隧道初支鈣華成因與降低排水堵塞措施

孫世達(dá)

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

隧道穿山而建，地質(zhì)水文條件錯(cuò)綜復(fù)雜，是交通基礎(chǔ)設(shè)施中非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，但是許多隧道在初期支護(hù)并運(yùn)行一段時(shí)間后都出現(xiàn)了防排水系統(tǒng)堵塞失效、初支混凝土強(qiáng)度降低等問(wèn)題。近些年，伴隨著廣西、云南、貴州等西南地區(qū)富水區(qū)域隧道建設(shè)數(shù)和里程數(shù)的增加，隧道排水系統(tǒng)被碳酸鈣晶體等多種雜質(zhì)堵塞的問(wèn)題愈發(fā)突顯。

研究表明[1]，隧道排水系統(tǒng)中的堵塞物主要包括隧道排水管道內(nèi)形成的沉淀結(jié)晶（MgCO3、CaCO3、BaSO4和BaSO3），地下水滲流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)周圍巖石的沖刷形成的圍巖碎屑、圍巖顆粒物以及地表水滲入夾帶的部分泥沙和細(xì)沙等物質(zhì)。這3 類堵塞物在排水管內(nèi)低洼處沉積下來(lái)，最后堵塞排水系統(tǒng)。隧道排水系統(tǒng)一旦被堵塞，輕則造成隧道大規(guī)模滲水、襯砌開(kāi)裂、鋼筋被浸蝕、路床翻漿冒泥、隧底脫空等病害，影響駕駛安全和隧道美觀性，重則造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生比較嚴(yán)重的形變，穩(wěn)定性嚴(yán)重降低，極度危害隧道的安全性能。

綜上所述，對(duì)隧道初期支護(hù)鈣華產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出減少鈣華形成、減少排水管堵塞情況的方法，這是確保隧道排水系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)，減少隧道災(zāi)害發(fā)生，保證襯砌良好工作性能的重要手段。

1 工程概況

貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標(biāo)項(xiàng)目工程位于銅仁市石阡縣青陽(yáng)鄉(xiāng)與黔東南州岑鞏縣平莊鎮(zhèn)交界，項(xiàng)目主線經(jīng)青陽(yáng)鄉(xiāng)坪場(chǎng)村至岑平莊鎮(zhèn)獅兆村，主線全長(zhǎng)5.55 km。項(xiàng)目連接線工程連接主線青陽(yáng)互通至岑鞏縣，三級(jí)路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，全長(zhǎng)17 km。其中主線有一座隧道，為大坪隧道，全長(zhǎng)2.15 km，隧道進(jìn)口位于青陽(yáng)鄉(xiāng)坪場(chǎng)村，出口位于平莊鎮(zhèn)鎮(zhèn)獅兆村，隧道二襯輪廓為半徑5.55 m 的單心圓。連接線有2 座隧道，皆位于青陽(yáng)鄉(xiāng)，其中大錫場(chǎng)隧道全長(zhǎng)562 m，桐子嶺隧道全長(zhǎng)773 m，隧道二襯輪廓為半徑5 m 的單心圓。本標(biāo)段復(fù)工后，隧道二襯橫向排水口出現(xiàn)不同程度的白色-黃色結(jié)晶物，進(jìn)一步排查，隧道初支部位也發(fā)現(xiàn)不同程度的結(jié)晶物，初步認(rèn)定該結(jié)晶物為鈣華。

2 隧道初期支護(hù)鈣華成因

造成隧道建設(shè)時(shí)初期支護(hù)排水系統(tǒng)發(fā)生鈣華進(jìn)而使隧道排水系統(tǒng)堵塞的因素有很多，包括溫濕度、地下水、二氧化碳、圍巖、初噴混凝土、壓力、水動(dòng)力等多方面耦合作用的影響?？偟膩?lái)說(shuō)與水以及二氧化碳有很大關(guān)系，溶解于水中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)減少或水分的蒸發(fā)都將導(dǎo)致富含碳酸氫鈣的溶液析出碳酸鈣晶體，其化學(xué)反應(yīng)式如式（1）所示：

其中，富含碳酸氫鈣的水溶液通常出現(xiàn)在碳酸（鹽）巖地區(qū)，是土體中高濃度的CO2（大氣濃度的10～100倍）或土體深部CO2（大氣濃度的100～1 000 倍）溶解碳酸鹽（巖）的結(jié)果，是反應(yīng)（1）的逆反應(yīng)，即：

