深層盾構排水隧道PVC防水防蝕內襯力學性能試驗研究

柳 獻， 張 宸， 葉宇航， 楊先華， 魏立新

(1． 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092； 2． 廣州市市政工程設計研究總院， 廣東 廣州 510060)

深層盾構排水隧道PVC防水防蝕內襯力學性能試驗研究

柳 獻1， 張 宸1， 葉宇航1， 楊先華2， 魏立新2

(1． 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092； 2． 廣州市市政工程設計研究總院， 廣東 廣州 510060)

基于廣州深層排水隧道，介紹了一種新型聚氯乙烯(PVC)內襯結構，可增強盾構排水隧道的防水和防蝕性能。當管片發生環內變形和環間錯臺時，盾構隧道接縫位置的PVC內襯處于不利受力狀態，故針對PVC防水防蝕內襯的力學性能進行試驗研究。通過拉拔試驗對PVC內襯與管體之間鍵的連接可靠性進行研究，通過縱縫壓彎試驗和環縫剪切試驗分別對盾構管片發生環內變形和環間錯臺時PVC內襯本體和焊縫的力學性能和變形能力進行研究。試驗結果表明PVC防水防蝕內襯具有與管片襯砌結構協同變形能力，其力學性能滿足要求。

盾構隧道； PVC內襯； 力學性能； 變形能力； 試驗研究； 協同作用

0 引言

廣州市存在降雨量大、暴雨頻繁和城市空間擁擠的問題，但對中心城區現有淺層排水系統改造困難極大。針對廣州市老城區“截污”、“初雨污染”和“內澇”3方面的排水問題，建設深層隧道排水系統是一種有效手段。污水隧道常采用的隧道形式為頂管隧道，但頂管隧道的截面直徑一般為800～4 500 mm，當面對暴雨等需滿足較大排水量的時候可能出現排水能力不足的情況。故業界希望通過對盾構隧道進行合理地設計和改進，形成一種新的排污隧道形式。

朱祖熹等[1]系統介紹了盾構隧道、明挖隧道、沉管隧道和頂管隧道等隧道工程的防水設計及施工方法，其中將頂管隧道與盾構隧道相結合的防水設計對本工程具有較大的參考價值。排污隧道作為水工隧洞，隧道內部的防水和防蝕是隧道正常運行的關鍵。經探討分析，設計方案為在盾構管片內弧面預埋厚度為2 mm的PVC內襯作為防水防蝕結構。PVC內襯可以有效防止管身混凝土受到污水或有毒氣體侵蝕，可用于排污工程[2]；同時PVC材料在管道因外力或者地層震動而產生裂痕時仍可有效防漏[3]，因此PVC卷材在地下防水工程中得到了廣泛運用[4-5]。

以往PVC材料的使用環境一般不會出現大變形情況，因而使用可靠性容易得到保證。由于盾構隧道接縫較多，在運行過程中會因為外界荷載產生環內變形，也會因不均勻沉降或上浮產生環間錯臺，此時接縫位置的PVC內襯本體和焊縫會由于縱縫張開受拉或環縫錯臺受剪而產生大變形。若PVC內襯材料因抗拉拔強度或變形能力不足產生斷裂，或因焊縫質量不佳出現脫落，使污水從接縫位置入侵到管片內部積存甚至滲漏至周邊土壤，則污水中的有害物質將導致盾構隧道管片服役周期的降低和周邊土質的污染。故對PVC內襯在盾構隧道中的使用可靠性進行分析顯得尤為重要。金普法等[6]認為采取合理措施，PVC防水卷材的耐久性是可以保證的。王懷義等[7]對PVC防水板的彈塑性進行了試驗研究，得到拉斷伸長率等參數。余春春等[8]對持續荷載下PVC防水卷材的拉伸性能進行了試驗分析。惠君成[9]通過實際工程介紹了PVC防水卷材在地下防水工程中的應用及施工工藝。楊楊等[10]通過試驗分析了PVC防水材料在持續荷載下的應力特征。朱寶寧等[11]考察了玻璃纖維長度、用量和偶聯劑表面處理對PVC復合材料力學性能和耐熱性能的影響。

作為PVC內襯的一種新的運用方式，以往研究缺乏針對新型PVC內襯結構的力學性能研究，尤其是PVC內襯與管片之間協同變形能力的研究。為驗證PVC內襯結構的力學性能，針對其連接的可靠性進行PVC內襯拉拔試驗，針對接縫處PVC內襯及焊縫的性能進行縱縫壓彎試驗和環縫剪切試驗。

