隧道排水管材堵管機(jī)理探析

熊 帥

(內(nèi)江師范學(xué)院 人工智能學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100)

1 引言

地上空間已不能滿足現(xiàn)代建筑的需要，特別是在一些發(fā)達(dá)地區(qū)，因此地下空間的開發(fā)和利用顯得尤為重要。隨著西部大開發(fā)、國家“一帶一路倡議”的開展，城市軌道交通發(fā)展迅猛。截至2020年末，我國大陸地區(qū)擁有地鐵城市45座，城市軌道交通運(yùn)營線路244條，線路總長7969.7 km。2020年全國重點(diǎn)城市城市軌道交通數(shù)據(jù)如表1所示[1]。

表1 2020年全國重點(diǎn)城市城市軌道交通數(shù)據(jù)

可以看出表中所列的11座城市中軌道交通總里程均在200 km以上，上海的總里程和車站總數(shù)均居第一；北京次之，成都第三。為節(jié)約地上空間，軌道交通的建設(shè)，很多工程選擇利用地下空間。

現(xiàn)代的運(yùn)營隧道表明[2～5]，在富含灰?guī)r地帶，特別是在我國的西部地區(qū)云貴川等地，由于地下水富含Ca2+和Mg2+等微溶于水或不溶于水的碳酸鹽化合物，附著在隧道排水管壁內(nèi)側(cè)，得不到及時(shí)排出，待到雨季水流將排水管周圍的泥沙、圍巖碎片、顆粒等雜物沖擊到管內(nèi)相互作用形成堆積，如此往復(fù)，便造成了堵管現(xiàn)象的發(fā)生。一旦隧道排水管堵塞，便會(huì)引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的一系列問題，輕則隧道內(nèi)的降壓能力大大削弱，隧道外的水壓突增，引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)仰拱隆起、襯砌破損掉落、二襯結(jié)構(gòu)開裂、圍巖周圍應(yīng)力變化等病害；重則因橫縱隧道排水管堵塞，導(dǎo)致隧道內(nèi)涌水的發(fā)生，影響行車、行人安全，威脅交通道路、人員生命財(cái)產(chǎn)安全。

要從根本上解決隧道排水管堵管問題，首要的應(yīng)從隧道管材選材上著手。

2 隧道排水管堵塞機(jī)理

據(jù)統(tǒng)計(jì)[6，7]，排水管的堵塞受溶液溫度、周圍CO2濃度、水中溶質(zhì)種類、酸堿度大小等許多因素的影響，其原因是在水溶液內(nèi)存在著微溶于水或者不溶于水的碳酸鹽化合物，根據(jù)周卓[8]的研究取樣水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)溶液中含有的微溶物質(zhì)86%為CaCO3，主要是由溶液中的Ca2+和CO32-結(jié)合生成的，Ca2+在富含灰?guī)r地區(qū)尤為多見，濃度也相對較高；而CO32-來源于CO2，CO2可存在于周圍環(huán)境、動(dòng)植物呼吸、生物腐蝕等。劉士洋[9]等通過在大量工程現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了隧道灰?guī)r地質(zhì)環(huán)境中，水溶液富含HSO4-、HCO3-、Ca2+、Mg+等，根據(jù)化學(xué)電離平衡原理可知這些離子會(huì)生成碳酸鈣、碳酸鎂等晶體；晶體聚集過多會(huì)堵塞排水管道，如此，日復(fù)一日威脅排水系統(tǒng)健康。由此，隧道排水管堵塞內(nèi)在因素是由于微溶于水的碳酸鹽在水流的作用下，附著在管壁內(nèi)側(cè)排不出去，加上周圍的泥沙、枯枝爛葉等外在因素在雨季的作用下，進(jìn)一步加大堵管的風(fēng)險(xiǎn)。

在劉士洋等[9]通過植絨膜的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得出規(guī)律曲線，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)初期，7 d之后的5組數(shù)據(jù)的結(jié)晶量均有所增加；隨之，在14～21 d其結(jié)晶量增加減緩；28～35 d結(jié)晶量達(dá)到最小，甚至出現(xiàn)了負(fù)增長的現(xiàn)象。通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)前期主要是結(jié)晶物與管材之間的相互作用，其結(jié)晶量呈現(xiàn)增長趨勢，有利于結(jié)晶物的形成，對管道堵塞呈正相關(guān)關(guān)系；到了中后期是結(jié)晶物與結(jié)晶物之間的作用，一方面以排斥力為主，再加之水流沖擊下夾帶泥沙等對結(jié)晶物有一個(gè)削減的作用，故有下降的趨勢。這種削減作用主要是，排斥力的存在致使結(jié)晶增加量減少，伴隨泥沙等物體與結(jié)晶物之間的摩擦力作用，使其結(jié)晶質(zhì)量有所減少，但是也不能完全將其削減，因?yàn)橄鳒p一定的量之后，結(jié)晶物表面被慢慢磨平，表面趨于光滑，因而此后結(jié)晶量會(huì)趨于平穩(wěn)。

