用于隧道排水系统管道的超声除垢设备及除垢效率研究

保持隧道排水畅通为何重要

在深山高速公路内部，隐蔽的管道悄无声息地排走渗入岩体的水。当这些管道逐渐被矿物结晶堵塞时，后果可能很严重：水倒灌、混凝土衬砌开裂、渗漏威胁隧道的安全性和使用寿命。本研究探讨了一种有前景的清除这些坚硬、似岩石沉积物的方法——利用经过精细调谐的超声频率声波，从排水管内部将结晶震落，而无需挖掘隧道。

隐蔽管道中顽固沉积如何形成

隧道排水系统旨在将地下水从衬砌处引走。但在许多地区，尤其是中国西部山区，水中携带溶解的钙镁离子以及泥沙和砾石。当水流经塑料排水管时，温度、流速和化学平衡的变化会促使这些溶解矿物形成固体结晶。经过数月乃至数年，它们在管壁长成厚厚的结壳，并在管底堆积为松散的块状物。一旦管道约40%的横截面积被堵塞，已有研究表明衬砌承受的应力会急剧上升，从而大幅增加开裂和渗漏的风险。

用声波对抗类岩石沉积

超声清洗已被用于去除金属工具、玻璃透镜和过滤器表面的污垢和薄膜。其原理是在液体中传播极高频的声波，形成无数微小气泡并使其快速生长和塌陷。每次塌陷都会释放出微小但强烈的冲击波和水射流，能剥离附近表面的物质。作者们提出，能否将这种“无形的锤子”用于打碎隧道管内的矿物结壳；若可行，哪种超声装置的安装方式最适合用于排水系统中常见的长而波纹状的塑料管。

测试超声在何处与如何最有效

首先，研究团队用计算机模拟绘制了一米长、充水的管道内由超声换能器激励时声压如何分布。他们比较了四种声频和两种安装方式：正对着管道横向安装，或以45度倾斜安装。模拟显示，在40千赫时，管壁上的声场既强且相对均匀，尤以正向安装时最明显。在该结论的指导下，他们制作了两台实验装置，并将其固定在经循环水回路故意镀覆碳酸钙结晶的真实波纹塑料管上进行试验。

实验揭示的结果

在为期30天的沉积阶段，结晶先在管壁形成薄层，随后填满波纹槽并在底部形成厚厚的沉积层，直到约三分之一的管口被堵塞。研究人员随后连续运行超声装置60天，并定期拆卸称量管段以测定去除的物质量。在所有试验中，大部分质量在第一个月被去除，那时沉积松散、较易剥离。之后，随着剩余结晶变得更致密、更牢固，去除速率放缓。在以40千赫、50瓦正向安装的装置下，与换能器最近的两个管段损失了97–98%的初始结晶质量，残余不到10克——几乎被清洁干净。较远的管段也有所改善，但幅度较小，表明沿管道的传递距离会削弱效应。

为何安装角度差异显著

倾斜安装的装置呈现不同结果。面向换能器的管段确实实现了强效清洗，去除率可达约95%。但管道“背面”或更远处的管段仍保留大量原有沉积，常常只去除不到一半的结晶质量，并保留超过120克的硬化沉积。这一分布与模拟一致：当声波以角度进入时，能量会集中在一侧，留下声场弱的阴影区；在波纹管中，波纹会散射和阻挡声波，使这种不均匀更明显。相比之下，正向安装能更均匀地沿管壁双方向传递能量，导致更平滑、更可预测的清洗分布。

对隧道更安全运行的意义

对非专业读者而言，结论很直接：经过精心调谐的强声波可以作为一种远程凿削工具，破碎塑料排水管内的矿物堵塞。在模拟真实隧道条件的实验中，正向安装、工作在40千赫的超声装置几乎清除了换能器附近的结晶沉积，并在更远处大幅减少了沉积量，而倾斜安装则留下许多仍被严重堵塞的管段。尽管真实隧道比实验装置复杂得多，这些发现表明：如果沿排水线合理间距布置、并直向安装超声站，就有可能延长隐蔽水道的通畅时间，提高隧道安全性，并减少破坏性且代价高昂的维护工作需要。

引用: 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

关键词: 隧道排水, 超声清洗, 管道结垢, 基础设施维护, 空化