防水板超声波焊接技术在石林隧道的应用

申百囤,何安辉,张春光

(中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006)

防水板超声波焊接技术在石林隧道的应用

申百囤,何安辉,张春光

(中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006)

为解决隧道防水板与土工布连接传统工艺采用电热压焊器热熔焊接或吊带挂设质量难以保证的问题,云桂铁路石林隧道防水板焊接引入超声波焊接工艺,通过设备、工艺改进,防水板焊接质量得到保证,工效大幅提高,施工成本大幅降低。

铁路隧道;防水板;超声波;焊接

隧道发生渗漏水的主因是防水板施工过程中被破坏或者防水搭接焊不合格造成的[1]。按照相关规范要求:隧道防水板应采用分离式,先铺缓冲层(土工布),再铺防水板[2]。两幅防水板搭接不小于 15 cm[3],采用双缝热熔爬焊机焊接。土工布固定采用和防水板同材质垫圈;防水板和垫圈连接的传统方式为电热压焊器热熔焊接工艺或吊带挂设工艺。电热压焊器热熔焊受防水板、热熔垫片熔点影响较大,作业人员难以把握热熔时间和压焊力度,焊焦、焊穿、焊接不牢固成为常见质量通病。吊带挂设则因防水板无法与围岩密贴,易造成二衬厚度不足或二衬背后脱空、不密实。如何有效解决防水板与热熔垫圈的焊接质量,在云桂铁路石林隧道进行了有益的尝试和探索。引入超声波焊接工艺,经过现场实践—改进—再实践的循环往复,防水板超声波焊接工艺取得成功,该工艺已在云桂铁路、沪昆客专全面推广。

1 石林隧道防排水施工技术要求

石林隧道位于云南省弥勒县—石林县境内,全长18 208m,为云桂线全线最长隧道、全国最长的单洞双线隧道、世界最长钻爆法施工的岩溶隧道,为Ⅰ级风险隧道。

隧道衬砌防水等级按照《地下工程防水技术规范》(GB50108—2008)设计为一级标准。全隧初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位铺设无纺布、防水板。防水板采用EVA型,厚度1.5mm[4],全隧铺设面积约50万m2。

2 超声波焊接介绍

2.1 超声波焊接优点

超声波焊接具有不需要焊剂和外部加热,对焊件破坏小、焊接时间短、焊接强度高和残余变形小等诸多优点,在塑料加工领域得到了迅猛发展[5-6]。

2.2 超声波焊接机理

在超声波塑料焊接过程中界面摩擦热是该过程的启动热源,没有界面摩擦,焊接过程就无法开始;而粘弹热是在超声波焊接中材料热熔的主要热源[7-10]。 超声波在聚合物材料中传播产生机械功,机械功的表现方式是高聚物分子因振动而引起连续交替的受压和解压。由粘弹材料的本构关系可知,当交变应力施加到材料上时,力的加载和卸载曲线并不能完全重合而形成一个回路,它所包围的面积就代表材料内所积聚的能量,这部分能量以热能的形式表现出来。持续的高频交变应力荷载以及较低的热传导率使应力应变集中区的材料温度迅速升高,从而实现熔融连接[5]。

2.3 超声波焊接影响因素

超声波焊接质量与焊接振幅、焊接时间、焊接压力等参数有关[11-12]。

经过实践发现:低熔点、高表面摩擦系数的材料可获得较优焊接质量。EVA防水板在20 kHz高频电能作用下振幅为15μm时焊接接头强度值较大。焊接时间控制在3 s左右为宜。焊接压力在0.15MPa时焊接接头强度约35MPa。超声波焊接停止后,为使焊接牢固,需要在一定时间内保持一定的压力,待焊点冷却3 s左右,可确保焊点质量。

2.4 防水板超声波焊接设备介绍

防水板超声波焊接设备由超声波发生器、焊枪两部分组成。发生器质量3 kg,焊枪质量1 kg;现场操作方便。

3 防水板超声波焊接现场资源配置

3.1 人员配置

施放卷材2人、防水板临时支撑2人、施作超声波压焊1人、辅助施工1人,共6人。

3.2 主要设备配置

配备充足照明设施的作业台架1套、防水板临时支撑工具2套、超声波焊接设备2台。

3.3 材料准备

土工布、新型热熔垫圈、防水板。

经现场试验,改进传统与防水板同材质同颜色热熔垫片为容易识别的红色同材质垫圈,方便焊接时找到固定点具体位置。同时经过现场试验,在满足受力前提下缩小了垫片面积,节约EVA原材料31.6%。

