岩溶隧道排水系统堵塞机理的调查与分析

RAILWAY摇STANDARD摇DESIGN

铁道标准设计

Vol.63摇No.7Jul.2019

文章编号:10042954(2019)07013105

岩溶隧道排水系统堵塞机理的调查与分析

(1郾西南交通大学土木工程学院,成都610031;2郾成都扬华源动新材料科技有限公司,成都摇610213)摘摇要:针对岩溶隧道中普遍出现的排水系统堵塞的问题,调研部分工程实例并探讨相关问题的发生机理和影响因素的作用。由岩溶发育和沉积机理可知,岩溶隧道排水系统的堵塞可分为化学结晶和碎屑沉积两方面的作用。从岩溶沉积的化学反应过程来看,岩溶动力系统是一个三相动态平衡体系,当其中的变量发生变化即可能会造成岩溶隧道排水设施结晶堵塞,主要影响因素包括CO2分压、流速、温度、pH值、离子种类和浓度。从工程影响因素来看,混凝土衬砌的溶出物、排水系统的设计和施工、隧道开挖造成地下水均衡状态都会造成岩溶隧道排水系统堵塞。

关键词:岩溶隧道;排水系统堵塞;岩溶水沉积;结晶机理

中图分类号:U457郾2摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201804130001

蒋雅君1,杜摇坤1,陶摇磊1,赵菊梅1,肖华荣2

InvestigationandDiscussiononBlockingMechanismof

DrainageSysteminKarstTunnels

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.ChengduYanghua

YuandongNewMaterialsScienceandTechnologyLtd.,Chengdu610213,China)

JIANGYa鄄jun1,DUKun1,TAOLei1,ZHAOJu鄄mei1,XIAOHua鄄rong2

Abstract:Themechanismandinfluencingfactorsoftheblockingofdrainagesysteminkarsttunnelsare

discussedbasedoncaseinvestigationandtheoryanalysis.Accordingtothemechanismofkarstkarstdynamicsystemcanbeseenasathree鄄phasedynamicbalancesystem,andthechangingofmainvariablesinthissystemincludingPCO2,flowrate,temperature,pH,ionicspeciesandconcentrationmaycausethecrystallizationblockageoftunneldrainagefacilities.Fromtheperspectiveofengineeringandtheequalizationofgroundwaterbalancecausedbytunnelexcavationareallthefactors,whichmaycausetheblockageofdrainagesysteminkarsttunnels.

Keywords:Karsttunnel;Drainagesystemblocking;Karstwaterdeposit;Crystallizationmechanism

developmentanddeposition,theblockageofthetunneldrainagesystemcanbedividedintotwoaspects:chemicalcrystallizationanddetritaldeposition.Fromthechemicalreactionsofkarstdepositionprocess,

factors,thedissolvingsubstancesfromconcretelining,thedesignandconstructionofdrainagesystem,

引言

性理念[1],但是目前相关问题还未得到较好的解决,隧道排水系统在运营期间的堵塞问题较为常见,引发了一些运营事故[23]。在岩溶发育地区,隧道排水设

收稿日期:20180413;修回日期:20181029

作者简介:蒋雅君(1980—),男,广西桂林人,副教授,2008年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学博士,从事隧道及地下工程的教学和科研工作,E鄄mail:yajunjiang@swjtu.edu.cn。

也会造成隧道渗漏水加剧、仰拱底鼓、衬砌掉块等病

我国近年来已经提出隧道工程排水系统的可维护

害,并威胁隧道衬砌结构的安全和增加维修费用[46]。

目前国内部分学者对此问题也已经陆续开展了一

定的研究工作[78],但是由于目前对岩溶地区隧道排水管堵塞的机理认识尚不完全,现有的各种措施往往也是短期内有效,难以保证长期效果或无法根治,在岩溶隧道的设计、施工、运营等环节中尚无较为成熟和系统的预防和处治经验可循。岩溶在我国分布非常广泛,按可溶岩地层的分布面积计算,约占全国土地面积的1/3,按碳酸盐岩出露面积计算,接近全国土地面积

