深层盾构排水隧道PVC防水防蚀内衬力学性能试验研究

柳 献， 张 宸， 叶宇航， 杨先华， 魏立新

(1． 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092； 2． 广州市市政工程设计研究总院， 广东 广州 510060)

深层盾构排水隧道PVC防水防蚀内衬力学性能试验研究

柳 献1， 张 宸1， 叶宇航1， 杨先华2， 魏立新2

(1． 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092； 2． 广州市市政工程设计研究总院， 广东 广州 510060)

基于广州深层排水隧道，介绍了一种新型聚氯乙烯(PVC)内衬结构，可增强盾构排水隧道的防水和防蚀性能。当管片发生环内变形和环间错台时，盾构隧道接缝位置的PVC内衬处于不利受力状态，故针对PVC防水防蚀内衬的力学性能进行试验研究。通过拉拔试验对PVC内衬与管体之间键的连接可靠性进行研究，通过纵缝压弯试验和环缝剪切试验分别对盾构管片发生环内变形和环间错台时PVC内衬本体和焊缝的力学性能和变形能力进行研究。试验结果表明PVC防水防蚀内衬具有与管片衬砌结构协同变形能力，其力学性能满足要求。

盾构隧道； PVC内衬； 力学性能； 变形能力； 试验研究； 协同作用

0 引言

广州市存在降雨量大、暴雨频繁和城市空间拥挤的问题，但对中心城区现有浅层排水系统改造困难极大。针对广州市老城区“截污”、“初雨污染”和“内涝”3方面的排水问题，建设深层隧道排水系统是一种有效手段。污水隧道常采用的隧道形式为顶管隧道，但顶管隧道的截面直径一般为800～4 500 mm，当面对暴雨等需满足较大排水量的时候可能出现排水能力不足的情况。故业界希望通过对盾构隧道进行合理地设计和改进，形成一种新的排污隧道形式。

朱祖熹等[1]系统介绍了盾构隧道、明挖隧道、沉管隧道和顶管隧道等隧道工程的防水设计及施工方法，其中将顶管隧道与盾构隧道相结合的防水设计对本工程具有较大的参考价值。排污隧道作为水工隧洞，隧道内部的防水和防蚀是隧道正常运行的关键。经探讨分析，设计方案为在盾构管片内弧面预埋厚度为2 mm的PVC内衬作为防水防蚀结构。PVC内衬可以有效防止管身混凝土受到污水或有毒气体侵蚀，可用于排污工程[2]；同时PVC材料在管道因外力或者地层震动而产生裂痕时仍可有效防漏[3]，因此PVC卷材在地下防水工程中得到了广泛运用[4-5]。

以往PVC材料的使用环境一般不会出现大变形情况，因而使用可靠性容易得到保证。由于盾构隧道接缝较多，在运行过程中会因为外界荷载产生环内变形，也会因不均匀沉降或上浮产生环间错台，此时接缝位置的PVC内衬本体和焊缝会由于纵缝张开受拉或环缝错台受剪而产生大变形。若PVC内衬材料因抗拉拔强度或变形能力不足产生断裂，或因焊缝质量不佳出现脱落，使污水从接缝位置入侵到管片内部积存甚至渗漏至周边土壤，则污水中的有害物质将导致盾构隧道管片服役周期的降低和周边土质的污染。故对PVC内衬在盾构隧道中的使用可靠性进行分析显得尤为重要。金普法等[6]认为采取合理措施，PVC防水卷材的耐久性是可以保证的。王怀义等[7]对PVC防水板的弹塑性进行了试验研究，得到拉断伸长率等参数。余春春等[8]对持续荷载下PVC防水卷材的拉伸性能进行了试验分析。惠君成[9]通过实际工程介绍了PVC防水卷材在地下防水工程中的应用及施工工艺。杨杨等[10]通过试验分析了PVC防水材料在持续荷载下的应力特征。朱宝宁等[11]考察了玻璃纤维长度、用量和偶联剂表面处理对PVC复合材料力学性能和耐热性能的影响。

