鐵路隧道用盲管堵塞清除技術(shù)及應(yīng)用

馬殷軍

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

我國地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，其中山區(qū)、丘陵、高原等地貌約占國土總面積69%［1］，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，一些基礎(chǔ)設(shè)施和通行設(shè)施的建設(shè)不可避免地要穿越這些不利地形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國公路隧道里程達(dá)到10 000 km，鐵路隧道里程接近10 000 km，水下隧道里程超過120 km［2］，但是襯砌滲水問題對(duì)隧道產(chǎn)生諸多不良影響，危及隧道的施工和運(yùn)營安全，特別是一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超長隧道如何更好地讓水及時(shí)排出，對(duì)隧道安全尤為必要。

調(diào)查表明，隧道排水管堵塞是造成隧道病害的重要原因［3-8］，主要采用以下3個(gè)解決方法：（1）物理方法。（2）化學(xué)方法。通過阻垢劑來解決離子結(jié)晶堵塞排水管道的問題，如王香愛［9］對(duì)阻垢機(jī)理進(jìn)行研究；羅凡等［10］利用固相微萃取技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)不同材料對(duì)于水中污染物有增強(qiáng)吸附作用；Donaldson等［11］研究磁場對(duì)海水結(jié)晶的影響；于劍峰等［12］針對(duì)江漢油田鹽化工總廠的鹵水管道結(jié)垢的實(shí)際生產(chǎn)問題，研究影響碳酸鈣結(jié)晶體的因素；李華舉等［13］總結(jié)4種鈣華沉積模式；劉再華等［14］研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)碳酸鈣的生成作用明顯，驗(yàn)證流速對(duì)碳酸鈣的沉淀結(jié)晶具有明顯控制作用；（3）生物方法。通過碳酸酐酶增加碳酸鹽的溶解速率來解決結(jié)晶體堵塞排水管問題，劉再華［15］對(duì)碳酸酐酶催化碳酸鹽巖溶解速率進(jìn)行了研究。

根據(jù)上述文獻(xiàn)資料，采用化學(xué)方式治理由微粒子結(jié)晶導(dǎo)致盲管排水堵塞案例較少。本次研究針對(duì)隧道排水盲管堵塞問題，通過多重溶解劑對(duì)比優(yōu)選，提出采用溶解劑解決排水盲管堵塞問題，根據(jù)工程需要開發(fā)一種適用于該清除液的盲管堵塞清除設(shè)備，并在當(dāng)金山隧道［16］和胡麻嶺隧道部分段應(yīng)用，驗(yàn)證其適用性。

1 盲管堵塞機(jī)理及治理方式

1.1 工程概況

當(dāng)金山隧道為敦煌—格爾木鐵路的控制性工程，該隧道進(jìn)口位于甘肅省阿克塞縣城以南、當(dāng)金山山口北側(cè)，出口位于阿爾金山南緣山前沖洪積平原區(qū)。隧道洞身位于祁連山與阿爾金山的結(jié)合部位，線路平均海拔3 000 m，設(shè)計(jì)長度20.1 km，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km。當(dāng)金山隧道的建設(shè)穿越了富含碳酸鹽與鈣鹽的灰?guī)r地區(qū)，離子在隧道排水管中形成以碳酸鈣為主體的多種結(jié)晶體，造成排水管的堵塞，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生漏水現(xiàn)象。

1.2 當(dāng)金山隧道盲管結(jié)晶體成分

1.2.1 水樣分析

對(duì)隧道內(nèi)5個(gè)里程現(xiàn)場取樣并進(jìn)行水溶液檢測(cè)分析，測(cè)定其中陰、陽離子的含量。當(dāng)金山隧道水樣分析見表1?，F(xiàn)場水樣含有多種離子，陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-為主。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，初步推斷盲管堵塞的結(jié)晶物為碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鋇等物質(zhì)。

表1 當(dāng)金山隧道水樣分析

1.2.2 白色結(jié)晶物各組分占比

由于清除劑是針對(duì)特定的結(jié)晶體配制，因此需要結(jié)晶物中各結(jié)晶體的具體含量。通過對(duì)當(dāng)金山隧道中4個(gè)不同位置的白色結(jié)晶物進(jìn)行取樣，分析繪制白色結(jié)晶物的各成分含量（見圖1）可知，隧道盲管內(nèi)的白色結(jié)晶物以CaCO3為主。

圖1 結(jié)晶體含量分布柱狀圖

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及比選

針對(duì)當(dāng)金山隧道內(nèi)白色結(jié)晶體的化學(xué)成分及質(zhì)量狀況，采用絡(luò)合法、洗滌法、酸法及綜合法開展盲管堵塞清潔劑的配制與比選試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)的溶解時(shí)間、反應(yīng)條件、溶解效果進(jìn)行分析比對(duì)，優(yōu)選出最適合治理盲管堵塞的溶解劑。