施在运营一段时间后发生结晶堵塞的情况更为普遍,

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的1/10[9]越来越多的此类问题。我国隧道修建和运营过程中必将会面临,需要对此引起关注并积极探索有效的解决措施。

因此,结合相关文献的分析和部分工程实例的调研,对岩溶地区隧道排水系统结晶堵塞的问题进行探讨,希望能对我国岩溶隧道工程排水系统的可维护性措施提供一些参考。由于目前在工程中较为常见的岩溶发育地区的岩性以灰岩为主,因此,主要围绕碳酸盐地层的岩溶隧道相关问题展开分析。1摇岩溶发育及沉积机理1郾1摇岩溶动力系统及反应过程

碳酸盐岩的岩溶动力系统概念模型(图1)描述了

气相(CO平衡机制2,)包括如下可逆反应-液相(H2O)-固相((CaCO以CaCO3)三相体系动态积为例)

[10]

。

3的溶解和沉液相转(1)COCO22换成气相逸出(气)葑CO2(液。),即气相CO2溶解于水或合为碳酸或碳酸发生水解(2)CO2(液)+H2O葑H。

2CO3,即液相CO2与水结和碳酸(3)氢H根2CO离3葑H+子,或+HCO沉积3-(,主即碳酸分解产生氢离子要是结晶)发生可逆过程(4)。

解,可逆过程即碳酸钙沉积CaCO3(固)葑Ca2+。

+CO32-,即碳酸钙发生溶氢离子与反应(5)CO32-(4)+H+产生的碳酸根离子结合成碳酸氢根葑HCO3-,即溶解时反应(3)产生的

离子,使得溶解反应(4)能继续进行,或沉积时为可逆过程。

图1摇岩溶动力系统概念模型

从上述模型及反应过程可知:由于CO用后形成的H+2和H2O作

CO促进了CaCO3的电离(溶解),因此2是岩溶发育最重要的因素,同样对于CaCO3沉积

来说,CO2也是最重要的因素;岩溶的作用过程也受到流速场效应和浓度梯度效应的影响(体现在图1中的扩散边界层部位[1011]温度等变量(与扩散边界层厚度相关),因此该动力系统中的流速和)也对岩溶的反应过程有一定影响。

应从岩溶动力系统的角度去认识碳酸盐的溶解与沉积的问题:溶解-沉积是一个动态的化学反应过程,当系统中的变量发生变化时就会打破平衡,使反应方向偏移。当隧道开挖改变了岩溶动力系统的平衡状态时,即可能造成含有Ca2+、Mg2+等离子的岩溶水在隧道排水系统中发生如式(1)所示的脱碳酸作用而形成沉积[12]Ca2+/Mg:

2++2HCO3-寅CO2邙+Ca/MgCO3邬+H2O

1郾2摇岩溶水的搬运作用及碎屑沉积

(1)

灰岩在地下水流的长期冲刷侵蚀下,部分可溶性碳酸盐岩先发生溶解,并产生细小的围岩碎片及细颗粒[8]蚀、重力崩塌。同时,、在岩溶系统的发育过程中机械破坏等作用,也会产生一定的破碎,由于水流冲岩石或泥沙,由岩溶水的搬运作用将这些碎片和细颗粒带入隧道排水系统中。此类过程主要为物理作用,但部分碳酸盐碎屑也有可能会参与到岩溶水结晶的化学过程中。

另外,由于岩溶地区地质构造较为复杂,常存在岩溶管道、岩溶洞穴、岩溶裂隙等与地表连通,有利于地表水对地下水的快速补充,为岩溶水提供补给源。在季节性降雨后,也会将土壤中的细颗粒冲刷带入隧道排水系统中。图2所示实例为西南岩溶地区某公路隧道,由于降雨引发了隧道洞内大范围的渗漏,同时将地7层中的泥砂带入隧道排水系统月)。

