柳 獻(xiàn), 張 宸, 葉宇航, 楊先華, 魏立新
(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092; 2. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院, 廣東 廣州 510060)
深層盾構(gòu)排水隧道PVC防水防蝕內(nèi)襯力學(xué)性能試驗(yàn)研究
柳 獻(xiàn)1, 張 宸1, 葉宇航1, 楊先華2, 魏立新2
(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092; 2. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)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(nèi)襯結(jié)構(gòu),可增強(qiáng)盾構(gòu)排水隧道的防水和防蝕性能。當(dāng)管片發(fā)生環(huán)內(nèi)變形和環(huán)間錯(cuò)臺(tái)時(shí),盾構(gòu)隧道接縫位置的PVC內(nèi)襯處于不利受力狀態(tài),故針對(duì)PVC防水防蝕內(nèi)襯的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過拉拔試驗(yàn)對(duì)PVC內(nèi)襯與管體之間鍵的連接可靠性進(jìn)行研究,通過縱縫壓彎試驗(yàn)和環(huán)縫剪切試驗(yàn)分別對(duì)盾構(gòu)管片發(fā)生環(huán)內(nèi)變形和環(huán)間錯(cuò)臺(tái)時(shí)PVC內(nèi)襯本體和焊縫的力學(xué)性能和變形能力進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明PVC防水防蝕內(nèi)襯具有與管片襯砌結(jié)構(gòu)協(xié)同變形能力,其力學(xué)性能滿足要求。
盾構(gòu)隧道; PVC內(nèi)襯; 力學(xué)性能; 變形能力; 試驗(yàn)研究; 協(xié)同作用
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(duì)中心城區(qū)現(xiàn)有淺層排水系統(tǒng)改造困難極大。針對(duì)廣州市老城區(qū)“截污”、“初雨污染”和“內(nèi)澇”3方面的排水問題,建設(shè)深層隧道排水系統(tǒng)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(dāng)面對(duì)暴雨等需滿足較大排水量的時(shí)候可能出現(xiàn)排水能力不足的情況。故業(yè)界希望通過對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)和改進(jìn),形成一種新的排污隧道形式。
朱祖熹等[1]系統(tǒng)介紹了盾構(gòu)隧道、明挖隧道、沉管隧道和頂管隧道等隧道工程的防水設(shè)計(jì)及施工方法,其中將頂管隧道與盾構(gòu)隧道相結(jié)合的防水設(shè)計(jì)對(duì)本工程具有較大的參考價(jià)值。排污隧道作為水工隧洞,隧道內(nèi)部的防水和防蝕是隧道正常運(yùn)行的關(guān)鍵。經(jīng)探討分析,設(shè)計(jì)方案為在盾構(gòu)管片內(nèi)弧面預(yù)埋厚度為2 mm的PVC內(nèi)襯作為防水防蝕結(jié)構(gòu)。PVC內(nèi)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(shí)PVC材料在管道因外力或者地層震動(dòng)而產(chǎn)生裂痕時(shí)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(yùn)用[4-5]。
以往PVC材料的使用環(huán)境一般不會(huì)出現(xiàn)大變形情況,因而使用可靠性容易得到保證。由于盾構(gòu)隧道接縫較多,在運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)橥饨绾奢d產(chǎn)生環(huán)內(nèi)變形,也會(huì)因不均勻沉降或上浮產(chǎn)生環(huán)間錯(cuò)臺(tái),此時(shí)接縫位置的PVC內(nèi)襯本體和焊縫會(huì)由于縱縫張開受拉或環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)受剪而產(chǎn)生大變形。