鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施研究

郭小雄

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

排水盲管與排水溝作為鐵路隧道排水系統(tǒng)重要組成部分，其通堵狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路隧道服役性能。近些年，隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞逐漸引起各方重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。翟明[1]對(duì)灰?guī)r區(qū)隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了結(jié)晶機(jī)理及結(jié)晶體生成過(guò)程。于劍峰等[2]研究了影響碳酸鈣溶解度的溫度、pH值及鹽濃度等因素及其影響規(guī)律，確定了鹵水輸送的阻垢條件，建立了預(yù)防鹵水輸送管道碳酸鹽結(jié)垢的方法。于清浩[3]研究了海底隧道排水系統(tǒng)在海水、初期支護(hù)及圍巖共同作用下的堵塞狀況，分析了排水系統(tǒng)的耐久性。周卓[4]從氣候、生物、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖及工程等方面對(duì)巖溶地區(qū)隧道排水管堵塞原因進(jìn)行了分析，研究了地下水滲流結(jié)晶堵塞隧道排水管機(jī)理，給出了處治建議。連兵等[5]分析了土壤及巖生微生物對(duì)巖溶的影響，探討了微生物捕獲CO2并誘導(dǎo)碳酸鹽形成的機(jī)理。WONGSARO J[6]對(duì)地下水位上升和隧道排水系統(tǒng)堵塞及襯砌力學(xué)性能劣化進(jìn)行了探討。

針對(duì)結(jié)晶問(wèn)題，主要措施有治理結(jié)晶和加強(qiáng)排水這兩大類。劉士洋等[7-8]提出采用植絨PVC管去除結(jié)晶，且絨毛長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)水流速度或者水壓大小選取，以充分發(fā)揮絨毛除結(jié)晶的效果。王引生等[9]采用電熱系統(tǒng)加速排水過(guò)程。黃大維等[10]通過(guò)合理設(shè)計(jì)防水密封墊的位置及斷面形式，加強(qiáng)了隧道縱縫接頭的防水能力。

此外，部分學(xué)者從力學(xué)角度對(duì)富水隧道和排水管堵塞后的隧道進(jìn)行了分析。高春君等[11]給出了在同一堵塞程度下，隧道襯砌應(yīng)力和原始地下水位之間的關(guān)系，且75%的堵塞程度75%是襯砌受力開始明顯變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。雷明鋒等[12]總結(jié)了3類損傷模式，分別為結(jié)晶侵蝕性物理?yè)p傷、溶蝕性化學(xué)損傷以及綜合型損傷，襯砌混凝土表面結(jié)晶面積、剝落程度、裂縫寬度隨時(shí)間變化均表現(xiàn)為發(fā)散型二次曲線特征。邱龑等[13]分析了支護(hù)壓力和前方土體靜止水壓力的關(guān)系。高新強(qiáng)等[14]分析了隧道排水比和支護(hù)水壓力的關(guān)系。朱正國(guó)等[15]研究了富水情況下的隧道基底加固技術(shù)，分析了激振對(duì)這類隧道基底的影響。

目前的研究主要集中在宏觀方面，例如結(jié)晶的速度、密度，以及結(jié)晶和富水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響等。但實(shí)際上結(jié)晶是一個(gè)由微觀累積到宏觀體現(xiàn)的過(guò)程，并且隧道導(dǎo)盲管內(nèi)外的環(huán)境差異較大，其結(jié)晶的產(chǎn)生過(guò)程有別于其他結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶量的積累過(guò)程也具有極大的環(huán)境差異性。鑒于此，本文針對(duì)鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問(wèn)題，基于排水系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境、結(jié)晶體成分、水體pH值及離子含量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)晶生成過(guò)程，分析結(jié)晶機(jī)理及影響因素；在此基礎(chǔ)上，提出排水系統(tǒng)被結(jié)晶堵塞的應(yīng)對(duì)措施，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 結(jié)晶表觀特征和環(huán)境參數(shù)

