CN106761796B - 一种用于岩爆防治的tbm上微波应力释放装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置及应用，其结构为：在TBM机架内设有轴向的传动丝杠，在传动丝杠上滑动连接微波致裂系统，微波致裂系统末端设置微波发射棒；在TBM机架端部设有TBM刀盘，在TBM刀盘上设有通孔，微波致裂系统沿传动丝杠滑动，微波发射棒从通孔中伸出，向钻孔的岩石内发送微波。该装置及应用旨在克服TBM掘进深埋隧道时无法应对极强或强岩爆的局限性，在TBM滚刀工作前，利用微波能对超前钻孔进行微波辐射，使钻孔围岩预裂达到应力释放的效果，从而实现TBM掘进深埋隧道时预防岩爆的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置及应用，主要适用于TBM开挖的存在强岩爆、极强岩爆风险的水利水电、交通和矿山等深埋高应力隧道中。
背景技术
水利水电、交通和矿山等深埋硬岩或高应力隧道开挖过程中经常会遇到极强或强岩爆风险。当岩体内积聚的高应变能突然释放时，导致强烈的围岩破坏将对现场施工人员和设备造成极大的危害。目前国内外对岩爆的控制方式主要有两种：第一种是降低岩体中积聚的能量，例如应力解除爆破、高压注水、钻应力释放孔、洞壁切槽开挖中导洞等；第二种是提高岩体的储能能力或吸收围岩释放的能量，通过对围岩进行支护来达到预防岩爆的目的，主要以吸能支护、柔性支护、刚性支护或二者结合的方式。但根据国内外的研究成果和工程应用效果可知，除了应力解除爆破法以外，其它施工措施都不能达到理想效果。
全断面隧道掘进机TBM（Tunnel Boring Machine）作为当前最先进的隧道施工机械，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧道的施工。TBM掘进过程中实施应力释放孔可以一定程度上降低岩爆风险。但是要防治极强岩爆或强烈岩爆，需要打很多应力释放孔。这不仅速度慢，而且有时因应力释放不足而不足以防治岩爆，这就需要在应力释放孔的基础上增加预裂岩体的功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置及应用，旨在克服TBM掘进深埋隧道时无法应对极强或强岩爆的局限性，在TBM滚刀工作前，利用微波能对超前钻孔进行微波辐射，使钻孔围岩预裂达到应力释放的效果，从而实现TBM掘进深埋隧道时预防岩爆的目的。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，在TBM机架内设有轴向的传动丝杠，在传动丝杠上滑动连接微波致裂系统，微波致裂系统末端设置微波发射棒；在TBM机架端部设有TBM刀盘，在TBM刀盘上设有通孔，微波致裂系统沿传动丝杠滑动，微波发射棒从通孔中伸出，向钻孔的岩石内发送微波。
所述的微波致裂系统的结构为，微波源的输出口通过矩形波导依次连接环形器水负载、耦合器及检波器、调配器和同轴转换器，同轴转换器末端连接同轴传输电缆，同轴传输电缆的末端连接微波发射棒。
所述的微波发射棒为均匀辐射型微波发射棒，结构为由内导体、外导体和介质护套组成，内导体和外导体为同轴设置的金属管体，在内导体和外导体的端部共同连接介质护套，从内导体导出的微波从介质护套发出。
所述的微波发射棒为裂缝式微波发射棒，结构为由外导管和内导管同轴设置，在外导管和内导管之间设置介质材料，在外导管上设有轴向的细长裂缝，微波从细长裂缝中发出。
采用所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置用于岩石预裂的方法，包括以下步骤：
1）在TBM进入具有潜在岩爆风险洞段前，采用超前钻机在施工前方掌子面打地质钻孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔，根据岩爆风险等级确定钻孔的数量和钻孔布局，孔径大小使同轴传输电缆和微波发射棒能够顺利进入钻孔内；
2）启动传动丝杠，带动微波致裂系统向掌子面方向移动，使同轴传输电缆和微波发射棒从TBM刀盘上的圆孔中伸出，进入到其中的一个钻孔中；
3） 启动微波源，根据岩体岩石材料、含水率等特性选择合适的微波功率，对钻孔的围岩进行微波辐射处理，并调节传动丝杠，使得微波发射棒在钻孔中前后移动，对整个钻孔范围进行微波辐射，使钻孔的围岩产生裂纹；
4） 将微波发射棒收回后重新插入到另一个钻孔中，重复步骤3），最终对所有钻孔进行微波辐射处理，从而达到应力释放的目的；
5）关闭微波电源，收回微波致裂系统，TBM刀盘上的刀具开始切割岩石，进行应力释放区施工洞段开挖。