若PVC內(nèi)襯材料因抗拉拔強(qiáng)度或變形能力不足產(chǎn)生斷裂,或因焊縫質(zhì)量不佳出現(xiàn)脫落,使污水從接縫位置入侵到管片內(nèi)部積存甚至滲漏至周邊土壤,則污水中的有害物質(zhì)將導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片服役周期的降低和周邊土質(zhì)的污染。故對(duì)PVC內(nèi)襯在盾構(gòu)隧道中的使用可靠性進(jìn)行分析顯得尤為重要。金普法等[6]認(rèn)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(duì)PVC防水板的彈塑性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到拉斷伸長(zhǎng)率等參數(shù)。余春春等[8]對(duì)持續(xù)荷載下PVC防水卷材的拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析?;菥蒣9]通過實(shí)際工程介紹了PVC防水卷材在地下防水工程中的應(yīng)用及施工工藝。楊楊等[10]通過試驗(yàn)分析了PVC防水材料在持續(xù)荷載下的應(yīng)力特征。朱寶寧等[11]考察了玻璃纖維長(zhǎng)度、用量和偶聯(lián)劑表面處理對(duì)PVC復(fù)合材料力學(xué)性能和耐熱性能的影響。
作為PVC內(nèi)襯的一種新的運(yùn)用方式,以往研究缺乏針對(duì)新型PVC內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究,尤其是PVC內(nèi)襯與管片之間協(xié)同變形能力的研究。為驗(yàn)證PVC內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,針對(duì)其連接的可靠性進(jìn)行PVC內(nèi)襯拉拔試驗(yàn),針對(duì)接縫處PVC內(nèi)襯及焊縫的性能進(jìn)行縱縫壓彎試驗(yàn)和環(huán)縫剪切試驗(yàn)。
1.1 試驗(yàn)方法
通過拉拔試驗(yàn),驗(yàn)證隧道管片的PVC內(nèi)襯面層與管片連接鍵的抗拉拔強(qiáng)度是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)對(duì)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(duì)每種連接鍵進(jìn)行3個(gè)點(diǎn)位的試驗(yàn),拉拔試驗(yàn)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(yàn)裝置(單位: mm)
拉拔試驗(yàn)是利用杠桿原理,測(cè)量長(zhǎng)度為100 mm的固定鍵的抗拉拔強(qiáng)度,試件設(shè)計(jì)如圖3所示。根據(jù)JC/T 2280—2014《內(nèi)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(qiáng)度測(cè)試值不低于14 N/mm,按照試驗(yàn)裝置的特征換算得到砝碼質(zhì)量不低于28.572 kg。
(a) 側(cè)視圖
(b) 俯視圖
1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
進(jìn)行6組拉拔試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)拉拔試驗(yàn)過程和結(jié)果,得出以下結(jié)論: 1)矛型鍵PVC防蝕內(nèi)襯的最低抗拉拔強(qiáng)度為24.5 N/mm,比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高75%; T字型鍵PVC防蝕內(nèi)襯的最低抗拉拔強(qiáng)度為21.6 N/mm,比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高54%。二者均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,PVC內(nèi)襯與管體之間鍵的連接是可靠的。 2)矛型鍵PVC防蝕內(nèi)襯的抗拉拔強(qiáng)度較T字型鍵PVC防蝕內(nèi)襯更高,主要由于矛型鍵的預(yù)埋深度(11 mm)較T字型鍵的預(yù)埋深度(9.5 mm)更深,且鍵的剛度更大,不易產(chǎn)生變形而被拔出。
2.1 試件制備
采用外徑6 200 mm、內(nèi)徑5 500 mm、厚度350 mm的盾構(gòu)管片作為試驗(yàn)對(duì)象,PVC內(nèi)襯采用T字型鍵。在管片澆筑前在鋼模中預(yù)先埋設(shè)PVC內(nèi)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(yàn)用管片的制備。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)PVC內(nèi)襯