1.1 表觀特征

鐵路隧道排水系統(tǒng)內(nèi)結(jié)晶體呈乳白色，一般于噴射混凝土施作完成后3～5 d出現(xiàn)，初期呈黏稠糊狀，后期硬化，內(nèi)部呈蜂窩狀固體，結(jié)構(gòu)酥軟，強(qiáng)度較低。主要分布于初期支護(hù)噴射混凝土表面、二次襯砌排水管出口附近表面及排水管道內(nèi)等部位，其中前2處的結(jié)晶體分布形態(tài)與流水區(qū)域的水流流向重合，呈條狀或面狀分布，如圖1所示。后期結(jié)晶聚集硬化后則堵塞于排水管附近，為塊狀固體，如圖2所示。

圖1 初期支護(hù)表面和出水口的結(jié)晶體分布特征

圖2 排水管附近的塊狀結(jié)晶體

1.2 溫度和濕度環(huán)境參數(shù)

為掌握外部環(huán)境對(duì)結(jié)晶影響程度，在2017-04-17至2017-05-15期間，于銀西鐵路慶陽(yáng)隧道開展了隧道凈空區(qū)域內(nèi)、排水管內(nèi)及排水溝內(nèi)等不同部位CO2濃度、溫度、濕度等外界環(huán)境參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3—圖5所示。

由圖3—圖5可知：隧道內(nèi)CO2濃度主要集中于1.2～1.9 mg·L-1之間，約是正?？諝庵械?倍，其原因是隧道內(nèi)部通風(fēng)不暢；排水溝與排水管內(nèi)的CO2濃度稍高于隧道內(nèi)，這是由于水流將大量微生物帶入管道口附近，微生物大量聚集后新陳代謝產(chǎn)生的CO2又無(wú)法全部順利與外界對(duì)流交換；這3處的溫度基本接近，但均高于測(cè)試期間隧道外部環(huán)境氣溫(日夜平均氣溫約為21 ℃)；排水管內(nèi)及排水溝內(nèi)濕度均高于隧道內(nèi)，且均高于測(cè)試期間隧道外部環(huán)境濕度(相對(duì)濕度53%RH)。

圖3 不同部位的CO2濃度

圖4 溫度測(cè)試結(jié)果

圖5 濕度測(cè)試結(jié)果

由此可知：隧道內(nèi)的CO2濃度較大，十分有利于結(jié)晶的產(chǎn)生，同時(shí)，隧道內(nèi)溫度和濕度的升高則加劇了結(jié)晶的產(chǎn)生速度。

1.3 水環(huán)境參數(shù)

表1 水樣中主要離子含量及水樣的pH值

2 結(jié)晶組成和細(xì)觀結(jié)構(gòu)

選取銀西鐵路慶陽(yáng)隧道的初期支護(hù)表面、排水管內(nèi)、襯砌出水口附近進(jìn)行結(jié)晶現(xiàn)場(chǎng)取樣，結(jié)晶試樣如圖6所示。

圖6 結(jié)晶體試樣

1)化學(xué)分析測(cè)試

采用X熒光光譜測(cè)試結(jié)晶體的化學(xué)組成及其物質(zhì)含量，結(jié)果如圖7所示，可以看出，5種試樣中結(jié)晶體化學(xué)成分均以CaO為主，含量超過(guò)60%以上，其次為MgO，含量約為20%。

2)礦物組成測(cè)試

采用X射線衍射儀測(cè)定結(jié)晶體礦物組成，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯?種試樣中含量最多的物質(zhì)均為碳酸鈣類礦物，以方解石和球霰石的形貌出現(xiàn)；其次是一些鎂質(zhì)礦物，如白云石、氫氧鎂石等；試樣1中有少量的石英晶體，應(yīng)是取樣時(shí)混入的原巖雜質(zhì)。

圖7 結(jié)晶體化學(xué)成分含量

圖8 結(jié)晶體礦物組成

3)結(jié)晶微觀形態(tài)

