隧道排水管材堵管机理探析

熊 帅

(内江师范学院 人工智能学院，四川 内江 641100)

1 引言

地上空间已不能满足现代建筑的需要，特别是在一些发达地区，因此地下空间的开发和利用显得尤为重要。随着西部大开发、国家“一带一路倡议”的开展，城市轨道交通发展迅猛。截至2020年末，我国大陆地区拥有地铁城市45座，城市轨道交通运营线路244条，线路总长7969.7 km。2020年全国重点城市城市轨道交通数据如表1所示[1]。

表1 2020年全国重点城市城市轨道交通数据

可以看出表中所列的11座城市中轨道交通总里程均在200 km以上，上海的总里程和车站总数均居第一；北京次之，成都第三。为节约地上空间，轨道交通的建设，很多工程选择利用地下空间。

现代的运营隧道表明[2～5]，在富含灰岩地带，特别是在我国的西部地区云贵川等地，由于地下水富含Ca2+和Mg2+等微溶于水或不溶于水的碳酸盐化合物，附着在隧道排水管壁内侧，得不到及时排出，待到雨季水流将排水管周围的泥沙、围岩碎片、颗粒等杂物冲击到管内相互作用形成堆积，如此往复，便造成了堵管现象的发生。一旦隧道排水管堵塞，便会引发隧道结构的一系列问题，轻则隧道内的降压能力大大削弱，隧道外的水压突增，引发隧道结构仰拱隆起、衬砌破损掉落、二衬结构开裂、围岩周围应力变化等病害；重则因横纵隧道排水管堵塞，导致隧道内涌水的发生，影响行车、行人安全，威胁交通道路、人员生命财产安全。

要从根本上解决隧道排水管堵管问题，首要的应从隧道管材选材上着手。

2 隧道排水管堵塞机理

据统计[6，7]，排水管的堵塞受溶液温度、周围CO2浓度、水中溶质种类、酸碱度大小等许多因素的影响，其原因是在水溶液内存在着微溶于水或者不溶于水的碳酸盐化合物，根据周卓[8]的研究取样水质分析发现溶液中含有的微溶物质86%为CaCO3，主要是由溶液中的Ca2+和CO32-结合生成的，Ca2+在富含灰岩地区尤为多见，浓度也相对较高；而CO32-来源于CO2，CO2可存在于周围环境、动植物呼吸、生物腐蚀等。刘士洋[9]等通过在大量工程现场调研和室内实验证明了隧道灰岩地质环境中，水溶液富含HSO4-、HCO3-、Ca2+、Mg+等，根据化学电离平衡原理可知这些离子会生成碳酸钙、碳酸镁等晶体；晶体聚集过多会堵塞排水管道，如此，日复一日威胁排水系统健康。由此，隧道排水管堵塞内在因素是由于微溶于水的碳酸盐在水流的作用下，附着在管壁内侧排不出去，加上周围的泥沙、枯枝烂叶等外在因素在雨季的作用下，进一步加大堵管的风险。

在刘士洋等[9]通过植绒膜的室内实验研究，得出规律曲线，发现实验初期，7 d之后的5组数据的结晶量均有所增加；随之，在14～21 d其结晶量增加减缓；28～35 d结晶量达到最小，甚至出现了负增长的现象。通过室内模型实验可知，实验前期主要是结晶物与管材之间的相互作用，其结晶量呈现增长趋势，有利于结晶物的形成，对管道堵塞呈正相关关系；到了中后期是结晶物与结晶物之间的作用，一方面以排斥力为主，再加之水流冲击下夹带泥沙等对结晶物有一个削减的作用，故有下降的趋势。这种削减作用主要是，排斥力的存在致使结晶增加量减少，伴随泥沙等物体与结晶物之间的摩擦力作用，使其结晶质量有所减少，但是也不能完全将其削减，因为削减一定的量之后，结晶物表面被慢慢磨平，表面趋于光滑，因而此后结晶量会趋于平稳。

根据牛顿定律，如果在绝对光滑的前提下，运动中的物体会一直不断地运动下去。受此启发，若果管道内壁在绝对光滑的情况下，那么相应的结晶物会随着水流的作用被排出管道外，但是在现实自然界中只能找到摩擦力相对较小的材料，那么在选择管材时，可以选择摩擦系数较小的，或者与晶体带静电相同的材料，应用同性相斥的原理选择管材，达到从源头上尽量减少结晶物附着在管壁内侧的目的。

3 隧道排水管材应用现状

方祖磊等[10]选择了几种不同的防腐管道对海底隧道管材的比选进行了深入的研究，由于海底隧道对管材要求的特殊性，比如耐腐蚀性要求高、管径大、一次成型后期维修复杂、高差大等，分别对铜镍合金管、碳钢管、不锈钢管(316 L不锈钢管、双相不锈钢管)、钢骨架塑料复合管进行了从耐腐蚀、使用寿命、市场价格、施工难易程度以及耐火等级等的比较，得出铜镍合金管和双相不锈钢管的耐腐蚀性最好，但价格也相应高出其他管材的10倍以上，在实验室条件下选择此种管材用于海底隧道比较好。李林毅等[11]采用试验相似原理，通过建立3D隧道模型，开展了隧道堵管渗流实验研究，得出随隧道堵塞程度加深，隧道排水量的变化规律。在实际工程实例中，排水系统采用的管材多为尼龙、波纹管道[12～14]，其造价比较便宜，但隧道的横纵排水管堵塞也比较严重。特别是采用波纹管道，由于存在波浪起伏，使得当水流流过管道时，所受阻力加大，进一步加速了不溶于水的碳酸盐晶体附着在管壁内侧的可能性，加大了其与管壁的接触面积。

