防水板超聲波焊接技術在石林隧道的應用

申百囤,何安輝,張春光

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

防水板超聲波焊接技術在石林隧道的應用

申百囤,何安輝,張春光

(中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006)

為解決隧道防水板與土工布連接傳統工藝采用電熱壓焊器熱熔焊接或吊帶掛設質量難以保證的問題,云桂鐵路石林隧道防水板焊接引入超聲波焊接工藝,通過設備、工藝改進,防水板焊接質量得到保證,工效大幅提高,施工成本大幅降低。

鐵路隧道;防水板;超聲波;焊接

隧道發生滲漏水的主因是防水板施工過程中被破壞或者防水搭接焊不合格造成的[1]。按照相關規范要求:隧道防水板應采用分離式,先鋪緩沖層(土工布),再鋪防水板[2]。兩幅防水板搭接不小于 15 cm[3],采用雙縫熱熔爬焊機焊接。土工布固定采用和防水板同材質墊圈;防水板和墊圈連接的傳統方式為電熱壓焊器熱熔焊接工藝或吊帶掛設工藝。電熱壓焊器熱熔焊受防水板、熱熔墊片熔點影響較大,作業人員難以把握熱熔時間和壓焊力度,焊焦、焊穿、焊接不牢固成為常見質量通病。吊帶掛設則因防水板無法與圍巖密貼,易造成二襯厚度不足或二襯背后脫空、不密實。如何有效解決防水板與熱熔墊圈的焊接質量,在云桂鐵路石林隧道進行了有益的嘗試和探索。引入超聲波焊接工藝,經過現場實踐—改進—再實踐的循環往復,防水板超聲波焊接工藝取得成功,該工藝已在云桂鐵路、滬昆客專全面推廣。

1 石林隧道防排水施工技術要求

石林隧道位于云南省彌勒縣—石林縣境內,全長18 208m,為云桂線全線最長隧道、全國最長的單洞雙線隧道、世界最長鉆爆法施工的巖溶隧道,為Ⅰ級風險隧道。

隧道襯砌防水等級按照《地下工程防水技術規范》(GB50108—2008)設計為一級標準。全隧初期支護與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設無紡布、防水板。防水板采用EVA型,厚度1.5mm[4],全隧鋪設面積約50萬m2。

2 超聲波焊接介紹

2.1 超聲波焊接優點

超聲波焊接具有不需要焊劑和外部加熱,對焊件破壞小、焊接時間短、焊接強度高和殘余變形小等諸多優點,在塑料加工領域得到了迅猛發展[5-6]。

2.2 超聲波焊接機理

在超聲波塑料焊接過程中界面摩擦熱是該過程的啟動熱源,沒有界面摩擦,焊接過程就無法開始;而粘彈熱是在超聲波焊接中材料熱熔的主要熱源[7-10]。 超聲波在聚合物材料中傳播產生機械功,機械功的表現方式是高聚物分子因振動而引起連續交替的受壓和解壓。由粘彈材料的本構關系可知,當交變應力施加到材料上時,力的加載和卸載曲線并不能完全重合而形成一個回路,它所包圍的面積就代表材料內所積聚的能量,這部分能量以熱能的形式表現出來。持續的高頻交變應力荷載以及較低的熱傳導率使應力應變集中區的材料溫度迅速升高,從而實現熔融連接[5]。

2.3 超聲波焊接影響因素

超聲波焊接質量與焊接振幅、焊接時間、焊接壓力等參數有關[11-12]。

經過實踐發現:低熔點、高表面摩擦系數的材料可獲得較優焊接質量。EVA防水板在20 kHz高頻電能作用下振幅為15μm時焊接接頭強度值較大。焊接時間控制在3 s左右為宜。焊接壓力在0.15MPa時焊接接頭強度約35MPa。超聲波焊接停止后,為使焊接牢固,需要在一定時間內保持一定的壓力,待焊點冷卻3 s左右,可確保焊點質量。

