隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞分析及處治研究

常偉學(xué)，陳墨沖

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030；3.深圳高速工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著隧道工程的不斷建設(shè)發(fā)展，隧道滲漏水問題已成為隧道病害研究重點(diǎn)，隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害為隧道防排水系統(tǒng)失效的主要原因，但大家對(duì)結(jié)晶堵塞機(jī)理的認(rèn)識(shí)見解不一，在預(yù)防處治方面主要集中在對(duì)排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工過程中治理方案及成果較少。本文通過對(duì)甘肅在建公路隧道工程防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞進(jìn)行分析研究，希望能夠改善公路隧道工程防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害處治現(xiàn)狀，提高隧道工程耐久性及服役壽命。

1 工程概況

當(dāng)金山隧道、阿爾金山隧道為甘肅敦當(dāng)高速的控制性工程，位于海拔 3 000～3 800 m 戈壁荒漠地區(qū)。當(dāng)金山隧道自西北向南東向斜穿當(dāng)金山和阿爾金山山脈，隧道總長 4 418 m（4 441 m），最大埋深 460 m；阿爾金山隧道自西北向南東向斜穿當(dāng)金山和阿爾金山山脈，隧道起訖樁號(hào)為總長 7 527 m（7 525 m），最大埋深 530 m，右線 YK 288+700 處設(shè) 1 座斜井通風(fēng)，斜井采用 14.88 % 縱坡，總長度為 1 388 m。當(dāng)金山隧道、阿爾金山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，受區(qū)域斷裂影響較大，地形破碎、地表切割強(qiáng)烈，隧道線路多次穿越斷層破碎帶，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體風(fēng)化嚴(yán)重，斷層破碎帶富水，開挖時(shí)滲涌水量大［1］，外加隧道滲水結(jié)晶明顯，給項(xiàng)目建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2 隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞特征及病害分析

2.1 結(jié)晶堵塞段水文地質(zhì)條件

2.1.1 地下水類型

根據(jù)隧道通過區(qū)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征分析，地下水以基巖裂隙水和第四系孔隙水為主，局部具有弱承壓性。但由于其含水介質(zhì)的各向異性，使地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件十分復(fù)雜。地質(zhì)調(diào)查表明，泉水均沿區(qū)域斷層 F5、F6、F7 走向分布，在線路兩側(cè) 17 km 范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)泉水 13 處，在阿爾金山山脊兩側(cè)均有分布，泉水流量一般在 2～150 m3/d，季節(jié)性變化較大，為當(dāng)?shù)啬撩裰饕钣盟?，根?jù)泉水分布特征，判定區(qū)域斷裂 F5、F6、F7 破碎帶均儲(chǔ)存有地下水?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中也顯示地下水含量豐富，如圖1 所示。

圖1 隧道掌子面部分段落出水情況

2.1.2 水化學(xué)特性

根據(jù)設(shè)計(jì)資料表明，隧址區(qū)溝谷地表水水化學(xué)類型主要為 SO4·Cl-（Na+K）·Ca 型，礦化度為1.62～1.66g/L，水中不含有侵蝕性 CO2，Cl-含量為 339.1～335.2 mg/L，含量為 550.4～498.0 mg/L；根據(jù)阿爾金山隧道鉆孔水化及附近敦格鐵路工程資料表明，地下水水化學(xué)類型為：SO4·Cl-（K+Na）·Mg 型水，礦化度為 1.11～1.69 g/L，水中不含有侵蝕性 CO2，Cl-含量為 283.5～2 272.0 mg/L，含量為 576.4～2 000 mg/L。

2.2 結(jié)晶堵塞段設(shè)計(jì)情況

2.2.1 防水系統(tǒng)

除仰拱外，設(shè)計(jì)隧道防水系統(tǒng)均為在二襯混凝土與初支混凝土間敷設(shè)一層 350 g/m 無紡?fù)凉げ?1.5 mm 厚 EVA 防水板，施工縫、變形縫處采用橡膠止水帶止水；二襯兩側(cè)拱腳縱向施工縫處在二襯中間位置各設(shè)置一道鋼邊止水帶進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)造防水［2］。設(shè)計(jì)二襯混凝土為 C30、抗?jié)B等級(jí)不低于 P8。

2.2.2 排水系統(tǒng)

