岩溶隧道排水系统结晶堵塞机理及防治关键技术研究

After the tunnel's drainage system is crystallized and blocked, the operation safety of the tunnel, the appearance of the structure and the service life of the tunnel will all be adversely affected. Furthermore, the repair work is difficult and the maintenance cost is high. At present, the tunnel industry's study for the crystallization and blockage of the karst tunnel drainage's system, both at home and abroad, has the following deficiencies: the explanation of the failure mechanism is still not enough, the prevention technology is obviously inadequate, and the treatment capacity is seriously insufficient. Our project applying for the Fund revolves around the key technical problems of the crystallization blockage of the karst tunnel's drainage system's to delve into the failure mechanism, prediction method and synthetical controlling technology by means of site investigation, theoretical analysis, laboratory experiments, numerical simulation, field test and so on. The main innovations are as follows: (1) revealing the mechanism of the crystallization blockage of the karst tunnel's drainage system, and putting forward the classification index of the crystallization blockage of the karst tunnel's drainage system; (2) Establishing multi-factor analysis model and calculation method of groundwater seepage's crystallization blockage rate of the tunnel's drainage system, putting forward the reasonable maintenance period of the crystallization blockage of the karst tunnel's drainage system. (3) Putting forward a comprehensive evaluation method and treatment technology for the crystallization blockage of the karst tunnel's drainage system based on the type and rate of the crystallization blockage. The research results are directly applied to the project to improve the maintenance level of the karst tunnel's drainage system and ensure the service performance of the tunnel structure.

隧道排水系统结晶堵塞后，将威胁运营安全、影响结构美观、降低使用寿命，且修复难度大、维护成本高。目前，国内外隧道行业针对岩溶隧道排水系统结晶堵塞问题的机理解释尚不健全、预防技术明显匮乏、处治能力严重不足。本基金申请项目紧密围绕岩溶隧道排水系统结晶堵塞这一关键性技术难题，通过考察调研、理论分析、室内实验、数值模拟、现场试验等手段，研究岩溶隧道排水系统结晶堵塞的机理、预测方法与综合防治技术等。主要创新点有：（1）揭示岩溶隧道排水系统结晶堵塞失效机制，提出岩溶隧道排水系统结晶堵塞类型的划分指标；（2）建立地下水渗流结晶堵塞隧道排水系统速率的多因素分析模型与计算方法，提出岩溶隧道排水系统结晶堵塞的合理养护周期；（3）提出基于结晶堵塞类型及发展规律的岩溶隧道排水系统结晶堵塞分级评价方法和综合防治技术。研究成果直接应用于依托工程，提高岩溶隧道排水系统的维护水平，保障隧道结构的服役性能。

结晶堵塞是岩溶隧道排水系统的一个突出病害问题，在世界多国均有案例，排水系统一旦堵塞失效，可能导致隧址区地下水位上升，围岩力学性质劣化，衬砌承受压力增大，进而引发路面积水、衬砌开裂、结构变形等一系列病害，修复难度大、维护成本高，严重影响隧道工程的运营安全以及长期服役性能。碳酸盐岩在我国的云南、贵州、广西、四川、重庆、湖北、湖南、山东、陕西、山西等省份均有分布，修建在碳酸盐岩地层中的隧道工程不胜枚举，隧道排水系统结晶堵塞问题大量存在，并且伴随隧道工程建设规模的不断增加，针对岩溶隧道排水系统结晶堵塞防治技术的需求也将更加迫切。针对岩溶隧道排水系统结晶堵塞问题，本项目从机理与分类、规律与预测、分级与防治3个方面开展了相关研究工作。通过研究岩溶隧道的工程地质特征、水文化学特征和环境温度特征，认为隧道排水系统结晶堵塞是方解石等矿物的溶解再沉淀问题，地下水流入隧道后，因环境温度升高、二氧化碳分压降低而导致水中二氧化碳逸出，引发方解石等矿物的过饱和指数增加而析出晶体；综合工程案例的调研分析，从结晶离子来源、结晶机理、结晶物成分、结晶状态4个方面将岩溶隧道排水系统结晶堵塞问题分成8个类型；基于溶解-沉积理论初步建立了考虑材料接触角的隧道排水管结晶质量预测公式，提出了岩溶隧道排水系统结晶堵塞分级方法，并针对既有实验研究考虑影响因素不足的问题，设计了自动化的隧道排水管性能试验检测装置；针对岩溶隧道排水系统的结晶治理需求，研发了一种隧道排水系统疏通设备，设计了一种用于隧道排水管末端的清理装置。项目研究成果可为解决岩溶隧道排水系统结晶堵塞问题提供一定的理论基础和技术支撑，以期为进一步完善相关标准规范提供参考。