2.1 CO2體積分?jǐn)?shù)

在巖溶地區(qū)隧道排水系統(tǒng)內(nèi)，CO2在形成鈣華、堵塞排水系統(tǒng)中起著較大的作用。隨著地下水的滲透，溶解于水中CO2便與石灰?guī)r（CaCO3）發(fā)生反應(yīng)，生成Ca2+離子與HCO3﹣離子。隨著石灰?guī)r裂縫和孔隙的擴(kuò)張，更多的地下水滲入這些裂縫與孔隙，產(chǎn)生更多的Ca2+離子與HCO3﹣離子。由于隧道的開(kāi)挖和施工改變了山體內(nèi)部原始應(yīng)力的分布情況，隧道周圍原本封閉的巖石被揭露，圍巖壓力被釋放出來(lái)，導(dǎo)致CO2分壓降低。當(dāng)富含Ca（HCO3）2的地下水到達(dá)隧道時(shí)，CO2分壓降低，溶于地下水中的CO2體積分?jǐn)?shù)減少，其余部分CO2溢出，使反應(yīng)朝促進(jìn)碳酸鈣晶體析出的方向進(jìn)行，即化學(xué)反應(yīng)按式（1）進(jìn)行。

相關(guān)研究表明[2]，CO2除來(lái)源于大氣外，還有以下幾種來(lái)源：①土體里面生物的呼吸、分解及各種微生物作用；②山體深處碳酸鹽類巖石的受熱分解反應(yīng)；③巖石變質(zhì)作用而產(chǎn)生的CO2氣體。

2.2 壓力

隧道排水管中碳酸鈣晶體的析出程度受壓力的改變而產(chǎn)生較大的變化，一般情況下，碳酸鈣的電離程度隨壓力的增大而加劇。但在高壓的情況下，巖溶地區(qū)隧道排水管內(nèi)碳酸鈣結(jié)晶物析出的速度比在低壓的情況下更快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[3]，在溫度為80 ℃、高壓（10 MPa）情況下，碳酸（鹽）巖從溶解到析出碳酸鈣晶體只用了10 h，而在低壓的情況下（100 kPa）需要10～24 h 才能生成結(jié)晶。其原因是在高壓情況下碳酸（鹽）巖的溶解速度加快，但溶液中超過(guò)沉淀-溶解平衡的CO2由于壓力的影響無(wú)法逸散出來(lái)，也加劇了對(duì)碳酸（鹽）巖的溶解，導(dǎo)致碳酸鹽過(guò)飽和而析出碳酸鈣晶體。

2.3 溫度

CaCO3與CO2一般隨著溫度的升高而溶解度降低。隨著隧道的開(kāi)挖，隧道周圍的巖體受到外界氣溫以及人類活動(dòng)（施工設(shè)備的尾氣排放、燈光照明）的影響，導(dǎo)致隧道圍巖溫度升高，地下水中的碳酸鈣溶解度變低。研究顯示[4]，隨著溫度的不斷提升，CaCO3的凈沉積速率不斷增大。

2.4 濕度與地下水

在氣候潮濕的石灰?guī)r地區(qū)，空氣中的濕度較大，隧道的開(kāi)挖施工讓原本封閉、獨(dú)立的地下水系統(tǒng)得到充分補(bǔ)給。在這個(gè)過(guò)程中，地下水的pH 值也隨之改變。研究表明[4]，pH=5 時(shí)，CaCO3沉積速率為0；pH 值=6～8 時(shí)，CaCO3沉積速率較低；當(dāng)pH=9 時(shí)，CaCO3沉積速率較大。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，當(dāng)?shù)叵滤畃H＜6.36 時(shí)，水體的CaCO3飽和指數(shù)較小，不易于在隧道排水系統(tǒng)內(nèi)形成沉淀；當(dāng)?shù)叵滤畃H＞8.33 時(shí)，水體的CaCO3飽和指數(shù)較大，有利于在排水管內(nèi)析出碳酸鈣沉淀?？傊?，酸性環(huán)境下不利于CaCO3的析出，堿性環(huán)境下不利于CaCO3的溶解。

并且在巖溶地區(qū)地下水系統(tǒng)中，離子種類非常豐富，其他離子也會(huì)對(duì)CaCO3晶體的生成產(chǎn)生影響。例如，如果地下水系統(tǒng)中存在大量的Na+離子，而Na+離子對(duì)CO32﹣離子的吸引力大于Ca2+離子對(duì)CO32﹣離子的吸引力，此時(shí)，就會(huì)促使碳酸鈣的溶解。

2.5 圍巖

隧道建設(shè)范圍巖石性質(zhì)是影響巖石溶蝕與否的關(guān)鍵，根據(jù)研究[5]，地下水的滲流運(yùn)動(dòng)受到巖層產(chǎn)狀、巖層厚度、裂隙與孔隙發(fā)育程度等圍巖性質(zhì)的影響。在地下水的滲流運(yùn)動(dòng)影響下，除一部分碳酸鹽巖被地下水通過(guò)裂隙、孔隙溶解產(chǎn)生Ca2+離子與CO32﹣離子外，另一部分未被溶解，而是被地下水沖刷產(chǎn)生圍巖碎屑及圍巖顆粒。

