結(jié)晶堵塞隧道調(diào)研與現(xiàn)場試驗
——以云南某隧道為例

武東陽 肖振江

（云南臘滿高速公路有限公司,云南 西雙版納 666300）

隨著我國加快交通強國的建設(shè)，我國高速公路建設(shè)突飛猛進，但也偶爾出現(xiàn)隧道滲漏水等隱患，其中隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題越來越突出。隧道建成后，噴射混凝土不斷處于地下水侵蝕狀態(tài)，混凝土中的鈣離子由于離子濃度低等因素，隨地下水流失進入排水系統(tǒng)，造成隧道排水系統(tǒng)堵塞。在長期的侵蝕過程及地下水壓作用下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，出現(xiàn)松散現(xiàn)象，進而降低隧道使用壽命。該問題會造成較大的經(jīng)濟損失，需要修復(fù)排水系統(tǒng)，治理襯砌裂損及滲漏水危害，且后者費用較高。

國內(nèi)關(guān)于隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題的研究，最早主要針對巖溶隧道[1]，近年來，非巖溶隧道結(jié)晶堵塞問題也較嚴(yán)重[2-3]。于清浩[4]利用室內(nèi)試驗研究海水滲流及其與初支、圍巖相互作用對排水堵塞的影響，通過觀測、化學(xué)分析等手段，一定程度上預(yù)測了排水系統(tǒng)的堵塞，并認(rèn)為隧道排水系統(tǒng)堵塞是結(jié)垢和泥沙沉積的共同作用。葉飛等[5]通過調(diào)研和室內(nèi)試驗驗證了影響結(jié)晶的主要因素是水泥水化產(chǎn)物和地下水的綜合作用。隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞影響因素復(fù)雜，現(xiàn)行隧道規(guī)范中還沒有針對這類問題對公路隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計、施工、運營、維養(yǎng)等方面進行詳細(xì)的說明。本文以云南某在建結(jié)晶堵塞隧道為例，采用現(xiàn)場調(diào)研和現(xiàn)場試驗的方式，對其結(jié)晶機理和預(yù)防措施進行了探究，研究結(jié)果可為類似隧道治理提供一定的借鑒。

1 現(xiàn)場調(diào)研

1.1 工程概況

云南省勐臘至勐滿口岸高速公路某隧道，全長3 285.11 m，為特長隧道。泥巖、砂巖、粉質(zhì)黏土為主要圍巖類型，碎屑巖裂隙水為主要滲水類型。建設(shè)過程中，該隧道多次發(fā)現(xiàn)防排水系統(tǒng)被白色結(jié)晶體堵塞失效問題，尤其是橫向排水管和縱向排水管。圖1為隧道橫向排水管結(jié)晶堵塞情況，圖2為隧道縱向排水管檢查井處結(jié)晶堵塞情況。

圖1 隧道橫向排水管結(jié)晶堵塞情況

圖2 隧道縱向排水管檢查井處結(jié)晶堵塞情況

1.2 結(jié)晶體分析

利用XRD對結(jié)晶體固相分析，確定其主要成分為CaCO3，XRD檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 依托工程結(jié)晶體XRD分析

1.3 地下水質(zhì)狀況

對其地表水和地下水進行檢測，地表水檢測結(jié)果如表1所示，地下水檢測結(jié)果如表2所示。

表1 地表水水質(zhì)分析結(jié)果

表2 地下水水質(zhì)分析結(jié)果

將地表水及地下水中HCO3-濃度進行換算，地表水和地下水中Ca2+質(zhì)量濃度為12.6～40.3 mg/L和8.6～20.7 mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度明顯偏低，表明該地區(qū)屬于非巖溶區(qū)，可見地下水中的Ca2+并不是導(dǎo)致產(chǎn)生大量結(jié)晶體的重要原因。地表水及地下水中HCO3-質(zhì)量濃度分別為67.1～335.5 mg/L、103.7～189.1 mg/L，遠(yuǎn)高于其他離子的含量，高質(zhì)量濃度的HCO3-對CaCO3結(jié)晶體的生成具有促進作用。

