三焊縫爬焊-電磁焊焊接隧道防水板工藝研究

薛燕飛 馮 愛

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006；2.中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司 山西太原 030032）

1 引言

鐵路、公路隧道及引水隧道開挖中，不可避免地會(huì)遇到隧道圍巖滲水、漏水等工程問題，這不僅影響隧道正常開挖，而且會(huì)損害隧道襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量［1］，如不及時(shí)處理更會(huì)危及后期安全運(yùn)營。為解決隧道圍巖裂隙水對工程施工及工程質(zhì)量的影響，除需要對圍巖裂隙水進(jìn)行排導(dǎo)外，更需要采取合理的封堵措施，防止裂隙水不斷滲出［2］。大量的工程實(shí)踐表明，鋪設(shè)柔性防水板對大面積封堵隧道滲水、漏水最為有效。防水板的施工質(zhì)量對隧道是否滲漏水起到?jīng)Q定性的作用。

對于柔性防水板的焊接傳統(tǒng)工藝主要有自帶綁帶防水板掛接工藝、熱熔熱風(fēng)焊接工藝以及超聲波焊接工藝。對于防水板搭接焊縫焊接工藝主要有單焊縫焊接工藝和雙焊縫焊接工藝。申百囤［3］認(rèn)為綁帶掛設(shè)工藝無法有效保證防水板與圍巖緊貼，很容易造成二襯背后脫空或厚度不足的工程質(zhì)量問題。曹德慶［4］認(rèn)為熱熔熱風(fēng)焊接工藝對作業(yè)人員的技術(shù)要求高，若把握不好焊接的溫度、力度和時(shí)間，很容易會(huì)造成防水板焊穿、焊焦、焊接不牢固的質(zhì)量問題。劉繼鵬［5］認(rèn)為傳統(tǒng)防水板與混凝土面的密貼性較差，在凹凸不平整的初支面上容易形成空鼓，對隧道防水和結(jié)構(gòu)安全有不利的影響，采用反粘式防水板可取得不錯(cuò)的粘接效果。周洋［6］認(rèn)為傳統(tǒng)的自帶綁帶、熱風(fēng)熱熔焊接工藝不僅施工效率低下，而且焊接質(zhì)量和外觀效果均無法滿足工程要求。近年來推廣的超聲波焊接工藝雖在一定程度上改善了防水板焊接質(zhì)量差的弊端，但仍然存在焊穿、焊焦、焊接不牢固及工效低的問題。此外，單焊縫、雙焊縫焊接防水板搭接縫工藝容易出現(xiàn)虛焊、漏焊等質(zhì)量問題。

2 工程概況

中鐵十七局集團(tuán)承建的新建川藏鐵路拉薩至林芝段站前工程LLZQ-11標(biāo)，位于西藏自治區(qū)東南部，地處雅魯藏布江桑加峽谷地貌，兩岸均為極高山。地形起伏較大，隧道進(jìn)出口段均位于冰川溝內(nèi)的緩坡，坡度為5°～10°。線路長38.3 km，其中隧道4.5座，長度34.3 km，占線路長度的89.6%。隧道地處喜馬拉雅山山脈，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，穿越多條活動(dòng)斷裂帶，圍巖節(jié)理發(fā)育，季節(jié)性融雪導(dǎo)致地下圍巖裂隙水資源豐富，多座隧道有突水、涌泥、圍巖滲漏水的危險(xiǎn)，施工風(fēng)險(xiǎn)性高。

3 三焊縫爬焊-電磁焊焊接技術(shù)介紹

三焊縫爬焊機(jī)焊接技術(shù)和電磁焊接技術(shù)結(jié)合使用，充分發(fā)揮兩種新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對提高防水板的焊接質(zhì)量、降低施工成本有重要的意義。

3.1 三焊縫爬焊-電磁焊焊接設(shè)備介紹

防水板搭接焊縫采用三焊縫爬焊機(jī)，整機(jī)質(zhì)量為6.1 kg，見圖1；防水板熱熔墊片焊接采用電磁焊槍焊接，焊槍質(zhì)量為1.1 kg，見圖2。

圖1 三焊縫爬焊機(jī)