作为PVC内衬的一种新的运用方式，以往研究缺乏针对新型PVC内衬结构的力学性能研究，尤其是PVC内衬与管片之间协同变形能力的研究。为验证PVC内衬结构的力学性能，针对其连接的可靠性进行PVC内衬拉拔试验，针对接缝处PVC内衬及焊缝的性能进行纵缝压弯试验和环缝剪切试验。

1 拉拔试验

1.1 试验方法

通过拉拔试验，验证隧道管片的PVC内衬面层与管片连接键的抗拉拔强度是否满足国家标准要求。试验对象包括2种连接键： 矛型连接键和T字型连接键(见图1)。连接键沿管片纵向布置，间距为100 mm。对每种连接键进行3个点位的试验，拉拔试验装置如图2所示。

(a) 矛型键

(b) T字型键

图1 键的形式

Fig. 1 Types of key

图2 拉拔试验装置(单位： mm)

拉拔试验是利用杠杆原理，测量长度为100 mm的固定键的抗拉拔强度，试件设计如图3所示。根据JC/T 2280—2014《内衬PVC片材混凝土和钢筋混凝土排水管》[12]，PVC片材固定键抗拉拔强度测试值不低于14 N/mm，按照试验装置的特征换算得到砝码质量不低于28.572 kg。

(a) 侧视图

(b) 俯视图

1.2 试验结果与分析

进行6组拉拔试验，试验结果如表1所示。

表1 拉拔试验结果

根据拉拔试验过程和结果，得出以下结论： 1)矛型键PVC防蚀内衬的最低抗拉拔强度为24.5 N/mm，比国家标准高75%； T字型键PVC防蚀内衬的最低抗拉拔强度为21.6 N/mm，比国家标准高54%。二者均符合国家标准要求，PVC内衬与管体之间键的连接是可靠的。 2)矛型键PVC防蚀内衬的抗拉拔强度较T字型键PVC防蚀内衬更高，主要由于矛型键的预埋深度(11 mm)较T字型键的预埋深度(9.5 mm)更深，且键的刚度更大，不易产生变形而被拔出。

2 纵缝压弯试验

2.1 试件制备

采用外径6 200 mm、内径5 500 mm、厚度350 mm的盾构管片作为试验对象，PVC内衬采用T字型键。在管片浇筑前在钢模中预先埋设PVC内衬(见图4)，然后通过钢筋笼固定和混凝土浇筑等工序，完成试验用管片的制备。

图4 现场埋设PVC内衬

对浇筑后的管片进行分块并拼装形成纵缝压弯试验用试件，纵缝之间通过5.8级螺栓连接，螺栓中心位置距内弧面120 mm，纵缝位置采用PVC防蚀条带焊接封堵。试件设计如图5所示。在管片切割结束并完成拼装后，利用PVC条带和焊接机对内弧面纵缝位置进行焊接，焊接后纵缝如图6所示。

图5 试件设计示意图(单位： mm)

图6 纵缝接头焊缝

2.2 试验方法

采用同济大学自主研发的TJ-GPJ2000盾构管片接头试验加载系统(见图7)进行试验加载。加载系统由主加载框架、电液伺服加载作动器(液压执行机构，能把来自液压源的液压能转换为机械能，也可根据需要通过产品自带的位移传感器或行程开关进行伺服控制)、试样座、试样装配与纵向加载装置和POP-M工控PC电液伺服多通道控制器等组成，可以实现对隧道管片衬砌结构(包括梁、板等)的单向、双向或三向加载，支持位移和荷载2种加载控制模式。

图7 管片接头试验加载装置

试验分为正弯矩和负弯矩2个工况进行，正、负弯矩工况分别按照固定偏心距0.3 m和0.15 m进行加载，加载中由轴线作动器提供轴向力，竖向作动器提供竖向力。纵缝压弯试验加载示意图见图8。