1 拉拔試驗

1.1 試驗方法

通過拉拔試驗，驗證隧道管片的PVC內襯面層與管片連接鍵的抗拉拔強度是否滿足國家標準要求。試驗對象包括2種連接鍵： 矛型連接鍵和T字型連接鍵(見圖1)。連接鍵沿管片縱向布置，間距為100 mm。對每種連接鍵進行3個點位的試驗，拉拔試驗裝置如圖2所示。

(a) 矛型鍵

(b) T字型鍵

圖1 鍵的形式

Fig. 1 Types of key

圖2 拉拔試驗裝置(單位： mm)

拉拔試驗是利用杠桿原理，測量長度為100 mm的固定鍵的抗拉拔強度，試件設計如圖3所示。根據JC/T 2280—2014《內襯PVC片材混凝土和鋼筋混凝土排水管》[12]，PVC片材固定鍵抗拉拔強度測試值不低于14 N/mm，按照試驗裝置的特征換算得到砝碼質量不低于28.572 kg。

(a) 側視圖

(b) 俯視圖

1.2 試驗結果與分析

進行6組拉拔試驗，試驗結果如表1所示。

表1 拉拔試驗結果

根據拉拔試驗過程和結果，得出以下結論： 1)矛型鍵PVC防蝕內襯的最低抗拉拔強度為24.5 N/mm，比國家標準高75%； T字型鍵PVC防蝕內襯的最低抗拉拔強度為21.6 N/mm，比國家標準高54%。二者均符合國家標準要求，PVC內襯與管體之間鍵的連接是可靠的。 2)矛型鍵PVC防蝕內襯的抗拉拔強度較T字型鍵PVC防蝕內襯更高，主要由于矛型鍵的預埋深度(11 mm)較T字型鍵的預埋深度(9.5 mm)更深，且鍵的剛度更大，不易產生變形而被拔出。

2 縱縫壓彎試驗

2.1 試件制備

采用外徑6 200 mm、內徑5 500 mm、厚度350 mm的盾構管片作為試驗對象，PVC內襯采用T字型鍵。在管片澆筑前在鋼模中預先埋設PVC內襯(見圖4)，然后通過鋼筋籠固定和混凝土澆筑等工序，完成試驗用管片的制備。

圖4 現場埋設PVC內襯

對澆筑后的管片進行分塊并拼裝形成縱縫壓彎試驗用試件，縱縫之間通過5.8級螺栓連接，螺栓中心位置距內弧面120 mm，縱縫位置采用PVC防蝕條帶焊接封堵。試件設計如圖5所示。在管片切割結束并完成拼裝后，利用PVC條帶和焊接機對內弧面縱縫位置進行焊接，焊接后縱縫如圖6所示。

圖5 試件設計示意圖(單位： mm)

圖6 縱縫接頭焊縫

2.2 試驗方法

采用同濟大學自主研發的TJ-GPJ2000盾構管片接頭試驗加載系統(見圖7)進行試驗加載。加載系統由主加載框架、電液伺服加載作動器(液壓執行機構，能把來自液壓源的液壓能轉換為機械能，也可根據需要通過產品自帶的位移傳感器或行程開關進行伺服控制)、試樣座、試樣裝配與縱向加載裝置和POP-M工控PC電液伺服多通道控制器等組成，可以實現對隧道管片襯砌結構(包括梁、板等)的單向、雙向或三向加載，支持位移和荷載2種加載控制模式。

圖7 管片接頭試驗加載裝置

試驗分為正彎矩和負彎矩2個工況進行，正、負彎矩工況分別按照固定偏心距0.3 m和0.15 m進行加載，加載中由軸線作動器提供軸向力，豎向作動器提供豎向力。縱縫壓彎試驗加載示意圖見圖8。

試驗測試內容主要包括縱縫張角、環向螺栓應變、混凝土應變、跨中縱縫處撓度和PVC內襯應變，并進行裂縫觀測。

2.3 試驗過程與結果分析

2.3.1 正彎矩工況

正彎矩工況結構受力如圖9所示。采用固定偏心距0.3 m進行加載，即縱縫處彎矩M=0.3N，豎向力Fy通過反算而得。

試驗中，當M=150 kN·m，出現外弧面混凝土局部壓碎現象；當M=165 kN·m，外弧面混凝土局部壓碎至止水墊位置，此時內弧面縱縫處的PVC內襯受拉變形已經很明顯，但未發生拉斷和出現焊縫拉脫現象；當M=255 kN·m，環向螺栓拉斷，同時縱縫處的PVC內襯拉斷，但焊縫仍保持完好。試驗結束后現象如圖10和圖11所示。

