaSO₄·H₂O，石膏在水泥產品中主要起到調節凝結、硬化時間的作用，是水泥產品中必備的礦物，石膏中的硫酸根極易與某些金屬離子結合成相應的硫酸鹽，而部分硫酸鹽也同樣會以白色晶體的形式從混凝土當中析出。

初步分析認為，該段白色沉積物的產生可能由混凝土原材料以及外加劑方面引起，化學反應形成。

3.3.3 排水盲管結晶淤堵

排水盲管缺陷主要是盲管質量差，易壓扁變形，受噴射混凝土外加劑、地下水環境及盲管內壁粗糙等影響，易結晶和淤堵，且結晶后難疏通維護。引起排水盲管淤堵的主要原因如下：

（1）盲管未采用土工布包裹，或外包不密實、不規范，導致進漿阻塞盲管。

（2）排水管接頭安裝不符合要求，造成混凝土堵塞排水盲管。

（3）排水盲管出水口未進行有效保護，混凝土施工造成管口堵塞，導致排水不暢。

（4）大部分盲管質量差，易壓扁變形。

（5）受噴射混凝土強堿性外加劑、地下水環境及盲管內壁粗糙等因素影響易結晶，且結晶后難疏通維護。

4 排水盲管防結晶淤堵改進措施研究

防止排水盲管結晶淤堵的措施，主要是采用材質可靠、不易變形且可維護型的排水盲管，同時應加強質量檢驗和施工工藝管控，避免盲管堵塞，確保排水盲管的暢通。其具體改進措施如下：

4.1 研發和應用可維護的系統盲管

襯砌背后應研發和推廣采用可維護型排水盲管，便于盲管維護，并可實現疏通，確保隧道排水順暢。

4.2 防結晶措施

基于鐵路隧道排水系統結晶機理及影響因素分析結果，鐵路隧道排水系統結晶預防技術措施如下。

4.2.1 采用全密封排水系統

為防止隧道排水系統鈣化結晶，排水系統可采用全密封結構，詳見圖3。全密封結構可避免排水管道內空氣流通，使排水系統內壓力、溫度、濕度等環境條件保持穩定，有效抑制CO₂的逸失或補充，從而達到抑制碳酸鹽類結晶沉淀生成的目的。

4.2.2 采用雙壁波紋管

隧道排水管道宜采用雙壁波紋管，提高環剛度等物理力學性能要求，避免壓扁，采用標準化接頭，提高排水系統內壁平順性；同時，排水盲管內壁應涂覆疏水材料涂層，以提高內壁耐沾污性，亦應提高排水管內壁光滑度。

鐵路隧道排水盲管基本結構應采用HDPE雙壁波紋管，可根據其功能要求分為打孔和不打孔兩種形式。當需要轉接、延長盲管長度以及側邊外接盲管時，可使用彎頭、直接頭、三通接頭等不同的標準管件接頭來實現。

4.2.3 條形排水板代替環向排水盲管

為有效避免環向排水盲管結晶堵塞，可將環向排水盲管改為條形排水板，提高排水能力，降低施工與疏通難度以及環向盲管對襯砌結構的影響。

4.2.4 改善排水系統內部環境條件

鐵路隧道排水系統中溫度與濕度明顯高于外界正常環境條件，CO₂濃度亦高于隧道外部，隧道排水系統不利的環境條件加劇了排水系統中碳酸鹽結晶生成，應加強隧道內通風換氣、灑水除塵等作業，改善隧道內環境，降低溫度、濕度、CO₂濃度等環境條件影響。

4.2.5 初期支護采用無堿速凝劑

提高初期支護噴射混凝土的密實度，采用無堿速凝劑，減少滲透通過噴射混凝土的水量與噴射混凝土中堿性物質流失，降低排水系統水體中pH值及Ca²⁺、Mg²⁺等含量。

4.3 排水系統堵塞疏通技術措施

根據前期調研情況，鐵路隧道排水系統堵塞主要分為排水盲管結晶堵塞、排水盲管壓扁、排水盲管接頭錯位、排水盲管內注滿混凝土及排水溝泥沙淤積等不同工況。針對以上工況，應采用不同疏通設備、參數組合以及疏通工藝，對排水系統進行疏通治理^[5]。

4.3.1 高壓水疏通系統

高壓水疏通系統主要是針對鐵路隧道排水盲管結晶堵塞及排水溝淤積堵塞研制的一種疏通設備，高壓疏通系統主要由高壓疏通機、高壓管、進水管、溢流管、高壓噴頭及控制器等組成。其中，高壓疏通機由高壓清洗機、高壓噴頭等組成，壓力500 kg，流量22 L，由汽油發動機提供動力；疏通噴頭分可為兩種——不銹鋼旋轉噴頭和不銹鋼非旋轉噴頭，直徑8～14 mm，噴嘴前一后三；高壓管材質為樹脂高壓管，直徑10 mm，可承壓600 kg。

高壓水疏通系統適用于排水系統結晶、泥沙淤積疏通，或是管道壓扁但噴頭能通過的工況。

4.3.2 電動疏通系統

電動疏通系統主要是針對鐵路隧道排水管壓扁或被混凝土注滿堵塞而設計的一款具備一定破碎功能的電動疏通設備，主要是由電動疏通機、傳動軸、電動疏通鉆頭構成。適用于排水系統被嚴重壓扁或是管道被混凝土注滿，只能采取切割破碎的工況。

4.3.3 可視化探測系統

可視化探測系統由攝像頭、玻纖硬質導線、可充電電池、顯示器、內存卡以及外包裝組成。其中攝像頭防護等級為IP68，前端自帶LED燈，可為管道內部攝像時提供照明；利用玻纖硬質導線，操作人員可以很方便地將攝像頭送入管道深處；顯示器方便操作人員現場觀察管道內部情況，為疏通作業提供清晰的影像資料，使疏通作業更加有針對性，查驗疏通效果也更加直觀便捷。同時，影像數據可通過內存卡儲存，便于作業后的回放以及操作總結。

5 結語

該文通過礦物結晶成分分析，鈣化結晶機理研究，控制結晶生成的主要因素探討，得知：結晶固體物質成分主要為碳酸鎂鈣和碳酸鈣；鈣化結晶機理為巖溶動力系統平衡被打破后，造成含有鈣、鎂等離子的巖溶地下水，在隧道排水管中發生脫碳作用；鈣化結晶的主要控制因素包括水質成分、混凝土材質、排水管缺陷等。

可通過采用全密封排水系統、雙壁波紋管或者定期疏通等措施，避免排水管結晶堵塞造成的排水系統失效，危及隧道結構安全。采用該文所提出的方法、建議，對今后同類地質條件的施工具有重要參考價值。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-07

作者簡介：王志軍（1981—），男，本科，高級工程師，從事鐵路、公路、城市軌道交通及市政工程項目勘察設計工作。