隧道排水管結(jié)晶堵塞物溶解研究

林 浩，劉德龍，楊 超

（1.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隨著我國公路網(wǎng)不斷完善，截至2021 年底，全國公路里程已達(dá)到528 萬km，全國公路隧道達(dá)到2.3 萬余處，長度達(dá)到2 470 萬延米，包括特長隧道1 599 處和長隧道6 211 處，分別為717 萬延米和1 084 萬延米，我國已經(jīng)成為隧道規(guī)模最大的國家之一。隧道運(yùn)營過程中，出現(xiàn)了各種各樣的病害，而由于隧道結(jié)晶物堵塞引起的隧道滲漏水是非常常見的病害[1-2]。

導(dǎo)致隧道排水管發(fā)生堵塞現(xiàn)象的影響因素很多，且其形成過程相對復(fù)雜，主要影響因素包括地質(zhì)構(gòu)造原因、工程施工原因、圍巖狀況原因、生物原因，天然地下水狀況原因及氣候原因。其中，氣候原因是隧道排水管發(fā)生堵塞的間接作用因素中最關(guān)鍵原因，其主要影響降雨，進(jìn)而影響地表水和地下水的水量，而對隧道排水管堵塞起到間接作用；工程施工原因、地質(zhì)構(gòu)造、生物因素和天然地下水狀態(tài)則是隧道排水管堵塞的直接原因，其影響程度遠(yuǎn)大于氣候因素對隧道排水管堵塞的影響程度。隧道排水管正是這幾種復(fù)雜的因素同時(shí)作用而逐漸堵塞失效的[3]。

隧道排水管的具體堵塞原因有如下3 種情況：一種情況是地下水滲流沖刷巖石的碎片和顆粒，碎片和顆粒物進(jìn)入隧道排水管內(nèi)，形成堆積；第二種是地下水內(nèi)溶解的硫酸鋇、碳酸鋇、碳酸鎂和碳酸鈣等多種無機(jī)鹽的結(jié)晶物，其中以碳酸鈣結(jié)晶物居多；第三種是地表水、降雨等沖刷部分泥土、泥沙及碎石流入隧道排水管形成堆積。無機(jī)鹽結(jié)晶物析出堵塞隧道排水管屬于化學(xué)作用，巖石碎片、泥土、泥沙及碎石形成堆積物堵塞隧道排水管屬于物理作用。隧道排水管堵塞正是化學(xué)作用和物理作用互相促進(jìn)下而慢慢發(fā)生堵塞現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)有70%隧道襯砌滲漏水的原因是隧道排水管中形成不溶于水的鈣鹽等結(jié)晶物堵塞而引起的[4]。

隧道排水管堵塞后會引起襯砌附件地下水上升，造成襯砌附近水的壓力增大。如果不能及時(shí)疏導(dǎo)結(jié)晶堵塞物，在長期的水作用下，隧道結(jié)構(gòu)物及周邊受力結(jié)構(gòu)均會受到嚴(yán)重影響，將會導(dǎo)致更多的隧道病害，輕則襯砌滲漏水、襯砌開裂和結(jié)構(gòu)物變形，更嚴(yán)重的將會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)等發(fā)生破壞，影響隧道服役安全性[5-6]。

本文研究了不同的酸對隧道結(jié)晶溶解的速度，綜合考慮不同種類不同濃度的酸對隧道排水管結(jié)晶物的溶解效率、環(huán)保性、施工難易程度和安全性方面，針對應(yīng)急突發(fā)情況和非應(yīng)急情況，從化學(xué)溶解角度提出兩種情況下隧道排水管堵塞物的疏通方案，為后續(xù)隧道排水管的化學(xué)藥劑疏通提供理論支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

a）隧道排水管結(jié)晶物 太佳高速寶塔山隧道取樣。

b）草酸 分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

c）氨基磺酸 分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。

d）冰乙酸 分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

e）鹽酸 優(yōu)級純，天津市風(fēng)船花謝試劑科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

JJ-5 型號水泥砂漿攪拌機(jī)，無錫市建工試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司；YAW-300C 型號微機(jī)控制抗折壓試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南力聯(lián)測試技術(shù)有限公司。

