趙 鵬，郭小雄，馬偉斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

目前我國(guó)鐵路隧道排水系統(tǒng)是由“環(huán)向排水管-縱向排水管-橫向排水管-中央排水溝”所組成的一個(gè)系統(tǒng)工程[1]。受水文地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件、自然災(zāi)害以及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等諸多環(huán)節(jié)中各種不利因素及隧道工程自身隱蔽性、環(huán)境條件復(fù)雜等影響，隧道的排水系統(tǒng)易出現(xiàn)排水不暢、局部管道堵塞等問題，導(dǎo)致整個(gè)排水系統(tǒng)失效。這會(huì)使隧道內(nèi)出現(xiàn)滲漏水、襯砌開裂或設(shè)施故障等情況，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命，嚴(yán)重威脅到列車安全運(yùn)營(yíng)[2-4]。

1 鐵路隧道排水管道堵塞及疏通現(xiàn)狀

目前管道疏通設(shè)備一般分為手動(dòng)型和電動(dòng)型。手動(dòng)型應(yīng)用于短管以及不復(fù)雜管路系統(tǒng)的疏通清理;電動(dòng)型應(yīng)用較廣,分類較多，動(dòng)力來源有汽油機(jī)、柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等;采用的清理介質(zhì)有水介質(zhì)、空氣介質(zhì)等。此外，還有以鉆頭破壞污垢等清理管道的方式[5]。

隧道內(nèi)排次管道行程長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)多變，而且清理時(shí)還要保證不破壞管道，普通疏通機(jī)難以清理，因此需要一種能夠自動(dòng)、高效、便捷的疏通機(jī)去完成隧道疏通工作。市場(chǎng)上并沒有專門對(duì)應(yīng)隧道排水系統(tǒng)的疏通機(jī)，雖然有的動(dòng)力大，但是清理方法不合適;有的清理方法合適，又可能對(duì)管道造成損害。綜合多方面考慮需要設(shè)計(jì)一種可自行前進(jìn)、不破壞管道，可以充分清理管道污垢的疏通設(shè)備。

通過對(duì)隧道排水系統(tǒng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)隧道排水系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間排水后需要及時(shí)疏通管道，以防止堵塞造成管道一系列不安全危害。通過調(diào)研疏通設(shè)備以及隧道排水的疏通需求，本文設(shè)計(jì)自進(jìn)式高壓管道疏通機(jī)以完成隧道排水系統(tǒng)的管道疏通工作[6]。

2 排水管道堵塞成因分析

鐵路隧道管道結(jié)晶堵塞的原因是多方面的，受水文地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)和防排水系統(tǒng)的影響較大[7]。

1)水質(zhì)。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)石灰?guī)r等富含碳酸鈣的巖層時(shí)，將會(huì)攜帶大量的鈣鹽物質(zhì)[8]。流水進(jìn)入隧道區(qū)域后，在管道內(nèi)流速較緩或存有積水的部位將會(huì)產(chǎn)生鈣質(zhì)沉淀，經(jīng)長(zhǎng)期的沉淀積累，這些沉淀物將會(huì)結(jié)晶凝結(jié)成塊，最終堵塞排水管道,見圖1(a)。裂隙水中含有大量結(jié)晶傾向性離子，地下水進(jìn)入到隧道排水管內(nèi)沉淀結(jié)晶形成固體結(jié)晶物，從而堵塞排水管道，致使隧道排水系統(tǒng)排水能力下降，隧道邊墻外側(cè)水位上升，襯砌滲漏水現(xiàn)象較為嚴(yán)重,見圖1(b)。

圖1 下壩隧道排水管道結(jié)晶及襯砌滲漏水

2)混凝土原料。水泥熟料中含有大量CaO組分，能夠與水發(fā)生反應(yīng)，生成Ca(OH)2水化產(chǎn)物。Ca(OH)2是一種白色的晶體，極易溶于水，并能與CO2相結(jié)合生成白色的CaCO3晶體。其次，由于地下水含有Ca2+，在地下水與混凝土接觸過程中可能發(fā)生置換作用，導(dǎo)致鈣離子析出，沉淀為固態(tài)。在地下水豐富地段，受地下水發(fā)育情況影響，水量越大，流速越快，鈣離子交換越快，鈣化反應(yīng)越迅速，結(jié)晶現(xiàn)象越明顯。

