隧道防排水系统结晶堵塞分析及处治研究

常伟学，陈墨冲

（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730030；2.甘肃省公路交通建设集团有限公司，甘肃 兰州 730030；3.深圳高速工程检测有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

随着隧道工程的不断建设发展，隧道渗漏水问题已成为隧道病害研究重点，隧道排水系统结晶堵塞病害为隧道防排水系统失效的主要原因，但大家对结晶堵塞机理的认识见解不一，在预防处治方面主要集中在对排水系统的优化设计，施工过程中治理方案及成果较少。本文通过对甘肃在建公路隧道工程防排水系统结晶堵塞进行分析研究，希望能够改善公路隧道工程防排水系统结晶堵塞病害处治现状，提高隧道工程耐久性及服役寿命。

1 工程概况

当金山隧道、阿尔金山隧道为甘肃敦当高速的控制性工程，位于海拔 3 000～3 800 m 戈壁荒漠地区。当金山隧道自西北向南东向斜穿当金山和阿尔金山山脉，隧道总长 4 418 m（4 441 m），最大埋深 460 m；阿尔金山隧道自西北向南东向斜穿当金山和阿尔金山山脉，隧道起讫桩号为总长 7 527 m（7 525 m），最大埋深 530 m，右线 YK 288+700 处设 1 座斜井通风，斜井采用 14.88 % 纵坡，总长度为 1 388 m。当金山隧道、阿尔金山隧道地质条件复杂，受区域断裂影响较大，地形破碎、地表切割强烈，隧道线路多次穿越断层破碎带，围岩节理裂隙发育、岩体风化严重，断层破碎带富水，开挖时渗涌水量大［1］，外加隧道渗水结晶明显，给项目建设带来了巨大的挑战。

2 隧道防排水系统结晶堵塞特征及病害分析

2.1 结晶堵塞段水文地质条件

2.1.1 地下水类型

根据隧道通过区地层岩性及地质构造特征分析，地下水以基岩裂隙水和第四系孔隙水为主，局部具有弱承压性。但由于其含水介质的各向异性，使地下水的补给、径流、排泄条件十分复杂。地质调查表明，泉水均沿区域断层 F5、F6、F7 走向分布，在线路两侧 17 km 范围内共发现泉水 13 处，在阿尔金山山脊两侧均有分布，泉水流量一般在 2～150 m3/d，季节性变化较大，为当地牧民主要生活用水，根据泉水分布特征，判定区域断裂 F5、F6、F7 破碎带均储存有地下水。现场施工过程中也显示地下水含量丰富，如图1 所示。

图1 隧道掌子面部分段落出水情况

2.1.2 水化学特性

根据设计资料表明，隧址区沟谷地表水水化学类型主要为 SO4·Cl-（Na+K）·Ca 型，矿化度为1.62～1.66g/L，水中不含有侵蚀性 CO2，Cl-含量为 339.1～335.2 mg/L，含量为 550.4～498.0 mg/L；根据阿尔金山隧道钻孔水化及附近敦格铁路工程资料表明，地下水水化学类型为：SO4·Cl-（K+Na）·Mg 型水，矿化度为 1.11～1.69 g/L，水中不含有侵蚀性 CO2，Cl-含量为 283.5～2 272.0 mg/L，含量为 576.4～2 000 mg/L。

2.2 结晶堵塞段设计情况

2.2.1 防水系统

除仰拱外，设计隧道防水系统均为在二衬混凝土与初支混凝土间敷设一层 350 g/m 无纺土工布+1.5 mm 厚 EVA 防水板，施工缝、变形缝处采用橡胶止水带止水；二衬两侧拱脚纵向施工缝处在二衬中间位置各设置一道钢边止水带进行结构构造防水［2］。设计二衬混凝土为 C30、抗渗等级不低于 P8。

2.2.2 排水系统

隧道设计排水系统由环向排水管、纵向盲管、横向导水管采用三通连接汇集至中心排水沟组成，设计环向排水管为φ100 半圆排水管，紧贴初支表面纵向均匀铺设，Ⅳ 级围岩段间隔 9 m 设置一道，V 级围岩间隔 5 m设置一道，局部涌水量大时加密布设，施工缝处采用梯形背贴式可排水止水带；衬砌两侧墙背纵向盲管采用φ150HDPE 双壁半边打孔双壁波纹管，沿隧道纵向通长设置；横向导水管采用φ150HDPE 不打孔双壁波纹管，沿隧底 9 m 设置一道，采用三通与纵向盲管引水至中心排水沟排出［3］；中心排水沟根据地下水量采用高度300～700 mm 的预制 C30 钢筋混凝土矩形管；所有排水盲管外侧均缠绕无纺土工布保护，防止管道堵塞；中心排水沟每 100 m 设置检查井一处；同时，在隧道路面两侧设置圆弧形路侧边沟，用于引排运营清洗污水、消防及路面积水。

