Исследование ультразвукового оборудования для удаления кристаллических отложений и эффективности очистки трубопроводов дренажной системы тоннелей

Почему важно поддерживать дренаж тоннелей в чистоте

Глубоко внутри горных автомагистралей скрытые трубы незаметно отводят воду, просачивающуюся через породу. Когда эти трубы постепенно забиваются минеральными кристаллами, последствия могут быть серьёзными: вода задерживается, бетонная оболочка трескается, и протечки ставят под угрозу безопасность и ресурс тоннеля. В данном исследовании рассматривается перспективный способ удаления этих твёрдых, напоминающих камень отложений без раскопок — с помощью тщательно настроенных звуковых волн в ультразвуковом диапазоне, которые встряхивают кристаллы изнутри дренажных труб.

Как образуются стойкие отложения в скрытых трубах

Дренажные системы тоннелей предназначены для отвода подземных вод от облицовки тоннеля. Но во многих районах, особенно в горных районах западного Китая, эти воды несут растворённые кальций и магний вместе с илом и гравием. По мере того как вода проходит через пластиковые дренажные трубы, изменения температуры, скорости потока и химического состава способствуют образованию твёрдых кристаллов из растворённых минералов. В течение месяцев и лет они нарастают в виде толстых корок на стенке трубы и скапливаются рыхлыми грядами на дне. Как показали предыдущие исследования, когда забивается примерно 40 % сечения трубы, напряжения в облицовке тоннеля резко возрастают, что существенно увеличивает риск трещин и протечек.

Использование звука против камнеподобных отложений

Ультразвуковая очистка уже применяется для удаления загрязнений и плёнок с металлических инструментов, стеклянных линз и фильтров. Она работает за счёт передачи высокочастотных звуковых волн через жидкость, что создаёт бесчисленные микропузыри, которые быстро растут и схлопываются. Каждое схлопывание выделяет небольшие, но мощные ударные волны и струи жидкости, способные отбивать частицы с соседних поверхностей. Авторы поставили вопрос: можно ли использовать этот «невидимый молоток» для разрушения минеральных корок внутри труб тоннельного дренажа и, если да, какой способ крепления ультразвукового устройства будет наиболее эффективен для длинных гофрированных пластиковых труб, обычно применяемых в дренажных системах.

Испытания: где и как ультразвук работает лучше всего

Сначала команда использовала компьютерное моделирование, чтобы просчитать распределение звукового давления внутри метровой заполненной водой трубы, приводимой в колебание ультразвуковым преобразователем. Они сравнили четыре частоты и два способа крепления устройства: прямо — направленно поперёк трубы, и под углом 45 градусов. Моделирование показало, что при 40 килогерцах звуковое поле вдоль стенки трубы было одновременно сильным и относительно равномерным, особенно при прямом креплении. Опираясь на эти данные, они собрали два экспериментальных устройства и прикрепили их к реальным гофрированным пластиковым трубам, намеренно покрытым карбонатом кальция, образованным в циркулирующем водном контуре.

Что показали эксперименты

В течение 30 дней фазы нарастания сначала на стенке трубы образовывались тонкие слои кристаллов, затем заполнялись гофры и формировалось толстое покрытие вдоль дна до тех пор, пока примерно треть сечения трубы не оказалась заблокирована. Затем исследователи непрерывно работали ультразвуковыми устройствами в течение 60 дней и периодически снимали и взвешивали участки трубы, чтобы определить, сколько материала было удалено. Во всех случаях большая часть массы отложений отлетала в первый месяц, когда отложения были более рыхлыми и легче отрывались. После этого скорость удаления замедлялась, поскольку оставшиеся кристаллы становились плотнее и прочнее прикреплялись. При прямом креплении устройства на 40 килогерц и мощности 50 ватт два участка трубы, ближайшие к преобразователю, потеряли 97–98 % первоначальной массы кристаллов, оставив менее 10 граммов остатка — почти чисто. Участки, расположенные дальше, также улучшились, но в меньшей степени, что показывает ослабление эффекта по мере удаления вдоль трубы.

Почему угол крепления имеет большое значение

Наклонное крепление дало иную картину. Участки трубы, обращённые к преобразователю, действительно подверглись интенсивной очистке с показателями удаления до примерно 95 %. Но участки на «тыльной» стороне или дальше по трубе сохранили большую часть первоначальных отложений, часто теряя менее половины массы кристаллов и сохраняя более 120 граммов твёрдого налёта. Эта картина совпадает с моделями: при вводе звука под углом энергия концентрируется на одной стороне и оставляет затенённые области со слабым звуком, особенно в гофрированной трубе, где гребни рассеивают и блокируют волны. В отличие от этого, при прямом креплении энергия распределяется более равномерно вдоль обеих направлений стенки трубы, что приводит к более плавному и предсказуемому характеру очистки.

Что это означает для безопасности тоннелей

Для неспециалистов вывод прост: сильные, тщательно настроенные звуковые волны могут действовать как удалённый долото, разрушающее минеральные закупорки внутри пластиковых дренажных труб. В лабораторных испытаниях, имитирующих реальные условия тоннеля, прямое крепление ультразвукового устройства на 40 килогерц удаляло почти все нарастания вблизи устройства и существенно уменьшало их далее по трубе, тогда как наклонная установка оставляла многие участки сильно заблокированными. Хотя реальные тоннели сложнее лабораторной установки, эти результаты указывают на то, что грамотно спроектированные ультразвуковые станции, расположенные вдоль дренажных линий и закреплённые прямо на трубах, могут помочь дольше сохранять скрытые каналы для отвода воды открытыми, повысив безопасность тоннеля и сократив необходимость в разрушительных и дорогостоящих ремонтах.

Цитирование: Chen, Yh., Rao, Jy., Chen, Cy. et al. Research on ultrasonic crystal removal equipment and crystal removal efficiency for tunnel drainage system pipelines. Sci Rep 16, 14250 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44770-4

Ключевые слова: дренаж тоннеля, ультразвуковая очистка, накипь в трубах, обслуживание инфраструктуры, кавитация