3)粉塵沉淀物。隧道在施工及運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵顆粒物，在管道管口聚集、沉淀。施工期間混凝土澆筑過程中堵塞管道的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

3 疏通介質(zhì)選型及疏通過程

3.1 疏通介質(zhì)選型

隧道排水系統(tǒng)主要用于隧道山體滲水等地下水的排放，排水管道材料多為PE，PVC，所以介質(zhì)以潔凈的水作為疏通介質(zhì)不會(huì)對(duì)隧道排水系統(tǒng)造成破壞，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染。

3.2 疏通過程

自進(jìn)式管道內(nèi)壁高壓清洗機(jī)的高壓泵可以采用汽油機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。利用噴頭前部的旋轉(zhuǎn)高壓水射流將管道內(nèi)壁上的積垢切割粉碎，再由噴頭后部的高壓水射流將污垢排出，向后噴射頭產(chǎn)生的反作用力將噴頭和高壓管向前推進(jìn)。當(dāng)噴頭達(dá)到管道的另外一端時(shí)，可以適當(dāng)?shù)臏p小壓力，而后高壓膠管在卷管器拉力的作用下被強(qiáng)制后移，從而進(jìn)一步清洗管壁，并將剩余的雜物帶到管外，以達(dá)到清洗管道的目的。

通過對(duì)隧道排水系統(tǒng)的調(diào)研分析，以水作為介質(zhì)既可以清理污垢又可以不污染破壞排水系統(tǒng)和周圍環(huán)境，通過高壓水射流既可以清理積垢又可以自進(jìn)，因此自進(jìn)式管道內(nèi)壁高壓清洗機(jī)適用于隧道排水系統(tǒng)的疏通工作。

4 疏通設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

4.1 疏通設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基本結(jié)構(gòu)：汽油機(jī)，柱塞泵，調(diào)壓閥，高壓水管，噴頭，水箱。噴頭由固定基座和旋轉(zhuǎn)頂蓋組成，固定基座連接水管和旋轉(zhuǎn)頂蓋，旋轉(zhuǎn)頂蓋內(nèi)有向斜后方傾斜的噴嘴，當(dāng)高壓水從噴嘴噴出時(shí)，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)頂蓋轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)管壁進(jìn)行360°清洗，見圖2。

圖2 疏通設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

4.2 疏通設(shè)備性能試驗(yàn)

為測(cè)試疏通設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)能力，掌握高壓水管在不同管徑和不同連接狀態(tài)設(shè)備的通行和清洗能力，開展了疏通設(shè)備的性能試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)場(chǎng)地為室外開放空間，水源充足，未設(shè)置實(shí)際使用環(huán)境，主要針對(duì)可能遇到的管道環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)所用設(shè)備為水介質(zhì)管道疏通機(jī)，汽油發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力輸出，柱塞泵為壓力裝置，高壓噴頭為清洗執(zhí)行裝置。被清洗管道的PVC排水管參照尺寸如表1所示。

表1 疏通試驗(yàn)用管道型號(hào)

2)試驗(yàn)描述

疏通設(shè)備組裝完畢后，將水注入水箱后首先開展空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備連接狀況和運(yùn)行穩(wěn)定性。然后開展不同管徑和不同管道連接狀態(tài)下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、通行和清洗能力試驗(yàn)工作，如圖3所示。

圖3 噴頭通過不同管道連接狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)能力

設(shè)備啟動(dòng)后運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行中通過對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)用水量，通過調(diào)整柱塞泵閥門開度來調(diào)節(jié)進(jìn)水壓力大小。

2)水管在不同管徑和連接狀態(tài)下的通行能力

噴頭可順利進(jìn)入試驗(yàn)直徑的管道，并可在管道中迅速前行。在較少人工介入下，可在水平和豎直放置的管道中前行，前行速度小于在水平放置中的前行速度。

3)存在的問題

管道進(jìn)入彎頭時(shí)，噴頭前行阻力加大，噴頭通行能力下降。入管速度和難度受彎頭數(shù)量和角度的影響較大，影響清洗效果。

5 鐵路隧道排水系統(tǒng)疏通工藝試驗(yàn)

