CN112793016B - 一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备及方法，包括卡车车厢、驾驶室，以及设于卡车车厢上的切割系统、微波照射系统、喷淋及凿除系统、动力系统和中央控制系统；切割系统通过激光位置感应器、链锯刀盘和锯条对待拆除的隧道切割成衬砌小块体；微波照射系统通过框型微波发生器和波导管对衬砌小块体照射，使得被照射块体产生裂纹，强度弱化；再利用喷淋及凿除系统对微波照射后的块体喷淋和锤镐，使得块体掉落。微波照射系统，与切割系统，喷淋及凿除系统一体化，为一种绿色、安全、高效破碎的新型隧道二次衬砌破碎拆除技术。

Description

一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备及方法

技术领域

本发明涉及隧道建筑技术及领域，尤其涉及一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备及方法。

背景技术

随着我国公路、铁路等各种交通设施的不断发展，隧道建设的数量日益增加，我国已经成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的大国。但随着越来越多的隧道进入运营维护期，渗水，地震，低温，化学腐蚀等各种外界因素使隧道设施形成了不同程度上的裂损，。成为威胁隧道设施耐久性的重要原因。

因此，对现有隧道进行衬砌的破碎拆除，并再次施作衬砌，是提高隧道使用寿命的有效措施。目前，隧道衬砌的拆除缺乏成熟的理论体系，完善的技术方案和实用的专业设备。容易对隧道的初期支护造成影响，进而可能会造成隧道坍塌和结构失稳等各种后果。

现如今，应用于隧道二次衬砌的拆除方法主要有爆破法，机械破除，人工配合机械风镐破除等方法。爆破法拆除技术含量高，易引起围岩和初支松动或变形。装药量过大时，爆破应力波将会对原有初期支护及围岩等产生较大影响，甚至将围岩也爆除；当装药量过小时，二次衬砌难以爆破塌落，增加了拆除工作量，延误了施工工期；机械破除法施工速度缓慢，工期较长，费用高，破除效率较低。破除效果一般，机械刀盘，刀具损耗大，需经常更换刀具，成本较高；人工凿除法是二次衬砌拆除中最原始也最危险的方法，这种方法施工工期长，施工强度大，工人的劳动强度和危险系数均较大。施工速度非常缓慢，会造成工期延误，费用很高，破除效率较低。

因此，制造一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，能够很好的改善现有技术方案和设备所造成的不足之处，对于隧道拆除二次衬砌具有很强的进步意义，也具有良好的研究价值和工业应用潜力。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备及方法。通过微波技术的辅助拆除，可同时实现隧道二次衬砌拆除工作中的切割、强度弱化、凿除等动作，不仅既能减少对周围围岩及初期支护的损害，又能提高隧道二衬拆除工作的效率，具有有作业效率高、拆除效果好等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，包括卡车车厢、驾驶室，以及设于卡车车厢上的切割系统、微波照射系统、喷淋及凿除系统、动力系统和中央控制系统；所述切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统沿卡车车厢上从前至后依次排布，并连接动力系统和中央控制系统；

所述切割系统，包括激光位置感应器、链锯刀盘和锯条，用于将待拆除的隧道切割成衬砌小块体；

所述微波照射系统，包括框型微波发生器和波导管，用于对衬砌小块体照射，使得被照射块体产生裂纹；

所述喷淋及凿除系统，包括喷淋系统和锤镐系统，用于将微波照射后的块体喷淋和锤镐，使得块体掉落；

切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统通过中央控制系统控制，实现隧道二次衬砌的微波照射、喷淋和破碎拆除。

作为优选，所述切割系统通过铰接于卡车车厢上第一机械臂连接的激光位置感应器、切割头和刀具，第一机械臂前端部连接切割头，刀具安装在切割头上，激光位置感应器安装在切割头中间。所述切割引擎和第一机械臂与动力系统连接。

作为优选，所述切割头为通过切割引擎连接的链锯刀盘或水泥切割机，切割头或为氧气焊；所述刀具为锯条或水刀。

作为优选，所述微波照射系统包括安装在第二机械臂上的框型微波发生器，框型微波发生器围框内形成微波照射腔体，微波发生器上设有腔体防护装置和波导管；腔体防护装置上开有微波馈入口。所述微波发生器与中央控制系统和动力系统连接。

作为优选，所述喷淋系统铰接在卡车车厢上的第三机械臂上，包括安装有加压装置的喷头，加压装置与设于卡车车厢上的水箱连通，通过水泵和输水管连通加压装置和喷头。

作为优选，所述锤镐系统包括固定在卡车车厢上的第三机械臂上的锤镐机引擎和锤镐机钻头、液压式破碎锤或液压钳，锤镐机引擎与动力系统连接，液压式破碎锤或液压钳与液压系统连接。

