岩溶是一种水对碳酸盐岩石的化学溶蚀地质现象，南斯拉夫学者Cvijic.J将这种石灰岩地貌称之为喀斯特地貌^[1]。我国岩溶现象分布广泛，含碳酸盐岩石的分布面积为3.46×10⁶ km²，含碳酸盐岩地层出露的面积为2.0×10⁶ km²，碳酸盐岩面积有9.07×10⁵ km^2[2]。根据相关研究表明，水的溶蚀能力与水体的运动是岩溶发育的必要条件^[3]，所以岩溶的发育必然存在径流条件^[4]。同时，地下水也是导致隧道大多数病害的主要因素之一^[5]，地下水不仅会影响到围岩的稳定性^[6]，还会增加施工难度并影响工程质量。如果不能正确处理隧道结构与地下水之间的关系，就会对隧道施工以及后期运营造成诸多问题，产生高额的治理费用^[7]。

岩溶地区隧道排水系统结晶堵塞现象也是一种由于地下水所导致的常见病害类型^[8]。根据各学者的研究成果表明，岩溶地区的地下水是一种HCO₃^--Ca²⁺-Mg²⁺型岩溶水^[9]，溶液中存在大量Ca²⁺，Mg²⁺以及HCO₃^-等多种离子，为结晶提供了最基本的成盐离子条件。通过进一步的研究表明，在诸多因素的影响下，溶液中的平衡体系会朝着结晶沉淀的方向移动^[10]，最终形成结晶沉淀。结晶沉淀经过长时间的累积便会导致排水管道的堵塞，进而造成渗漏水，从而威胁到隧道结构的安全。

目前，岩溶地区结晶堵塞现象较为常见，由于隧道工程的隐蔽性，导致该问题不易被及时发现并处理。而且此类问题难以根除，使其成为隧道运营中的顽疾。因此，对于隧道排水系统结晶处治技术的研究就展现出了必要性。本研究将对结晶体的组成成分、结晶形成机理及其影响因素进行简要分析，为结晶处治提供基本理论支撑及依据。再对目前已有的结晶处治技术进行详细归纳与总结，并分析其在隧道中的应用现状及未来趋势，为岩溶地区隧道结晶处治提供思路和方向。

詹树高等^[11]采用X射线衍射仪对结晶体矿物的元素组成进行了测定，发现结晶体中最多的化学元素分别为O，Ca，Mg，其最主要的矿物成分为MgCO₃和CaCO₃。通过马文镇等^[12]的研究同样证实了上述结论，并通过现场洞内开窗观察，发现裂隙水与初支接触就会快速出现白色结晶体，但与围岩接触时便没有结晶体出现，从而初步得到结论，结晶体中的离子主要来源于隧道初支混凝土中的Ca²⁺与岩溶水中富含的CO₃^2-以及HCO₃^-。

通过上述对于结晶体组分的分析，能够明确其主要化学成分为碳酸盐，而碳酸盐结晶现象的本质就是一种溶液超过溶质溶解度并析出固体物质的化学过程。由于岩溶地区特殊的地质条件，使得极易汇聚大量富含各种成岩离子的岩溶水，当其进入隧道排水管道后，受到排水系统内部与外界环境巨大差异的影响，导致溶液平衡朝着形成沉淀的方向移动如式(1)~(2)所示，致使溶质从溶液中以结晶形式大量析出并形成沉淀。

(1)

(2)

结晶的影响因素众多，其中最为主要的影响因素包括CO₂分压、pH值、温度、水动力因素^[13]以及离子种类，并且各影响因素之间存在明显的耦合关系。但是，目前针对结晶影响因素的研究大多限于单一因素，少有对复合影响因素进行研究的案例出现。除此之外，施工工艺以及防排水设计^[14]等因素同样会对结晶造成一定的影响。对各主要影响因素的分析如表 1所示。

机械法是最为常见的管道堵塞疏通方法之一，其做法主要是利用机械设备直接对堵塞物进行清除。现有的机械法主要包括高压水射流清洗技术以及管道机器人两类。其中高压水射流清洗适用于开放式沟渠以及大管径管道清理中，并不适用于小管径、封闭式、深埋或者预埋的管道中。所以，在隧道结晶处治方面鲜有使用。

