山区隧道排水系统沉积阻塞及防治建议

时间：2024-07-28

（山西新世纪交通建设工程咨询有限公司，山西太原 030000）

在山区隧道运营过程中，由于地质结构复杂，自然环境具有很强的不可预见性，这些给山区隧道的安全、正常运营埋下重大安全隐患。在各种隐患类型中，涉及到地下水病害及因地下水导致的二次病害是最主要的安全隐患之一。在各种水害及相关二次病害中，除了衬砌渗漏水、隧道路面积水等典型病害外，因地下水渗透导致的隧道排水系统阻塞是最常见的继发性病害，由于隧道排水系统被阻塞，导致隧道内部积水无法及时外排，大量的积水集聚在衬砌内，严重威胁到衬砌结构的强度及荷载稳定性，部分渗出的水分因无法排出滞留在隧道路面表面，严重影响到道路的正常通行安全。通过工程实践调查发现，导致隧道排水系统阻塞病害的原因有以下两方面。首先，渗透到围岩和衬砌结构中的地下水中富含有大量的钙、镁、铁离子，游离状态的各种离子和排水系统中残留的各种盐酸根离子结合后容易生成各种难溶性盐离子集聚中排水系统内影响排水系统的有效截面积；再者是，岩层中渗透的地下水在水流动力学的影响下，水体携带着大量的泥沙和岩石碎屑进入排水系统内并滞留，严重影响排水系统内的水体外排情况。

一、山区隧道排水系统阻塞根原分析

（一）工程地质条件因素

工程地质条件因素可以细分为地质构造因素和隧道围岩因素两部分，省内山区大部分山体隧道岩石节理发育完全，石灰岩层的岩溶特性尤其明显，岩层的密封性较差，一旦地下水水位上升到岩层内指定高度，将导致大量的岩层地下水内渗，并将大量的钙、镁、铁离子等各种盐酸根离子裹携到排水系统内，加速排水系统内阻塞进度，削减排水系统的使用寿命。此外，石灰石围岩中含有大量的可溶性碳酸盐类物质，在地下水和围岩渗透水的长期冲刷作用下，大块的可溶性盐酸类物质将分散成细小颗粒进入排水系统内，地下水在围岩中的运动受到多因素的耦合影响，难以通过一种单纯的控制技术彻底阻断围岩阻塞影响，且围岩渗透阻塞会随着围岩渗透性的增加呈现恶性循环，围岩内的渗透通道内径快速扩张，大量的岩层碎屑和难溶性盐类沉淀连续补充到排水系统内，最终造成排水系统的阻塞。

（二）外界设计施工扰动因素

早期隧道排水系统在设计过程中缺乏针对性，大部分设计人员直接将标准排水系统设计方案迁移到项目设计中，导致排水系统设计和实际工况严重偏离。正确的排水设计模式应该以隧道内围岩渗透水量和渗透速率为判定标准。如果排水系统设计直径过小，盐酸类沉淀物和各种碎屑泥沙将快速阻塞排水系统截面；如果排水系统设计直径过大，在较低的排水速率条件下，排水系统内的水分流动速率下降，渗透水中掺加的各种沉淀、碎屑及泥沙等沉淀物将无法以较快的速率排出管道，增加了各种沉淀物聚集在排水系统内的风险。

除了设计因素外，施工因素对隧道排水系统的影响也不容忽视。排水系统设计标高直接决定了排水系统在隧道内的整体坡度和总体布局，如果实际施工的坡度范围偏离了设计范围，将导致预先设计的最优化水头值出现偏离，影响排水系统的最佳排水效率；在部分水流交汇位置没有设置专用的弯头，大量水流交汇位置存在“直上直下”的情况，一旦隧道内部水分外排压力增加，将引发严重的排水倒灌问题，不但不能及时外排渗透水，还将引起严重的隧道内积水；部分施工作业人员不重视排水管道内部清洁性，将大量的施工垃圾和废料随意堆砌在排水管道内部，造成内部排水不畅，削弱了排水系统的排水能力和效率，增加了隧道内排水系统的排水负担。

（三）降水因素

气候影响因素不同于设计施工及工程地质因素，属于非直接影响因素，区域降水量会影响隧道岩层内地下水的水位、水量及各种盐酸根离子的浓度指标。在夏季多雨季节，地表水对地下水的补给效应较强，但同时对地下水中各种不良盐酸根离子有不同程度的稀释作用，地表水的的补充打破了既有的地下水离子平衡，进而影响沉淀物类型和浓度。此外，强对流天气条件下的强降雨天气还会裹携大量的泥沙及岩层碎屑进入隧道内排水系统内，加剧了排水系统内的阻塞风险，部分强降雨因素和排水系统坡度不合理因素叠加在一起，在短时间内快速阻塞排水系统管道，造成隧道内涌水病害。

二、山区隧道排水系统阻塞病害处治技术

（一）物理病害处治技术

物理病害处治应尝试从排水系统坡度优化和管道内部优化两方面切入。通过调查省内隧道排水系统阻塞病害可知，超过80%的病害位置出现在纵向排水系统中，根本原因是纵向排水系统的坡度设计值较小，设计坡度基本介于0.8%至2%范围内，且渗透水分在纵向排水系统中的流速较慢，很容易引起沉淀物、岩石碎屑沉积。为了提高排水系统内局部的水头压力，增加排水系统内部的水动力，建议将传统的直线型纵向排水系统优化为折线型。优化后的折线型排水系统如图1所示。

图1 优化后的折线型排水系统

由图1分析可知，经优化后的纵向排水系统坡度值明显大于隧道内路面设计坡度，汇集到纵向排水系统中的水能够以最快的速率流入到横向排水系统中，极大地控制了地下水流入纵向排水系统的总时间，达到了预防纵向排水系统阻塞的目的。

除了从宏观层面优化隧道排水系统外，还可以尝试对隧道排水系统管壁优化处理，分析排水系统阻塞成因可知，主要是由于大量的盐酸类沉淀集聚在管道内部，由于长期集聚作用导致管道内有限的流动截面积下降，严重情况下将导致隧道排水系统完全阻塞。可以在管道内部粘贴纤维细毛，通过纤维细毛的虹吸和过滤作用尽量避免各种沉淀物质的集聚，增加排水系统内壁和水分的直接接触面积，控制了沉淀结晶物流经管道内部的速率。图2为改造后的隧道排水管道内壁结构。

图2 改造后的隧道排水管道内壁结构

（二）生化病害处治技术

分析病害调查数据可知，绝大多数的隧道排水系统阻塞病害都是由于地下渗透水结晶引起，由于省内山区隧道基本以石灰岩为主，隧道内因结晶导致的阻塞病害情况极其严重，建议在隧道排水系统中掺加一定比例的阻断剂，阻断钙离子、镁离子及铁离子与盐酸根离子反应，从化学干预角度控制沉淀生成，并对已经生成的沉淀物进行溶解，从化学反应节段和反应后期入手进行控制。当前养护工程实践中最常用的阻断剂包括：天然高聚物阻断剂、含磷类除垢剂、共聚物阻断剂及新型低碳阻断剂几种，阻断剂的化学活性较高，可以与排水系统中的钙离子、镁离子等物质反应后形成可溶性的聚合物，由于其和各种金属离子的反应活性和速率高于普通盐酸根离子，进而阻断了其与盐酸根离子的反应速率，控制了各种盐酸类沉淀的生产速率。此外，阻断剂还会与已经形成的沉淀物发生化学反应，使沉淀物无法长期集聚形成体积较大的沉淀物。