该用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置采用传动丝杠带动微波致裂系统，从而实现对岩石钻孔进行预裂的工作。
所述磁控管是一种单一大功率微波源，由磁控管发出微波，频率为915 MHz或2.45GHz,这两种微波频率的区别在于穿透深度的不同。所述矩形波导与磁控管相连，用来传输磁控管发出的微波。所述波导转换器分别与矩形波导和同轴波导相连，所述同轴波导为圆柱形，实现波导管的转换，以使微波从矩形波导传输到同轴波导中，这一点尤为重要，实现微波的长距离输送，并且只有极少的能量耗散。所述微波探头和同轴波导相连，所述微波探头亦为圆柱形，用来发射由同轴波导传输的微波。所述的微波探头可伸入到岩体的钻孔中，也可对岩体表面进行面辐射。所述波导保护管是由一种透射微波的高强度材料构成，起到透射微波和保护同轴导管和微波探头的作用，避免钻孔内塌落的岩石损坏同轴波导管和微波探头。
微波致裂系统包括矩形波导、环形器及水负载、耦合器和检波器、调配器、同轴转换器和同轴波导，这些装置依次相互连接，用于将微波源发出的微波能量低损耗地传输到微波发射装置。
微波发射棒为均匀辐射型微波发射棒或裂缝式微波发射棒，使微波在端部或侧表面裂缝中发出，实现岩石的预裂。
采用微波应力释放装置用于岩石预裂的方法，根据微波致裂岩石原理，采用高功率微波辐射岩石，岩石内各矿物成分不均匀的热膨胀在极短时间内产生的热应力就可将岩石破碎，采用本装置进行深埋隧道钻孔应力释放具有能量消耗少、环境污染小等特点。
附图说明
图1为本申请的结构示意图。
图2为本申请的工作状态图。
图3为均匀辐射型微波发射棒的结构示意图。
图4为裂缝式微波发射棒的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，所述TBM可以是敞开式或护盾式全断面岩石掘进机，是一种由破岩、出渣和支护连续作业的综合机械设备；在TBM机架9内设有轴向的传动丝杠10，在传动丝杠10上滑动连接微波致裂系统，微波致裂系统末端设置微波发射棒2；在TBM机架9端部设有TBM刀盘1，在TBM刀盘1上设有通孔，微波致裂系统沿传动丝杠10滑动，微波发射棒2从通孔中伸出，向钻孔的岩石内发送微波。
所述的微波致裂系统的结构为，微波源8的输出口通过矩形波导依次连接环形器水负载7、耦合器及检波器6、调配器5和同轴转换器4，同轴转换器4末端连接同轴传输电缆3，同轴传输电缆3的末端连接微波发射棒2。所述微波源8为微波发生器在高压电源的作用下发出高频电磁波，微波发生器功率为30 kW及以上，频率采用915 MHz，与频率2450 MHz电磁波相比具有更大的穿透深度，该频段电磁波更适用于现场破岩设备；微波致裂系统包括矩形波导、环形器和水负载7、耦合器及检波器6、调配器5、同轴转换器4和同轴传输电缆3，这些装置依次相互连接，用于将微波源发出的微波能量低损耗地传输到微波发射装置。所述环形器用于对传输的微波能量进行单向隔离，当没有被岩石吸收的微波能量反射回环形器时，被传输到所述的水负载装置，将该部分微波能用冷却水吸收，避免反射回的微波能损害微波发生器；所述耦合器和检波器对微波入射和反射电流进行检测；所述调配器对微波传输系统进行匹配调节；所述同轴转换器用于将微波能量转换为圆形同轴波导形式输出；所述同轴波导为一种分米波同轴电缆，是一种用于雷达系统传输电磁波的电缆，主要由内导体和外导体组成，在本发明中用于将微波能量传输到微波发射装置；
所述的微波发射棒2为均匀辐射型微波发射棒，结构为由内导体13、外导体14和介质护套15组成，内导体13和外导体14为同轴设置的金属管体，在内导体13和外导体14的端部共同连接介质护套15，从内导体13导出的微波从介质护套15发出。其中介质护套15材料为陶瓷、石英、有机玻璃等微波透射性材料。
所述的微波发射棒2为裂缝式微波发射棒，结构为由外导管16和内导管17同轴设置，在外导管16和内导管17之间设置介质材料，在外导管16上设有轴向的细长裂缝18，微波从细长裂缝18中发出。其中介质材料为陶瓷、石英、有机玻璃等微波透射性材料。
采用所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置用于岩石预裂的方法，包括以下步骤：
1）在TBM进入具有潜在岩爆风险洞段前，采用超前钻机在施工前方掌子面打地质钻孔12，钻孔12为水平孔或具有倾角的斜孔，根据岩爆风险等级确定钻孔的数量和钻孔布局，孔径大小使同轴传输电缆3和微波发射棒2能够顺利进入钻孔12内；