2.3 结晶堵塞病害分布情况

防排水系统结晶堵塞病害主要在春节复工后集中出现，典型病害情况如图2 所示。复工后项目管理人员对隧道掌子面、初期支护、二次衬砌情况进行详细排查，发现上台阶临时排水沟底、初支表面及仰拱预留槽内、横向排水管内、均形成了一层白色及微黄色结晶体，以白色居多。这种结晶现象在隧道开挖过程中没有发觉，由此可见结晶病害在短时间内未能完全显现，不容易发觉。本次春节因疫情影响暂停施工时间长，结晶显现明显。隧道防排水系统结晶堵塞情况统计如表1 所示。

表1 隧道防排水系统结晶堵塞病害情况统计 处

图2 结晶堵塞病害分布情况

由表1 可知，当金山隧道和阿尔金山隧道渗漏水部位主要集中在仰拱施工缝及二衬施工缝拱脚处。现场渗漏水部位仅 1 处位于仰拱以下，其余渗漏水部位均位于仰拱以上。经详细分析此位置为仰拱钻芯回填薄弱处，为此建议在富水地区隧道仰拱施工厚度检测过程中尽可能少取仰拱芯样，应加强施工过程监管，通过现场监理旁站并留存影像资料的方式改变事后钻芯取样检测手段，避免仰拱钻芯破坏其整体性，导致仰拱下部水渗出。

2.4 结晶堵塞病害特征分析

根据现场防排水系统堵塞情况分析，结晶堵塞主要原因是由于围岩体出露的水存在结晶情况，对隧道防排水系统势必会造成影响，尤其是随着时间的推移，结晶体逐渐显现，使包裹在纵向排水管上的土工布透水性能降低，一部分渗水难以进入纵横向排水管，在相对密闭的空间内逐渐形成一定的水压力，在水压作用下出现了水位上涨及从施工缝处流出的现象，并在施工缝处亦形成了结晶。通过对已经表现出来的二衬拱脚施工缝渗水、结晶情况来看，隧道纵向排水、横向排水功能逐渐降低，随着时间的推移，结晶体积累致使纵横向系统失效，致使二衬拱脚施工缝及仰拱施工缝渗水。同时，隧道中心水沟随着时间的推移，在沟底慢慢形成结晶体淤积，造成隧道排水系统失效。

3 结晶物性质分析

3.1 水质分析

通过对隧道防排水渗漏代表部位取样分析，发现渗漏水中HCO3-、S，Ca2+、Mg2+含量偏高，试验结果表明隧道渗漏水呈碱性，参考已有研究成果［1］当水溶液 pH＞8.33，有利于隧道排水管内碳酸盐、硫酸盐沉淀结晶生成，表明隧道防排水系统堵塞主要原因为碳酸盐、硫酸盐结晶体沉淀造成。隧道渗漏水水质检测结果如图3 所示。

图3 结晶沉积物组份分析

3.2 结晶物组分测定

采集具有代表性的结晶体 2 份，一份为白色结晶几乎无杂质（低罐），另一份为淡黄色结晶富含杂质（高罐），如图4 所示。通过对现场收集结晶物样本烘干做物相分析，根据物相初步分析，大部分试样中白色结晶物质主要为 CaCO3、CaSO4晶体，结晶物样本物相分析结果如图5 所示。

图4 结晶物样本

图5 结晶物样本分析结果

3.3 结晶物生成过程分析

根据隧道渗漏水部位结晶组分含量及隧道水文地质资料，探究隧道渗漏水处结晶物生成的化学机理。

碳酸钙、硫酸钙难溶于水，当隧道内含有较多 CO2时部分碳酸钙会转化为易溶于水的碳酸氢钙，但隧道因疫情影响停工长达 2 月之久，洞内 CO2含量基本稳定，难溶于水的碳酸钙大量沉淀使得隧道防排水系统结晶堵塞现象更为明显。

根据隧道防排水渗漏水取样分析结果可知，镁盐主要以氯化镁的形式存在，而镁盐可与水泥中的氢氧化钙发生反应，生成白色絮凝状氢氧化镁，如图6 所示。白色絮凝状物使得混凝土结构物表面酥松，白色絮凝状氢氧化镁附着在隧道排水管的管壁上，同时水溶液中析出的碳酸盐、硫酸盐聚集从而阻碍地下水正常流通，最终导致隧道防排水系统堵塞。

图6 施工现场白色絮凝状结晶

4 结晶堵塞段处治措施

通过对阿尔金山隧道、当金山隧道结晶成因分析，针对防排水系统结晶堵塞情况，提出隧道防排水结晶堵塞处治措施。

4.1 中心水沟处治

采用专用机械设备在隧道检查井位置处疏通中心水沟，对渗水部位的结晶及杂物进行清理冲洗。

4.2 防排水系统处治

1）针对隧道防排水系统结晶问题［2］，在隧道二衬拱脚部位和仰拱施工缝渗水处，现场采用隧道全宽至中心水沟开凿深 250 mm、宽 150 mm的排水槽，排水槽应与中心水沟贯通，并在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圆孔，圆孔双排梅花状布置，半圆管采用双层无纺布包裹覆盖。