2.1 絡(luò)合法

絡(luò)合法不會(huì)對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)造成影響，且不會(huì)對(duì)環(huán)境和生態(tài)構(gòu)成嚴(yán)重影響。常用的絡(luò)合劑主要有乙二胺四乙酸二鈉（EDTA二鈉）、NH4Cl飽和溶液、亞氨基二琥珀酸鈉（IDS）等針對(duì)鈣離子的絡(luò)合劑。

2.1.1 EDTA二鈉

將10 g結(jié)晶物樣品放入濃度為0.04 g/mL的EDTA二鈉溶液中，觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速度緩慢，有少量氣體放出，放置一段時(shí)間后白色結(jié)晶物仍有剩余，不建議使用。EDTA二鈉反應(yīng)原理見圖2。

圖2 EDTA二鈉反應(yīng)原理

2.1.2 NH4Cl飽和溶液

配置濃度為0.372 g/mL弱酸性NH4Cl飽和溶液，取上層清液為鈣離子絡(luò)合劑。在絡(luò)合劑中放入10 g結(jié)晶物樣品，觀察發(fā)現(xiàn)白色結(jié)晶物未溶解，也無氣體放出，說明NH4Cl酸性不夠，不建議使用。NH4Cl飽和溶液配制及試驗(yàn)見圖3。

圖3 NH4Cl飽和溶液配制及試驗(yàn)

2.1.3 檸檬酸

將10 g結(jié)晶物樣品放入濃度為0.05 g/mL檸檬酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，觀察發(fā)現(xiàn)有氣體冒出，反應(yīng)較慢，不建議使用。

通過上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只用絡(luò)合劑溶解白色結(jié)晶物，效果甚微，不適用于隧道盲管堵塞治理。

2.2 洗滌法

該方法利用起泡劑、增稠劑等配置水溶液，降低沉淀物的附著力，利用水洗的方法將固體沖至脫落。配置十二烷基磺酸鈉溶液（2%～5%），加入結(jié)晶體后，晶體不溶解；配置酸性增稠劑以提高液體粘稠度及其潤滑性，再次加入樣品后，固體仍不溶解。

2.3 酸法

利用酸堿中和反應(yīng)原理，將難溶于水的結(jié)晶體通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可溶性離子。針對(duì)醋酸、甲酸、檸檬酸進(jìn)行研究。

2.3.1 單種酸溶解法

采用單種酸作為溶解劑進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)象比對(duì)分析，試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)篩選結(jié)果可知，鹽酸溶解效果雖好，但腐蝕性太強(qiáng)，不建議使用；甲酸可作為清除劑單獨(dú)使用；醋酸和檸檬酸由于其自身特性，反應(yīng)較慢，不建議單獨(dú)使用。此外，酸本身具有一定的腐蝕性，影響隧道的主體結(jié)構(gòu)，建議與其他試劑聯(lián)合使用。

2.3.2 混合酸溶解法

由表2可知，單獨(dú)采用1種弱酸作為溶解劑達(dá)不到試驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)，因此將2種酸按一定比例混合來檢驗(yàn)其對(duì)結(jié)晶體的溶解程度，具體試驗(yàn)現(xiàn)象見表3。

由表3可知，弱酸中加入強(qiáng)酸時(shí)，對(duì)結(jié)晶體的溶解速度將大幅提升，這是由于鹽酸酸性強(qiáng)于其他2種酸，加入鹽酸以后，鹽酸與白色結(jié)晶物首先發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)甲酸和醋酸皆可補(bǔ)充氫離子，使白色結(jié)晶物繼續(xù)溶解，所以加入稀鹽酸溶解白色結(jié)晶物是可行的。甲酸與檸檬酸混合，在室溫下反應(yīng)稍慢，但是溶解性較好，但是反應(yīng)時(shí)間略長；在高溫下，反應(yīng)速度有較快提升，效果比較理想。使用混合酸雖可達(dá)到清除隧道堵塞結(jié)晶體的作用，但酸會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，需與其他試劑聯(lián)合使用。

2.4 綜合法

該方法原理為：（1）酸法可以將結(jié)晶體變成易溶于水的金屬離子；（2）絡(luò)合劑使其與金屬離子絡(luò)合，形成可溶性的絡(luò)合物；（3）加入表面活性劑、增稠劑等提高液體及容器內(nèi)表面的潤滑性，降低沉淀物對(duì)管道的附著力；（4）用水壓將已溶解的絡(luò)合物及其松動(dòng)的附著物沖出。

