瑞士研究表明隧道排水系统结垢与岩浆中二氧

长期以来，隧道排水系统的结垢一直是一个重要问题。在过去的几十年里，该领域的研究主要集中在所使用的施工材料和常见的施工技术上。尽管如此，目前，仍无法准确预测新建隧道是否会受到结垢的影响以及影响程度如何。现在这种情况发生了变化，因为人们发现迄今为止尚未考虑到结垢形成中最重要的方面——积聚在地下水中的CO2含量。我们不是在谈论由酸性土壤和/或降水引起的CO2浓度增加，因为由此引起的浓度变化不足以形成绝大部分的结垢现象。这种浓度积聚只能是通过地下岩浆所产生的CO2涌入来解释。只有地下岩浆CO2涌入的区域才会导致结垢，从而导致实践中的严重问题。

概述

排水系统的结垢仍然是世界范围内的一个问题。尽管在研究和实践中付出了巨大的努力，但对于新建隧道是否会面临这个问题，目前还不能做出可靠的预测。

也许，根据来自邻近结构的水样，或采用钻探方式取样检测水中的含钙量，可以做出预测。

然而，在没有水样或既有结构可用于类比和调查的地区，几乎不可能做出可靠的预测。

其原因在于，是否形成沉积物的最重要的决定性因素仍未引起人们的注意：山体中地下水的CO2含量在各种影响因素中占主导地位。我们不是在谈论诸如由酸性土壤和/或降水引起的CO2浓度，因为这种变化引起的浓度积聚只会导致轻微的结垢。我们认为这种浓度积聚只能是通过地下岩浆所产生的CO2涌入来解释。只有地下岩浆CO2涌入的区域才会导致结垢，从而导致实践中的严重问题。

本文旨在论述这一事实，以重新定义未来的研究重点。通过对工程所涉及的地下水水量进行可靠的描述，结合其CO2含量，可以确定最重要的项目设计参数。这些包括：

隧道的横断面；

排水系统特性（尺寸、间距、可通性、材料选择）；

衬砌质量（尤其是喷射混凝土质量）；

调节地下水的措施（安装再循环系统，堆滤石等）；

选择使用降低结垢的施工措施，例如尽量降低贫混凝土、渗水混凝土、再生砾石、注浆、旋喷等使用。

现状

结垢通常理解为从流动水中沉淀矿物质的过程。这些沉积物沉积在地下结构的排水系统中（图1）。绝大部分排水系统结垢物主要成分为石灰，其他矿物质仅含有一小部分（1-5%）。

图1瑞士巴塞尔附近的SBBAdlertunnel导流沟有大量结垢

此外，在极少数情况下，我们会看到赭石沉积物（红色的铁赭石），它们不会变硬，但具有油腻的稠度。它们对隧道结构一般没有害处，但它们确实有助于识别地下水的碳酸性，因为通常只有酸性水能够溶解铁。因此，如果在隧道建设过程中遇到红色沉积物，将来应该会敲响警钟。

去除沉积物/结垢的传统方法是用水高压冲洗（图2），在严重的情况下，使用特殊工具对排水系统受影响部分进行切削（然而，这可能会导致隧道重要部件的磨损），一般都需要直接打开排水系统进行清理。

图2使用高压冲洗方法实例。需要打开地下管沟直接冲洗

在设计方面，有多种减少结垢并且降低其影响的方法。首先，让排水系统有足够结垢的空间[1]，使有机会将沉积物排放到结构外，而不会同时阻塞所有流水路径。当所有排水路径都被阻塞时，水压就会增加。这种情况下就必须进行必要的维护工作，但维护工作中也可能导致建筑材料腐蚀增加、结构损坏和隧道承载力的损失。

减少结垢的其他重要措施包括避免使用任何类型的贫混凝土或透水混凝土——至少这些类型的混凝土应该非常谨慎地使用。这同样适用于与裂隙水接触的注浆、用于填充/底基层的再生混凝土等。建议安装大开口排水管（cm2/m），避免在防渗填料周围使用土工布（防渗填料堵塞），布置可冲洗管段，选择特别配置的喷射混凝土和混凝土配方等等。

硬度稳定

近年来，已经建立了各种硬度稳定(hardnessstabilisation，HS)方法来防止沉积物。这主要是在瑞士，但在德国、奥地利、法国和澳大利亚也越来越多。

液体系统（图3）：这些系统将活性成分以液体形式的输送到产生结垢的管节。在那里，活性成分被添加到流入排水系统的地下水中。在随后的流动路径上，活性成分与地下水混合，从而防止新的沉积物。

图3硬度稳定装置的维修工作。储罐的矿物盐可用数年

堆滤石：堆滤石是硬度稳定的最简单形式。滤石由活性物质和载体材料组成。当置于水中时，活性物质会缓慢溶解并防止形成坚硬的水垢沉积物。载体材料保留下来，必要时可以重复使用。它们以前适用于，例如，流量较小的排水系统中。然而，现在最常见的用法是将它们用作新建项目排水管周围的滤石。在施工期间（最长5年），它们保护外部（主要）排水系统免受堵塞，从而保持流动路径畅通。