采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行結(jié)晶體微觀形貌觀測(cè)，選取試樣2和試樣3的結(jié)晶體進(jìn)行電子掃描，結(jié)晶體微觀形態(tài)特征如圖9所示。由圖9可見，結(jié)晶體微觀形態(tài)主要為微細(xì)晶尖，呈長(zhǎng)針狀叢簇或短針狀分枝的聚集體。

圖9 結(jié)晶體微觀形態(tài)

3 結(jié)晶產(chǎn)生機(jī)理

3.1 結(jié)晶過(guò)程的模擬

在室溫條件下，分別將水泥凈漿試塊浸泡于蒸餾水與0.1 mol·L-1NaOH溶液中，模擬在不同環(huán)境(密封空氣、流動(dòng)空氣、密封CO2)工況下結(jié)晶情況，試驗(yàn)工況及結(jié)果見表2和圖10。

表2 結(jié)晶模擬試驗(yàn)

圖10 結(jié)晶模擬試驗(yàn)

由結(jié)晶模擬試驗(yàn)可以得到如下結(jié)論。

(1)6種工況的試樣溶液均呈堿性，其中工況1、工況2、工況4和工況5的pH值均在12～13之間，工況3的pH值為7～8，工況6的pH值為8～9。溶液呈堿性的原因是：水泥凈漿試塊浸泡在蒸餾水中時(shí)，水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)溶解到蒸餾水中所致；而工況3和工況6則由于CO2溶解后呈弱酸性，使得溶液pH值低于其他工況。

(2)工況3與工況6未出現(xiàn)結(jié)晶體，工況1與工況4輕微結(jié)晶，工況2與工況5則結(jié)晶明顯，結(jié)晶程度依次為工況3=工況6<工況1<工況4<工況2<工況5。密封空氣與密封CO2環(huán)境條件下，壓力、溫度等環(huán)境條件較為穩(wěn)定，溶液中CO2難以逸失，保證了化學(xué)平衡狀態(tài)，有效抑制了結(jié)晶體沉淀生成；工況2與工況5在流動(dòng)空氣環(huán)境條件下，溶液中CO2逸失，打破了化學(xué)平衡，有利于碳酸鹽類結(jié)晶體生成。

3.2 結(jié)晶機(jī)理和影響因素

(1)

鐵路隧道圍巖裂隙水滲透通過(guò)初期支護(hù)噴射混凝土，會(huì)帶走Ca(OH)2等大量堿性物質(zhì)，使得在水體呈現(xiàn)強(qiáng)堿性。排水系統(tǒng)高溫、高濕環(huán)境條件以及CO2分壓等的變化，致使化學(xué)平衡破壞，碳酸鹽快速結(jié)晶析出；加之目前排水構(gòu)件內(nèi)壁平整度、光滑度及耐污性等均無(wú)要求，結(jié)晶體集聚于排水系統(tǒng)內(nèi)壁表面，長(zhǎng)期結(jié)晶沉淀堵塞排水系統(tǒng)，尤其是水流速較低情況下，碳酸鹽將有更充裕的時(shí)間進(jìn)行結(jié)晶，使得排水系統(tǒng)更容易發(fā)生堵塞。

4 防結(jié)晶排水系統(tǒng)和新涂層材料的應(yīng)用

根據(jù)結(jié)晶產(chǎn)生的機(jī)理，同時(shí)考慮隧道排水系統(tǒng)目前的缺陷，提出防結(jié)晶排水系統(tǒng)和新型防結(jié)晶涂層材料，從而改進(jìn)系統(tǒng)整體的排水性能和防結(jié)晶性能。

1)防結(jié)晶排水系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用全密封設(shè)計(jì)，避免排水管道內(nèi)空氣流動(dòng)，保持排水系統(tǒng)內(nèi)壓力、溫度、濕度等環(huán)境條件穩(wěn)定，抑制CO2的逸失或補(bǔ)充，控制碳酸鹽結(jié)晶沉淀生成，系統(tǒng)組成如圖11所示。