抑菌活性測(cè)試采用藥敏紙片法和二倍稀釋法[7-8]。將香蕉枯萎病菌（由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所提供）涂布到Y(jié)PD培養(yǎng)基（酵母浸膏10 g、葡萄糖20 g、蛋白胨20 g、瓊脂20 g，自來水1 L）。吸取樣品10 μL于直徑為6 mm的濾紙片上，待紙片干燥后將其貼于培養(yǎng)基上，倒置于28 ℃培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)時(shí)間為12～24 h，觀察是否產(chǎn)生抑菌圈。酮康唑?yàn)殛栃詫?duì)照。對(duì)有活性的化合物繼續(xù)以二倍稀釋法測(cè)定其最小抑制濃度（MIC）。

表2 單種酸試驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)果

表3 混合酸溶解反應(yīng)現(xiàn)象

2.4.1 溶解劑配制方案

方案（1）。EDTA∶檸檬酸∶十二烷基磺酸鈉∶水=4∶4∶1∶100（質(zhì)量比）；

方案（2）。甲酸∶檸檬酸∶纖維素鈉∶水=3∶10.4∶15（質(zhì)量比）；

方案 （3）。醋酸∶檸檬酸∶水=5∶4∶100（質(zhì)量比）；

方案（4）。甲酸+檸檬酸+V98+水=20 mL+5 g+1 mL+50 mL；

方案（5）。甲酸+檸檬酸+V98+水=10 mL+5 g+1 mL+50 mL。

2.4.2 溶解反應(yīng)現(xiàn)象

在不同溶解劑中加入1 g白色結(jié)晶物，觀察其試驗(yàn)現(xiàn)象，篩選出合適的溶解劑，試驗(yàn)現(xiàn)象見表4。由表4可知，以甲酸、檸檬酸及適量增稠潤滑劑1.0%～1.5%V98的溶解液，不論是室溫還是加熱狀態(tài)下其溶解效果均良好。

表4 綜合法溶解反應(yīng)現(xiàn)象

2.5 小結(jié)

混合酸溶解法效果雖好，但對(duì)盲管本體、鋼筋、水泥皆有溶解腐蝕作用，對(duì)環(huán)境也有不良影響。由于甲酸、檸檬酸及適量增稠潤滑劑的溶解液不論是在室溫施工，還是在加熱狀態(tài)都可使用，因此推薦30%甲酸、10%檸檬酸、適量增稠潤滑1.0%～1.5%V98作為解決隧道排水管堵塞的溶解液。

3 溶解劑對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性影響

為清除盲管結(jié)晶而配制的溶解液屬于化工制劑，為確保對(duì)現(xiàn)場混凝土制品及鋼筋無腐蝕性傷害，需對(duì)盲管結(jié)晶溶解液進(jìn)行腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)。

3.1 對(duì)鋼筋、水泥的影響

3.1.1 鋼筋性能影響

當(dāng)金山隧道取鋼筋樣品，將樣品分為2部分，一部分放在通風(fēng)陰涼處，另一部分浸泡在盲管結(jié)晶溶解液中，在試驗(yàn)進(jìn)行3、7、14、28 d時(shí)，通過微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（WAW-300B）和電子臺(tái)秤（TCS-100）等儀器檢測(cè)鋼筋樣品的最大抗拉力、極限抗拉強(qiáng)度及鋼筋的質(zhì)量變化。鋼筋性能測(cè)試試驗(yàn)見圖4。

圖4 鋼筋性能測(cè)定試驗(yàn)

將試驗(yàn)測(cè)得的鋼筋承受最大力、極限抗拉強(qiáng)度、試件總質(zhì)量變化判定溶解液對(duì)鋼筋性能影響（見表5）。由表5可知，在溶解液長時(shí)間浸泡下，鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的抗拉強(qiáng)度降低2.28%，最大抗拉力降低2.29%，說明溶解液對(duì)鋼筋性能影響不大；鋼筋總質(zhì)量減小10 g，溶解液對(duì)鋼筋的腐蝕作用較為微弱。

3.1.2 水泥膠砂強(qiáng)度影響

室內(nèi)制作標(biāo)準(zhǔn)水泥膠砂試塊（見圖5），試驗(yàn)分為2個(gè)步驟：（1）試件制備完成后浸泡在水溶液和溶解液，在標(biāo)養(yǎng)3、7、14、28 d測(cè)其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；（2）養(yǎng)護(hù)28 d后將其浸泡在水溶液和溶解液中，在標(biāo)養(yǎng)3、7、14、28 d測(cè)其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

表5 溶解液對(duì)鋼筋性能影響

圖5 水泥膠砂試驗(yàn)

在水溶液和溶解劑養(yǎng)護(hù)條件下，水泥膠砂抗壓強(qiáng)度變化見圖6。由圖6可知，浸泡在溶解劑中的膠砂抗壓強(qiáng)度與水溶液中水泥膠砂抗壓強(qiáng)度相比強(qiáng)度變化不大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度增長明顯，溶解劑對(duì)抗剪強(qiáng)度的削弱值由4.21%降低到1.70%。