(a) 正彎矩工況

(b) 負彎矩工況

圖9 正彎矩工況試件結構受力

Fig. 9 Structural force analysis of test specimen for positive bending moment

圖10 外弧面混凝土壓碎

正彎矩試驗的破壞鏈如圖12所示。由試驗結果可知： 在正彎矩工況下，PVC內襯拉斷發生在管片本體壓碎之后，是隨著螺栓拉斷而發生的，并且最終焊縫仍保持完好，表明PVC內襯的受力和變形性能是可靠的，焊縫的連接性能也是可靠的。

圖11 縱縫處PVC內襯拉斷

圖12 正彎矩工況縱縫彎矩-轉角關系

Fig. 12 Relationship between rotation angle and bending moment for positive bending moment

2.3.2 負彎矩工況

負彎矩工況結構受力如圖13所示。采用固定偏心距0.15 m進行加載，即縱縫處彎矩M=0.15N，豎向力Fy通過反算而得。

圖13 負彎矩工況試件結構受力

Fig. 13 Structural force analysis of test specimen for negative bending moment

試驗中，當M=37.5 kN·m，外弧面開始張開；當M=67.5 kN·m，外弧面止水帶完全分離；當M=75 kN·m，內弧面PVC內襯開始隆起，但焊縫連接保持完好；當M=90 kN·m，內弧面混凝土開始出現壓碎裂縫；當M=172.5 kN·m，內弧面混凝土持續壓碎，直至試驗結束，PVC內襯未發生任何形式的破壞。試驗結束后現象如圖14和圖15所示。

圖14 內弧面混凝土壓碎

圖15 縱縫處PVC內襯凸出

負彎矩試驗的破壞鏈如圖16所示。由試驗結果可知： 在負彎矩工況下，PVC內襯材料處于受壓側，不會發生破壞，但PVC條帶焊接應盡量保持與縱縫兩側密貼，這在工廠化生產和專業操作條件下能夠得到較好的處理。

圖16 負彎矩工況縱縫彎矩-轉角關系

Fig. 16 Relationship between rotation angle and bending moment for negative bending moment

綜上所述，當盾構管片發生環內變形時，PVC內襯在縱縫受到外荷載作用下能與管片產生較好的協同作用，其力學性能和變形性能滿足隧道產生環內變形時的正常使用要求。

3 環縫剪切試驗

3.1 試件制備

環縫剪切試驗采用與縱縫壓彎試驗相同的管片，PVC面層的埋設和管片澆筑方法相同。試件共由4塊拼裝而成： 中間環2塊之間拼裝方式與縱縫壓彎試驗相同；兩端環采用半寬環，長度與2塊中間環拼裝總長度相同，不設縱縫，中間環與兩端環使用縱向螺栓連接。

在試件拼裝結束并完成上架后，對縱縫和環縫均采用PVC條帶進行焊接處理，如圖17所示。

圖17 環縫剪切試驗試件焊縫

3.2 試驗方法

環縫剪切試驗利用與縱縫壓彎試驗相同的加載儀器，加載力包括縱向力F和豎向力p。縱向力模擬千斤頂的殘余軸力，為千斤頂頂力乘以一個小于1的系數作為縱向力數值，本次試驗采用的縱向力為300 kN。豎向力提供剪切力。加載順序為首先施加300 kN縱向力，然后以每級增加20 kN施加豎向的剪切力直至試件破壞。加載方式如圖18所示。

圖18 環縫剪切試驗加載示意圖

試驗測試內容主要包括環向螺栓應變、跨中縱縫處撓度和環縫錯臺量，并進行裂縫觀測。

3.3 試驗過程與結果分析

試驗中，當豎向力p=350 kN，試件出現剪切破碎；當豎向力p=390 kN，內弧面環縫處PVC內襯部分脫落，而造成脫落主要是模具原因，由于內弧面存在凹凸不平，導致焊接不夠精細，在專業化施工中可避免此種情況的發生；當豎向力p=450 kN，內弧面環縫開始張開，最大錯臺量達到約27 mm，內弧面張開量達到9.58 mm，內弧面PVC內襯和焊縫均未出現新的脫落和破壞現象；當豎向力p=470 kN，一側內弧面凹榫完全被剪壞，PVC條帶出現局部輕微脫落現象，這與試驗室施工質量有關，而另一側外弧面環縫出現剪切裂縫，PVC內襯和焊縫均保持完好；當豎向力p=650 kN，外弧面凹榫剪壞，試驗停止。試驗結束后環縫破壞嚴重，內弧面PVC內襯以及焊縫基本保持完好，具體現象如圖19和圖20所示。