圖2 電磁焊槍

3.2 焊接原理

（1）三焊縫爬焊機(jī)焊接原理

三焊縫爬焊焊接技術(shù)采用了先進(jìn)的熱楔式結(jié)構(gòu)，通過對爬焊機(jī)表頭調(diào)節(jié)來控制加熱溫度，由電熱板中的電熱管對加熱板進(jìn)行加熱，確保加熱板均勻受熱，將熱量傳遞給上下防水板，使其表面熔融。然后加熱板迅速退出，上下兩片防水板在硅膠膠輪的擠壓下迅速熔合、固化合為一體，防水板搭接焊接完成。三焊縫爬焊機(jī)焊接原理見圖3。

圖3 三焊縫爬焊機(jī)焊接原理

（2）電磁焊焊接原理

電磁焊焊接利用的是電磁感應(yīng)原理加熱的方法。電磁焊機(jī)主要由機(jī)箱、電磁焊槍以及附屬材料熱熔墊片三部分組成。具體焊接原理為：通過調(diào)節(jié)機(jī)箱電位器檔位來設(shè)定焊接加熱溫度，機(jī)箱將工頻交流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電，再由電磁槍中的電磁加熱線圈將交變的電場轉(zhuǎn)化成交變的磁場，熱熔墊片中的鐵網(wǎng)片在交變的磁場作用下產(chǎn)生渦流發(fā)熱，鐵網(wǎng)片在熱熔墊片和防水板中間均勻發(fā)熱，達(dá)到無損焊接的目的。電磁焊焊接原理見圖4。

圖4 電磁焊焊接原理

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 三焊縫爬焊機(jī)焊接技術(shù)特點(diǎn)

三焊縫爬焊機(jī)焊接技術(shù)焊接面積大，可有效避免虛焊、漏焊現(xiàn)象，大大提高了焊接強(qiáng)度，同時(shí)加寬了焊接膠輪兩側(cè)的距離；三焊縫爬焊設(shè)備在行走時(shí)更加穩(wěn)定，在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)提高了焊接效率。

3.3.2 電磁焊焊接技術(shù)特點(diǎn)

（1）焊接牢靠，無損母材

電磁焊焊接技術(shù)通過電磁感應(yīng)加熱原理，均勻加熱，通過調(diào)節(jié)電位器檔位設(shè)定加熱溫度，大大降低了防水板的破壞程度，很難出現(xiàn)焊穿、焊焦的現(xiàn)象。

（2）突破局限，高效節(jié)能

電磁焊突破了傳統(tǒng)超聲波焊接技術(shù)對焊接材料的局限性，可實(shí)現(xiàn)對 PE、PVC、HDPE、LDPE、EVA以及加VA阻燃防水板等多種可熔性高分子材料的焊接。此外，電磁焊不僅節(jié)約了熱熔焊所需的預(yù)熱等待時(shí)間，同時(shí)，設(shè)備能量轉(zhuǎn)換率高，降低施工電耗，高效節(jié)能。

（3）提高工效，降低成本

電磁焊采用面焊的方式一次性焊接，大大提高了焊接速度。此外，由于電磁焊能保證一次焊接質(zhì)量，也大大提高了施工工效，降低了施工成本。

（4）工藝簡單，易于推廣

傳統(tǒng)焊接工藝對施工人員的技能要求高，而電磁焊采用電磁感應(yīng)加熱原理，均勻加熱面焊，可實(shí)現(xiàn)智能控制焊接，大大降低對施工人員的技能要求，十分有利于普及推廣。

4 工藝流程及施工要點(diǎn)

4.1 工藝流程

三焊縫爬焊-電磁焊焊接隧道防水板施工工藝流程見圖5。

4.2 施工工藝及要點(diǎn)

4.2.1 施工準(zhǔn)備

做好對作業(yè)人員的培訓(xùn)及技術(shù)交底；進(jìn)行精確測量放樣；在洞外開闊場地檢查防水板質(zhì)量，并依據(jù)測量數(shù)據(jù)完成所需防水板的截取和拼接工作后卷起備用；準(zhǔn)備電磁焊所需的專用紅色墊片；防水板臺(tái)架就位［7］。