再循环系统：在该系统中，部分先前处理过的地下水（约10%）使用打孔软管再循环到排水管的过滤包围中（图4+5）。通过这种方式，它可以长期保护渗漏填料免受沉积物的影响，从而防止过早堵塞。这样，排水管可以长时间保持功能并且不会堵塞。再循环系统可以看作是防止过早堵塞的再保护系统。它也可以局部布置，即仅在确实需要的那些段落中操作。如果结垢减少，则可以随时将其停用。

图4AlpTransit隧道内安装的再循环系统的示意图

图5再循环系统（穿孔软管）的安装，与防止施工期间堵塞的滤石相结合。

活性成分

适用于硬度稳定化的活性成分（适用于各种尺寸和形状的滤石以及液体系统）：

果酸：易于生物降解，不含氮或其他不良化合物。

盐：钠、镁或钾的矿物盐最适合防止沉积。瑞士70%的植物使用矿物盐。所有咨询过的环保机构都推荐使用矿物盐。

其他活性成分：另一方面，所有含有磷酸盐或氮的活性成分都不适合硬度稳定，不应再使用。

瑞士的研究

RegionalverkehrBern-SolothurnAG(RBS)公司正在开展对伯尔尼新建火车站的修建工作，因此，他们希望开发和使用最佳配方的喷射混凝土。众所周知，低碱、低剂量的外加剂和尽可能致密的混凝土对减少结垢情况有积极影响[2,3,4,5]。因此，测试了六种特别配置混合物，分别是标准配比（按标准推荐的配比，中等质量）、VigierCT、HolcimRobusto与Sika、Juradur与BASF以及BASF的其他两种配方（自费进行）。根据奥地利建筑协会（?bv）公布的测试方法，测试了降低结垢潜力的指数(RV)。毫无疑问，所有配方均基本符合要求（0.7kg/t）；标准配比也还可以。混合物的浸出率介于0.3和0.59kg/t之间，标准配比的浸出率为0.71kg/t。使用的水是蒸馏过的地下水。

伯尔尼地下水测试

该测试(RV)规定使用蒸馏水进行测试。现在的问题是，这些混凝土混合物的结垢行为是否会随着不同类型的地下水而变化——尤其是既有相邻隧道（伯尔尼火车站）中附近的裂隙水排出过程中出现了大量沉积物。

因此，推出了一种新型测试：将上述六种混凝土混合物的钻芯放入由PE制成的容器中，并用伯尔尼山体中的地下水来浸泡它们（图6），每个样品试验容器保持不变。定期测量pH值、水的电导率和容器（包括新形成的沉积物）的重量。为了更快地引起沉积物，容器保持敞开，以便由于水的持续蒸发（盐碱化）而形成沉积物。

图6装有伯尔尼山水的容器中的六种不同混凝土样品

事实证明，尽管地下水蒸发了50%，但钻芯与矿泉水的混合物均未在容器壁上形成沉积物。在所有容器的内壁上都形成了粘稠的表面——但没有硬质沉积物的痕迹（粘液层重量测量的结果为每个容器10-80毫克）。只有在没有钻芯的情况下，装入容器并蒸发的伯尔尼地下水，其后在壁上出现硬质沉积物（整个容器约毫克）。这意味着伯尔尼山区的水在与新鲜混凝土接触时不会产生沉淀？！那么既有隧道的沉积物是从哪里来的呢？

实验人员在工程办公室重复了这个测试，但这次使用了不同类型的水。结果表明，三种不含CO2的水（蒸馏水、Valser的Silence矿泉水、不含CO2的Coop矿泉水）只能溶解钻芯中的少量颗粒（每天0-40毫克/升）。相比之下，两种含有CO2的水（Valser和Coop的两种苏打水）在第一天就已经溶解了10到50倍以上的混凝土颗粒（每天到毫克/升）。

再次重复该实验，在实验开始后的第二天，将CO2添加到五个试验的地下水中。对水的电导率的测量表明，CO2的添加使一天内溶解物质的数量成倍增加（高达50倍）。但最令人惊讶的是，现在所有容器壁上都形成了石灰沉积物——在一周内，地下水没有任何明显的蒸发（表1）。

表1含和不含CO2的不同矿泉水的浸出率（蓝色字母=最高浸出）。以μs/cm为单位的电导率测量值可近似为mg/l

这似乎表明，某种地下水是否含有CO2，比所使用的混凝土质量所起的作用要大得多。因此，喷射混凝土配方是否含有，例如，1%以上的微硅粉并不起决定性作用。事实上，没有CO2，什么都不会发生。只有CO2能够降低地下水的pH值，从而溶解岩石和/或混凝土衬砌中的石灰成分，并将它们再次沉积在排水系统中。