1.4 隧道內(nèi)CO2濃度

現(xiàn)場采用CO2檢測儀對隧道洞內(nèi)外CO2濃度進行了監(jiān)測，如圖4所示，測定該隧道洞內(nèi)CO2濃度1 232 ppm，洞外CO2濃度418 ppm。

2 結(jié)晶體來源分析

通過XRD分析得知結(jié)晶體主要成分為CaCO3，根據(jù)CaCO3的化學(xué)組成，可將結(jié)晶體拆分為Ca2+來源和CO32-來源兩部分進行分析。

2.1 Ca2+來源

（1）水泥。水泥作為混凝土的主要凝膠材料，主要由Ca元素、Si元素、Al元素和Fe元素等組成。化學(xué)成分主要分為CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3，約占95%，MgO、S03等其他化合物約占5%。普通硅酸鹽水泥常常富含Ca3SiO5（硅酸三鈣）、2CaO·SiO2（硅酸二鈣）、3CaO·Al2O3（鋁酸三鈣）和4CaO·Al2O3·Fe2O3（鐵鋁酸四鈣）[6]。鈣溶蝕過程中水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2最易被溶解擴散發(fā)生結(jié)晶，而水化硅酸鈣相對穩(wěn)定不易溶解。水泥等含鈣凝膠材料是水化后生成大量Ca(OH)2和提高混凝土pH值的重要原因，也是為CaCO3白色結(jié)晶提供鈣的重要來源。水化產(chǎn)物擴散到混凝土內(nèi)部孔隙中，提高了Ca2+和OH-的濃度，也為鈣溶蝕提供了離子濃度差。

（2）速凝劑。采用鋁酸鈉型速凝劑，當(dāng)中富含NaAlO2，噴射混凝土早期強度起到促進作用。NaAlO2與噴射混凝土中的拌合水反應(yīng)生成NaOH，再與水泥中的CaSO4發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，生成Ca(OH)2，打破了石膏對水泥水化的緩凝效果，進一步促進了水泥的水化和早凝，反應(yīng)方程式如式（1）。

水泥水化產(chǎn)物一直處于堿性溶液中，其中Ca(OH)2易溶于水，屬于強堿，大幅提高了混凝土中的pH值。噴射混凝土中水泥用量較高，必然會造成水化產(chǎn)物Ca(OH)2含量偏高，溶于地下水會促進CaCO3結(jié)晶體生成，反應(yīng)方程式如式（2）。

2.2 CO32-來源

碳酸根的來源主要為地下水中的CO32-、HCO3-及隧道空氣中的CO2。

（1）地下水。該隧道地下水及拌合用水中CO32-質(zhì)量濃度為0.00～0.04 mg/L，侵蝕性CO2質(zhì)量濃度為0.00～30.8 mg/L，但富含HCO3-，重碳酸根的質(zhì)量濃度為103.7～189.1 mg/L，地下水中HCO3-＞ SO42-＞ Cl-，且(Na++Cl-)/SO42-＞ 1，根據(jù)蘇林分類法將依托工程歸為重碳酸鹽型水。并且在隧道開挖過程中，測試隧道掌子面中流出的地下水中HCO3-的質(zhì)量濃度為342.6 mg/L?？梢?，在隧道修建過程中滲入隧道排水系統(tǒng)內(nèi)部的地下水中含有更高濃度的HCO3-。

由于地下水中的Ca2+的質(zhì)量濃度較低，使得隧道噴射混凝土因離子濃度差導(dǎo)致鈣溶蝕。并且當(dāng)?shù)叵滤疂B透噴射混凝土?xí)r，不斷與噴射混凝土水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3，見式（3），同時加速了噴射混凝土的鈣溶蝕進程。該隧道溶蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，既有物理溶蝕，也有化學(xué)溶蝕。同時，許多新生成的CaCO3結(jié)晶體被從圍巖裂隙中滲出的地下水沖刷出混凝土孔隙，流進隧道排水系統(tǒng)中，最后沉積結(jié)晶在排水管中造成排水管堵塞。