隧道設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)由環(huán)向排水管、縱向盲管、橫向?qū)懿捎萌ㄟB接匯集至中心排水溝組成，設(shè)計(jì)環(huán)向排水管為φ100 半圓排水管，緊貼初支表面縱向均勻鋪設(shè)，Ⅳ 級(jí)圍巖段間隔 9 m 設(shè)置一道，V 級(jí)圍巖間隔 5 m設(shè)置一道，局部涌水量大時(shí)加密布設(shè)，施工縫處采用梯形背貼式可排水止水帶；襯砌兩側(cè)墻背縱向盲管采用φ150HDPE 雙壁半邊打孔雙壁波紋管，沿隧道縱向通長設(shè)置；橫向?qū)懿捎忙?50HDPE 不打孔雙壁波紋管，沿隧底 9 m 設(shè)置一道，采用三通與縱向盲管引水至中心排水溝排出［3］；中心排水溝根據(jù)地下水量采用高度300～700 mm 的預(yù)制 C30 鋼筋混凝土矩形管；所有排水盲管外側(cè)均纏繞無紡?fù)凉げ急Ｗo(hù)，防止管道堵塞；中心排水溝每 100 m 設(shè)置檢查井一處；同時(shí)，在隧道路面兩側(cè)設(shè)置圓弧形路側(cè)邊溝，用于引排運(yùn)營清洗污水、消防及路面積水。

2.3 結(jié)晶堵塞病害分布情況

防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害主要在春節(jié)復(fù)工后集中出現(xiàn)，典型病害情況如圖2 所示。復(fù)工后項(xiàng)目管理人員對(duì)隧道掌子面、初期支護(hù)、二次襯砌情況進(jìn)行詳細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)上臺(tái)階臨時(shí)排水溝底、初支表面及仰拱預(yù)留槽內(nèi)、橫向排水管內(nèi)、均形成了一層白色及微黃色結(jié)晶體，以白色居多。這種結(jié)晶現(xiàn)象在隧道開挖過程中沒有發(fā)覺，由此可見結(jié)晶病害在短時(shí)間內(nèi)未能完全顯現(xiàn)，不容易發(fā)覺。本次春節(jié)因疫情影響暫停施工時(shí)間長，結(jié)晶顯現(xiàn)明顯。隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞情況統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害情況統(tǒng)計(jì) 處

圖2 結(jié)晶堵塞病害分布情況

由表1 可知，當(dāng)金山隧道和阿爾金山隧道滲漏水部位主要集中在仰拱施工縫及二襯施工縫拱腳處?，F(xiàn)場(chǎng)滲漏水部位僅 1 處位于仰拱以下，其余滲漏水部位均位于仰拱以上。經(jīng)詳細(xì)分析此位置為仰拱鉆芯回填薄弱處，為此建議在富水地區(qū)隧道仰拱施工厚度檢測(cè)過程中盡可能少取仰拱芯樣，應(yīng)加強(qiáng)施工過程監(jiān)管，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理旁站并留存影像資料的方式改變事后鉆芯取樣檢測(cè)手段，避免仰拱鉆芯破壞其整體性，導(dǎo)致仰拱下部水滲出。

2.4 結(jié)晶堵塞病害特征分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)防排水系統(tǒng)堵塞情況分析，結(jié)晶堵塞主要原因是由于圍巖體出露的水存在結(jié)晶情況，對(duì)隧道防排水系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)造成影響，尤其是隨著時(shí)間的推移，結(jié)晶體逐漸顯現(xiàn)，使包裹在縱向排水管上的土工布透水性能降低，一部分滲水難以進(jìn)入縱橫向排水管，在相對(duì)密閉的空間內(nèi)逐漸形成一定的水壓力，在水壓作用下出現(xiàn)了水位上漲及從施工縫處流出的現(xiàn)象，并在施工縫處亦形成了結(jié)晶。通過對(duì)已經(jīng)表現(xiàn)出來的二襯拱腳施工縫滲水、結(jié)晶情況來看，隧道縱向排水、橫向排水功能逐漸降低，隨著時(shí)間的推移，結(jié)晶體積累致使縱橫向系統(tǒng)失效，致使二襯拱腳施工縫及仰拱施工縫滲水。同時(shí)，隧道中心水溝隨著時(shí)間的推移，在溝底慢慢形成結(jié)晶體淤積，造成隧道排水系統(tǒng)失效。

3 結(jié)晶物性質(zhì)分析

3.1 水質(zhì)分析

通過對(duì)隧道防排水滲漏代表部位取樣分析，發(fā)現(xiàn)滲漏水中HCO3-、S，Ca2+、Mg2+含量偏高，試驗(yàn)結(jié)果表明隧道滲漏水呈堿性，參考已有研究成果［1］當(dāng)水溶液 pH＞8.33，有利于隧道排水管內(nèi)碳酸鹽、硫酸鹽沉淀結(jié)晶生成，表明隧道防排水系統(tǒng)堵塞主要原因?yàn)樘妓猁}、硫酸鹽結(jié)晶體沉淀造成。隧道滲漏水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 結(jié)晶沉積物組份分析