4.2.2 隧道輪廓檢查與初支基面處理

防水板鋪設(shè)前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求檢查隧道凈空輪廓是否符合要求，鑿除或填補(bǔ)不平整初支面直至滿足鋪設(shè)要求，切除并封堵好初支面錨桿和鋼筋網(wǎng)露頭［8］。

4.2.3 土工布鋪設(shè)

初支面經(jīng)檢測合格后，開始安設(shè)縱環(huán)向盲管，并按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)土工布，相鄰?fù)凉げ即罱訉挾炔恍∮? cm，并保證專用熱熔墊片的間距為拱部0.5～0.8 m、邊墻0.8～1.0 m，用射釘將其和土工布平順地固定在初支面上［9］。鋪設(shè)效果見圖6。

圖6 土工布鋪設(shè)效果

4.2.4 三焊縫爬焊機(jī)/電磁焊機(jī)開機(jī)試焊

（1）三焊縫爬焊機(jī)開機(jī)試焊。打開電源開關(guān)，輸入220 V/50 Hz交流電，調(diào)節(jié)控制旋轉(zhuǎn)按鈕，依據(jù)防水板材料進(jìn)行試焊以選擇合理的焊接溫度。

（2）電磁焊機(jī)開機(jī)試焊。接通電源，輸入220 V/50 Hz交流電，調(diào)節(jié)電位器檔位，依據(jù)防水板材料試焊選擇合理檔位。一般設(shè)置為第8檔，焊接時(shí)間約為2 s。

4.2.5 防水板鋪設(shè)

防水板鋪設(shè)應(yīng)從拱頂隧道中線分別向兩側(cè)拱腳鋪設(shè)，相鄰防水板之間要確保搭接寬度為150 mm；鋪設(shè)應(yīng)平順，松緊應(yīng)適度并留有余量［10］。鋪設(shè)效果見圖7。

圖7 防水板鋪設(shè)效果

4.2.6 三焊縫爬焊機(jī)和電磁焊施工要點(diǎn)

（1）三焊縫爬焊機(jī)焊接施工要點(diǎn)

正式施焊前必須進(jìn)行試焊，防水板搭接縫焊接完成后應(yīng)進(jìn)行焊縫充氣檢查。焊接不合格或強(qiáng)度不足，要進(jìn)行焊接加強(qiáng)。

（2）電磁焊焊接施工要點(diǎn)

正式施焊前必須進(jìn)行試焊，電磁壓焊從拱部向邊墻逐排、逐點(diǎn)焊接，焊接完成后用濕毛巾快速冷卻焊縫。

5 與傳統(tǒng)焊接技術(shù)的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

5.1 防水板焊接施工效率對比

（1）防水板搭接焊縫焊接施工效率對比

三焊縫爬焊機(jī)原理上與以往施工采用的雙焊縫爬焊機(jī)加熱原理相同，雖在膠輪設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，一定程度上提高了焊接速度，但是，二者效率相比差異依舊很小可忽略不計(jì)。但是三焊縫的設(shè)計(jì)大大增加了焊接面積，解決了以往爬焊機(jī)容易出現(xiàn)的虛焊、漏焊問題，極大降低了返焊率，提高了焊接施工效率。

（2）防水板熱熔墊片焊接施工效率對比

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際操作及以往工程經(jīng)驗(yàn)，電磁焊不僅節(jié)省了熱風(fēng)熱熔焊預(yù)熱時(shí)間［12］，而且，電磁焊采用面接觸焊接，節(jié)省了熱風(fēng)熱熔焊、超聲波焊焊點(diǎn)多次融合和保壓時(shí)間，且反焊率也大幅降低，整體工效是熱風(fēng)熱熔焊的6倍，是超聲波焊的2倍。具體工效對比如表1所示。