對(duì)澆筑后的管片進(jìn)行分塊并拼裝形成縱縫壓彎試驗(yàn)用試件,縱縫之間通過5.8級(jí)螺栓連接,螺栓中心位置距內(nèi)弧面120 mm,縱縫位置采用PVC防蝕條帶焊接封堵。試件設(shè)計(jì)如圖5所示。在管片切割結(jié)束并完成拼裝后,利用PVC條帶和焊接機(jī)對(duì)內(nèi)弧面縱縫位置進(jìn)行焊接,焊接后縱縫如圖6所示。
圖5 試件設(shè)計(jì)示意圖(單位: mm)
圖6 縱縫接頭焊縫
2.2 試驗(yàn)方法
采用同濟(jì)大學(xué)自主研發(fā)的TJ-GPJ2000盾構(gòu)管片接頭試驗(yàn)加載系統(tǒng)(見圖7)進(jìn)行試驗(yàn)加載。加載系統(tǒng)由主加載框架、電液伺服加載作動(dòng)器(液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),能把來自液壓源的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,也可根據(jù)需要通過產(chǎn)品自帶的位移傳感器或行程開關(guān)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)(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(yàn)加載裝置
試驗(yàn)分為正彎矩和負(fù)彎矩2個(gè)工況進(jìn)行,正、負(fù)彎矩工況分別按照固定偏心距0.3 m和0.15 m進(jìn)行加載,加載中由軸線作動(dòng)器提供軸向力,豎向作動(dòng)器提供豎向力??v縫壓彎試驗(yàn)加載示意圖見圖8。
試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括縱縫張角、環(huán)向螺栓應(yīng)變、混凝土應(yīng)變、跨中縱縫處撓度和PVC內(nèi)襯應(yīng)變,并進(jìn)行裂縫觀測(cè)。
2.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析
2.3.1 正彎矩工況
正彎矩工況結(jié)構(gòu)受力如圖9所示。采用固定偏心距0.3 m進(jìn)行加載,即縱縫處彎矩M=0.3N,豎向力Fy通過反算而得。
試驗(yàn)中,當(dāng)M=150 kN·m,出現(xiàn)外弧面混凝土局部壓碎現(xiàn)象;當(dāng)M=165 kN·m,外弧面混凝土局部壓碎至止水墊位置,此時(shí)內(nèi)弧面縱縫處的PVC內(nèi)襯受拉變形已經(jīng)很明顯,但未發(fā)生拉斷和出現(xiàn)焊縫拉脫現(xiàn)象;當(dāng)M=255 kN·m,環(huán)向螺栓拉斷,同時(shí)縱縫處的PVC內(nèi)襯拉斷,但焊縫仍保持完好。試驗(yàn)結(jié)束后現(xiàn)象如圖10和圖11所示。
(a) 正彎矩工況
(b) 負(fù)彎矩工況
圖9 正彎矩工況試件結(jié)構(gòu)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(yàn)的破壞鏈如圖12所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知: 在正彎矩工況下,PVC內(nèi)襯拉斷發(fā)生在管片本體壓碎之后,是隨著螺栓拉斷而發(fā)生的,并且最終焊縫仍保持完好,表明PVC內(nèi)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(nèi)襯拉斷
圖12 正彎矩工況縱縫彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系
Fig. 12 Relationship between rotation angle and bending moment for positive bending moment
2.3.2 負(fù)彎矩工況
負(fù)彎矩工況結(jié)構(gòu)受力如圖13所示。采用固定偏心距0.15 m進(jìn)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(fù)彎矩工況試件結(jié)構(gòu)受力
Fig. 13 Structural force analysis of test specimen for negative bending moment