作为优选，所述卡车车厢采用履带式台车替代。

作为优选，所述动力系统采用汽油发电机、柴油发电机或电瓶。

作为优选，所述中央控制系统添加PLC微电脑系统，外设蓝牙或红外传输的移动式遥控器，或在驾驶室设置操控面板。

本发明进而提供了一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除方法，包括：

S01，设定切割隧道二次衬砌厚度，控制切割系统的切割头将隧道二次衬砌切割为“井”字型的小块体，块体的截面大小略小于微波照射腔体的大小；

S02，根据隧道二次衬砌的混凝土强度等级和级配，设定微波照射系统相应照射时间和照射功率，对切割后的“井”字型小块体进行微波照射；

S03，喷淋系统对经微波照射后的“井”字型的小块体高压水喷射；

S04，待经喷射后的隧道二次衬砌混凝土破碎，采用锤镐系统对喷射后的“井”字型的小块体冲击凿碎，使得二次衬砌掉落；

S05，重复步骤S01～S05，对待切割隧道的二次衬砌进行破除；

S06：将切割后的二次衬砌砌体运离隧道。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，通过设备的切割系统先将二衬结构切割成小块体后，利用微波对小衬砌块体进行照射产生的能量，使得块体的温度升高，强度劣化并产生裂纹，再辅助以锤镐机的作用，使得块体进一步劣化，达到拆除二次衬砌的目的。整个操作过程节省能源，简便高效，易于操作，对现有二次衬砌的拆除工艺作出了极大的改善，提高了拆除效率和拆除质量。通过切割后，对隧道二次衬砌体进行相对封闭地照射，既提高了照射的质量，也最大程度上减小了微波的泄露，减小了对人体损害和其他机械部件的损坏。

优选地，本发明中将微波破碎装置、腔体防护装置、与载体车辆一体化，减少了劳动力与工作时间，提高了工作效率，实现了对微波破除隧道二次衬砌的自动化、智能化。

优选地，本发明可以根据隧道二次衬砌的实际配合比，经过中央控制系统15的计算及处理，可设置最佳的照射时间与照射功率，实现二次衬砌破碎的最优化。

进一步地，本发明可以根据隧道二次衬砌拆除工作的工期或现场工程实际需要的情况，确定出切割成“井”字形块体的大小和整个工作工作循环的时间长短，以此提高隧道二次衬砌拆除工作的工作效率。

进一步地，本发明提供的环形喷水头设备，有效的减少了施工中的噪音、粉尘等二次污染。

本发明微波照射系统、切割系统和喷淋及凿除系统一体化，为一种绿色、安全、高效破碎的新型隧道二次衬砌破碎拆除技术，具有很大的经济效益和实用价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明中的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备的整体结构示意图；

图2为本发明中切割系统的结构示意图；

图3为本发明中微波照射系统的结构示意图；

图4为本发明中喷淋及凿除系统的结构示意图；

图5为本发明的工艺流程图；

图中标号：1-激光位置感应器，2-链锯刀盘，3-锯条，4-链锯引擎，5-第一机械臂，6-第一轴承，7-腔体防护装置，8-波导管，9-微波馈入口，10-微波照射腔体，11-微波发生器，12-第二轴承，13-第二机械臂，14-微波防泄漏装置，15-中央控制系统，16-动力系统，17-输水管，18-喷头，19-加压装置，20-锤镐机钻头，21-锤镐机引擎，22-第三轴承，23-第三机械臂，24-水箱，25-水泵，26-油压千斤顶，27-车轮，28-卡车车厢，29-驾驶室。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，包括卡车车厢28、驾驶室29和车轮27，卡车车厢28上从前至后依次设有切割系统、微波照射系统、喷淋及凿除系统、动力系统16和中央控制系统15，且该设备上设置有水箱24、动力系统16和中央控制系统15等。切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统等均安装在卡车车厢表面，水箱24、动力系统16和中央控制系统15等安装在卡车内部。

图1结合图2所示，切割系统包括激光位置感应器1、链锯刀盘2、锯条3、链锯引擎4和第一机械臂5，多节第一机械臂5通过第一轴承6连接，第一机械臂5前端部通过链锯引擎4连接链锯刀盘2，锯条3安装在链锯刀盘2上，激光位置感应器1安装在链锯刀盘2的中间。

整个链锯安装在第一机械臂5上，第一机械臂5可通过第一轴承6部位的旋转完成伸缩等位置移动工作，将链锯移动至隧道二衬位置处，对隧道二衬进行切割工作。机械臂安装在卡车车厢28上，链锯和第一机械臂5的动力通过动力系统16供应，带动链条2的高速运转，进而对隧道二衬进行切割；可预先根据隧道实际二次衬砌的厚度数据对进行激光位置感应器进行设置，使链锯刀盘在切割过程中对切割深度进行实时量测，并反馈给数据处理系统，由此控制链锯的切割深度，防止由于切割过深造成初期支护的损坏。