(调研时间为2015年

图2摇岩溶地层中泥砂随降雨进入隧道排水系统摇

上述细颗粒或泥砂进入隧道排水系统后,在排水

管的转弯、低部处由于岩溶水的搬运作用减弱,也会发生一定程度的碎屑物质沉积。1郾3摇岩溶沉积产物及形态

在碳酸盐岩地层中,岩溶水沉积产物多以离子与结

摇

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合的矿物为主,形成方解石(CaCO云石(CaMg[CO3)、文石(CaCO3中较为常见,颜色通常为白色或黄白色3]2)等产物。方解石在岩溶水结晶产物)、白[13]实例[8],如图3所示样分析结果可知。例如,根据西南地区某在建高铁的隧道工地取(2郾时间为82%2018)、石英年1(1郾,其主要成分为方解石月55%)。但需要注意的是)、块磷铝矿(1郾(94郾,11%5%由于不同种类)等)、(文石调研可溶性岩层(如本文尚未涉及的硫酸盐岩、卤化物岩)地下水的离子种类差异以及碎屑沉积作用,在隧道排水系统中析出的结晶产物成分及比例也会有差别,并有机械混入物。

图4为西南地区某城市地铁区间隧道施工中出现的岩溶水结晶情况(调研时间为2015年12月),当时隧道二次衬砌尚未跟进浇筑,隧道内的岩溶水漫过矮边墙流入隧道内部临时水沟,3个月左右即在矮边墙混凝土的顶部、裸露钢筋表面形成了堆积紧密的结晶物。

图3摇某隧道排水管图4摇某地铁区间隧道岩溶水结晶情况岩溶水结晶情况

摇

摇

2摇岩溶隧道排水管堵塞的化学影响因素

由岩溶动力系统的化学反应过程可知,影响碳酸

钙沉积的主要指标为COpH、HCO。

2分压(PCO2)、流速、温度、2郾1摇CO3-(或Ca2+)[10]2的影响溶发育的重要条件CO2在水中溶解导出H+对CaCO。进入岩溶动力系统中的3形成侵蚀,是岩CO能来自3个主要途径:大气中赋存的CO2可或生物产生的CO2;植物、细菌生的CO2;深部碳酸盐类矿物的热解作用产因素:在标准大气压下海平面处的2[8,14]。其中土壤CO2是岩溶发育的最大影响0郾PCO2平均值仅约为

P038%,但6%是在及以上部分[11]岩溶地区实例中土壤层中的层时将溶解大量的CO2能达到CO增强岩溶水的侵蚀能力。岩溶地区地表水流经土壤2,携带更多的补给进入岩溶系统中。

由于CO2的溶解度与P比CO,当PCO2成正比、与温度成反CO2和温度条件发生变化的时候,也会造成(如式2逸出使CaCO(1)所示)[15]3的溶解-沉积反应朝沉积方向发生。当岩溶水进入隧道排水系统时,

由于隧道内的P内的温度也可能高于地层温度CO2往往小于土壤层处的P,以上两个条件将会使CO2,隧道洞得岩溶水发生脱碳酸作用,逸出CO酸盐发生沉积的条件。2而形成有利于碳2郾2摇温度的影响

温度对CaCO一个标准大气压下3和CO,CaCO2的溶解度有较大的影响:在

。当隧道内的温度高于地下水的温度时3和CO2的溶解度随水温上升而下降,就会造成CO[1617]2逸出和CaCO3溶液达到过饱和状态而形成结晶线[18]的饱和状态,图中曲线。图,该曲线上I5为碳酸钙的溶解度曲线是碳酸钙溶液的浓度-温度关系曲、下方区域分别表示溶液的过饱,表示溶液和状态和不饱和状态。曲线II为碳酸钙的过饱和曲线,将饱和区域分为不稳定和亚稳定过饱和区域,也是结晶通常发生的区域。从图5中的abcd直线可知,随着温度的上升(同时也会伴随着蒸发),碳酸钙溶液将进入过饱和状态(c、d点)并结晶。