2.6 初噴混凝土

有研究表明[6]，隧道建設(shè)過(guò)程中排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞也與初期支護(hù)混凝土材料有重大的關(guān)系。硅酸鹽水泥中的2CaO·SiO2（硅酸二鈣）、3CaO·SiO2（硅酸三鈣）在發(fā)生水化反應(yīng)后，將會(huì)生成大量的氫氧化鈣。若初期支護(hù)混凝土受到地下流動(dòng)水侵蝕，硅酸二鈣、硅酸三鈣的水化產(chǎn)物不斷被地下水帶走，一部分與地下水中的HCO3﹣反應(yīng)生成CaCO3沉淀，一部分在初支表面或排水管內(nèi)與CO2反應(yīng)產(chǎn)生CaCO3沉淀。

2.7 水動(dòng)力

隧道開(kāi)挖后，地下水得到降雨與地表水的充分補(bǔ)給，使地下水水頭升高，地下水的滲流速度加大。這一方面加強(qiáng)了地下水對(duì)圍巖的沖刷、溶蝕活動(dòng)；另一方面[7]，地下水快速流動(dòng)的地方也是CaCO3沉積最活躍的地方，即地下水水流速度變大的同時(shí)也加快了碳酸鈣的析出。

3 降低初支排水系統(tǒng)堵塞的措施

3.1 優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)

優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在隧道水量較大的地方，采用能夠增強(qiáng)排水能力的波形縱向排水管替代一般的縱向排水管。在隧道中央排水溝處設(shè)置沉砂池，使地下水中的顆粒物質(zhì)沉淀下來(lái)并定時(shí)檢查、疏通，確保隧道排水系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 調(diào)整初噴混凝土配合比

由于粉煤灰中含有較多的SiO2與Al2O3，可以在混凝土中加入一定量的粉煤灰，讓SiO2、Al2O3與Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)[6]，加入粉煤灰后，Ca2+離子濃度與CO32﹣離子濃度便會(huì)下降，發(fā)生的反應(yīng)降低了溶液的pH 值，有利于CaCO3的溶解。

3.3 減少地下水與初噴混凝土的接觸

為了避免硅酸鹽水泥中的2CaO·SiO2、3CaO·SiO2發(fā)生水化反應(yīng)后，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物Ca（OH）2被地下水帶走；防止初支受到地下水侵蝕，一方面導(dǎo)致混凝土內(nèi)水泥濃度降低，另一方面導(dǎo)致地下水附著在混凝土骨料上，使膠體與骨料黏結(jié)面積減小，黏結(jié)力下降，混凝土強(qiáng)度降低而引起結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)隧道建設(shè)過(guò)程中堵水、排水工作，貫徹“以排水為主，封堵為輔”的治理理念[8]，確保在噴射混凝土后地下水無(wú)法透過(guò)噴射混凝土層帶走Ca（OH）2，保障初噴混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。

3.4 量子環(huán)除垢

量子除垢環(huán)基于分子振動(dòng)原理，將除垢環(huán)安裝在排水管壁外，量子環(huán)產(chǎn)生的振動(dòng)波通過(guò)管壁傳遞給管內(nèi)的地下水。在量子環(huán)釋放的振動(dòng)波的影響下，水分活度（水活性）加強(qiáng)，水分子由大分子變成為小分子，水對(duì)碳酸鈣晶體的溶解能力大大提升，使粘附在管壁上的碳酸鈣晶體溶解在地下水中，從而達(dá)到減少排水系統(tǒng)堵塞的目的。

3.5 對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行加壓

由于壓力越大，越會(huì)加劇碳酸鈣的電離，越不利于碳酸鈣結(jié)晶體的生成。因此，通過(guò)采取加壓的方式，利用高壓將已附著在排水系統(tǒng)內(nèi)的碳酸鈣晶體溶解，減少碳酸鈣晶體的數(shù)量。同時(shí)，利用高壓還可以將排水管內(nèi)的泥沙、圍巖碎屑和圍巖顆粒物等吹走，達(dá)到疏通排水系統(tǒng)、延長(zhǎng)隧道排水系統(tǒng)使用壽命的目的。

3.6 其他措施

其他措施有通過(guò)在排水管內(nèi)壁鍍層以改變內(nèi)壁粗糙程度，從而使碳酸鈣結(jié)晶難以附著，還有采用磁化法、加入酸性溶液、采用管壁植絨技術(shù)、加入阻垢劑等。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道排水系統(tǒng)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的整體工程，一旦造成堵塞，將會(huì)對(duì)駕駛安全、隧道美觀性甚至隧道的安全性能造成影響。本文通過(guò)研究貴州省石阡至玉屏（大龍）高速公路土建6 標(biāo)項(xiàng)目工程，得出了以下結(jié)論：①造成隧道初期支護(hù)時(shí)鈣華形成的原因有很多，在實(shí)際工程中要綜合溫濕度、地下水、二氧化碳、圍巖、初噴混凝土、壓力、水動(dòng)力等多個(gè)方面的因素進(jìn)行分析考慮，制定最優(yōu)的排水方案；②為減少隧道排水系統(tǒng)鈣華的形成，可采取包括優(yōu)化隧道排水系統(tǒng)、調(diào)整初噴混凝土配合比、減少地下水與初噴混凝土的接觸、量子環(huán)除垢、加壓等多種阻垢措施，降低隧道排水系統(tǒng)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。