4 施工工艺

4.1 工艺流程

施工准备→基面检查→土工布铺设→防水板铺设及超声波焊接固定→效果检查。

4.2 施工工艺

4.2.1 基面检查

防水层铺设前应先对隧道进行断面扫描,对初期支护喷射混凝土表面进行处理,切除锚杆头和钢筋露头,并用细石混凝土抹平覆盖,凹坑深宽比应控制在1/10以内;深宽比大于1/10的凹坑应用细石混凝土填平,确保喷射混凝土表面平整,基面严重不平整的要进行混凝土的复喷[13],采用平整度尺及塞尺检测。经检查合格后方可铺设土工布、安设环向透水盲管,铺设、焊接防水板。

4.2.2 土工布铺设

用射钉将垫圈、土工布平整顺直地固定在基层上,土工布两幅搭接宽度不小于50 mm,铺设平顺、无隆起、无皱褶。

作为防水板固定点的垫圈间距为拱部0.5～0.8m、边墙0.8～1.0m,梅花形布置[2]。

为使防水板固定时方便操作,固定点的位置选择在基面平整位置。

4.2.3 防水板铺设、超声波焊接

(1)超声波焊接机调试

①接通电源:电源为220 V、50 Hz单项电源。接通后检查工作指示灯是否发亮,如果不亮,检查保险管。

②仪器调试:电源接通后,按面板上的“测试”红色按钮。以点动为准,按下后立即松开。同时观察表盘电流表,电流在“0.5～1A”为正常。反之则要调试频率螺杆。左右微调,一边调试,一边按“测试”按钮。直到换能器空载电流为“0.5～1 A”为准。

如果不能调试到“0.5～1 A”,则要检查模具是否破损或断裂。如有破损或断裂,及时更换。

(2)防水板铺设及固定点焊接

①防水板对位

防水板从台架上放到规定高度以后,要与前一幅防水板准确对位,首先保证相邻两幅防水板搭接宽度不小于15 cm[3]。防水板铺设从一侧边墙向拱部、再从拱部向另一侧边墙铺设,方便现场操作。防水板松紧应适度并留有余量[14],一般设计周长和铺设长度按4∶5比例预留。

②超声波焊接机压焊

墙部压焊:一手持超声波焊接机,一手顶压防水板,超声波焊接机与压过的防水板面保持垂直,再用力压紧并按下开关,熔化防水板后,在端头压入防水板约0.5mm时,即可停止焊接,单点焊接持续时间约3 s。施作时,必须将防水板与垫圈压密贴,如果防水板与垫圈之间不密贴,将严重影响焊接质量。

拱部压焊:在进行拱部焊接前,先用临时钢筋支撑把防水板撑至喷射混凝土面,再按照墙部压焊的方法进行焊接。

焊点数量:边墙部位每个垫圈焊3个点;拱部每个垫圈焊4个点,且宜均匀布置于垫圈上,以保证焊接牢固。

③焊接顺序控制

在确保和上一幅防水板搭接不小于15 cm前提下,从一侧边墙向拱部、再从拱部向另一侧边墙铺设、逐排与固定点焊接。单幅超声波焊点完成后,采用爬焊机连接两幅防水板。

5 施工作业要点

(1)垫圈固定点需选在基面平整处,以方便焊接操作;

(2)焊接时需压紧防水板,使焊枪、防水板、垫圈三者紧贴,但不宜用力过大,过大则影响超声波启动;

(3)焊枪与垫圈面需垂直;

(4)点焊时间不宜太长,防止损伤焊接设备;

(5)边墙部位每个垫圈点焊3个点;拱部每个垫圈焊4个点;

(6)每个垫圈焊接完成后,手压防水板保持3 s,防止过早松开时因焊点处防水板未冷却而撕裂。

6 安全注意事项

(1)超声波主机箱放置在台架上固定位置处,防止坠物砸坏或碰撞损伤;