圖11 防結(jié)晶排水系統(tǒng)組成

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)防結(jié)晶排水系統(tǒng)進(jìn)行防結(jié)晶試驗(yàn)，將其防結(jié)晶效果與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示，可見，采用防結(jié)晶排水系統(tǒng)后，排水管內(nèi)壁沒(méi)有結(jié)晶，而傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)晶較多，這是因?yàn)榉澜Y(jié)晶排水系統(tǒng)在保證排水順暢的基礎(chǔ)上，隔絕了排水系統(tǒng)內(nèi)部空氣對(duì)流交換，有效抑制了結(jié)晶體生成，說(shuō)明采用該系統(tǒng)可以有效地防止排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞。

圖12 防結(jié)晶效果對(duì)比

2)防結(jié)晶涂層材料

隧道排水管道采用雙壁波紋管，內(nèi)壁涂覆疏水材料涂層，以提高內(nèi)壁耐沾污性。提高耐沾污性能有效降低結(jié)晶體或泥沙在排水管內(nèi)壁的粘附能力，本次研究將覆有涂層材料的波紋管樣片浸泡于含污漬的液體，通過(guò)浸泡前后樣片質(zhì)量的變化和其表面的反射率來(lái)驗(yàn)證涂層材料的有效性，同時(shí)和未覆蓋防結(jié)晶涂熾的樣片進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果見圖13和表3。

圖13 實(shí)驗(yàn)前后排水管內(nèi)壁耐沾污性試驗(yàn)

表3 排水管內(nèi)壁耐沾污性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：有防結(jié)晶涂層的排水管內(nèi)壁反射率變化不大于20%，僅為未覆蓋涂層樣片的反射率的一半不到；單位面積沾污量為0.179 mg·cm-2，僅為未覆蓋涂層樣片的10%不到。因此，這種新型防結(jié)晶涂層材料可有效緩解結(jié)晶體在排水管內(nèi)壁上粘附淤積情況。

5 結(jié) 論

(1)鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶體主要為碳酸鈣類礦物，以方解石和球霰石的形貌出現(xiàn)，其次為鎂質(zhì)礦物，如白云石、氫氧鎂石等。其主要分布于初期支護(hù)噴射混凝土表面、排水管道內(nèi)及二次襯砌排水管出口附近表面等部位，分布形態(tài)特征與流水區(qū)域重合，呈條狀或面狀分布，極易淤積堵塞排水管道，造成排水系統(tǒng)整體失效，引起襯砌開裂滲漏等次生病害。

(2)鐵路隧道圍巖裂隙水滲透通過(guò)初期支護(hù)噴射混凝土，Ca(OH)2等堿性物質(zhì)溶解于水中流失，使得在水體呈現(xiàn)強(qiáng)堿性，Ca2+和Mg2+等含量亦大幅提高。鐵路隧道排水系統(tǒng)高溫、高濕環(huán)境條件以及CO2分壓等的變化，致使碳酸鹽快速結(jié)晶析出，沉淀集聚與排水系統(tǒng)內(nèi)壁表面，長(zhǎng)期結(jié)晶沉淀堵塞排水系統(tǒng)。

(3)為緩解鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞，研發(fā)了防結(jié)晶排水系統(tǒng)和新型涂層材料。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能有效阻止結(jié)晶體的生成，在測(cè)試期內(nèi)排水管內(nèi)部和附近均無(wú)結(jié)晶體產(chǎn)生。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)覆有新型防結(jié)晶涂層的管道樣片進(jìn)行耐沾污測(cè)試，結(jié)果表明該涂層能將排水管內(nèi)壁的反射率變化控制在20%以內(nèi)，且單位面積的沾污量?jī)H為未覆蓋涂層樣片的10%以內(nèi)，有效證明了新材料的可靠性。