試驗(yàn)中,當(dāng)M=37.5 kN·m,外弧面開始張開;當(dāng)M=67.5 kN·m,外弧面止水帶完全分離;當(dāng)M=75 kN·m,內(nèi)弧面PVC內(nèi)襯開始隆起,但焊縫連接保持完好;當(dāng)M=90 kN·m,內(nèi)弧面混凝土開始出現(xiàn)壓碎裂縫;當(dāng)M=172.5 kN·m,內(nèi)弧面混凝土持續(xù)壓碎,直至試驗(yàn)結(jié)束,PVC內(nèi)襯未發(fā)生任何形式的破壞。試驗(yàn)結(jié)束后現(xiàn)象如圖14和圖15所示。
圖14 內(nèi)弧面混凝土壓碎
圖15 縱縫處PVC內(nèi)襯凸出
負(fù)彎矩試驗(yàn)的破壞鏈如圖16所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知: 在負(fù)彎矩工況下,PVC內(nèi)襯材料處于受壓側(cè),不會(huì)發(fā)生破壞,但PVC條帶焊接應(yīng)盡量保持與縱縫兩側(cè)密貼,這在工廠化生產(chǎn)和專業(yè)操作條件下能夠得到較好的處理。
圖16 負(fù)彎矩工況縱縫彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系
Fig. 16 Relationship between rotation angle and bending moment for negative bending moment
綜上所述,當(dāng)盾構(gòu)管片發(fā)生環(huán)內(nèi)變形時(shí),PVC內(nèi)襯在縱縫受到外荷載作用下能與管片產(chǎn)生較好的協(xié)同作用,其力學(xué)性能和變形性能滿足隧道產(chǎn)生環(huán)內(nèi)變形時(shí)的正常使用要求。
3.1 試件制備
環(huán)縫剪切試驗(yàn)采用與縱縫壓彎試驗(yàn)相同的管片,PVC面層的埋設(shè)和管片澆筑方法相同。試件共由4塊拼裝而成: 中間環(huán)2塊之間拼裝方式與縱縫壓彎試驗(yàn)相同;兩端環(huán)采用半寬環(huán),長(zhǎng)度與2塊中間環(huán)拼裝總長(zhǎng)度相同,不設(shè)縱縫,中間環(huán)與兩端環(huán)使用縱向螺栓連接。
在試件拼裝結(jié)束并完成上架后,對(duì)縱縫和環(huán)縫均采用PVC條帶進(jìn)行焊接處理,如圖17所示。
圖17 環(huán)縫剪切試驗(yàn)試件焊縫
3.2 試驗(yàn)方法
環(huán)縫剪切試驗(yàn)利用與縱縫壓彎試驗(yàn)相同的加載儀器,加載力包括縱向力F和豎向力p??v向力模擬千斤頂?shù)臍堄噍S力,為千斤頂頂力乘以一個(gè)小于1的系數(shù)作為縱向力數(shù)值,本次試驗(yàn)采用的縱向力為300 kN。豎向力提供剪切力。加載順序?yàn)槭紫仁┘?00 kN縱向力,然后以每級(jí)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(huán)縫剪切試驗(yàn)加載示意圖
試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括環(huán)向螺栓應(yīng)變、跨中縱縫處撓度和環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量,并進(jìn)行裂縫觀測(cè)。
3.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析
試驗(yàn)中,當(dāng)豎向力p=350 kN,試件出現(xiàn)剪切破碎;當(dāng)豎向力p=390 kN,內(nèi)弧面環(huán)縫處PVC內(nèi)襯部分脫落,而造成脫落主要是模具原因,由于內(nèi)弧面存在凹凸不平,導(dǎo)致焊接不夠精細(xì),在專業(yè)化施工中可避免此種情況的發(fā)生;當(dāng)豎向力p=450 kN,內(nèi)弧面環(huán)縫開始張開,最大錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到約27 mm,內(nèi)弧面張開量達(dá)到9.58 mm,內(nèi)弧面PVC內(nèi)襯和焊縫均未出現(xiàn)新的脫落和破壞現(xiàn)象;當(dāng)豎向力p=470 kN,一側(cè)內(nèi)弧面凹榫完全被剪壞,PVC條帶出現(xiàn)局部輕微脫落現(xiàn)象,這與試驗(yàn)室施工質(zhì)量有關(guān),而另一側(cè)外弧面環(huán)縫出現(xiàn)剪切裂縫,PVC內(nèi)襯和焊縫均保持完好;當(dāng)豎向力p=650 kN,外弧面凹榫剪壞,試驗(yàn)停止。試驗(yàn)結(jié)束后環(huán)縫破壞嚴(yán)重,內(nèi)弧面PVC內(nèi)襯以及焊縫基本保持完好,具體現(xiàn)象如圖19和圖20所示。