图5摇碳酸钙溶液的浓度-温度关系

摇

隧道的修建和运营期间,由于通风照明、车辆运行及

尾气排放、人员活动等因素的影响,会使得洞内的环境温度上升。当岩溶水进入隧道排水系统后,也会有一定程度的升温,使得岩溶动力系统向着沉积反应方向行进。2郾3摇pH值的影响

当水溶液的pH值较低时碳酸盐的溶解度升高,6不利于结晶的形成是碳酸钙饱和溶液中;反之pH,则有利于结晶的生成值与CaCO。图

3含量的关系,反映出pH值增大时(H+含量减少),CaCO相应降低,当pH值接近或超过10时,水溶液逐渐失3的溶解度去对碳酸盐的侵蚀能力[10]在平衡状态下,岩溶水中的。

pH值与CO2分压之间呈现直线关系,由CO2和H制[7]溶水进入隧道排水系统发生。由本文前面对CO2O作用后产生的H+控2、温度影响的分析可知CO,当岩CaCO2逸出从而减少H+含量,降低了2郾4摇流速的影响

3的溶解度,有利于形成结晶。

碳酸钙溶液体系在排水管壁上结晶析出必须经历如下过程:首先要产生微小的粒子作为晶核,然后晶核再生长成微晶粒,微晶粒在溶液中由于热运动不断地

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图6摇平衡状态时CaCO3含量与pH关系曲线

相互碰撞,和管壁也不断地进行碰撞,使小晶体不断变成大晶体。在碰撞过程中各晶粒的正负电荷部分碰撞彼此结合形成大晶体,若连续不断地按一定的方向碰撞,就形成了覆盖管壁的结晶层,如图7所示[18]在结晶层的形成过程中,溶液体系中的固。

-液接

8触界面会逐步形成一个扩散边界层(DBL),如图

和状态所示[19],这些密集离子层或局部饱和层如果不能转。在该扩散边界层内的溶液达到或接近饱移稀释,则有可能持续结晶析出。因此,水流速度越快则溶质微粒的水动力弥散效应(亦称流速场效应)越明显[10]结晶层的速度就越慢,溶质的局部浓度将被冲淡。以上推论已经由相关的学者,排水管壁形成通过试[7

8]验。

予以证明,相关研究结果和结论见文献图7摇碳酸钙结晶过程示意

图8摇具有紊流区和扩散边界层的CaCO3-H2O-CO2系统

2郾5摇离子的影响

岩溶水中Ca2+到隧道排水管中结晶的形成速度和程度、Mg2+、HCO3-等离子的浓度将影响

,达到饱和度的离子浓度将促使式(1)朝着析出碳酸盐结晶物的方向反应。岩溶水中通常还有如Na+、K+、Cl-,对多种离子、SO42-等对碳酸盐的溶解和沉积有间接影响的离子形成的“混合溶蚀效应冶也应引起关注[78]。由于相关

问题较为复杂,此处不展开详述。3摇岩溶隧道排水管堵塞的工程影响因素

岩溶隧道的设计、施工等环节中也可能存在一些因素,对隧道排水管堵塞造成一定影响。3郾1摇混凝土的溶出物

岩溶水需要流过隧道衬砌混凝土(主要是喷混凝土初支)进入隧道排水系统,因此混凝土中的一些可溶性水泥水化产物也将会随局部渗水进入岩溶水系统

和排水系统中。混凝土中水泥石的主要水化产物是水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶,氢氧化钙、水化铝酸钙和25%水化硫铝酸钙晶体,其中可溶性的氢氧化钙约占