目前对于隧道岩溶排水管道清洗而言，管道机器人是机械法中较为适用且具备研发潜力的一种新型技术。王传江等^[21]发明了一种城市污水管道多功能作业机器人，该机器人能够利用超声波传感器以及CCD图像传感器实时抓取管道内壁的图像，能够让操作者详细了解到管道内部的具体情况。李磊^[22]发明了一种适用于隧道排水系统疏通的机器人，该管道机器人能够适应隧道排水系统复杂的结构形式，与现有技术相比此种机器人不仅能够通过工作端(如图 1所示)对结晶堵塞物进行破碎与清除，还能够对结晶物进行探查并对疏通效果进行监控，有效地提升了作业的精度和效率。

图 1 隧道排水系统疏通机器人工作端简图 Fig. 1 Schematic diagram of dredging robot working end in tunnel drainage system

图选项

虽然管道机器人能够进入小管径管道中进行作业，并能反馈管道的内部情况，从理论上解决了隧道结晶难以观测以及不能有效清除等问题，使其具备良好应用前景，也被认为是未来结晶处治技术的研究方向之一。但管道机器人的推广应用依旧面临不小的挑战。机器人自身的自适应能力、能源供给以及通信传输等^[23-24]均是亟待解决的技术难题。因此，未来的管道机器人研究应侧重上述问题，并有效结合隧道场景，研究出适用于隧道结晶处治的专用机器人。

物理法主要是利用物理手段抑制结晶生长或者清除结晶的方法。物理法能够起到抑制与清洁的双重作用，并且因其具备成本低、操作简单、绿色环保等诸多优势，让其成为一种理想的结晶处治技术^[25]。其中，常用的物理手段主要包括超声波、磁场、电场等。大量学者对此类方法已经进行了深入的研究，此类技术在石油化工^[26]以及水处理^[27]等诸多领域得到了广泛的应用。但是，目前还鲜有将此类技术应用于隧道结晶处治的案例出现。究其原因，主要是该技术还无法适配到隧道排水系统这类较为隐蔽且复杂的场景中来，并且缺乏相关试验研究成果以支撑其有效性。但是，物理法作为一种良好的结晶处治技术，在隧道结晶处治及长期预防方面具备研究潜力。

化学处治法是工业废水处理、油气开发等领域中最常规的除垢技术。同时也是隧道排水系统除垢技术的良好选择。该方法没有特殊的设备要求，且目前已投入工业生产的化学试剂价格低廉、除垢效果也较为良好。我国早期对化学除垢剂的研究均偏重于除垢效果，但是近年来随着我国对于绿色发展的需要，也为化学除垢剂的发展提出了新的要求。如今对于化学除垢剂的研究不仅需要其具备优良的除垢或清洗效果，还需要满足绿色环保、易降解的要求。同时化学试剂中的部分化学成分会对隧道结构产生一定的腐蚀，其对隧道结构耐久性和结构强度的影响程度也是衡量化学除垢剂好坏的标准之一。其中化学试剂主要可分为清洗剂及阻垢剂两大类别。

在清洗剂方面，洪英维等^[28]借鉴了油气开发领域的相关研究结果，提出使用有机酸溶液作为清洗剂的方法。有机酸可被自然降解且其清洗效果较好，是作为清洗剂的良好选择。在其后续的研究中提出使用浓度2 000 ppm、重铬酸盐指数为17.71%的单分子羧酸类有机酸溶剂对岩溶结晶进行清洗的方法^[29]，该清洗溶剂具备易降解和清洗效果良好的优点，且其对于隧道内部的混凝土构件以及排水管道所造成的影响均在可接受范围内。

在阻垢剂方面，其主要的作用机理包括螯合增溶作用、阈值作用、分散作用以及晶格畸变作用4个方面^[30]。其阻垢效果主要来源于聚合物中的各类功能基团^[31]。阻垢剂主要分为天然聚合物阻垢剂以及合成聚合物阻垢剂两大类型。其中聚合物阻垢剂又可分为羧酸类聚合阻垢剂、磺酸类聚合阻垢剂、含磷聚合物阻垢剂以及环境友好型阻垢剂4种类型^[32]。阻垢剂分类及代表物质简介如表 2所示。

生物除垢法主要是利用微生物的代谢活动达到溶解或加速溶解结晶堵塞物的方法。例如在Daniel等^[44]的研究中，利用苹果酸酶和柠檬脱氢酶固定CO₂形成的苹果酸和异柠檬酸，可以有效地溶解碳酸盐，从而达到除垢的目的。刘再华^[45]通过试验研究发现，CA(碳酸酐酶)对于碳酸盐的溶解具有催化作用，且碳酸酐酶在自然界中广泛存在，且其具有较高活性和稳定性。所以在隧道排水系统中加入碳酸酐酶来达到去除结晶堵塞物的方法，从理论上是行之有效的。但是由于隧道内部环境复杂以及本身也存在大量微生物，碳酸酐酶的加入能否稳定发挥其催化作用，还需进一步论证。