水泥膠砂抗折強(qiáng)度變化見圖7。由圖7可知，溶解劑對(duì)水泥膠砂抗折強(qiáng)度影響較微弱，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，抗折強(qiáng)度明顯增長，溶解劑對(duì)抗折強(qiáng)度的削弱值由5.79%減小到4.10%。

圖6 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度變化

圖7 水泥膠砂抗折強(qiáng)度變化

3.2 溶解劑對(duì)混凝土的影響

當(dāng)金山隧道混凝土樣品分為2部分：一部分按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)；另一部分浸泡溶解劑中。試驗(yàn)分為2個(gè)步驟：第1次在試件成型后第2天開始浸泡，在浸泡3、7、14、28 d測(cè)定其抗壓強(qiáng)度；第2次標(biāo)養(yǎng)28 d后開始浸泡，在浸泡3、7、14、28 d測(cè)定其抗壓強(qiáng)度?；炷量箟簭?qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)見圖8。

混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度曲線見圖9。由圖9可知，2種溶液浸泡條件下，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度變化不大，且隨著試塊的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的增長，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度會(huì)增大，溶解劑對(duì)試塊強(qiáng)度的削弱值會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長由3.05%減小到0.43%。

圖8 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)定

圖9 混凝土試塊抗壓強(qiáng)度曲線

4 工程應(yīng)用

為了能將溶解劑注入結(jié)晶體堵塞的隧道盲管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)堵塞盲管的清洗作用，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，研發(fā)一套隧道盲管堵塞疏通設(shè)備。此設(shè)備主要由控制電機(jī)、沖洗裝置、回收裝置及沖洗泵4部分組成。工作時(shí)將溶解劑儲(chǔ)存于儲(chǔ)液罐內(nèi)，通過沖洗泵將儲(chǔ)液罐中溶解劑注入隧道盲管內(nèi)，在注入過程中，應(yīng)控制注液量與注液速度，以便溶解劑與隧道盲管內(nèi)的結(jié)晶體充分反應(yīng)，達(dá)到溶解堵塞結(jié)晶目的，最后通過回收裝置將使用完成后的溶解劑進(jìn)行回收利用，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

4.1 當(dāng)金山隧道

2019年3月21日，在當(dāng)金山隧道進(jìn)行在建隧道現(xiàn)場盲管疏通試驗(yàn)。溶解液經(jīng)盲管疏通機(jī)，從結(jié)晶堵塞的盲管一端輸入（見圖10），5 min后從盲管另一端流出，溶解液由透明狀變?yōu)榘咨珳啙嵛?，隨后清水不斷流出，疏通完成，試驗(yàn)成功（見圖11）。

圖10 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備

圖11 溶解劑注入前后盲管排水情況對(duì)比

4.2 胡麻嶺隧道

試點(diǎn)選在盲管結(jié)晶堵塞最為嚴(yán)重的蘭渝鐵路胡麻嶺隧道K90+280 m處，在工務(wù)段養(yǎng)護(hù)人員配合下，通過對(duì)胡麻嶺隧道現(xiàn)場觀察、測(cè)量，改進(jìn)設(shè)備，在施工單位和工務(wù)段的指導(dǎo)下，確認(rèn)3處盲管出入口進(jìn)行盲管堵塞疏通試驗(yàn)。溶解液經(jīng)盲管疏通機(jī)，從結(jié)晶堵塞的盲管一端輸入，6 min后從盲管另一端流出，溶解液由透明狀變?yōu)榘咨珳啙嵛?，隨后清水不斷流出，疏通完成（見圖12），試驗(yàn)成功。

圖12 溶解劑注入后盲管排水前后對(duì)比

5 結(jié)論

以當(dāng)金山隧道內(nèi)白色結(jié)晶堵塞物作為研究對(duì)象，分析其化學(xué)成分及質(zhì)量狀況，開展盲管堵塞清潔劑的配制和多種溶解方案比對(duì)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）針對(duì)結(jié)晶體的主要成分，采用絡(luò)合法、酸法、綜合法多重清除劑方案比選，最終提出以30%甲酸、10%檸檬酸、適量增稠潤滑1.0%～1.5%V98作為解決隧道排水管堵塞的最優(yōu)清除劑。

（2）室內(nèi)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度，水泥試塊的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度指標(biāo)，鋼筋樣品的抗拉強(qiáng)度，腐蝕程度等隧道主體結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，制備的清除劑對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)無太大影響。

（3）將研制出的隧道盲管結(jié)晶堵塞疏通機(jī)在當(dāng)金山隧道和胡麻嶺隧道2個(gè)實(shí)際工點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，通過現(xiàn)場試驗(yàn)反應(yīng)情況，驗(yàn)證盲管堵塞清除設(shè)備和清除劑的工程適用性。