根據(jù)牛頓定律，如果在絕對光滑的前提下，運(yùn)動(dòng)中的物體會(huì)一直不斷地運(yùn)動(dòng)下去。受此啟發(fā)，若果管道內(nèi)壁在絕對光滑的情況下，那么相應(yīng)的結(jié)晶物會(huì)隨著水流的作用被排出管道外，但是在現(xiàn)實(shí)自然界中只能找到摩擦力相對較小的材料，那么在選擇管材時(shí)，可以選擇摩擦系數(shù)較小的，或者與晶體帶靜電相同的材料，應(yīng)用同性相斥的原理選擇管材，達(dá)到從源頭上盡量減少結(jié)晶物附著在管壁內(nèi)側(cè)的目的。

3 隧道排水管材應(yīng)用現(xiàn)狀

方祖磊等[10]選擇了幾種不同的防腐管道對海底隧道管材的比選進(jìn)行了深入的研究，由于海底隧道對管材要求的特殊性，比如耐腐蝕性要求高、管徑大、一次成型后期維修復(fù)雜、高差大等，分別對銅鎳合金管、碳鋼管、不銹鋼管(316 L不銹鋼管、雙相不銹鋼管)、鋼骨架塑料復(fù)合管進(jìn)行了從耐腐蝕、使用壽命、市場價(jià)格、施工難易程度以及耐火等級等的比較，得出銅鎳合金管和雙相不銹鋼管的耐腐蝕性最好，但價(jià)格也相應(yīng)高出其他管材的10倍以上，在實(shí)驗(yàn)室條件下選擇此種管材用于海底隧道比較好。李林毅等[11]采用試驗(yàn)相似原理，通過建立3D隧道模型，開展了隧道堵管滲流實(shí)驗(yàn)研究，得出隨隧道堵塞程度加深，隧道排水量的變化規(guī)律。在實(shí)際工程實(shí)例中，排水系統(tǒng)采用的管材多為尼龍、波紋管道[12～14]，其造價(jià)比較便宜，但隧道的橫縱排水管堵塞也比較嚴(yán)重。特別是采用波紋管道，由于存在波浪起伏，使得當(dāng)水流流過管道時(shí)，所受阻力加大，進(jìn)一步加速了不溶于水的碳酸鹽晶體附著在管壁內(nèi)側(cè)的可能性，加大了其與管壁的接觸面積。

基于此，筆者通過參考大量的文獻(xiàn)提出了幾種防治隧道結(jié)晶堵管的幾種理論機(jī)理，為隧道工程中排水管材的選擇、新材料的開發(fā)方向提供一定參考。

4 隧道排水管堵塞處理的新思想

4.1 不同管材對排水管堵塞的影響

要想從根本上解決隧道堵管問題，那么在選材階段就要進(jìn)行仔細(xì)甄別。不同的材料有不同的分子結(jié)構(gòu)、不同的摩擦系數(shù)、帶不同的靜電荷等。周元江[15]研究PVC管材與晶體之間分子動(dòng)模擬的相互作用，得出PVC管材與不同切面碳酸鈣晶體之間的結(jié)合效果進(jìn)行比較；PVC[16,17]管材的單體由聚氯乙烯構(gòu)成，受碳碳雙鍵，氯原子的影響，粗糙系數(shù)為0.009，有良好的耐腐蝕、耐藥品性，缺點(diǎn)是易脆裂。

PPR[18～20]管由單體聚丙烯構(gòu)成，受碳碳三建影響，熔點(diǎn)較PVC管材高，相對分子質(zhì)量也較大，具有良好的韌性和抗沖擊性能[9]，20 ℃時(shí)的密度為0.9 g/cm3，摩阻系數(shù)為0.007，較上述PVC管材更小，因此用于排水系統(tǒng)內(nèi)沿程阻力也相應(yīng)較小，缺點(diǎn)是PPR管材在低溫時(shí)，容易脆裂，因此在低溫運(yùn)輸條件下要求較為苛刻。

聚四氟乙烯管[21～23]由單體四氟乙烯構(gòu)成，受碳碳雙鍵、全氟原子的影響，靜摩擦系數(shù)是塑料中最小的，為聚乙烯的1/5，具備良好的耐高溫、低溫、腐蝕性能，并且其靜摩擦系數(shù)小于動(dòng)摩擦系數(shù)，抗拉強(qiáng)度也很好，對氧、紫外線均穩(wěn)定，但其價(jià)格也較前兩者高。