试验测试内容主要包括纵缝张角、环向螺栓应变、混凝土应变、跨中纵缝处挠度和PVC内衬应变，并进行裂缝观测。

2.3 试验过程与结果分析

2.3.1 正弯矩工况

正弯矩工况结构受力如图9所示。采用固定偏心距0.3 m进行加载，即纵缝处弯矩M=0.3N，竖向力Fy通过反算而得。

试验中，当M=150 kN·m，出现外弧面混凝土局部压碎现象；当M=165 kN·m，外弧面混凝土局部压碎至止水垫位置，此时内弧面纵缝处的PVC内衬受拉变形已经很明显，但未发生拉断和出现焊缝拉脱现象；当M=255 kN·m，环向螺栓拉断，同时纵缝处的PVC内衬拉断，但焊缝仍保持完好。试验结束后现象如图10和图11所示。

(a) 正弯矩工况

(b) 负弯矩工况

图9 正弯矩工况试件结构受力

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

图10 外弧面混凝土压碎

正弯矩试验的破坏链如图12所示。由试验结果可知： 在正弯矩工况下，PVC内衬拉断发生在管片本体压碎之后，是随着螺栓拉断而发生的，并且最终焊缝仍保持完好，表明PVC内衬的受力和变形性能是可靠的，焊缝的连接性能也是可靠的。

图11 纵缝处PVC内衬拉断

图12 正弯矩工况纵缝弯矩-转角关系

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

2.3.2 负弯矩工况

负弯矩工况结构受力如图13所示。采用固定偏心距0.15 m进行加载，即纵缝处弯矩M=0.15N，竖向力Fy通过反算而得。

图13 负弯矩工况试件结构受力

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

试验中，当M=37.5 kN·m，外弧面开始张开；当M=67.5 kN·m，外弧面止水带完全分离；当M=75 kN·m，内弧面PVC内衬开始隆起，但焊缝连接保持完好；当M=90 kN·m，内弧面混凝土开始出现压碎裂缝；当M=172.5 kN·m，内弧面混凝土持续压碎，直至试验结束，PVC内衬未发生任何形式的破坏。试验结束后现象如图14和图15所示。

图14 内弧面混凝土压碎

图15 纵缝处PVC内衬凸出

负弯矩试验的破坏链如图16所示。由试验结果可知： 在负弯矩工况下，PVC内衬材料处于受压侧，不会发生破坏，但PVC条带焊接应尽量保持与纵缝两侧密贴，这在工厂化生产和专业操作条件下能够得到较好的处理。

图16 负弯矩工况纵缝弯矩-转角关系

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

综上所述，当盾构管片发生环内变形时，PVC内衬在纵缝受到外荷载作用下能与管片产生较好的协同作用，其力学性能和变形性能满足隧道产生环内变形时的正常使用要求。

3 环缝剪切试验

3.1 试件制备

环缝剪切试验采用与纵缝压弯试验相同的管片，PVC面层的埋设和管片浇筑方法相同。试件共由4块拼装而成： 中间环2块之间拼装方式与纵缝压弯试验相同；两端环采用半宽环，长度与2块中间环拼装总长度相同，不设纵缝，中间环与两端环使用纵向螺栓连接。

在试件拼装结束并完成上架后，对纵缝和环缝均采用PVC条带进行焊接处理，如图17所示。

图17 环缝剪切试验试件焊缝

3.2 试验方法

环缝剪切试验利用与纵缝压弯试验相同的加载仪器，加载力包括纵向力F和竖向力p。纵向力模拟千斤顶的残余轴力，为千斤顶顶力乘以一个小于1的系数作为纵向力数值，本次试验采用的纵向力为300 kN。竖向力提供剪切力。加载顺序为首先施加300 kN纵向力，然后以每级增加20 kN施加竖向的剪切力直至试件破坏。加载方式如图18所示。