2）启动传动丝杠10，带动微波致裂系统向掌子面方向移动，使同轴传输电缆3和微波发射棒2从TBM刀盘1上的圆孔中伸出，进入到其中的一个钻孔12中；
3） 启动微波源8，根据岩体岩石材料、含水率等特性选择合适的微波功率，对钻孔12的围岩进行微波辐射处理，并调节传动丝杠10，使得微波发射棒2在钻孔12中前后移动，对整个钻孔范围进行微波辐射，使钻孔12的围岩产生裂纹；
4）将微波发射棒2收回后重新插入到另一个钻孔12中，重复步骤3），最终对所有钻孔进行微波辐射处理，从而达到应力释放的目的；
5）关闭微波电源，收回微波致裂系统，TBM刀盘1上的刀具开始切割岩石，进行应力释放区施工洞段开挖。
本发明的有益效果是：
（1）本装置应用于强岩爆或极强岩爆TBM施工深埋隧道，采用TBM超前钻机在施工前方掌子面预先打地质钻孔，然后将微波岩石致裂装置的同轴电缆和微波发射棒伸入到钻孔中，对钻孔周围围岩进行应力释放，从而达到TBM施工深埋隧道预防岩爆的目的；
（2）本装置将TBM和微波岩石致裂系统进行一体化结合，在超前钻机打完钻孔后直接伸入微波棒进行岩石预裂，操作简单，耗时少，效率高，有助于缩短工期；
（3）根据微波致裂岩石原理，采用高功率微波辐射岩石，岩石内各矿物成分不均匀的热膨胀在极短时间内产生的热应力就可将岩石破碎，采用本装置进行深埋隧道钻孔应力释放具有能量消耗少、环境污染小等特点。
Claims (5)
1.一种用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，其特征在于：在TBM机架（9）内设有轴向的传动丝杠（10），在传动丝杠（10）上滑动连接微波致裂系统，微波致裂系统末端设置微波发射棒（2）；在TBM机架（9）端部设有TBM刀盘（1），在TBM刀盘（1）上设有通孔，微波致裂系统沿传动丝杠（10）滑动，微波发射棒（2）从通孔中伸出，向钻孔的岩石内发送微波。
2.如权利要求1所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，其特征在于：所述的微波致裂系统的结构为，微波源（8）的输出口通过矩形波导依次连接环形器、水负载（7）、耦合器及检波器（6）、调配器（5）和同轴转换器（4），同轴转换器（4）末端连接同轴传输电缆（3），同轴传输电缆（3）的末端连接微波发射棒（2）。
3.如权利要求2所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，其特征在于：所述的微波发射棒（2）为均匀辐射型微波发射棒，结构为由内导体（13）、外导体（14）和介质护套（15）组成，内导体（13）和外导体（14）为同轴设置的金属管体，在内导体（13）和外导体（14）的端部共同连接介质护套（15），从内导体（13）导出的微波从介质护套（15）发出。
4.如权利要求2所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置，其特征在于：所述的微波发射棒（2）为裂缝式微波发射棒，结构为由外导管（16）和内导管（17）同轴设置，在外导管（16）和内导管（17）之间设置介质材料，在外导管（16）上设有轴向的细长裂缝（18），微波从细长裂缝（18）中发出。
5.采用权利要求1所述的用于岩爆防治的TBM上微波应力释放装置用于岩石预裂的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在TBM进入具有潜在岩爆风险洞段前，采用超前钻机在施工前方掌子面打地质钻孔（12），钻孔（12）为水平孔或具有倾角的斜孔，根据岩爆风险等级确定钻孔的数量和钻孔布局，孔径大小使同轴传输电缆（3）和微波发射棒（2）能够顺利进入钻孔（12）内；
2)启动传动丝杠（10），带动微波致裂系统向掌子面方向移动，使同轴传输电缆（3）和微波发射棒（2）从TBM刀盘（1）上的圆孔中伸出，进入到其中的一个钻孔（12）中；
3)启动微波源（8），根据岩体岩石材料和含水率选择合适的微波功率，对钻孔（12）的围岩进行微波辐射处理，并调节传动丝杠（10），使得微波发射棒（2）在钻孔（12）中前后移动，对整个钻孔范围进行微波辐射，使钻孔（12）的围岩产生裂纹；
4)将微波发射棒（2）收回后重新插入到另一个钻孔（12）中，重复步骤3），最终对所有钻孔进行微波辐射处理，从而达到应力释放的目的；
5)关闭微波电源，收回微波致裂系统，TBM刀盘（1）上的刀具开始切割岩石，进行应力释放区施工洞段开挖。
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