開挖掘進(jìn)中粉砂巖隧道結(jié)晶機(jī)理分析及防治措施

郭藝輝 胡英帥 沈益國 陳奕林 吳茂明

（1.中建一局集團(tuán)第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司福建省綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002）

0 引言

在隧道開挖后常會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，對(duì)隧道安全造成巨大的影響，特別是結(jié)晶體堵塞排水系統(tǒng)后，隧道內(nèi)局部水壓力過大，會(huì)導(dǎo)致隧道變形過大甚至失穩(wěn)。

隧道內(nèi)滲透結(jié)晶堵塞問題已成為隧道的常見病害之一[1-4]。現(xiàn)在的研究主要集中在巖溶隧道方面，通常將隧道排水系統(tǒng)的堵塞分為化學(xué)結(jié)晶堵塞及細(xì)顆粒沉積機(jī)械堵塞，其中細(xì)顆粒沉積機(jī)械堵塞廣為人知，但對(duì)于化學(xué)結(jié)晶堵塞，其機(jī)理較為復(fù)雜。眾多學(xué)者[5-6]對(duì)其進(jìn)行討論和驗(yàn)證分析，主要認(rèn)為隧道開挖打破了巖溶隧道內(nèi)的鈣離子、鎂離子的平衡，隨著二氧化碳的進(jìn)入，碳酸氫根的增加，導(dǎo)致碳酸鈣和碳酸鎂離子沉淀物的形成。也有學(xué)者[7]認(rèn)為開挖作業(yè)導(dǎo)致隧道內(nèi)水體pH值（酸堿度）、溫度等的變化影響了微生物的生長、變化及合成，從而形成結(jié)晶物質(zhì)；也有部分學(xué)者[8-9]認(rèn)為隧道開挖后其初期支護(hù)混凝土的堿性作用和水體中相關(guān)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生的該類病害。然而針對(duì)非巖溶類隧道，現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道較少，特別是發(fā)現(xiàn)的案例也較少。

本文以福建省南平市某粉砂巖質(zhì)隧道的開挖后結(jié)晶現(xiàn)象為研究對(duì)象，通過對(duì)其pH 值，相關(guān)離子含量對(duì)比分析，揭示該類隧道出現(xiàn)結(jié)晶堵塞現(xiàn)象的原因；并根據(jù)現(xiàn)場條件提出了相應(yīng)的防治措施，為今后該類病害的治理提供參考。

1 粉砂巖隧道開挖后結(jié)晶現(xiàn)象

在隧道開挖支護(hù)階段，初期支護(hù)出現(xiàn)大范圍滲水現(xiàn)象，在滲水部位大約5～7d 的時(shí)間出現(xiàn)肉眼可見的白色結(jié)晶體，隨著時(shí)間的增長結(jié)晶體逐漸變大，不斷堵塞排水系統(tǒng)，從而導(dǎo)致隧道局部水壓過大。雖然隧道從內(nèi)到外設(shè)置了初期支護(hù)、環(huán)向排水管（A5cmHDPE 打孔波紋管）、復(fù)合防水層（400g/m2無紡布+1.5mmEVA 防水板）和二次襯砌（C35 防水混凝土）等，但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)塑料排水板接縫、隧道二次襯砌接縫處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象并在滲水處出現(xiàn)白色結(jié)晶體。隧道內(nèi)不同部位的結(jié)晶如圖1~圖3所示。

圖1 開挖初支完成后出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象

圖2 隧道頂部及側(cè)壁出現(xiàn)滲水及結(jié)晶現(xiàn)象

圖3 隧道排水系統(tǒng)被結(jié)晶體堵塞

2 水文地質(zhì)及工程地質(zhì)概況

根據(jù)對(duì)沿線地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，沿線巖土體分布、厚度及巖性變化較大。上部覆蓋層為雜填土淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土（局部表層常覆有厚約0.30米的耕植土、殘積土（局部表層常覆有厚約0.30米的耕植土、下伏為二疊系翠屏山組粉砂巖（P2cp）、震旦紀(jì)龍頭組片巖（Zx）及其風(fēng)化層。

隧道區(qū)地貌屬剝蝕低中山丘陵區(qū)，山體走向大致呈南北向，區(qū)內(nèi)海拔高程一般在90～280m 之間，地形坡度在20°～70°之間，植被發(fā)育，為人工雜木林和灌木以及菜地。