微波照射系统包括安装在第二机械臂13上的框型微波发生器11，微波发生器11围框内形成微波照射腔体10，微波发生器11围框的端部铰接有微波防泄漏装置14；微波发生器11上设有腔体防护装置7和波导管8；微波能通过在微波发生器11中产生，经由波导管8的传输，从微波馈入口9处进入微波照射腔体10，对“井”字形二次衬砌小块体进行微波照射工作，使二次衬砌体的强度弱化，并使裂纹萌生，扩展，贯通，达到易于拆除的目的。

如图3所示，腔体防护装置7安装在微波照射腔体10的侧壁，用以防止微波的泄露。微波防护装置可以根据现场实际情况，通过旋转，调整到最佳防护状态。第二机械臂13可通过第二轴承12部位的旋转完成伸缩等位置移动工作，将微波照射腔体10移动至经切割系统切割过的隧道二衬位置处，对已经被切割系统切割过的二次衬砌体进行微波照射工作。微波照射系统的工作和停止由中央控制系统15控制，由动力系统16提供电能。

如图4所示，喷淋及凿除系统包括喷淋系统和锤镐系统，其中，喷淋系统铰接在第三机械臂23上，包括安装有加压装置19的喷头18，水箱24里的水通过水泵25的作用将水泵入输水管17，再经过加压装置19的加压使水从喷头18喷出。

锤镐系统固定在第三机械臂23上，包括上安装在锤镐机引擎21上的锤镐机钻头20，锤镐机引擎21通过动力系统16的动力供应，使得锤镐机工作，进而使得锤镐机能够有效破碎经微波照射系统照射过后的二次衬砌体。第三机械臂23可通过第三轴承22部位的旋转完成伸缩、移动功能，将喷淋及凿除系统移动至经微波照射系统照射的隧道二衬位置处，对二次衬砌体进行喷水，使其降温和破碎，同时再利用锤镐机对其进行破碎，是衬砌体掉落，进而实现回收工作。锤镐机和喷淋系统的动力由动力系统16供应，电源的开合由中央控制系统15控制。

卡车车厢上安装有水箱24、动力系统16和中央控制系统15等部件。水箱24设置在卡车内部，用于水的储存，水箱24内部安装有水泵25，用于把水箱24中的水泵入输水管17。卡车车厢的前后侧下部、车轮27两侧还安装有油压千斤顶26，用以增强本设备在实际工作时的稳定性。动力系统16用于整个装备的动力供应，安装在卡车内部，动力系统16由汽油发电器产生电能后，经由线缆将电力传输给机械臂，微波发生器和锤镐机等用电设备。中央控制系统15为整个设备的综合智能控制设备，可控制机械臂13的升降，喷淋系统的开关，微波照射系统的照射时间，照射功率锤镐机的工作，液压千斤顶的伸缩等各种操作。

作为优选地实施例，作为移动系统的卡车车厢28可根据现场实际工况替换为履带式台车。作为动力供应系统16的汽油发电机，可以替换为柴油发电机或电瓶。中央控制系统15可添加PLC微电脑系统，对整个系统进行智能化控制，可外设蓝牙或红外传输的移动式遥控器，或在驾驶室设置操控面板，以对整个设备进行更方便的控制。中央控制系统15上设置电子显示屏，可实时显示整个设备的各项参数信息。

作为优选地实施例，作为切割系统的链锯刀盘上的刀具可以根据工程实际调整为水刀，旋转刀盘式水泥切割机或氧气焊。该切割系统的作用是切割隧道二次衬砌，不局限于某一种切割方式。凿除系统的锤镐机可替换为液压式破碎锤或液压钳。

作为优选地实施例，微波发生器采用2.45GHz工业微波频率；针对不同的隧道二次衬砌体的混凝土型号、级配等材料参数，可以通过中央控制系统调整微波发生装置的微波功率源来切换微波功率，实现在低能耗下的快速高效破碎，提高经济和环保效益。

作为优选地实施例，微波照射系统的微波照射腔体10可根据实际工程需要对腔体尺寸进行变换，且切割系统，微波照射系统，喷淋及凿除系统的各个部件均可拆卸，方便于维修工作。

作为优选实施例，本发明可以根据隧道二次衬砌拆除工作的工期或现场工程实际需要的情况，确定出切割成“井”字形块体的大小和整个工作工作循环的时间长短，以此提高隧道二次衬砌拆除工作的工作效率。

