隧道排水管结晶堵塞物溶解研究

林 浩，刘德龙，杨 超

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032；2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

随着我国公路网不断完善，截至2021 年底，全国公路里程已达到528 万km，全国公路隧道达到2.3 万余处，长度达到2 470 万延米，包括特长隧道1 599 处和长隧道6 211 处，分别为717 万延米和1 084 万延米，我国已经成为隧道规模最大的国家之一。隧道运营过程中，出现了各种各样的病害，而由于隧道结晶物堵塞引起的隧道渗漏水是非常常见的病害[1-2]。

导致隧道排水管发生堵塞现象的影响因素很多，且其形成过程相对复杂，主要影响因素包括地质构造原因、工程施工原因、围岩状况原因、生物原因，天然地下水状况原因及气候原因。其中，气候原因是隧道排水管发生堵塞的间接作用因素中最关键原因，其主要影响降雨，进而影响地表水和地下水的水量，而对隧道排水管堵塞起到间接作用；工程施工原因、地质构造、生物因素和天然地下水状态则是隧道排水管堵塞的直接原因，其影响程度远大于气候因素对隧道排水管堵塞的影响程度。隧道排水管正是这几种复杂的因素同时作用而逐渐堵塞失效的[3]。

隧道排水管的具体堵塞原因有如下3 种情况：一种情况是地下水渗流冲刷岩石的碎片和颗粒，碎片和颗粒物进入隧道排水管内，形成堆积；第二种是地下水内溶解的硫酸钡、碳酸钡、碳酸镁和碳酸钙等多种无机盐的结晶物，其中以碳酸钙结晶物居多；第三种是地表水、降雨等冲刷部分泥土、泥沙及碎石流入隧道排水管形成堆积。无机盐结晶物析出堵塞隧道排水管属于化学作用，岩石碎片、泥土、泥沙及碎石形成堆积物堵塞隧道排水管属于物理作用。隧道排水管堵塞正是化学作用和物理作用互相促进下而慢慢发生堵塞现象。据统计有70%隧道衬砌渗漏水的原因是隧道排水管中形成不溶于水的钙盐等结晶物堵塞而引起的[4]。

隧道排水管堵塞后会引起衬砌附件地下水上升，造成衬砌附近水的压力增大。如果不能及时疏导结晶堵塞物，在长期的水作用下，隧道结构物及周边受力结构均会受到严重影响，将会导致更多的隧道病害，轻则衬砌渗漏水、衬砌开裂和结构物变形，更严重的将会导致支护结构等发生破坏，影响隧道服役安全性[5-6]。

本文研究了不同的酸对隧道结晶溶解的速度，综合考虑不同种类不同浓度的酸对隧道排水管结晶物的溶解效率、环保性、施工难易程度和安全性方面，针对应急突发情况和非应急情况，从化学溶解角度提出两种情况下隧道排水管堵塞物的疏通方案，为后续隧道排水管的化学药剂疏通提供理论支撑。

1 试验部分

1.1 试验原料

a）隧道排水管结晶物 太佳高速宝塔山隧道取样。

b）草酸 分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司。

c）氨基磺酸 分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司。

d）冰乙酸 分析纯，天津市富宇精细化工有限公司。

e）盐酸 优级纯，天津市风船花谢试剂科技有限公司。

1.2 试验仪器

JJ-5 型号水泥砂浆搅拌机，无锡市建工试验仪器设备有限公司；YAW-300C 型号微机控制抗折压试验机，济南力联测试技术有限公司。

1.3 测试及分析

分别配置浓度为5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和盐酸溶液300 mL，测试其pH值，称取20 组隧道排水管结晶物20 g，为了便于观察其溶解效果，每组隧道排水管结晶物尽量取较大试样。待4 种酸溶液溶解完毕，尤其是固体状态的草酸和氨基磺酸溶解，15%～25%组草酸和氨基磺酸已到达饱和状态，底部有未溶解部分。将20 组隧道排水管结晶物迅速倒入不同种类和浓度的酸溶液中，观察其溶解速度（图1），酸液颜色及底部隧道排水管结晶物体积变化，并跟踪酸溶液的pH 值变化，其中浓度为5%～25%的草酸的pH 值为1.0～0.7，浓度为5%～25%的氨基磺酸的pH 值为0.8～0.5，浓度为5%～25%冰乙酸的pH 值为3.5～4.0，而浓度为5%～25%的盐酸的pH 值小于0.5。

图1 不同浓度不同种类的酸溶液对结晶物的溶解时间曲线图

由图1 可知，浓度为25%的盐酸对隧道排水管结晶物的溶解时间最短，溶解速度最快，其在7 min 时，已将20 g 隧道排水管结晶物完全溶解，杯子底部已无颗粒状结晶物，且不再有气泡冒出；浓度为20%和浓度为15%的盐酸分别在13 min 和20 min 将结晶物完全溶解，此时其他3 类酸溶液的最高浓度组的结晶物还未完全溶解；而浓度为10%的盐酸溶液在40 min 时，将隧道排水管结晶物完全溶解，此时浓度为25%的氨基磺酸和草酸也已将隧道排水管结晶物完全溶解；浓度为25%的冰乙酸在50 min 时将隧道排水管结晶物完全溶解。不同浓度不同种类的酸溶液溶解结晶物后的颜色情况见表1，状况见图2。

表1 不同浓度不同种类的酸溶液溶解结晶物后的颜色情况

图2 溶解完成后容器底部隧道排水管结晶物状况图

2 结果分析

配置的300 mL 浓度为5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和盐酸4 种溶液中，浓度为5%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及盐酸均未能完全溶解20 g 的隧道排水管结晶物，其中浓度为5%的草酸溶液中隧道排水管结晶物溶解剩余物体积最大；浓度为5%的乙酸溶液中隧道排水管结晶物溶解剩余物体积较大；而浓度为5%氨基磺酸和浓度为5%的盐酸中隧道排水管结晶物剩余物的体积较小。浓度为10%～25%的氨基磺酸和盐酸溶液中隧道排水管结晶物已完全溶解；浓度为10%～20%的草酸和冰乙酸中隧道排水管结晶物溶解剩余物中均有不同大小的块状剩余物。浓度为25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸及盐酸溶液中隧道排水管结晶物均完全溶解。

浓度为25%的盐酸对隧道排水管结晶物溶解速度最快，仅用了7 min 即可完全溶解结晶物，因其效率最高，可有效缩短封闭交通时间，可用于紧急情况下的隧道排水管应急处置。浓度为25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸用了40～50 min 将隧道排水管结晶物完全溶解，但草酸与结晶物生成乳白色溶液，且其附着在结晶物表面形成钝化保护层，阻止了草酸继续与结晶物的反应，在结晶物较大时会影响其进一步溶解反应；而氨基磺酸酸性较强，使用时对人员和设备存在一定的安全隐患；冰乙酸的酸性较弱，使用安全，且环保性能好，对隧道结晶物的溶解速度较快，推荐在实际施工中使用。

3 结语

本文考察了300 mL 浓度为5%、10%、15%、20%和25%的草酸、氨基磺酸、冰乙酸和盐酸对隧道排水管结晶物溶解作用。可应对隧道排水管堵塞紧急处置和非紧急处置两种情况，紧急情况下，为缩短封闭交通时间，缓解交通压力，减小因封闭交通带来的损失，推荐采用较高浓度的盐酸溶液进行处理，而非紧急情况，综合考虑溶解速度、环保和安全性能，推荐采用较高浓度的冰乙酸进行处理。