和一般的隧道不同，深隧系统中运输的大多是生活和工业废水，其中富含的硫化物在生物化学反应下可能生成硫酸，从而对管壁造成腐蚀。同时废水中的污泥质也会在管内产生沉积。
因此，深层排水隧道既需要一个主要隧道结构来抵抗地层荷载和地下水荷载，又需要一个内部衬砌来保证隧道结构不受腐蚀性的污水侵蚀，提高其耐久性。
防腐蚀衬砌一般而言可以分为2类：防腐蚀层与隧道衬砌独立（分两次安装），防腐蚀层与隧道衬砌整合（一次安装的复合衬砌）。根据混凝土配合材料的不同，防腐蚀衬砌系统的厚度要求也不相同。
污水管道内的腐蚀和沉积状况
混凝土配合材料与防腐蚀衬砌厚度对照表
深隧衬砌防腐蚀解决方案
1 两次安装防腐蚀衬砌
该类型防腐蚀衬砌的管片衬砌和防腐蚀层独立，分两次安装，按有无注浆填充可分为两种形式。
一种形式外层衬砌为管片衬砌，内层防腐蚀层为带 PVC 膜的混凝土管或玻璃钢管（GFRP），两层衬砌之间采用注浆填充，美国洛杉矶 NIES 工程、墨尔本北部下水道等工程采用了该类型衬砌。
有注浆填充层的两次安装衬砌
另一种形式为外层管片衬砌，防腐蚀层为环氧树脂薄膜或钢纤维混凝土牺牲层，中间不用注浆填充。美国俄亥俄州哥伦布市 BWARI 工程、新加坡DTSS 一期、迪拜 STEP 工程、英国伦敦 Lee 隧道和泰晤士 Tideway 隧道等工程采用了该类型衬砌。
无注浆填充层的两次安装衬砌
2 一次安装防腐蚀衬砌
1）聚合物混凝土
德国奥芬巴赫、日本横滨的排水系统中衬砌的防腐仅靠一层聚合物混凝土的衬砌。
聚合物混凝土衬砌示意图
2）预埋锚固焊接内衬层衬砌
该类型内衬防蚀层预埋在管片衬砌中，并在接缝处采用焊接连接，案例为美国加州萨克拉门托UNWI 一期及二期工程。
预埋锚固衬砌示意图
3）一次安装复合衬砌
加拿大西部污水干管、俄罗斯污水隧道工程中使用的是一次安装衬砌，防蚀层直接预埋在管片衬砌中，接缝处无焊接。
一次安装复合衬砌示意图
不同防腐蚀衬砌系统典型工程案例
1 二次安装衬砌工程案例
1）新加坡 DTSS 一期工程
用来管理新加坡废水的地下隧道系统——新加坡 DTSS 工程（Deep Tunnel Sewerage System，简称DTSS）共分为两期。一期工程包括 1 条长 48km 的地下排污隧道、位于樟宜的中央废水回收厂和分支管道组成的网络，以及深入海底的污水排送管。工程施工共采用了 8 台隧道掘进机，最大盾构直径为7.2m。
该工程隧道的一次管片衬砌，采用盾构安装，用于抵抗地层荷载；二次防蚀衬砌也包含 2 层，即暴露在污水中的高聚乙烯层以及牺牲混凝土层或注浆层。DTSS 一期自 2007 年投入运营以来，高聚乙烯衬砌未出现问题。
DTSS 工程竖井图
2）Lee 隧道和泰晤士 Tideway 隧道东段 C415伦敦的地下水道系统历史悠久，早在 1850 前，由于疫病流行，就沿泰晤士河南北两侧分别修建了地下排水系统。作为对旧下水道系统的补充，开始修建 Tideway 隧道系统。
该隧道也采用了二次安装衬砌，但并没有使用高聚乙烯内衬。它的衬砌厚 300mm，包括厚 80mm的牺牲层。采用钢纤维混凝土补强，连接销为玻璃钢材质。为了提高耐久性，混凝土采用了微硅粉、低水灰比、高强度的配比。
两次安装衬砌示意图
2 一次安装衬砌工程案例
1）加拿大西部排水干管
加拿大西部排水干管长 3.8km，内径 3m，采用了钢纤维混凝土管片，防蚀层和预制钢纤维混凝土管片衬砌在浇筑时整合在一起，并一起安装。
次安装复合衬砌实物图
管片浇筑时，先将 pDCPD 制成的厚 5mm 的内衬层放在模板中，内衬层表面有锚固部件，使得混凝土管片和内衬层结合为一个整体。管片总厚度为203mm，宽度为 1.2m。
管片间的连接如下图所示，内衬上的锚固件使得内衬与管片能够紧密结合。
一次安装复合衬砌示意图
IDRIS 项目中的一次安装复合衬砌
1 工程概况
卡塔尔多哈内城污水再生项目（IDRIS 项目）包括内径 3.0 ～ 4.5m、长 45km 的主线污水干管，长 70km 的支线截流污水管，以及深 70m 的终端泵站和新多哈南部污水处理厂。该工程采用重力排水，只用于排放污水，雨污分离，具有 100 年使用寿命。主干管被分为 3 部分，采用 2 台海瑞克土压平衡盾构机施工。工作井和入流井共计 11 个竖井，深度在22 ～ 42m 之间，采用地下连续墙、喷射混凝土围护开挖或采用 VSM（垂直竖井挖掘机）进行施工。整个项目预计于 2019 年完工。
卡塔尔 IDRIS 工程平面图及效果图
2 两次安装衬砌和一次安装衬砌的取舍
该工程的咨询方起初打算采用与新加坡 DTSS工程相同的防腐蚀衬砌系统，即一层预制混凝土衬砌管片，一层分开的防腐蚀内衬层（由厚 250mm的牺牲层和高聚乙烯薄膜构成）。