综合法主要是将多种处治技术相互组合并进行应用的一类方法。通过大量的试验研究表明综合法相对于单一处治法，大部分情况下都能够有效地提升防垢及除垢的效果，且其适用条件也更加宽泛。李海花等^[46]提出了静电水处理与聚环氧琥珀酸(PESA)的综合处治法，其主要协同工作机理是PESA能在静电水处理稳定期内有效地抑制了扭曲晶粒的生长，以达到延长稳定期的目的，从而使阻垢效果有效提升。并且通过试验表明，二者的协同阻垢效果与存在明显的PESA用量有明显的关系，且存在最佳用量。王丽梅等^[47]提出了磁场与聚环氧琥珀酸(PESA)的综合处治法。其主要机理是在磁场的作用下，使得PESA对CaCO₃晶格扭曲及错位程度进一步提升，导致晶粒更加细小，从而进一步提升了阻垢效果。

对于岩溶地区隧道结晶沉淀问题而言，应采取预防及处治相结合的方式，才能更加有效地解决此类问题。目前，主要的预防措施主要是针对隧道排水管道及排水系统进行优化，使得结晶沉淀不易堆积导致堵塞，从而达到预防的目的，降低结晶堵塞的可能性。

黄骤屹等^[13]提出可以将管道铺设形式改为折线形，这样能够有效地提高排水效率，且能更容易带走管内的杂质与沉淀物，从而预防结晶堵塞的发生。詹树高等^[11]提出了一种可更换内管的双层排水管，此排水管易于更换，能够在排水管道发生堵塞时迅速更换，且不影响排水管道的正常使用。刘士洋等^[48]针对管壁植绒进行了详细的研究，借助于绒状结构减少晶体附着在管壁的可能性，从而减少晶体堆积堵塞排水管道的发生。蒋雅君等^[49]提出在排水管内壁使用渗透性的疏水涂料(YHYD-SS-NM)的方法，从而达到有效减少结晶体附着的目的。

除了对排水管道进行优化外，还可以对整个排水系统进行优化设计。使得排水系统更加适合岩溶地区的排水及结晶处理需求。许崇帮^[50]提出了一种预埋式隧道环向排水管布置方法，该方法将环向排水管预埋到初期支护层中，并且将环向排水管道底部外露表面与初期支护层表面齐平，这种布置方法能够有效解决环向排水管挤压变形的弊端，又能够利用冲洗内管定期清理排水管内沉淀的泥沙或结晶物，确保隧道排水系统的正常使用。郭小龙等^[51]提出了一种防止结晶堵塞的永磁化可冲洗的隧道排水系统，该排水系统能够定期进行冲洗，能够有效防止结晶体堵塞。卢冠楠等^[52]提出了一种岩溶地区隧道排水管道防垢及消垢系统，该系统能够对排水管道进行预防性冲洗，还可以针对已经结垢的位置投放阻垢剂，从而解决结晶体堵塞管道的问题。王永东等^[53]提出了一种岩溶地区隧道排水系统放堵塞装置，通过该装置能够解决堵塞问题，并且该装置经济性较好。

目前，有关结晶处治技术的研究已经有了大量成果，现有的处治技术主要可分为机械、物理、化学、生物以及综合法5大类别。这些处治方法中大部分的技术理论并不完善，其作用机理也存在一些假设性与不确定性，还会存在适用条件有限、实际处治效果与理论效果差异较大等问题。但是，大部分技术本身也具备良好的发展与应用前景，是未来结晶处治技术的研究方向。所以，后续应加强关于处治技术理论的研究，并重点关注多种技术共同作用的技术综合运用方法，加强模拟试验以验证结晶处治效果，从而找到效果良好、广泛适用的结晶处治技术。

在实际处治岩溶隧道结晶堵塞问题时，隧道结构大多已经出现较为严重的渗漏水以及衬砌破坏问题，这些问题的出现已经严重影响到隧道的正常运营安全。此时将要面对多种病害叠加的复杂工况，处理难度也急剧上升。因此，在面对此类问题时，不仅需要加强对结晶处治技术的研究，还应该对岩溶地区隧道进行有利于排水、防堵塞的针对性设计，加强运维人员的专业能力培训力度，提升隧道运营管理与养护的质量，形成结晶预防-处治长效机制。