(2)注意经常检查电源延长线,发现破损处及时修复或更换;

(3)高空操作人员需系安全绳,防止高空坠落;

(4)连接焊枪的电源线须在距焊枪1.2～1.5m处设置固定点,固定于安全绳上。

7 使用效果分析

7.1 施工效率对比(表1)

通过对比分析可发现,超声波焊接开机即可焊接,节约了电热压力焊的预热等待时间;每板二衬在完成焊接相近时间前提下,投入设备台数仅为前者的1/3,且焊点质量大幅提高,大大减少了修补浪费的时间。经现场实践,采用超声波焊接每组防水板焊接节约时间7～8 h。施工质量和施工效率都得到质的提高。

7.2 施工成本分析(表2)

表1 电热压力焊和超声波焊接施工效率对比

表2 电热焊枪和超声波焊枪成本分析

超声波焊接一次投入大,因设备使用寿命长(按每月10板二衬计算,枪头寿命16.3个月,焊枪寿命49个月),分摊成本仅为电热压力焊焊枪成本的7.5%,经济效益明显。

7.3 现场铺设效果

超声波焊接技术的应用,使以往防水板焊焦、焊穿的质量通病得到了根本改善。现场土工布、防水板铺设美观、平顺,可操作性和观感质量都得到大幅度提高,防水板和土工布的连接质量达到质的飞跃。见图1、图2。

图1 土工布铺设效果

图2 防水板铺设效果

8 需改进之处

(1)增加功率调节功能,以适用于不同材质的防水板;

(2)增加超声波发射时间调节功能,实现可调式控时发射,方便操作人员控制操作时间,避免出现焊接不牢、过焊现象;

(3)焊枪头改进为大截面环状,实现多点一次焊接;

(4)焊枪上增加指示灯,方便操作人员使用。

9 结语

隧道防水板超声波焊接技术在石林隧道的应用为提高隧道防水板施工质量开辟了一条新途径,是一种值得研究、推广的新技术。

[1] 桂铬,何英伟,胡伟.高速公路隧道防水板施工的可靠性评价[J].长沙铁道学院学报,2008,9(1):209 -217.

[2] 铁建设[2010]241号.高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2011:110 -129.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10753—2010 高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社,2010:136 -141.

[4] 中铁二院工程集团有限公司.新建铁路云桂线石林隧道施工图[R].成都:中铁二院工程集团有限公司,2011.

[5] 张宗波,罗怡,王晓东,王立鼎.塑料超声波焊接及其用于聚合物MEMS器件键合的研究进展[J].焊接,2008(8):9 -15.

[6] Truck enmueller R,Ahrens R.An ultrasonic welding based process for building up a new class of inert fluidicmicro sensors and actuators from polymers[J].Sensors and Actuators,2006,132(1):385 -392.

[7] 张宗波,王晓东,罗怡,等.超声波塑料焊接机理[J].焊接学报, 2010,31(11):29 -33.

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[13]铁道部建设管理司.建技[2010]13号 铁路隧道防水板铺设工艺技术规定[S].北京:铁道部建设管理司,2010.

[14]铁道部经济规划研究院.TZ331—2009 铁路隧道防排水施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2009:35 -47.

Ultrasonic W elding Technology of W aterproof Board Used in Shilin Tunnel

SHEN Bai-tun,HE An-hui,ZHANG Chun-guang
(No.5 Engineering Corporation of China Railway First Group,Baoji721006,China)

When tunnelwaterproof board is connected to the geo-textile,traditional electro-heat pressure welder or gallusmethod are generally used for it,but the quality is difficult to be guaranteed.In order to solve such problem,ultrasonic welding process is used in waterproof board welding in Shilin Tunnel.The application results show that:with the improvement of equipment and process,the quality of waterproof board welding can be guaranteed,the work can be performed efficiently,and the cost can be reduced greatly.

waterproof board;ultrasonic;welding

U458.1;U445.58+3

B

1004 -2954(2012)10 -0069 -04

2012-03-17

申百囤(1975—),男,高级工程师,1999年毕业于石家庄铁道学院交通土建专业,工学学士,E-mail:sbtlyh@163.com。