通過改進(jìn)上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的不足之處，為更好地完善疏通設(shè)備，檢驗(yàn)自進(jìn)式管道內(nèi)壁高壓清洗機(jī)實(shí)際使用效果，選取敦格線當(dāng)金山隧道和貴廣線斗篷山隧道工點(diǎn)，開展了鐵路隧道排水系統(tǒng)管道疏通工藝試驗(yàn)。現(xiàn)以敦格線當(dāng)金山隧道為例，驗(yàn)證設(shè)備的各項(xiàng)工作性能。

5.1 工點(diǎn)概況

敦格線當(dāng)金山隧道位于甘肅阿克塞哈薩克族自治縣，隧道長(zhǎng)度22 km，自然環(huán)境降水水質(zhì)含碳酸鈣、鈣化物結(jié)晶體較多。管道流出鈣化結(jié)晶體2～4個(gè)月后呈粉化固體狀，時(shí)間久會(huì)硬化。

5.2 試驗(yàn)內(nèi)容及工況

試驗(yàn)內(nèi)容：對(duì)當(dāng)金山隧道鈣質(zhì)沉淀物和自然泥沙、碎石較多的排水管道進(jìn)行疏通清理實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)工況：通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)有較多的碳酸鈣結(jié)晶體，分別在中心水道及兩側(cè)水道。對(duì)10個(gè)管口進(jìn)行肉眼和工具探查，了解堵塞深度、污物硬度。

5.3 試驗(yàn)描述

被試管道通過照明，肉眼可見管內(nèi)有明顯鈣化物結(jié)晶體和混凝土堵塞。用噴頭嘗試清堵，噴頭進(jìn)入管道3～4 m后停止，管壁自然泥沙、鈣化物被沖出，噴頭停于排水管道連接處和混凝土堵塞位置。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 當(dāng)金山隧道堵塞管道疏通前后對(duì)比

當(dāng)金山隧道的現(xiàn)場(chǎng)疏通工藝試驗(yàn)表明，在正常自然泥沙、碎石、鈣質(zhì)沉積物的排水管道內(nèi)，自進(jìn)式管道內(nèi)壁清洗機(jī)能夠很好地完成清理任務(wù)，如圖4所示。疏通前管道內(nèi)含有大量結(jié)晶堵塞物，疏通后管道內(nèi)的雜質(zhì)基本上被清理干凈，疏通效果良好。但遇到管道內(nèi)有施工造成的大量混凝土堆積物或有變徑不順暢未合理連接處的管道，疏通機(jī)無法順利自行前進(jìn)清潔。

6 結(jié)論與建議

本文通過對(duì)我國(guó)鐵路隧道排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀及疏通設(shè)備的調(diào)研分析，結(jié)合我國(guó)鐵路隧道排水管道疏通清理空間小、天窗短、難度大、效率低等特點(diǎn)，基于分區(qū)、分類、分部及可維護(hù)的設(shè)計(jì)理念，研制了一種便捷高效的自進(jìn)式高壓管道疏通機(jī)。

經(jīng)過室內(nèi)疏通性能模擬試驗(yàn)和隧道現(xiàn)場(chǎng)工藝應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證，所研制的疏通機(jī)能夠較好完成隧道正常自然情況造成的堵塞疏通清理工作。被清理的管道內(nèi)壁比較干凈，大量的鈣化物和砂石被清理出來，清理效果良好。研制的隧道排水管道疏通機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1)方便快捷。體積小、重量輕，操作簡(jiǎn)單。運(yùn)輸方便，受天窗時(shí)間影響較小。

2)清理效果好。自進(jìn)式高壓噴頭小、可360°旋轉(zhuǎn)，清理無死角。

3)清理局限性。鈣化結(jié)晶物清理效果較好，而管道內(nèi)混凝土、沉積棄渣等堵塞物較難清理。

建議結(jié)合我國(guó)鐵路隧道特點(diǎn)對(duì)隧道排水管道疏通機(jī)深化研究。充分分析不同隧道結(jié)構(gòu)和防排水系統(tǒng)環(huán)境、施工及排水能力的適應(yīng)性，研制集攝像、定位、微型探針破碎堵塞物等功能為一體的、適于多種堵塞環(huán)境的疏通設(shè)備，以提高鐵路隧道整體防排水能力和隧道健康運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。

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