3.2 結(jié)晶物組分測(cè)定

采集具有代表性的結(jié)晶體 2 份，一份為白色結(jié)晶幾乎無雜質(zhì)（低罐），另一份為淡黃色結(jié)晶富含雜質(zhì)（高罐），如圖4 所示。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集結(jié)晶物樣本烘干做物相分析，根據(jù)物相初步分析，大部分試樣中白色結(jié)晶物質(zhì)主要為 CaCO3、CaSO4晶體，結(jié)晶物樣本物相分析結(jié)果如圖5 所示。

圖4 結(jié)晶物樣本

圖5 結(jié)晶物樣本分析結(jié)果

3.3 結(jié)晶物生成過程分析

根據(jù)隧道滲漏水部位結(jié)晶組分含量及隧道水文地質(zhì)資料，探究隧道滲漏水處結(jié)晶物生成的化學(xué)機(jī)理。

碳酸鈣、硫酸鈣難溶于水，當(dāng)隧道內(nèi)含有較多 CO2時(shí)部分碳酸鈣會(huì)轉(zhuǎn)化為易溶于水的碳酸氫鈣，但隧道因疫情影響停工長達(dá) 2 月之久，洞內(nèi) CO2含量基本穩(wěn)定，難溶于水的碳酸鈣大量沉淀使得隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞現(xiàn)象更為明顯。

根據(jù)隧道防排水滲漏水取樣分析結(jié)果可知，鎂鹽主要以氯化鎂的形式存在，而鎂鹽可與水泥中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成白色絮凝狀氫氧化鎂，如圖6 所示。白色絮凝狀物使得混凝土結(jié)構(gòu)物表面酥松，白色絮凝狀氫氧化鎂附著在隧道排水管的管壁上，同時(shí)水溶液中析出的碳酸鹽、硫酸鹽聚集從而阻礙地下水正常流通，最終導(dǎo)致隧道防排水系統(tǒng)堵塞。

圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)白色絮凝狀結(jié)晶

4 結(jié)晶堵塞段處治措施

通過對(duì)阿爾金山隧道、當(dāng)金山隧道結(jié)晶成因分析，針對(duì)防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞情況，提出隧道防排水結(jié)晶堵塞處治措施。

4.1 中心水溝處治

采用專用機(jī)械設(shè)備在隧道檢查井位置處疏通中心水溝，對(duì)滲水部位的結(jié)晶及雜物進(jìn)行清理沖洗。

4.2 防排水系統(tǒng)處治

1）針對(duì)隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶問題［2］，在隧道二襯拱腳部位和仰拱施工縫滲水處，現(xiàn)場(chǎng)采用隧道全寬至中心水溝開鑿深 250 mm、寬 150 mm的排水槽，排水槽應(yīng)與中心水溝貫通，并在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圓孔，圓孔雙排梅花狀布置，半圓管采用雙層無紡布包裹覆蓋。

2）在中心水溝縱向方向每 5 m 鉆孔一道，孔徑50 mm，中心水溝在仰拱以上時(shí)鉆孔深度至仰拱以下10 cm，中心水溝在仰拱以下時(shí)鉆孔深度至中心水溝底面以下 20 cm。在滲水處沿中心水溝縱向在仰拱填充頂面鑿槽深 250 mm、寬 150 mm 排水槽，通過鉆孔與中心水溝貫通，在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圓孔，雙排梅花狀布置，半圓管用雙層無紡布包裹覆蓋［4-7］。最后，在管上鋪設(shè) 100 mm 碎石反濾層（粒徑 30～50 mm），并在上面鋪設(shè)防水板對(duì)碎石反濾層進(jìn)行隔離，最后采用上方澆筑100 mm 厚的 C30 混凝土進(jìn)行封閉，通過引流法將滲水點(diǎn)的水引排至通暢段中心水溝或檢查井排出，現(xiàn)場(chǎng)處治示意圖如圖7 所示。

圖7 隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞現(xiàn)場(chǎng)處治示意圖

4.3 局部裂縫滲水處治

對(duì)滲水部位的結(jié)晶及雜物進(jìn)行清理沖洗，采用在漏水部位均勻撒布干水泥粉的方式找到明確的出水點(diǎn)、滲漏水位置［8］，切縫后灌注環(huán)氧樹脂漿液或速效堵漏劑進(jìn)行封閉。