2）在中心水沟纵向方向每 5 m 钻孔一道，孔径50 mm，中心水沟在仰拱以上时钻孔深度至仰拱以下10 cm，中心水沟在仰拱以下时钻孔深度至中心水沟底面以下 20 cm。在渗水处沿中心水沟纵向在仰拱填充顶面凿槽深 250 mm、宽 150 mm 排水槽，通过钻孔与中心水沟贯通，在槽底反扣一半的φ150mm HDPE 排水管，排水管每 100 mm 打φ6mm 小圆孔，双排梅花状布置，半圆管用双层无纺布包裹覆盖［4-7］。最后，在管上铺设 100 mm 碎石反滤层（粒径 30～50 mm），并在上面铺设防水板对碎石反滤层进行隔离，最后采用上方浇筑100 mm 厚的 C30 混凝土进行封闭，通过引流法将渗水点的水引排至通畅段中心水沟或检查井排出，现场处治示意图如图7 所示。

图7 隧道防排水系统结晶堵塞现场处治示意图

4.3 局部裂缝渗水处治

对渗水部位的结晶及杂物进行清理冲洗，采用在漏水部位均匀撒布干水泥粉的方式找到明确的出水点、渗漏水位置［8］，切缝后灌注环氧树脂浆液或速效堵漏剂进行封闭。

5 隧道结晶堵塞预防措施

5.1 设计阶段

隧道防排水系统的设计要结合地质情况“因地制宜”进行，排水管的尺寸拟定应以实际情况和水流量大小为依据来确定。从甘肃阿尔金山隧道、当金山隧道结晶堵塞可以看出，排水管尺寸不仅影响排水量还影响流速，对富含结晶物的水质区域应重点考虑流速影响，避免流速过慢结晶沉淀析出造成排水系统堵塞，并尽可能增大排水系统坡度，加快排水管内水溶液流速。

甘肃阿尔金山隧道、当金山隧道施工现场采用沿中心水沟方向每 6 m 井壁及井底布设 TMF10.5×3.5 排水盲管一道，在浇筑下一板仰拱及填充前直接采用钢筋或钉子将 TMF10.5×3.5 排水盲管（外套透水土工布）钉在已施工段落的中心水沟井壁上后进行下一板混凝土浇筑［9-11］。确保浇筑混凝土与排水盲管形成透水环，仰拱返水采用通过 TMF 排水盲管后在中心水沟处排出的设计优化方式。

5.2 施工阶段

1）在富含结晶物的水质区域建设隧道工程时应采用低碱（或无碱）速凝剂，避免速凝剂中的 Ca2+、Mg2+含量偏高，同时隧道养生水应尽可能采用饮用水，切忌不可采用隧道渗水，从源头上避免地下水溶液中的离子浓度平衡发生变化，造成隧道排水管中结晶沉淀物的生成。

2）在施工中选择优质的防水板、排水盲管，其布设应根据设计结合实际出水情况进行调整，在地下水发育、出水严重地段应进行加密。纵向排水盲管严格按照设计的标高、坡比铺设施做，所有铺设的盲管必须使用土工布包裹，防水板反包且紧靠墙脚固定，纵、横向排水管连接处应顺直、牢固，纵、横向排水管接口位置处应预留一定坡度。

3）严格控制纵向预留槽深度，预留槽深应根据施工现场实际情况予以调整，纵向排水管安装前，需对预留基槽接缝处水泥浆液、底部浮渣进行清理，并用混凝土进行硬化后再安装纵向排水管。纵向排水预留槽施工缝处应用嵌缝剂填塞，严禁采用土工布、编织袋等填充物堵塞。

4）防水板铺设应松紧适度，避免过紧被撕裂或过松形成人为蓄水点。防水板反包应由外向内进行，反包至纵向排水管孔径 2/3 处，并对多余防水板进行剪裁，以免防水板包裹排水孔影响排水效果。对于防水板破损的部位应及时修补，形成有效的封闭隔离措施。

5）浇筑过程中应采取有效措施避免因施工不当或外界干扰造成浇筑过程不连续，并对仰拱填充面进行凿毛处理，以便仰拱填充混凝土结合密实。

5.3 运营阶段

在隧道运营期间加强对隧道排水系统进行检查、疏通，重点检查施工过程中发生渗漏水的段落，做到及时发现、及时治理。对中心水沟可采用清理机器人进行定期清洁，疏通地下水正常排出。

6 结语

本文通过对在建隧道防排水系统结晶堵塞病害分析，得出隧道常见渗漏水部位主要集中在仰拱施工缝及二衬施工缝拱脚处，堵塞主要成因为碳酸盐、硫酸盐结晶体沉淀造成；同时根据现场管理经验建议在富水地区隧道仰拱施工厚度检测过程中尽可能少取仰拱芯样，应加强施工过程监管，避免仰拱钻芯破坏其整体性，导致仰拱下部水渗出。

富水隧道防排水系统设计前可通过加大排水盲管的坡度，改变地下水的流速等措施降低结晶析出沉淀速率，同时在施工过程中应根据围岩出水情况，采用合理的引流方式排出地下水，并严格把控各工序标准化、精细化作业水平，避免施工中破坏防排水系统的完整性，进而提升隧道防排水系统的耐久性及服役寿命。