（2）隧道內(nèi)CO2。利用CO2檢測儀檢測隧道洞內(nèi)外CO2的濃度，由于洞內(nèi)施工建設(shè)，裝載機等機械排放出大量CO2，導(dǎo)致洞內(nèi)CO2濃度明顯高于洞外，并且多處排水管中地下水的Ca(OH)2濃度遠(yuǎn)高于圍巖裂隙中的地下水。排水管中地下水表面吸收少量的CO2，加速生成結(jié)晶體，見式（4），沉積在排水管內(nèi)。

從結(jié)晶體成分角度分析，將該隧道發(fā)生結(jié)晶體堵塞排水管問題分為兩個來源，分別為Ca2+來源和CO32-來源。Ca2+來源主要來自水泥水化和速凝劑水化生成水化產(chǎn)物Ca(OH)2。CO32-來源主要為地下水中HCO3-及隧道空氣中的CO2，將該隧道產(chǎn)生結(jié)晶堵塞的主要原因進行總結(jié)（見圖4）。

圖4 依托工程產(chǎn)生結(jié)晶主要原因

3 現(xiàn)場改進措施

3.1 河砂更改為機制砂

施工現(xiàn)場河砂產(chǎn)地為關(guān)累砂場，粒徑小于或等于4.75 mm?，F(xiàn)場通過大板試驗，將機制砂大板試件和河砂大板試件放到掌子面前滲水處進行沖刷，探究水流對河砂和機制砂產(chǎn)生結(jié)晶體的影響。

兩者表面均產(chǎn)生有結(jié)晶體，但采用機制砂的大板的表面結(jié)晶量要少于河砂的大板。根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011），采用快速砂漿棒法鑒定隧道混凝土用細(xì)集料的堿活性反應(yīng)，檢測發(fā)現(xiàn)河砂材料含有較高的堿性物質(zhì)，而較高的堿性環(huán)境會促進結(jié)晶體的生成。由此可知，機制砂在一定程度上能夠抑制結(jié)晶體的產(chǎn)生，故后續(xù)現(xiàn)場施工將堿活性較高的河砂更換為堿活性較低的機制砂。

3.2 液體速凝劑試驗

由于現(xiàn)場速凝劑用量較大，推測速凝劑可能也是影響結(jié)晶體生成的因素之一，為此利用低堿液體速凝劑＋干噴工藝進行了現(xiàn)場試驗。通過跟蹤現(xiàn)場施工過程，發(fā)現(xiàn)使用液體速凝劑噴射混凝土，混凝土易垮塌，回彈較大。通過觀察后期排水管中結(jié)晶量發(fā)現(xiàn)，低堿液體速凝劑＋干噴工藝對于改善結(jié)晶現(xiàn)象效果并不明顯，仍有很多排水管上結(jié)晶體生成量很大。原因可能是圍巖滲水量較大，液體速凝劑促凝環(huán)境較差，很多液體速凝劑可能直接被水稀釋或“沖走”，導(dǎo)致促凝效果較差，相比之下粉狀速凝劑“生存能力”較強，在此環(huán)境中依然能與水泥較好地黏結(jié)，并能起到封堵過水通道的作用。

3.3 粉煤灰試驗

現(xiàn)場粉煤灰摻量試驗概況如表3所示。

表3 粉煤灰摻量試驗概況

通過調(diào)節(jié)粉煤灰摻量發(fā)現(xiàn)，試驗1（不摻加粉煤灰）結(jié)晶量最多；試驗2（20%粉煤灰代替10%水泥和10%機制砂）減少結(jié)晶的效果較差，同時該方案增加了工程成本；試驗3（20%粉煤灰代替20%水泥），減少結(jié)晶的效果最好，同時該方案降低了工程成本，但延長了噴射混凝土的凝固時間；試驗4（25%粉煤灰代替15%水泥和10%機制砂）減少結(jié)晶的效果較好，同時該方案降低了工程成本，縮短了噴射混凝土凝固時間。