在經(jīng)濟(jì)條件允許的條件下，對三種管材從摩擦系數(shù)方面來說，聚四氟乙烯管所受摩擦力是最小的，即其內(nèi)壁較前兩者光滑，不容易產(chǎn)生晶體、雜物沉淀，因此它是直接作為工程排水管材的最佳選擇材料。但在實(shí)際工程案例中，由于隧道排水要求相當(dāng)嚴(yán)格，故排水管道的需求量十分巨大，不考慮工程經(jīng)濟(jì)狀況是不合適的，另外由于聚四氟乙烯管存在碳碳雙鍵、氟原子，雙鍵斷裂需要巨大的能量，氟原子的原子半徑為元素周期表中鹵素元素最小的，因此其更容易成鍵。

4.2 改性管材影響排水管堵塞機(jī)理

基于上述對3種管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯管的結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)分析可知，從理論上講選擇聚四氟乙烯管作為工程排水的主要管材是良好的，但是受工程經(jīng)濟(jì)投資影響，選擇PVC管是經(jīng)濟(jì)的。因此，在實(shí)際工程案例中選擇尼龍、波紋管、PVC管道為多，為進(jìn)一步防治排水管堵塞可以在考慮經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上對管材進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)母男?，筆者提出以PVC管材為母本材料，對其改性提供兩個(gè)方面的理論參考，希望對工程中隧道排水管的發(fā)展提供一定的理論支撐。

首先，在選擇PVC管材作為母本材料的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)電場[24]、磁場分別會(huì)產(chǎn)生電場力、磁場力的作用，對游離于溶液中的離子有定向作用的原理改造管材；其次，也可以根據(jù)不同材料所帶靜電不同，“同性相斥”原理選擇具有排斥晶體于管材內(nèi)壁的材料，對管材內(nèi)外部進(jìn)行涂層改性等。

(1)PVC+電場：主要思想是在PVC管材外加電場進(jìn)行管材改性，當(dāng)水溶液流過管道時(shí)，根據(jù)前面的介紹，水溶液中含有鈣離子和碳酸根離子，在流入排水管道P點(diǎn)時(shí)，有一定的水流初速度V0，正離子如Mg+、Ca2+等往陰極移動(dòng)，SO42+、CO32-等負(fù)離子將往陽極移動(dòng)，如圖1所示，在流出管道之前在電場作用下，鈣離子和碳酸根離子不產(chǎn)生集合，那么就可以很好地防止產(chǎn)生碳酸鈣的沉淀，達(dá)到從源頭上防止堵管。

圖1 電場對離子作用下的管壁

(2)PVC+磁場：如圖2，在PVC管材外加上一圈如圖所示的線圈，通電后，根據(jù)電生磁原理，即可產(chǎn)生如圖所示的磁場方向，同樣的道理，在水流沖擊作用下，水溶液中的Mg+、Ca2+、SO42+、CO32-等離子將發(fā)生定向移動(dòng)，在流出管道之前這些離子不產(chǎn)生集合，那么就不會(huì)附著在管壁內(nèi)側(cè)造成堵管。

圖2 磁場作用下的管材

(3)根據(jù)整體材料帶靜電情況及文獻(xiàn)[25]資料，并查閱相關(guān)資料后表明在CaCO3晶體切開表面后，在(1，-1，0)表面處帶正電，(1,0,4)處不帶電，因此在選擇管材時(shí)可根據(jù)晶體表面帶電不同，選擇與其作用面帶靜電類型相同的材料，以期利用“同性相斥”的原理，從根本上阻礙因在溶液中已經(jīng)集合成型的CaCO3晶體附著在管壁內(nèi)側(cè)而引起的管內(nèi)堵塞。

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，對目前隧道排水系統(tǒng)中排水管材的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對目前隧道中排水管堵塞微觀機(jī)理進(jìn)行了深入的探究。為從源頭上解決管道堵塞，對比三種管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯的化學(xué)鍵、摩擦系數(shù)等，發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯較其他2種具有良好的防結(jié)晶功能；考慮到工程實(shí)際造價(jià)情況，提出以PVC管材為母本材料對其進(jìn)行改性，以PVC+電場、PVC+磁場、PVC+涂層三種改性方法分別從電場力、磁場力以及“同性相斥”的防結(jié)晶堵塞原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對管材的改性從機(jī)理上提出了一定的理論依據(jù)，對未來排水管材的發(fā)展方向有一定的借鑒意義。隨著管道制造工藝的不斷進(jìn)步，相信在不久的將來，性能更加優(yōu)秀的非金屬隧道排水管材會(huì)應(yīng)用在隧道排水系統(tǒng)中，將會(huì)從源頭上解決隧道堵管的難題。