基于此，笔者通过参考大量的文献提出了几种防治隧道结晶堵管的几种理论机理，为隧道工程中排水管材的选择、新材料的开发方向提供一定参考。

4 隧道排水管堵塞处理的新思想

4.1 不同管材对排水管堵塞的影响

要想从根本上解决隧道堵管问题，那么在选材阶段就要进行仔细甄别。不同的材料有不同的分子结构、不同的摩擦系数、带不同的静电荷等。周元江[15]研究PVC管材与晶体之间分子动模拟的相互作用，得出PVC管材与不同切面碳酸钙晶体之间的结合效果进行比较；PVC[16,17]管材的单体由聚氯乙烯构成，受碳碳双键，氯原子的影响，粗糙系数为0.009，有良好的耐腐蚀、耐药品性，缺点是易脆裂。

PPR[18～20]管由单体聚丙烯构成，受碳碳三建影响，熔点较PVC管材高，相对分子质量也较大，具有良好的韧性和抗冲击性能[9]，20 ℃时的密度为0.9 g/cm3，摩阻系数为0.007，较上述PVC管材更小，因此用于排水系统内沿程阻力也相应较小，缺点是PPR管材在低温时，容易脆裂，因此在低温运输条件下要求较为苛刻。

聚四氟乙烯管[21～23]由单体四氟乙烯构成，受碳碳双键、全氟原子的影响，静摩擦系数是塑料中最小的，为聚乙烯的1/5，具备良好的耐高温、低温、腐蚀性能，并且其静摩擦系数小于动摩擦系数，抗拉强度也很好，对氧、紫外线均稳定，但其价格也较前两者高。

在经济条件允许的条件下，对三种管材从摩擦系数方面来说，聚四氟乙烯管所受摩擦力是最小的，即其内壁较前两者光滑，不容易产生晶体、杂物沉淀，因此它是直接作为工程排水管材的最佳选择材料。但在实际工程案例中，由于隧道排水要求相当严格，故排水管道的需求量十分巨大，不考虑工程经济状况是不合适的，另外由于聚四氟乙烯管存在碳碳双键、氟原子，双键断裂需要巨大的能量，氟原子的原子半径为元素周期表中卤素元素最小的，因此其更容易成键。

4.2 改性管材影响排水管堵塞机理

基于上述对3种管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯管的结构、经济分析可知，从理论上讲选择聚四氟乙烯管作为工程排水的主要管材是良好的，但是受工程经济投资影响，选择PVC管是经济的。因此，在实际工程案例中选择尼龙、波纹管、PVC管道为多，为进一步防治排水管堵塞可以在考虑经济的基础上对管材进行一些适当的改性，笔者提出以PVC管材为母本材料，对其改性提供两个方面的理论参考，希望对工程中隧道排水管的发展提供一定的理论支撑。

首先，在选择PVC管材作为母本材料的基础上，可以根据电场[24]、磁场分别会产生电场力、磁场力的作用，对游离于溶液中的离子有定向作用的原理改造管材；其次，也可以根据不同材料所带静电不同，“同性相斥”原理选择具有排斥晶体于管材内壁的材料，对管材内外部进行涂层改性等。

(1)PVC+电场：主要思想是在PVC管材外加电场进行管材改性，当水溶液流过管道时，根据前面的介绍，水溶液中含有钙离子和碳酸根离子，在流入排水管道P点时，有一定的水流初速度V0，正离子如Mg+、Ca2+等往阴极移动，SO42+、CO32-等负离子将往阳极移动，如图1所示，在流出管道之前在电场作用下，钙离子和碳酸根离子不产生集合，那么就可以很好地防止产生碳酸钙的沉淀，达到从源头上防止堵管。

图1 电场对离子作用下的管壁

(2)PVC+磁场：如图2，在PVC管材外加上一圈如图所示的线圈，通电后，根据电生磁原理，即可产生如图所示的磁场方向，同样的道理，在水流冲击作用下，水溶液中的Mg+、Ca2+、SO42+、CO32-等离子将发生定向移动，在流出管道之前这些离子不产生集合，那么就不会附着在管壁内侧造成堵管。

图2 磁场作用下的管材

(3)根据整体材料带静电情况及文献[25]资料，并查阅相关资料后表明在CaCO3晶体切开表面后，在(1，-1，0)表面处带正电，(1,0,4)处不带电，因此在选择管材时可根据晶体表面带电不同，选择与其作用面带静电类型相同的材料，以期利用“同性相斥”的原理，从根本上阻碍因在溶液中已经集合成型的CaCO3晶体附着在管壁内侧而引起的管内堵塞。

5 结论与展望

本文结合国内外大量文献，对目前隧道排水系统中排水管材的应用现状进行了总结，并对目前隧道中排水管堵塞微观机理进行了深入的探究。为从源头上解决管道堵塞，对比三种管材PVC管、PPR管和聚四氟乙烯的化学键、摩擦系数等，发现聚四氟乙烯较其他2种具有良好的防结晶功能；考虑到工程实际造价情况，提出以PVC管材为母本材料对其进行改性，以PVC+电场、PVC+磁场、PVC+涂层三种改性方法分别从电场力、磁场力以及“同性相斥”的防结晶堵塞原理进行了详细介绍，对管材的改性从机理上提出了一定的理论依据，对未来排水管材的发展方向有一定的借鉴意义。随着管道制造工艺的不断进步，相信在不久的将来，性能更加优秀的非金属隧道排水管材会应用在隧道排水系统中，将会从源头上解决隧道堵管的难题。