特长隧道排水系统结晶模型试验研究

特长隧道排水系统结晶模型试验研究

Summary：随着我国基础建设的不断展开和进行，特长隧道的建设也在这样一个过程当中得到了相当良好的发展，于此同时也催生了超长隧道排水系统施工技术的大量应用。目前国内很多单位对特长隧道排水系统都有一定的施工经验，为适应特长隧道施工技术的发展，我们势必对特长隧道施工精细技术进行研究并推广。通过前期的技术准备工作，提前对排水系统材料的选用、防结晶堵管技术的研究及总结才使得在后续施工中得以有条不紊的开展现场施工组织，并且保证了施工质量及施工进度，使得本项目的关键点及难题得以解决。Keys:排水系统；结晶模型；水循环试验1工程概况2022年年初开始组织实施西南地区一新建高速公路隧道-香树岭隧道防结晶堵管排水系统研究与应用准备工作，对于影响隧道排水系统结晶堵管的成因分析通过查阅相应的资料及相应试验获得，主要为影响隧道结晶各影响因素，结晶的分布规律，主要研究方法为通过建立试验模型，通过试验数据及施工过程得出相应方案以实现隧道的防结晶堵管。2主要研究内容统计左右洞两侧隧道总长度为2000m，结晶段落达395m，占比19.8%。由此可见，该隧道结晶段落占比大，不同区段结晶量不同，可能与该区段地下水质和混凝土性状有关。对隧道排水管结晶体取样，通过XRD衍射对结晶体成分进行了分析，结晶体成分主要为CaCO3，占比95%以上。现场调查过程中，每隔50～100m对隧道排水管排出溶液、初期支护渗出水取样，在实验室测定水样的pH值、Ca2+浓度、矿化度等参数。3现场实验研究3.1实验模型针对调查过程中隧道所发生的排水管结晶问题，项目研究团队设计了隧道排水管结晶水循环试验系统。该系统主要分为供水装置、排水管、回水装置3个部分。该模型通过控制供水装置中各离子浓度，通过水循环方式研究岩溶水在排水管上的结晶效果。试验成功实现了排水管内结晶。图3-1水循环模型3.2晶体分析对隧道排水管结晶体取样，通过XRD衍射对结晶体成分进行了分析，分析结果表明，结晶体成分主要为CaCO3，占比95%以上。现场调查过程中，每隔50～100m对隧道排水管排出溶液、初期支护渗出水取样，在现场进行流速测定，密封标记好，记录排水管结晶量情况，而后在实验室测定水样的pH值、Ca2+浓度、碱度、矿化度等参数，其中pH值采用pH计（型号MT-5000）测得；Ca2+浓度采用EDTA滴定方式测定；总碱度、重碳酸盐碱度、碳酸盐碱度、氢氧化物碱度根据《SL79-1994碱度（总碱度、重碳酸盐和碳酸盐）的测定（酸滴定法）测得；矿化度根据重量法测得。①PH和碱度分析：在统计的水样中，pH均较大，pH>11的水样占总水样的77%，而有大量结晶体的水样中，pH>11的占到91%，总碱度均很大，个别甚至在1300mgCaCO3/L以上，因此可推新，高pH和高碱度有利于结晶体的生成，快速生成大量结晶体的排水管溶液普遍特性是pH大，总碱度大。HCO3-+Ca2++OH-=CaCO3+H20（1）②Ca2+浓度分析：该隧道地下水中Ca2+含量较小，在21.1mg/L.左右，而测定水样中的Ca2+浓度大部分都大于该值，因为在水泥水化初期，混凝土中Ca2+浓度含量较高，而地下水通过混凝土的渗流过程，会将混凝土中的钙以碳酸钙结晶体形式（反应式（1））或钙离子形式带出，如果地下水质不是碳酸氢钠型水质，而是一般水质，Ca2+浓度会更高。③流速分析：当流速很小时，地下水与水泥水化产物充分接触，导致pH值偏高，碱度偏大，从而结晶体生成量更多。分析原因：一方面，离子浓度较低，达不到过饱和度，不利于结晶体的形成；另一方面，流速过大，对结晶体有“切削”作用，结晶体不易在排水管上沉积下来。因此低流速有利于结晶体的生成和沉积，但并不是唯一条件，如流速为1.4mL/s，但结晶量却很少，流速为28.41mL/s，结晶量却很大，因为结晶沉积过程与过饱和度、热力学、结晶动力学、流体力学等很多方面密切相关。3.3作用机理该试验系统的工作原理为：将配制好的溶液加入供水箱中，此过程中若需要模拟不同的地下水质，可通过调节微型泵将浓度平衡装置中的高浓度溶液加入到供水箱中；通过计量泵将供水箱中的溶液引至渗流装置，透过隧道初期支护混凝土渗出，汇入集水槽，经过滤装置通过回流管再流到供水箱中。供水箱与渗流装置、浓度平衡装置相连通，从而较为真实地模拟了富水公路隧道的渗排水过程。连凝剂的连袭作用：速凝剂水解产物NaOH与水泥中石膏（CaSO4）反应，降低石膏浓度，使之失去缓凝作用，从而达到速凝效果，化学反应方程式如下：NaCO+Ca0+H，O--CaCO，+2NaOHNa，CO，+CaSO，→CaC0，+Na，SO.NaA！O，+2H:O-Al（OH）+NaOH2NaOH+CaSO，→Na，SO，+Ca（OH）：2NaAlO，+3Ca0+7H：0-3C1AH6+2NaOH3.3试验方案试验采用多次单因素试验的方式进行，进而分析不同单因素水平下的变化规律。试验共分为2组：第1组探究一般水条件下不同速凝剂掺量对隧道渗流结晶的影响；第2组探究重碳酸盐水质条件下不同速凝剂掺量对隧道渗流结晶的影响。其中，重碳酸盐水质采用和现场相同的浓度，通过在一般水中加入NaHCO，溶质进行配制，浓度为250mg·L-1。4结论（1）在建隧道排水管结晶体主要成分为CaCO3，结晶体中钙的主要来源是初支喷射混凝土。水泥水化会产生大量的Ca+，地下水在隧道初支喷射混凝土渗流过程中会将Ca2+带离混凝土，最终以Ca2+形式或CaCO；结晶体形式沉积在排水管内或流出排水管。（2）结晶体的生成与沉积都是在高碱性、高pH值溶液中完成的。隧道排水系统在碳酸氢钠型水质条件下较一般水质结晶速率更快，结晶量更大。（3）隧道常用的以铝氧熟料为主要成分的粉状速凝剂，不同速凝剂掺量对结晶体生成量有较显著的影响，0%和6%掺量下结晶体生成量明显高于10%和20%掺量，但20%掺量结晶体生成量略高于10%。因此，对于富水地区在建隧道工程，单一的增加速凝剂用量并不是减少隧道排水管堵塞的有效方法。（4）本试验主要是针对较极端情况进行考虑，通过组内间对比得到不同掺量、不同水质对结晶体的影响，并没有考虑混凝土密实度、养护时间等影响。后续会精细试验模型装置、精进试验方法，使试验结论更具普遍性。此外，本试验只掺加了粉状速凝剂，而混凝土基本配合比、水灰比、减水剂、引气剂、粉煤灰、硅灰等对结晶体的改善不可忽视，通过改进混凝土配合比预防隧道排水管结晶病害是重要且可行的思路，后续将沿该思路做更深入探究。Reference：[1]岩溶隧道排水系统堵塞机理的调查与分析[J].蒋雅君,杜坤,陶磊,赵菊梅,肖华荣.