图18 环缝剪切试验加载示意图

试验测试内容主要包括环向螺栓应变、跨中纵缝处挠度和环缝错台量，并进行裂缝观测。

3.3 试验过程与结果分析

试验中，当竖向力p=350 kN，试件出现剪切破碎；当竖向力p=390 kN，内弧面环缝处PVC内衬部分脱落，而造成脱落主要是模具原因，由于内弧面存在凹凸不平，导致焊接不够精细，在专业化施工中可避免此种情况的发生；当竖向力p=450 kN，内弧面环缝开始张开，最大错台量达到约27 mm，内弧面张开量达到9.58 mm，内弧面PVC内衬和焊缝均未出现新的脱落和破坏现象；当竖向力p=470 kN，一侧内弧面凹榫完全被剪坏，PVC条带出现局部轻微脱落现象，这与试验室施工质量有关，而另一侧外弧面环缝出现剪切裂缝，PVC内衬和焊缝均保持完好；当竖向力p=650 kN，外弧面凹榫剪坏，试验停止。试验结束后环缝破坏严重，内弧面PVC内衬以及焊缝基本保持完好，具体现象如图19和图20所示。

图19 环缝剪坏

(a) 纵缝

(b) 环缝

环缝剪切试验破坏链如图21所示。环缝剪切试验的破坏点均出现在环缝的凹榫，并未出现明显的PVC内衬和焊缝破坏。

图21 环缝剪切试验剪切力-错台量关系

综上所述，PVC内衬除在外弧面有部分脱落之外，其余部分均保持完好。产生部分脱落主要是由于管片浇筑时漏浆造成表面凹凸不平，这也使得人工连接难以达到较好的效果，如采用专用模具和专用施工机械将能最大程度避免该种情况的发生，其可靠性也能够得以保证。

4 结论与讨论

本文依托广州深层隧道工程，针对可用于深层盾构排水隧道内部防水防蚀PVC内衬开展了力学试验研究，包括拉拔试验、纵缝压弯试验和环缝剪切试验，同时将PVC内衬和管片的不同受力变形工况相结合研究PVC内衬与盾构管片在受力变形下的协同作用。研究主要结论如下。

1)通过拉拔试验，得到PVC内衬材料和管体之间键的连接强度达到国家标准，至少比国家标准高54%。

2)环内变形时，PVC内衬破坏仅出现在正弯矩纵缝接头处，PVC内衬本体后于管片本体破坏，且焊缝始终保持完好，故其力学性能和变形性能满足要求，能够与管片很好地产生协同作用。

3)环间错台时，PVC内衬本体未发生破坏；受试验室管片浇筑缺乏专业施工设备的条件制约，环缝错台时环缝的焊缝边缘出现局部脱落，但大部分焊缝在管片发生剪切破坏后仍保持完好。

通过试验，在管片的施工中需注意或改进的问题： 1)管片浇筑中注意防止浆液泄漏至PVC内衬内表面造成表面凹凸不平，避免出现PVC内衬与管体键的连接失效。2)利用PVC条带进行接缝焊接时注意焊缝质量，保证焊缝的抗拉强度高于PVC内衬本身抗拉拔强度，并使PVC条带与管体中预埋的PVC内衬紧密贴合。在内弧面闭合接缝处可设置初始张拉变形，避免出现因挤压凸出使PVC条带凸出的现象。

本研究还存在一些不足，在后续研究中需要进一步补充，主要包括： 1)与无PVC内衬管片试验进行对比，分析PVC内衬对管片受力性能的影响； 2)研究深层排水隧道在长期过水并受到污水腐蚀后PVC防水防蚀结构的力学性能和变形性能，考察PVC结构在隧道全寿命过程中的服役性能，对深层排水隧道的后期维护起到指导作用。

References) :

[1] 朱祖熹, 陆明, 柳献. 隧道工程防水设计与施工[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.(ZHU Zuxi, LU Ming, LIU Xian. Waterproof design and construction of tunnel engineering [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.(in Chinese))