2.4 防水板超聲波焊接設備介紹

防水板超聲波焊接設備由超聲波發生器、焊槍兩部分組成。發生器質量3 kg,焊槍質量1 kg;現場操作方便。

3 防水板超聲波焊接現場資源配置

3.1 人員配置

施放卷材2人、防水板臨時支撐2人、施作超聲波壓焊1人、輔助施工1人,共6人。

3.2 主要設備配置

配備充足照明設施的作業臺架1套、防水板臨時支撐工具2套、超聲波焊接設備2臺。

3.3 材料準備

土工布、新型熱熔墊圈、防水板。

經現場試驗,改進傳統與防水板同材質同顏色熱熔墊片為容易識別的紅色同材質墊圈,方便焊接時找到固定點具體位置。同時經過現場試驗,在滿足受力前提下縮小了墊片面積,節約EVA原材料31.6%。

4 施工工藝

4.1 工藝流程

施工準備→基面檢查→土工布鋪設→防水板鋪設及超聲波焊接固定→效果檢查。

4.2 施工工藝

4.2.1 基面檢查

防水層鋪設前應先對隧道進行斷面掃描,對初期支護噴射混凝土表面進行處理,切除錨桿頭和鋼筋露頭,并用細石混凝土抹平覆蓋,凹坑深寬比應控制在1/10以內;深寬比大于1/10的凹坑應用細石混凝土填平,確保噴射混凝土表面平整,基面嚴重不平整的要進行混凝土的復噴[13],采用平整度尺及塞尺檢測。經檢查合格后方可鋪設土工布、安設環向透水盲管,鋪設、焊接防水板。

4.2.2 土工布鋪設

用射釘將墊圈、土工布平整順直地固定在基層上,土工布兩幅搭接寬度不小于50 mm,鋪設平順、無隆起、無皺褶。

作為防水板固定點的墊圈間距為拱部0.5～0.8m、邊墻0.8～1.0m,梅花形布置[2]。

為使防水板固定時方便操作,固定點的位置選擇在基面平整位置。

4.2.3 防水板鋪設、超聲波焊接

(1)超聲波焊接機調試

①接通電源:電源為220 V、50 Hz單項電源。接通后檢查工作指示燈是否發亮,如果不亮,檢查保險管。

②儀器調試:電源接通后,按面板上的“測試”紅色按鈕。以點動為準,按下后立即松開。同時觀察表盤電流表,電流在“0.5～1A”為正常。反之則要調試頻率螺桿。左右微調,一邊調試,一邊按“測試”按鈕。直到換能器空載電流為“0.5～1 A”為準。

如果不能調試到“0.5～1 A”,則要檢查模具是否破損或斷裂。如有破損或斷裂,及時更換。

(2)防水板鋪設及固定點焊接

①防水板對位

防水板從臺架上放到規定高度以后,要與前一幅防水板準確對位,首先保證相鄰兩幅防水板搭接寬度不小于15 cm[3]。防水板鋪設從一側邊墻向拱部、再從拱部向另一側邊墻鋪設,方便現場操作。防水板松緊應適度并留有余量[14],一般設計周長和鋪設長度按4∶5比例預留。

②超聲波焊接機壓焊

墻部壓焊:一手持超聲波焊接機,一手頂壓防水板,超聲波焊接機與壓過的防水板面保持垂直,再用力壓緊并按下開關,熔化防水板后,在端頭壓入防水板約0.5mm時,即可停止焊接,單點焊接持續時間約3 s。施作時,必須將防水板與墊圈壓密貼,如果防水板與墊圈之間不密貼,將嚴重影響焊接質量。

拱部壓焊:在進行拱部焊接前,先用臨時鋼筋支撐把防水板撐至噴射混凝土面,再按照墻部壓焊的方法進行焊接。

焊點數量:邊墻部位每個墊圈焊3個點;拱部每個墊圈焊4個點,且宜均勻布置于墊圈上,以保證焊接牢固。

③焊接順序控制

在確保和上一幅防水板搭接不小于15 cm前提下,從一側邊墻向拱部、再從拱部向另一側邊墻鋪設、逐排與固定點焊接。單幅超聲波焊點完成后,采用爬焊機連接兩幅防水板。

5 施工作業要點

(1)墊圈固定點需選在基面平整處,以方便焊接操作;

(2)焊接時需壓緊防水板,使焊槍、防水板、墊圈三者緊貼,但不宜用力過大,過大則影響超聲波啟動;

(3)焊槍與墊圈面需垂直;

(4)點焊時間不宜太長,防止損傷焊接設備;