新加坡 DTSS 工程两次安装衬砌示意图
设计施工承包商提出了将防腐蚀内衬 HDPE 与结构管片衬砌预制为一体，可大大缩短工期。
设计施工承包商提出的一次安装衬砌方案
现浇二次衬砌需要工人在严苛的环境下进行高强度的工作。一次安装衬砌能够取消现浇工序，极大改善工人的施工作业环境。在预制工厂中将防腐蚀层整合进衬砌中，能够有效对生产过程进行监控，更好地控制构件的质量。复合管片衬砌比双层衬砌厚度减少了 200mm，从而降低了材料成本。此外由于该工序时间的缩短，原定 4 台盾构机施工可以减少到 2 台也能完成预定工期，因此也减少了成本。
但在一次安装衬砌系统中，对已安装的隧道衬砌的检查比较困难。HDPE 层将管片在运输、拼装和受到盾构千斤顶挤压时可能产生的损坏掩盖，由此产生的裂缝、漏水、螺栓插口破裂等很难被发现。另外，在狭窄的盾构车架内，薄膜接缝的焊接较为困难，需对盾构机内支撑结构进行特殊修改。
3 衬砌设计中的 HDPE 薄膜
在该工程衬砌设计中，考虑了 HDPE 薄膜对衬砌的影响。HDPE 薄膜的性质如下表所示。
HDPE 的力学性质
由于 HDPE 的延展能力远高于混凝土，且HDPE 很薄，其张力可以忽略不计。因此 HDPE 薄膜的存在对混凝土管片没有显著的影响。它在保护衬砌的同时，不会影响到衬砌的运动。
由于隧道受到高达 0.5MPa 的外部地下水压力的作用，HDPE 内衬要能保证不渗漏、不位移，需通过钉头锚固在混凝土中，每个钉头约能提供1.7kN的抗拔力，可通过调整钉头布置的密度，来满足单位面积内抗拔力的要求。
钉头（左图）及拔出后在混凝土上留下的空洞（右图）
管片接缝间的 HDPE 垫片在设计上能够抵抗地下水压 100 年，仅产生 10mm 的偏移，安装容许误差为 ±3mm。垫片安装在衬砌环的外周，而 HDPE将在内周被焊接，使垫片不受 H 2 S 的侵蚀。不过，垫片本身也能在一定程度上承受腐蚀性污水气体的侵蚀。
4 管片的制作
将 HDPE 板裁切成 6 种尺寸，并考虑了温度的周期性浮动，使尺寸误差在容许范围内。
HDPE 板的切割
然后将 HDPE 板放入管片模具中，将拼装机插孔（也采用 HDPE 制成）焊接在中央。其他如垫片、导向杆和螺栓插座等也预先在浇筑混凝土之前放置在模具中。在混凝土最低早期强度达到 15MPa 后7h，进行模具的拆除。
HDPE 薄膜会对管片生产带来一些限制，影响到最终产品的质量，必须保证从拆除模板到管片拼装在隧道中的整个过程中，HDPE 不能受到损坏。
进行压痕测试，确定管片堆叠产生的影响
5 管片的安装
1）管片的拼装
盾构机上装有机械式拼装机，通过插入 HDPE插孔的螺栓来举起管片，插孔被焊接到管片上，以保证防腐蚀性衬砌的连续性。拼装工序不会使HDPE 薄膜承受过大的荷载，因为插孔将力直接传导到了刚度更大的混凝土上。
浇筑混凝土之前，模具中的插孔和 HDPE 板
2）接缝的焊接
长 16km 的主干管北段隧道，所有接缝的长度加起来约有 250km，因此需要对焊接设备和技术进行优化。因此，施工方在正式开始隧道施工之前，建造了一个由 8 环衬砌组成的试验隧道，用来测试焊接系统。
对于隧道底部 30°范围内的接缝，采用了挤压焊接，从而形成连续不间断的防腐蚀衬砌。第一阶段的焊接是焊工从盾构机车架上，在盾尾处进行焊接。第二阶段是在盾构机离开后进行，并通过火花测试来验证所有接缝的完整性。
HDPE 挤压焊接
焊接后的衬砌示意图
3）其他施工活动
为了使隧道开挖过程中对衬砌的损伤最小化，施工方设计了特制的支架来悬挂盾构机设备，这些支架固定在管片上的拼装孔内。此外，二次注浆也可以通过这些插孔来进行。
海瑞克还进行了一系列测试，以保证盾构的转向架施加在衬砌上的荷载不会导致过大的永久压痕。
转向架荷载试验
4）修理工序
对于采用一次复合衬砌产生的一些问题，设计方也给出了相应的处理措施：局部损坏（一般宽度在 20mm 以下的）采用一块焊条来覆盖混凝土暴露的区域；大的损坏则通过裁切一块尺寸合适的HDPE 材料作为补丁焊接在损坏的区域。其他类型的损坏，将根据具体情况进行分析，并评估对结构或耐久性的潜在影响。
6 结论
将 HDPE 板锚固在预制隧道管片中的一次安装衬砌能够提高最终产品的质量，同时减少施工时间和成本，满足使用寿命要求，提高隧道衬砌安装时的安全性。
通过在施工之前进行预先的设计和试验，可以模拟不同的施工活动，加上内置冗余量，提高生产和隧道挖掘过程中质量控制水平，能够有效降低内部缺陷产生的风险。对焊接过程的进一步优化，将使得本工法更加完善。
管片安装后隧道内部
摘自《盾构隧道科技》