5 隧道結(jié)晶堵塞預(yù)防措施

5.1 設(shè)計(jì)階段

隧道防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合地質(zhì)情況“因地制宜”進(jìn)行，排水管的尺寸擬定應(yīng)以實(shí)際情況和水流量大小為依據(jù)來確定。從甘肅阿爾金山隧道、當(dāng)金山隧道結(jié)晶堵塞可以看出，排水管尺寸不僅影響排水量還影響流速，對(duì)富含結(jié)晶物的水質(zhì)區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)考慮流速影響，避免流速過慢結(jié)晶沉淀析出造成排水系統(tǒng)堵塞，并盡可能增大排水系統(tǒng)坡度，加快排水管內(nèi)水溶液流速。

甘肅阿爾金山隧道、當(dāng)金山隧道施工現(xiàn)場(chǎng)采用沿中心水溝方向每 6 m 井壁及井底布設(shè) TMF10.5×3.5 排水盲管一道，在澆筑下一板仰拱及填充前直接采用鋼筋或釘子將 TMF10.5×3.5 排水盲管（外套透水土工布）釘在已施工段落的中心水溝井壁上后進(jìn)行下一板混凝土澆筑［9-11］。確保澆筑混凝土與排水盲管形成透水環(huán)，仰拱返水采用通過 TMF 排水盲管后在中心水溝處排出的設(shè)計(jì)優(yōu)化方式。

5.2 施工階段

1）在富含結(jié)晶物的水質(zhì)區(qū)域建設(shè)隧道工程時(shí)應(yīng)采用低堿（或無堿）速凝劑，避免速凝劑中的 Ca2+、Mg2+含量偏高，同時(shí)隧道養(yǎng)生水應(yīng)盡可能采用飲用水，切忌不可采用隧道滲水，從源頭上避免地下水溶液中的離子濃度平衡發(fā)生變化，造成隧道排水管中結(jié)晶沉淀物的生成。

2）在施工中選擇優(yōu)質(zhì)的防水板、排水盲管，其布設(shè)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際出水情況進(jìn)行調(diào)整，在地下水發(fā)育、出水嚴(yán)重地段應(yīng)進(jìn)行加密?？v向排水盲管嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的標(biāo)高、坡比鋪設(shè)施做，所有鋪設(shè)的盲管必須使用土工布包裹，防水板反包且緊靠墻腳固定，縱、橫向排水管連接處應(yīng)順直、牢固，縱、橫向排水管接口位置處應(yīng)預(yù)留一定坡度。

3）嚴(yán)格控制縱向預(yù)留槽深度，預(yù)留槽深應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況予以調(diào)整，縱向排水管安裝前，需對(duì)預(yù)留基槽接縫處水泥漿液、底部浮渣進(jìn)行清理，并用混凝土進(jìn)行硬化后再安裝縱向排水管。縱向排水預(yù)留槽施工縫處應(yīng)用嵌縫劑填塞，嚴(yán)禁采用土工布、編織袋等填充物堵塞。

4）防水板鋪設(shè)應(yīng)松緊適度，避免過緊被撕裂或過松形成人為蓄水點(diǎn)。防水板反包應(yīng)由外向內(nèi)進(jìn)行，反包至縱向排水管孔徑 2/3 處，并對(duì)多余防水板進(jìn)行剪裁，以免防水板包裹排水孔影響排水效果。對(duì)于防水板破損的部位應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，形成有效的封閉隔離措施。

5）澆筑過程中應(yīng)采取有效措施避免因施工不當(dāng)或外界干擾造成澆筑過程不連續(xù)，并對(duì)仰拱填充面進(jìn)行鑿毛處理，以便仰拱填充混凝土結(jié)合密實(shí)。

5.3 運(yùn)營階段

在隧道運(yùn)營期間加強(qiáng)對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查、疏通，重點(diǎn)檢查施工過程中發(fā)生滲漏水的段落，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)治理。對(duì)中心水溝可采用清理機(jī)器人進(jìn)行定期清潔，疏通地下水正常排出。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)在建隧道防排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害分析，得出隧道常見滲漏水部位主要集中在仰拱施工縫及二襯施工縫拱腳處，堵塞主要成因?yàn)樘妓猁}、硫酸鹽結(jié)晶體沉淀造成；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)建議在富水地區(qū)隧道仰拱施工厚度檢測(cè)過程中盡可能少取仰拱芯樣，應(yīng)加強(qiáng)施工過程監(jiān)管，避免仰拱鉆芯破壞其整體性，導(dǎo)致仰拱下部水滲出。

富水隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)前可通過加大排水盲管的坡度，改變地下水的流速等措施降低結(jié)晶析出沉淀速率，同時(shí)在施工過程中應(yīng)根據(jù)圍巖出水情況，采用合理的引流方式排出地下水，并嚴(yán)格把控各工序標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化作業(yè)水平，避免施工中破壞防排水系統(tǒng)的完整性，進(jìn)而提升隧道防排水系統(tǒng)的耐久性及服役壽命。