本发明基本原理为：切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统通过动力系统16和中央控制系统15的供电和控制，先对待拆除的隧道进行切割作业，切割成“井”字形的小块体后，利用微波照射系统进行照射，使得被照射衬砌块体产生裂纹，且裂纹逐渐扩展、贯通，使得块体的强度逐步弱化；随后用喷淋及凿除系统再对其锤镐，使得块体掉落，对待拆除二衬进行回收。对整个拆除过程进行循环，使得切割，照射，破碎这几个过程实现一体化，是一种安全可控、绿色、高效的新型桩头破碎技术。

如图5所示，本发明方法具体包括如下步骤：

S101，将切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统及相应附属系统与卡车车厢进行装配。

S102，设置将要切割的二次衬砌厚度，控制切割系统的链锯对将要拆除的二次衬砌切割为“井”字型的小块体。块体的截面大小为略小于微波照射腔体的大小。

S103，根据二次衬砌的混凝土强度等级和级配设置相应照射时间和照射功率，对切割后的“井”字型的小块体进行微波照射。

S104，操作喷淋系统对“井”字型的小块体进行高压水喷射，通过骤冷和水压使得二衬强度进一步弱化并破碎。

S105：操作凿除系统的锤镐机对照射后的“井”字型的小块体进行冲击凿碎，使得二次衬砌掉落。

S106：重复S102～S105的步骤，对整个隧道的二次衬砌进行破除工作。

S107：利用装载机，卡车或皮带等工具，将废弃的二次衬砌体运离隧道。

由此实现隧道二次衬砌的微波照射、喷淋和破碎拆除。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，其特征在于，包括卡车车厢、驾驶室，以及设于卡车车厢上的切割系统、微波照射系统、喷淋及凿除系统、动力系统和中央控制系统；所述切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统沿卡车车厢上从前至后依次排布，并连接动力系统和中央控制系统；

所述切割系统，包括激光位置感应器、链锯刀盘和锯条，用于将待拆除的隧道切割成衬砌小块体；

所述切割系统通过铰接于卡车车厢上第一机械臂连接的激光位置感应器、切割头和刀具，第一机械臂前端部连接切割头，刀具安装在切割头上，激光位置感应器安装在切割头中间；

所述微波照射系统，包括框型微波发生器和波导管，用于对衬砌小块体照射，使得被照射块体产生裂纹；

所述微波照射系统包括安装在第二机械臂上的框型微波发生器，框型微波发生器围框内形成微波照射腔体，微波发生器上设有腔体防护装置和波导管；腔体防护装置上开有微波馈入口；

所述喷淋及凿除系统，包括喷淋系统和锤镐系统，用于将微波照射后的块体喷淋和锤镐，使得块体掉落；

所述喷淋系统铰接在卡车车厢上的第三机械臂上，包括安装有加压装置的喷头，加压装置与设于卡车车厢上的水箱连通，通过水泵和输水管连通加压装置和喷头；

所述锤镐系统包括固定在卡车车厢上的第三机械臂上的锤镐机引擎和锤镐机钻头、液压式破碎锤或液压钳，锤镐机引擎与动力系统连接，液压式破碎锤或液压钳与液压系统连接；

切割系统、微波照射系统和喷淋及凿除系统通过中央控制系统控制，实现隧道二次衬砌的微波照射、喷淋和破碎拆除。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，其特征在于，所述切割头为通过切割引擎连接的链锯刀盘或水泥切割机，切割头或为氧气焊；所述刀具为锯条或水刀。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，其特征在于，所述卡车车厢采用履带式台车替代。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，其特征在于，所述动力系统采用汽油发电机、柴油发电机或电瓶。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除设备，其特征在于，所述中央控制系统添加PLC微电脑系统，外设蓝牙或红外传输的移动式遥控器，或在驾驶室设置操控面板。

6.一种权利要求1-5任一项所述设备的基于微波技术的隧道二次衬砌破碎拆除方法，其特征在于，包括：

S01，设定切割隧道二次衬砌厚度，控制切割系统的切割头将隧道二次衬砌切割为“井”字型的小块体，块体的截面大小略小于微波照射腔体的大小；

S02，根据隧道二次衬砌的混凝土强度等级和级配，设定微波照射系统相应照射时间和照射功率，对切割后的“井”字型小块体进行微波照射；

S03，喷淋系统对经微波照射后的“井”字型的小块体高压水喷射；

S04，待经喷射后的隧道二次衬砌混凝土破碎，采用锤镐系统对喷射后的“井”字型的小块体冲击凿碎，使得二次衬砌掉落；

S05，重复步骤S01～S05，对待切割隧道的二次衬砌进行破除；

S06：将切割后的二次衬砌砌体运离隧道。