沿線地表水系多為雨源型山間溪水，呈樹枝狀分布。隧道中上部匯水面積較小，流量較小，據(jù)現(xiàn)場觀測流量一般0.03～0.05L/s，近隧道進(jìn)出口段，地形較平緩，匯水面積較大，流量較大，一般為0.05～0.40L/s，流量受天然降水量控制。

3 開挖結(jié)晶原因分析

從現(xiàn)場CO2檢測數(shù)據(jù)可以看出，左右洞CO2濃度隨著里程的增加而不斷增加，但也存在一定的波動(dòng)，這與隧道里程越大，通風(fēng)不暢有一定的關(guān)系，這說明隧道內(nèi)CO2濃度高于室外空氣中0.03%的體積含量，為結(jié)晶提供一定的條件；但通過對(duì)比可知，CO2濃度并未增加較多。左右洞CO2濃度隨里程變化情況如圖4所示。

圖4 左右洞CO2濃度隨里程變化圖

通過提取隧道內(nèi)水質(zhì)，分析水溶液中的離子含量，結(jié)果見表1。由表1 可以看出，左右洞水溶液呈現(xiàn)堿性，且在堵塞區(qū)域Ca2+含量較高，最高可到7.908mg/L，pH 值最大為12.4，可以推斷該結(jié)晶體的主要成分為碳酸鈣（CaCO3）。進(jìn)一步通過X 衍射礦物成分分析，可以得到該晶體的礦物成分主要為方解石，是一種碳酸鈣礦物，驗(yàn)證了對(duì)該晶體成分的推測。礦物成分X 衍射分析如圖5所示。

表1 水溶液中離子含量

圖5 X衍射分析（礦物成分分析）

為了進(jìn)一步分析該礦物成分的形成機(jī)理，對(duì)該場地內(nèi)土體、水溶液中的離子成分進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究，水中的HCO3-含量最大值為2.04mmol/L，土中含量最大為558mg/kg，雖然現(xiàn)有《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021（2009版）對(duì)其腐蝕性進(jìn)行了標(biāo)定，但并未對(duì)其是否產(chǎn)生結(jié)晶體進(jìn)行標(biāo)注。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可以推測該項(xiàng)目結(jié)晶體的形成過程：

鈣離子和土體中大量游離的HCO-3結(jié)合形成了結(jié)晶體，導(dǎo)致隧道內(nèi)滲出水體堿性增加，pH 高于普通水體，從而出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。水溶液及土體中易溶鹽含量分析見表2、表3。

表2 水溶液易溶鹽含量分析

表3 土體中易溶鹽含量分析

4 隧道結(jié)晶堵塞問題的防治方法

（1）新型防排水材料的應(yīng)用。近年來出現(xiàn)了多種防排水材料，例如采用“Ω”結(jié)構(gòu)的毛細(xì)防排水板，利用毛細(xì)力進(jìn)行主動(dòng)吸水實(shí)現(xiàn)主動(dòng)排水，杜絕外界空氣進(jìn)入，減少結(jié)晶過程的化學(xué)反應(yīng)。

（2）對(duì)于已有結(jié)晶堵塞隧道，采用定期探測、早發(fā)現(xiàn)、早治理的原則，及時(shí)采用化學(xué)（弱酸性）清洗+物理（高壓水）清洗的方法進(jìn)行疏通盲排水管，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)內(nèi)的暢通。

（3）其它優(yōu)化措施。例如優(yōu)化盲排水管結(jié)構(gòu)，減少彎道，綜合考慮排水系統(tǒng)等方法，增加水體的排出速率；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)非巖溶隧道結(jié)晶問題的研究，設(shè)計(jì)時(shí)提前進(jìn)行考慮，可預(yù)防此類災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié)束語

本文在分析粉砂隧道（非巖溶隧道）結(jié)晶現(xiàn)象中，通過進(jìn)行水溶液、土體易溶鹽、CO2含量等參數(shù)的檢測分析，最后得到粉砂巖中結(jié)晶體的形成主要為土體中游離的HCO-3與鈣離子結(jié)合形成CaCO3過程，屬于化學(xué)結(jié)晶所致。本案例分析的結(jié)論，可為非巖溶地區(qū)隧道結(jié)晶問題病害發(fā)生的機(jī)理及其防治提供參考。