4 預(yù)防建議

4.1 原材料選擇

隧道產(chǎn)生白色結(jié)晶體病害與襯砌密切相關(guān)，不論是地下水與混凝土的直接化學(xué)反應(yīng)過程，還是地下水對混凝土的侵蝕過程，其本質(zhì)都是混凝土中鈣流失的過程。在滿足襯砌強度和功能的條件下，應(yīng)盡可能減少混凝土中鈣的流失量。一種方式是減少地下水與襯砌的接觸，如選用早強型水泥，減少地下水在混凝土中滲流通道；另一種方式是選擇鈣質(zhì)含量低的水泥和速凝劑。

4.2 控制水灰比

一般而言，用于水泥水化的水量只需水泥質(zhì)量的25%左右，而很多隧道實際施工中水灰比遠(yuǎn)高于25%，有些甚至超過60%。有些富水隧道涌水嚴(yán)重，施作噴射混凝土前并沒有做好排水措施，無形中增大了噴射混凝土的水灰比，導(dǎo)致施工中生成的膠體水泥漿濃度低，雖然高水灰比能增強混凝土施工的和易性，但容易產(chǎn)生泌水和離析現(xiàn)象，并且使得混凝土強度和耐久性能降低。水灰比越小，混凝土內(nèi)孔隙率就越低，混凝土的后期強度也就越高。因此，在滿足施工和易性和使用功能的前提下，應(yīng)盡可能降低水灰比，提高混凝土的抗?jié)B性能。

4.3 合理利用外摻料

粉煤灰、硅灰、抗堿劑屬于超細(xì)粉摻合料，這些超細(xì)粉摻合料微粒中含有大量的活性SiO2，而活性SiO2可以消耗大量的Ca(OH)2。粉煤灰、硅灰的摻入可以使水泥漿體中顆粒分散得更加均勻，同時擴大水泥的水化空間和水化產(chǎn)物的生成場所，促進水泥初期的水化反應(yīng)。此外，粉煤灰、硅灰取代了部分水泥材料，也可起到降低膠凝材料中鈣質(zhì)總量的作用，如噴射混凝土摻加20%的粉煤灰，混凝土強度和滲透性都有所提高。

5 結(jié)論與建議

本文以云南某在建結(jié)晶堵塞高速公路隧道為例，通過現(xiàn)場調(diào)研和現(xiàn)場試驗，初步揭示了隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害的形成機理，并基于此提出了一些預(yù)防措施，可為類似工程提供一定的借鑒。主要結(jié)論如下。

（1）隧道排水系統(tǒng)堵塞物為結(jié)晶沉淀物，其主要成分為CaCO3，CaCO3結(jié)晶的來源按其化學(xué)成分分為Ca2+來源和CO32-來源。

（2）噴射混凝土、地下水及隧道內(nèi)CO2濃度較高是依托工程現(xiàn)場產(chǎn)生大量結(jié)晶體的重要原因。

（3）機制砂在一定程度上能夠抑制結(jié)晶體的產(chǎn)生，液體速凝劑對結(jié)晶量影響不大，20%摻量粉煤灰代替20%水泥，可以有效減少鈣溶出作用。

（4）隧道噴射混凝土水化產(chǎn)物與隧道排水系統(tǒng)的結(jié)晶堵塞程度高度相關(guān)。因此，通過噴射混凝土的優(yōu)化，如選擇合適的原材料，優(yōu)化配合比，選擇合理的外摻料等，可以從源頭上減少結(jié)晶物質(zhì)的產(chǎn)生。