[20]凝剂,其中不少种类为碱性复合制剂。另外,喷混凝土往往还要添加一定比例的速,且与水泥水化反应生成可溶性碱性产物(如NaOH)[21]的此类物质进入到隧道排水系统内以后。,混凝土局部一定程度上参与到碳酸盐的结晶反应过程中去。以氢氧化钙为例,其溶出后的主要反应过程为

摇Ca(OH)2+CO2=CaCO3引+H2O

(2)

被渗水带出并在基面形成摇即便不是在岩溶地区,“隧道混凝土中部分溶出物析白冶(也称为泛碱)的情况也较为普遍(图9),严重时也会造成排水管的一定堵塞。

图9摇某在建地铁区间隧道初支基面的析白现象

摇

笔者在西南地区某城市地铁区间隧道施工现场对

隧道初支基面的渗水做了pH值测试对比(调研时间为pH2015的初支基面渗水的值为年12郾125月~13郾):刚施作完几天的初支基面渗水的0,pH而经过值为7郾35个月以上岩溶水冲刷

~8郾0,与隧道掌子面处涌水的pH值接近。由此可知,由于混凝土局部的碱性可溶性物有限,此现象具有一定的短期效应。但是,应对隧道混凝土衬砌的密实性和抗开裂性能也引起关注,以保证其耐久性能[22]3郾2摇排水系统的设计与施工。

目前对岩溶隧道排水系统的设计未能很好地考虑防止后期出现结晶堵塞的预防和处理措施,比如:岩溶隧道排水管的设计大多未能根据防止岩溶水结晶的要

摇

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求进行对应的规格设计和管材选择;如图10所示的纵向、环向、横向排水管的接头部位,由于弯头过多较易由于泥沙和碎屑的淤积和结晶而发生堵塞。

,造成大面积衬砌混凝土渗漏病害[22]图10摇隧道排水管的三通接头构造

在隧道排水系统的施工中也难免存在一些问题:如施工误差造成隧道排水管布设坡度与设计不符,渗水排泄不通畅;施工中不注意保护,损坏隧道排水管;遗留某些杂物于排水管中等。

由于目前国内大多数隧道尚未考虑排水系统的后期检查、维护的构造和设施,一旦排水管发生堵塞,清理和维护就成了一个棘手的问题。3郾3摇隧道开挖的影响

隧道的开挖破坏了隧址区岩溶地下水的均衡状态,使得岩溶动力系统也进行对应的动态调整,直至达到新的均衡状态。在这个调整过程中,系统中的一些变量也会发生改变,如地下水的流动路径、地下水压力和流速、pH值、CO2分压等,也会影响岩溶动力系统中碳酸盐的溶解—沉积反应过程。

另外,隧道穿越溶洞、断层破碎带等部位以及岩溶水在围岩节理裂隙中形成的新的渗流通道,也会造成一些细颗粒填充物、碎屑等被带入隧道排水系统中发生沉积,堵塞隧道排水管。4摇结语

通过探讨分析岩溶隧道中常见的排水系统堵塞问题的原因和影响因素的作用,得到如下的认识可知(1),岩溶隧道排水系统堵塞的原因主要有化学沉积从岩溶动力系统及岩溶沉积的化学反应原理

。

和碎屑沉积两大方面,从其形成机理上来看,岩溶动力系统的碳酸盐沉积反应难以完全避免,需要考虑运营期间的长期维护措施因素主要包括(2)岩溶隧道排水系统结晶堵塞的化学反应影响

。

P度等方面,相互之间还存在复杂的作用关系CO2、流速、温度、pH值、离子种类和浓,相关问题仍然有待深入开展相关研究溶隧道排水系统堵塞问题的可操作性较强(3)相对而言,从工程影响因素入手妥善解决岩

。

,但是目前

针对这方面的研究仍然远远不够,还有待做进一步全面的考虑和改进。

限于篇幅,本文尚未对碳酸盐岩以外的其他可溶岩层(硫酸盐岩、卤化物岩)的相关问题展开分析,岩溶隧道排水设施的可维护措施也将另文开展讨论。参考文献:

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