(5)邊墻部位每個墊圈點焊3個點;拱部每個墊圈焊4個點;

(6)每個墊圈焊接完成后,手壓防水板保持3 s,防止過早松開時因焊點處防水板未冷卻而撕裂。

6 安全注意事項

(1)超聲波主機箱放置在臺架上固定位置處,防止墜物砸壞或碰撞損傷;

(2)注意經常檢查電源延長線,發現破損處及時修復或更換;

(3)高空操作人員需系安全繩,防止高空墜落;

(4)連接焊槍的電源線須在距焊槍1.2～1.5m處設置固定點,固定于安全繩上。

7 使用效果分析

7.1 施工效率對比(表1)

通過對比分析可發現,超聲波焊接開機即可焊接,節約了電熱壓力焊的預熱等待時間;每板二襯在完成焊接相近時間前提下,投入設備臺數僅為前者的1/3,且焊點質量大幅提高,大大減少了修補浪費的時間。經現場實踐,采用超聲波焊接每組防水板焊接節約時間7～8 h。施工質量和施工效率都得到質的提高。

7.2 施工成本分析(表2)

表1 電熱壓力焊和超聲波焊接施工效率對比

表2 電熱焊槍和超聲波焊槍成本分析

超聲波焊接一次投入大,因設備使用壽命長(按每月10板二襯計算,槍頭壽命16.3個月,焊槍壽命49個月),分攤成本僅為電熱壓力焊焊槍成本的7.5%,經濟效益明顯。

7.3 現場鋪設效果

超聲波焊接技術的應用,使以往防水板焊焦、焊穿的質量通病得到了根本改善。現場土工布、防水板鋪設美觀、平順,可操作性和觀感質量都得到大幅度提高,防水板和土工布的連接質量達到質的飛躍。見圖1、圖2。

圖1 土工布鋪設效果

圖2 防水板鋪設效果

8 需改進之處

(1)增加功率調節功能,以適用于不同材質的防水板;

(2)增加超聲波發射時間調節功能,實現可調式控時發射,方便操作人員控制操作時間,避免出現焊接不牢、過焊現象;

(3)焊槍頭改進為大截面環狀,實現多點一次焊接;

(4)焊槍上增加指示燈,方便操作人員使用。

9 結語

隧道防水板超聲波焊接技術在石林隧道的應用為提高隧道防水板施工質量開辟了一條新途徑,是一種值得研究、推廣的新技術。

[1] 桂鉻,何英偉,胡偉.高速公路隧道防水板施工的可靠性評價[J].長沙鐵道學院學報,2008,9(1):209 -217.

[2] 鐵建設[2010]241號.高速鐵路隧道工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社,2011:110 -129.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10753—2010 高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社,2010:136 -141.

[4] 中鐵二院工程集團有限公司.新建鐵路云桂線石林隧道施工圖[R].成都:中鐵二院工程集團有限公司,2011.

[5] 張宗波,羅怡,王曉東,王立鼎.塑料超聲波焊接及其用于聚合物MEMS器件鍵合的研究進展[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] 張宗波,王曉東,羅怡,等.超聲波塑料焊接機理[J].焊接學報, 2010,31(11):29 -33.

[8] Tolunary M N,Dawson P B,Wang K K.Heating and bonding mechanisms in ultrasonic welding of thermoplastics[J].Polymer Engineering and Science,1983,23(13):726 -733.

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[10]Franke E J,Wang K K.Energy transfer and bond strength in ultrasonic welding of thermoplastics[J].Polymer Engineering and Science,1989,29(23):1705 -1721.

[11]劉國東.塑料薄膜超聲波焊接熱封工藝試驗研究[J].包裝工程, 2009,30(6):27 -29.

[12]高陽,陳風波,趙云峰.塑料超聲波焊接質量影響因素的研究進展[J].宇航材料工藝,2006,36(6):9 -13.

[13]鐵道部建設管理司.建技[2010]13號 鐵路隧道防水板鋪設工藝技術規定[S].北京:鐵道部建設管理司,2010.

[14]鐵道部經濟規劃研究院.TZ331—2009 鐵路隧道防排水施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社,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,高級工程師,1999年畢業于石家莊鐵道學院交通土建專業,工學學士,E-mail:sbtlyh@163.com。