隧道排水系统结晶堵塞预防关键技术

　　申请人针对隧道排水系统结晶堵塞问题，阐明了不同影响因素对结晶物生长的影响规律，明确了隧道围岩-混凝土水溶蚀演化规律;研发了隧道排水系统室内试验模拟平台，提出了排水系统结晶堵塞致灾断链方式;建立了隧道排水系统硬水结晶过程物理化学模型，揭示了隧道排水系统硬水结晶吸附致堵机制;研发、创新了隧道排水系统结晶堵塞预防新材料及其制备方法，并在国家重大战略工程的隧道中进行应用，取得了较好的社会经济效益排水系统结晶堵塞致灾是隧道工程建养面临的关键问题，由排水系统堵塞导致的坍塌、涌突水等工程灾害问题突出，已严重危及交通安全。

　　请人针对围岩-混凝土水溶蚀结晶离子形成、硬水结晶吸附生长和致灾链式演化机理等关键科学问题，基于材料学、仿生学等多学科基本理论，采用理论分析、多尺度数值仿真、室内试验和现场试验等综合方法，开展了隧道硬水致灾链式演化机理与防治方法研究，明晰了围岩-混凝土水溶蚀机制，建立了排水系统结晶吸附生长中的“化-热-水-力”耦合作用模型，探明了隧道排水系统结晶堵塞-地下水-衬砌结构间的致灾链式演化机理，研发了隧道排水系统结晶预防新材料和新技术，形成了隧道硬水致灾防治成套技术，为西南山区隧道硬水致灾防治提供了理论基础和技术支撑。

　　申请人通过室内围岩-混凝土溶蚀模型试验，分析了溶液离子浓度、试件表面元素、微观形貌、裂缝和孔隙度等变化规律，建立了围岩-混凝土孔道传输模型，通过分子动力学模拟研究了隧道围岩-混凝土水溶蚀演化规律;通过离子比值法、同位素示踪、反向地球化学模拟等手段，研究了隧道硬水结晶离子演化机制;通过围岩-混凝土溶蚀试件细微观试验，研究了围岩-混凝土宏观裂隙形成过程和试样破坏的力学机理，建立了推导围岩-混凝土水溶蚀性能劣化模型，揭示了围岩-混凝土溶蚀全寿命周期服役性能演化规律。

　　申请人通过现场取样及资料调研，推测了硬水环境结晶物理化学反应过程，通过晶体生长理论，推导了硬水环境结晶生长点位、形态及发育规律;通过建立包含结晶物接触面与硬水溶液的固-液界面数值模拟模型，研究了不同水环境参数与表面性质条件下的硬水结晶吸附界面行为;通过搭建结晶物吸附行为界面力学室内试验平台，模拟了硬水结晶的吸附过程，测试了结晶物吸附的力学行为;通过室内模型试验，研究了排水系统堵塞过程和衬砌结构受灾的关联机制，获得了结构性能劣化演化特征，进而建立了隧道结构化-流-固耦合基本理论，通过理论推导和数值分析研究了隧道结构劣化机制与规律，为隧道排水系统防结晶新材料的研究提供了理论基础。

　　申请人依据结晶致灾断链方法，研发、创新了隧道排水系统结晶堵塞预防措施与制备方法，基于物理化学反应、界面力学、晶体生长原理和减少来源四个方面研发和创新隧道硬水环境结晶预防技术，形成了基于物理化学反应的预防结晶电磁新材料、基于界面力学的预防结晶堵塞涂层新材料、基于晶体生长原理的预防结晶堵塞植绒新材料、基于减少结晶混凝土来源的抗溶蚀 混凝土新材料，通过数值计算和室内试验，分析了新材料参数，并在大量运营及新建隧道中设置示范段，验证了新材料的防结晶效果。

　　申请人在结晶堵塞病害高发的仁新高速、渝遂高速等运营隧道和 武深联络线、盘兴高速、峨汉高速等新建隧道中设置了隧道排 水系统防结晶堵塞示范段。在运营隧道中改造了隧道既有排水系统结构并外置 了新型排水管，在新建隧道中将原设计排水管和新型排水管交替布置，通过远 程监测长期对比观察排水管内结晶情况，定期进行地下水、结晶体取样分析、 管段称重，可以发现，两年内部分原设计排水管已完全堵塞，而新型排水管未 出现结晶堵塞情况。新型排水管可以极大地减少结晶堵塞情况，消 除因排水系统结晶堵塞而引发的隧道病害隐患，保障车辆行驶安全，减少运营 单位后期修理维护成本，申请人开发的一系列隧道排水系统新材料获得了大量 建设单位一致好评和认可。

　　申请人近五年来依托隧道排水系统结晶堵塞防治技术，申请并授予了发明专利 13 项，实用新型专利 50 余项;主编中国工程建设标准化协会标准《硬水地区公路隧道排水应用技术规程》(征求意见稿);专利转化形成 2 个系列共12 种产品;发表了学术论文 94 篇，其中 SCI 收录 26 篇，EI 收录 35 篇;培育了重庆市高新技术企业 1 家。在川渝、云贵、两广、青海、新疆等地开展隧道与地下工程方面的技术服务项目 20 余项，累计项目金额 2000 万元。