将成果应用于实际

认识到这点，就可以推测为什么欧洲某些地区的结垢问题比其他地区要严重的多得多。如果我们将WalterCarlé的矿泉水地图与欧洲的酸性地区（图7，[1]）进行比较，一些地区会引起我们的注意。在瑞士，这些地方就是瓦莱州和格劳宾登州，两个州的许多隧道结构中存在大量酸性水体和非常重的沉积物（大部分为红色）（图8）。但是即使在类似地区，也存在个别结构受到沉积物的严重影响，而附近的其他结构则完全没有问题。这可以用含CO2的地下水从地下涌入来解释。只有在这些涌入量比较大的地方，才会看到严重的沉积。这些沉积物（通常每年厚度2毫米至20厘米）厚度，远超由土体一般的CO2积聚引起的沉积物厚度（每年厚度2毫米）。

图7欧洲酸性水的分布，WalterCarlé()

图8碳酸性地下水进入格劳宾登州的Gotschna隧道。CO2的逸出导致气泡形成。这种渗水是结垢最高危险的警报信号

如果我们观察德国汉诺威—维尔茨堡新铁路线的位置，它正好穿过整个中欧最长、最大的酸性水体区域。那么，我们就会弄明白，例如，为什么上世纪90年代末的Mühlberg隧道的清洁成本约为每年万德国马克（=每年次冲洗），以及为什么德国铁路股份公司（DBAG）对新线位上的隧道只想采用全包防水结构。

在某些地区，地下水的出现CO2是可以预测的，例如在EngandinWindow或TauernWindow周围的地域。在其他地区，例如瑞士高原，我们也在山体内惊讶地发现含有CO2的地下水。

现场验证

图9瓦莱州A9的Visp和Eyholz隧道之间的桥梁

为了证实所有这些说法，我们对目前在瑞士受沉积物影响最严重的隧道开展现场调查。该隧道是瓦莱州A9的Eyholz隧道（图9）。在这里，我们在两个隧道下方的服务管廊中看到了大量沉积物（图10）。为了能够检测地下水中的CO2含量，我们配备了pH计、电导率计和CO2气体计（图11）。我们对隧道下方的两个服务廊道全长进行了检测。图12中的图表显示了此次调查最重要的结果。

图10Eyholz隧道服务管廊中的沉积物

图11服务廊道中的CO2浓度测试

图12Eyholz隧道的服务廊道示意图与测量的CO2水平关系

目前，大气中的CO2含量约为ppm（1ppm=1.毫克/立方米）。从Staldbach入口开始，我们在南线隧道中没有检测异常，直到检测至隧道中部后。在此之后，CO2的浓度上升到0ppm甚至更高。这种情况显现出来的原因是连续的通风和抽气（通过底部服务廊道中间的两个抽风机，将廊道里的新鲜风送至行车道层），每个风机每小时从两个服务廊道抽取约m3的空气并将其输送到交通隧道内。相比之下，交通区域的CO2浓度几乎未变化，约为ppm。测试结果表明，CO2浓度增加的区域与沉积物最严重的区域一致。这一点在Grosshüs洞口处表现地非常明显。在Grosshüs洞口的m范围的服务廊道与周围空气环境是完全隔离的，因此该区域内空气的很大一部分来自于山体内逸出的空气。在服务廊道最后的米中的气体处于排出状态（梯度变化），而该段排水渗沟中水（流量15L/s）的pH值从6.7上升到8。与此同时，空气中CO2浓度从0ppm下降至ppm（大气水平）。可以看到，在排水系统的渗沟中，结垢的厚度每年达到3-4厘米，像岩石一样坚硬。

每年约有-0吨岩浆CO2（MagmaticCO2，指地下释放的CO2）从两条服务管道中逸出。这相当于一年中每天大约0辆汽车的交通量经过该隧道产生的CO2。CO2不仅从地下水中逸出，还通过混凝土衬里（裂缝和接缝）扩散到两个服务管廊的内部。因此，服务管廊中有一些点显示出CO2浓度的强烈波动（在10分钟内从0到ppm），到目前为止，这些情况的出现只能通过交替流入的气体来解释。幸运的是，这条隧道在两个服务管廊中都有很强的通风系统（抽风），这使得确定实际的CO2浓度成为可能。但是，没有办法了解每年有多少CO2从这座山体中逸出。

意想不到的规模

如果我们假设这不是一个单一的现象，可以想象以这种方式进入大气层的CO2的数量有多大，到目前为止几乎没有人注意到。岩浆产生CO2是众所周知的，但它可能发生的释放分布和规模是新课题，这至关重要，特别是对于隧道排水系统。如果我们将所有进入全球大气的地下CO2排放量加起来，这可能会改变现有气候模型，因为现有模型没有考虑这部分数量。

我们随后调查了许多其他隧道。在95%的情况下，检测到的CO2浓度异常与出现沉积物现象高度一致。其他条件（水蒸发、混凝土碳化等）也可能起作用。测量值列于表2。

表2其他隧道的二氧化碳测量

迄今为止的调查表明，排水系统的检查井中检查到高达ppm的CO2含量意味着会产生比较轻微的沉积物。在到0ppm之间，我们预计会有中度到重度沉积。超过0ppm将面临重度沉积。高于00ppm值时，需要每隔不超过3个月的时间就采取冲洗措施。

结论

该领域以前的调查几乎完全

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