圖19 環縫剪壞

(a) 縱縫

(b) 環縫

環縫剪切試驗破壞鏈如圖21所示。環縫剪切試驗的破壞點均出現在環縫的凹榫，并未出現明顯的PVC內襯和焊縫破壞。

圖21 環縫剪切試驗剪切力-錯臺量關系

綜上所述，PVC內襯除在外弧面有部分脫落之外，其余部分均保持完好。產生部分脫落主要是由于管片澆筑時漏漿造成表面凹凸不平，這也使得人工連接難以達到較好的效果，如采用專用模具和專用施工機械將能最大程度避免該種情況的發生，其可靠性也能夠得以保證。

4 結論與討論

本文依托廣州深層隧道工程，針對可用于深層盾構排水隧道內部防水防蝕PVC內襯開展了力學試驗研究，包括拉拔試驗、縱縫壓彎試驗和環縫剪切試驗，同時將PVC內襯和管片的不同受力變形工況相結合研究PVC內襯與盾構管片在受力變形下的協同作用。研究主要結論如下。

1)通過拉拔試驗，得到PVC內襯材料和管體之間鍵的連接強度達到國家標準，至少比國家標準高54%。

2)環內變形時，PVC內襯破壞僅出現在正彎矩縱縫接頭處，PVC內襯本體后于管片本體破壞，且焊縫始終保持完好，故其力學性能和變形性能滿足要求，能夠與管片很好地產生協同作用。

3)環間錯臺時，PVC內襯本體未發生破壞；受試驗室管片澆筑缺乏專業施工設備的條件制約，環縫錯臺時環縫的焊縫邊緣出現局部脫落，但大部分焊縫在管片發生剪切破壞后仍保持完好。

通過試驗，在管片的施工中需注意或改進的問題： 1)管片澆筑中注意防止漿液泄漏至PVC內襯內表面造成表面凹凸不平，避免出現PVC內襯與管體鍵的連接失效。2)利用PVC條帶進行接縫焊接時注意焊縫質量，保證焊縫的抗拉強度高于PVC內襯本身抗拉拔強度，并使PVC條帶與管體中預埋的PVC內襯緊密貼合。在內弧面閉合接縫處可設置初始張拉變形，避免出現因擠壓凸出使PVC條帶凸出的現象。

本研究還存在一些不足，在后續研究中需要進一步補充，主要包括： 1)與無PVC內襯管片試驗進行對比，分析PVC內襯對管片受力性能的影響； 2)研究深層排水隧道在長期過水并受到污水腐蝕后PVC防水防蝕結構的力學性能和變形性能，考察PVC結構在隧道全壽命過程中的服役性能，對深層排水隧道的后期維護起到指導作用。

References) :

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Experimental Study of Mechanical Property of PVC Anti-corrosion and Waterproof Inner Lining of a Deep Shield Draining Tunnel

LIU Xian1, ZHANG Chen1, YE Yuhang1, YANG Xianhua2, WEI Lixin2

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.GuangzhouMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Guangzhou510060,Guangdong,China)

A new type of polyvinyl chloride(PVC) anti-corrosion and waterproof inner lining of a deep shield draining tunnel in Guangzhou is introduced. It is very important to study the mechanical properies of PVC lining when segment deformation and dislocation occur. The reliability of connection of keys between PVC lining and concrete segment is studied by pullout test; and the mechanical property and deformation capacity of PVC lining and weld seam are studied by longitudinal joint bending test and circumferential joint shear test when segment deformation and dislocation occur. The test results show that the PVC anti-corrosion and waterproof inner lining is reliable and applicable.

shield tunnel; PVC inner lining; mechanical property; deformation capacity; experimental study; synergistic action

2016-04-13；

2016-06-03

國家自然科學基金資助項目(51578409)

柳獻(1977—)，男，湖北武漢人，2006年畢業于同濟大學，結構工程專業，博士，副教授，主要從事隧道及地下結構服役行為、相關機制與性態控制方面的研究工作。E-mail: xian.liu@tongji.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.004

U 45

A

1672-741X(2016)12-1428-07