1.3 測試及分析

分別配置濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸溶液300 mL，測試其pH值，稱取20 組隧道排水管結(jié)晶物20 g，為了便于觀察其溶解效果，每組隧道排水管結(jié)晶物盡量取較大試樣。待4 種酸溶液溶解完畢，尤其是固體狀態(tài)的草酸和氨基磺酸溶解，15%～25%組草酸和氨基磺酸已到達(dá)飽和狀態(tài)，底部有未溶解部分。將20 組隧道排水管結(jié)晶物迅速倒入不同種類和濃度的酸溶液中，觀察其溶解速度（圖1），酸液顏色及底部隧道排水管結(jié)晶物體積變化，并跟蹤酸溶液的pH 值變化，其中濃度為5%～25%的草酸的pH 值為1.0～0.7，濃度為5%～25%的氨基磺酸的pH 值為0.8～0.5，濃度為5%～25%冰乙酸的pH 值為3.5～4.0，而濃度為5%～25%的鹽酸的pH 值小于0.5。

圖1 不同濃度不同種類的酸溶液對結(jié)晶物的溶解時(shí)間曲線圖

由圖1 可知，濃度為25%的鹽酸對隧道排水管結(jié)晶物的溶解時(shí)間最短，溶解速度最快，其在7 min 時(shí)，已將20 g 隧道排水管結(jié)晶物完全溶解，杯子底部已無顆粒狀結(jié)晶物，且不再有氣泡冒出；濃度為20%和濃度為15%的鹽酸分別在13 min 和20 min 將結(jié)晶物完全溶解，此時(shí)其他3 類酸溶液的最高濃度組的結(jié)晶物還未完全溶解；而濃度為10%的鹽酸溶液在40 min 時(shí)，將隧道排水管結(jié)晶物完全溶解，此時(shí)濃度為25%的氨基磺酸和草酸也已將隧道排水管結(jié)晶物完全溶解；濃度為25%的冰乙酸在50 min 時(shí)將隧道排水管結(jié)晶物完全溶解。不同濃度不同種類的酸溶液溶解結(jié)晶物后的顏色情況見表1，狀況見圖2。

表1 不同濃度不同種類的酸溶液溶解結(jié)晶物后的顏色情況

圖2 溶解完成后容器底部隧道排水管結(jié)晶物狀況圖

2 結(jié)果分析

配置的300 mL 濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸4 種溶液中，濃度為5%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及鹽酸均未能完全溶解20 g 的隧道排水管結(jié)晶物，其中濃度為5%的草酸溶液中隧道排水管結(jié)晶物溶解剩余物體積最大；濃度為5%的乙酸溶液中隧道排水管結(jié)晶物溶解剩余物體積較大；而濃度為5%氨基磺酸和濃度為5%的鹽酸中隧道排水管結(jié)晶物剩余物的體積較小。濃度為10%～25%的氨基磺酸和鹽酸溶液中隧道排水管結(jié)晶物已完全溶解；濃度為10%～20%的草酸和冰乙酸中隧道排水管結(jié)晶物溶解剩余物中均有不同大小的塊狀剩余物。濃度為25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及鹽酸溶液中隧道排水管結(jié)晶物均完全溶解。

濃度為25%的鹽酸對隧道排水管結(jié)晶物溶解速度最快，僅用了7 min 即可完全溶解結(jié)晶物，因其效率最高，可有效縮短封閉交通時(shí)間，可用于緊急情況下的隧道排水管應(yīng)急處置。濃度為25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸用了40～50 min 將隧道排水管結(jié)晶物完全溶解，但草酸與結(jié)晶物生成乳白色溶液，且其附著在結(jié)晶物表面形成鈍化保護(hù)層，阻止了草酸繼續(xù)與結(jié)晶物的反應(yīng)，在結(jié)晶物較大時(shí)會影響其進(jìn)一步溶解反應(yīng)；而氨基磺酸酸性較強(qiáng)，使用時(shí)對人員和設(shè)備存在一定的安全隱患；冰乙酸的酸性較弱，使用安全，且環(huán)保性能好，對隧道結(jié)晶物的溶解速度較快，推薦在實(shí)際施工中使用。

3 結(jié)語

本文考察了300 mL 濃度為5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和鹽酸對隧道排水管結(jié)晶物溶解作用?？蓱?yīng)對隧道排水管堵塞緊急處置和非緊急處置兩種情況，緊急情況下，為縮短封閉交通時(shí)間，緩解交通壓力，減小因封閉交通帶來的損失，推薦采用較高濃度的鹽酸溶液進(jìn)行處理，而非緊急情況，綜合考慮溶解速度、環(huán)保和安全性能，推薦采用較高濃度的冰乙酸進(jìn)行處理。