[2] 谈维汉. 钢筋混凝土排水管内衬改性PVC工艺[J]. 中国市政工程, 2008(4): 42-43.(TAN Weihan. Modified PVC process for reinforced concrete drain lining [J]. China Municipal Engineering, 2008(4): 42-43. (in Chinese))

[3] 张志军. PVC内衬混凝土排水管生产质量控制及产品应用[J]. 广东建材, 2009, 25(7): 39-41. (ZHANG Zhijun. Production quality control and application of concrete drainage pipe with PVC lining [J]. Guangdong Building Materials, 2009, 25(7): 39-41. (in Chinese))

[4] 牛光全. PVC防水卷材的新进展[J]. 中国建筑防水, 2008(11): 4-9. (NIU Guangquan. New progress of PVC waterproofing membrane [J]. China Building Waterproofing, 2008(11): 4-9. (in Chinese))

[5] 刘先南. PVC防水卷材在基础工程结构外防水中的应用[J]. 建筑技术, 2004, 35(7): 515-516. (LIU Xiannan. Application of PVC waterproof roll material to external waterproof of foundation structure [J]. Architecture Technology, 2004, 35(7): 515-516. (in Chinese))

[6] 金普法, 浦鸿汀. PVC防水卷材的耐久性分析[J]. 中国建筑防水, 2004(5): 12-15. (JIN Pufa, PU Hongting. Analysis of durability of PVC waterproofing membrane [J]. China Building Waterproofing, 2004(5): 12-15. (in Chinese))

[7] 王怀义, 杨桂权, 张奇. 聚乙烯防水板与聚氯乙烯防水板的弹塑性试验研究[J]. 新疆水利, 2008(2): 1-3. (WANG Huaiyi, YANG Guiquan, ZHANG Qi. Elastoplastic experimental study of PE and PVC waterproof board [J]. Xinjiang Water Resources, 2008(2): 1-3. (in Chinese))

[8] 余春春, 杨杨, 许四法,等. 持续荷载对PVC防水卷材拉伸性能的影响[J]. 新型建筑材料, 2009, 36(5): 70-73. (YU Chunchun, YANG Yang, XU Sifa, et al. Influence of sustained load on tensile property of PVC waterproof coiled material [J]. New Building Materials, 2009, 36(5): 70-73. (in Chinese))

[9] 惠君成. PVC防水卷材在地下防水工程中的应用[J]. 山西建筑, 2010, 36(15): 147-149. (HUI Juncheng. On the application of PVC waterproofing membrane in underground waterproof engineering [J]. Shanxi Architecture, 2010, 36(15): 147-149. (in Chinese))

[10] 杨杨, 余春春, 许四法,等. 持续荷载作用下PVC防水卷材的应力松弛特性及其影响因素[J]. 中国建筑防水, 2011(1): 8-12.(YANG Yang, YU Chunchun, XU Sifa, et al. Study of behavior of stress relaxation of PVC waterproofing membrane under sustained load [J]. China Building Waterproofing, 2011(1): 8-12. (in Chinese))

[11] 朱宝宁, 宇平, 陈晋阳,等. 玻纤增强PVC材料的力学性能及耐热性能[J]. 聚氯乙烯, 2014, 42(10): 19-22. (ZHU Baoning, YU Ping, CHEN Jinyang, et al. Mechanical property and heat resistance of glass fiber reinforced PVC materials [J]. Polyvinyl Chloride, 2014, 42(10): 19-22. (in Chinese))

[12] 内衬PVC片材混凝土和钢筋混凝土排水管: JC/T 2280—2014[S]. 北京: 建材工业出版社,2015. (PVC lining concrete and reinforced concrete sewer pipe: JC/T 2280—2014[S]. Beijing: China Building Materials Press, 2015. (in Chinese))

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

国家自然科学基金资助项目(51578409)

柳献(1977—)，男，湖北武汉人，2006年毕业于同济大学，结构工程专业，博士，副教授，主要从事隧道及地下结构服役行为、相关机制与性态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