表1 熱熔墊片不同焊接工藝施工效率對比

5.2 防水板施工成本對比

（1）防水板搭接焊縫焊接施工成本對比

三焊縫爬焊機(jī)焊接工藝較以往單焊縫、雙焊縫爬焊機(jī)焊接工藝在焊接質(zhì)量上得到充分保證，但成本降低效果不明顯，可忽略不計(jì)。

（2）防水板熱熔墊片焊接施工成本對比

傳統(tǒng)的熱風(fēng)熱熔焊和超聲波焊均采用點(diǎn)接觸焊接工藝，焊接面積小［11］。為保證焊接強(qiáng)度不得不減小熱熔墊片的間距，這不僅會(huì)使熱熔墊片材料消耗成本增加，同時(shí)由于熱熔墊片增密，又會(huì)導(dǎo)致熱熔墊片的固定、焊接等后續(xù)工作量的增加，且焊接工效低，一次焊接質(zhì)量無法保證，返焊率高，造成后續(xù)勞動(dòng)成本和電耗的增加，經(jīng)濟(jì)效益低。而電磁焊采用面接觸型焊接，雖然使用專用的熱熔墊片，單價(jià)較普通熱熔墊片高，但是由于單片專用熱熔墊片的焊接面積大，能保證焊接強(qiáng)度，可適當(dāng)加寬熱熔墊片的間距，減少熱熔墊片的消耗，且焊接工效高，一次焊接質(zhì)量保證率高，幾乎不用返焊，減少了后續(xù)勞動(dòng)成本消耗和電耗，進(jìn)而降低整體施工成本。

通過實(shí)際工程對比，電磁焊每板二襯較熱風(fēng)熱熔焊經(jīng)濟(jì)效益提高31.9%，較超聲波焊經(jīng)濟(jì)效益提高15.3%，效益提高十分明顯，值得推廣應(yīng)用。

5.3 防水板施工質(zhì)量對比

（1）防水板搭接焊縫焊接施工質(zhì)量對比

三焊縫爬焊由原來雙焊縫變?yōu)槿缚p，焊縫由原來16mm增加到20mm，中間檢測縫由原來的11mm增加到22.5 mm，焊接面積增大，有效避免了虛焊、漏焊現(xiàn)象，大大提高了焊接強(qiáng)度。防水板搭接焊縫不同焊接工藝效果對比見圖8～圖9。

圖8 三焊縫爬焊機(jī)焊接效果

圖9 雙焊縫爬焊機(jī)焊接效果

（2）防水板熱熔墊片焊接施工質(zhì)量對比

電磁焊采用面接觸型焊接，而傳統(tǒng)的熱風(fēng)熱熔焊接和超聲波焊是點(diǎn)接觸型［12］。單片熱熔墊片電磁微波焊的焊接面積是傳統(tǒng)的熱風(fēng)熱熔焊接和超聲波焊接的15倍，大大提高了防水板的焊接強(qiáng)度，同時(shí)又由于受熱均勻，對防水板損傷極小，有效解決了以往焊接技術(shù)容易焊焦、焊穿、焊接強(qiáng)度不足導(dǎo)致返焊率高的問題。

5.4 防水板可焊性對比

三焊縫爬焊機(jī)、磁焊槍對一切可熔塑料防水板都可以焊接，包括PVC與加Va的一切塑料，因而受材料類型的約束小，使用范圍廣；而超聲波焊機(jī)要求塑料具備一定的共振特性才能焊接，對材料類型要求較高，存在一定的局限性。

6 結(jié)束語

三焊縫爬焊機(jī)采用先進(jìn)的熱楔式加熱模式且三焊縫的設(shè)計(jì)大大增加了焊接面積，避免了以往爬焊機(jī)容易出現(xiàn)虛焊、漏焊的現(xiàn)象，保證了防水板搭接縫的施工質(zhì)量，極大降低了返焊率，提高了施工效率；電磁焊采用電磁感應(yīng)加熱原理焊接防水板，通過設(shè)置合理的焊接參數(shù)，可達(dá)到無損焊接的目的，從根本上解決了傳統(tǒng)焊接技術(shù)易焊穿、焊焦、焊接不牢固的質(zhì)量通病，保證了防水板熱熔墊片的焊接質(zhì)量，具備一次焊接質(zhì)量保證率高、焊接面積大、返焊率低、施工效率高、成本低且對作業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平要求低等顯著優(yōu)點(diǎn)。此外，三焊縫爬焊、電磁焊兼具突破防水板材料的限制，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。因此，三焊縫爬焊-電磁焊焊接施工工藝是一項(xiàng)十分值得大力推廣應(yīng)用的防水板焊接新技術(shù)。