圖19 環(huán)縫剪壞
(a) 縱縫
(b) 環(huán)縫
環(huán)縫剪切試驗(yàn)破壞鏈如圖21所示。環(huán)縫剪切試驗(yàn)的破壞點(diǎn)均出現(xiàn)在環(huán)縫的凹榫,并未出現(xiàn)明顯的PVC內(nèi)襯和焊縫破壞。
圖21 環(huán)縫剪切試驗(yàn)剪切力-錯(cuò)臺(tái)量關(guān)系
綜上所述,PVC內(nèi)襯除在外弧面有部分脫落之外,其余部分均保持完好。產(chǎn)生部分脫落主要是由于管片澆筑時(shí)漏漿造成表面凹凸不平,這也使得人工連接難以達(dá)到較好的效果,如采用專用模具和專用施工機(jī)械將能最大程度避免該種情況的發(fā)生,其可靠性也能夠得以保證。
本文依托廣州深層隧道工程,針對(duì)可用于深層盾構(gòu)排水隧道內(nèi)部防水防蝕PVC內(nèi)襯開展了力學(xué)試驗(yàn)研究,包括拉拔試驗(yàn)、縱縫壓彎試驗(yàn)和環(huán)縫剪切試驗(yàn),同時(shí)將PVC內(nèi)襯和管片的不同受力變形工況相結(jié)合研究PVC內(nèi)襯與盾構(gòu)管片在受力變形下的協(xié)同作用。研究主要結(jié)論如下。
1)通過拉拔試驗(yàn),得到PVC內(nèi)襯材料和管體之間鍵的連接強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),至少比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高54%。
2)環(huán)內(nèi)變形時(shí),PVC內(nèi)襯破壞僅出現(xiàn)在正彎矩縱縫接頭處,PVC內(nèi)襯本體后于管片本體破壞,且焊縫始終保持完好,故其力學(xué)性能和變形性能滿足要求,能夠與管片很好地產(chǎn)生協(xié)同作用。
3)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)時(shí),PVC內(nèi)襯本體未發(fā)生破壞;受試驗(yàn)室管片澆筑缺乏專業(yè)施工設(shè)備的條件制約,環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)時(shí)環(huán)縫的焊縫邊緣出現(xiàn)局部脫落,但大部分焊縫在管片發(fā)生剪切破壞后仍保持完好。
通過試驗(yàn),在管片的施工中需注意或改進(jìn)的問題: 1)管片澆筑中注意防止?jié){液泄漏至PVC內(nèi)襯內(nèi)表面造成表面凹凸不平,避免出現(xiàn)PVC內(nèi)襯與管體鍵的連接失效。2)利用PVC條帶進(jìn)行接縫焊接時(shí)注意焊縫質(zhì)量,保證焊縫的抗拉強(qiáng)度高于PVC內(nèi)襯本身抗拉拔強(qiáng)度,并使PVC條帶與管體中預(yù)埋的PVC內(nèi)襯緊密貼合。在內(nèi)弧面閉合接縫處可設(shè)置初始張拉變形,避免出現(xiàn)因擠壓凸出使PVC條帶凸出的現(xiàn)象。
本研究還存在一些不足,在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步補(bǔ)充,主要包括: 1)與無PVC內(nèi)襯管片試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,分析PVC內(nèi)襯對(duì)管片受力性能的影響; 2)研究深層排水隧道在長(zhǎng)期過水并受到污水腐蝕后PVC防水防蝕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和變形性能,考察PVC結(jié)構(gòu)在隧道全壽命過程中的服役性能,對(duì)深層排水隧道的后期維護(hù)起到指導(dǎo)作用。
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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578409)
柳獻(xiàn)(1977—),男,湖北武漢人,2006年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué),結(jié)構(gòu)工程專業(yè),博士,副教授,主要從事隧道及地下結(jié)構(gòu)服役行為、相關(guān)機(jī)制與性態(tài)控制方面的研究工作。E-mail: xian.liu@#edu.cn。
10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.004
U 45
A
1672-741X(2016)12-1428-07