CN113217005B - 利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法 - Google Patents

利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法，利用激光降低隧道高地应力的施工装置包括：刀盘，设置有连通孔；冲击钻机组件，设置在刀盘中并能够相对于刀盘移动，冲击钻机组件能够由连通孔伸出并能够在刀盘前方的岩石处形成超前导洞；激光破岩组件，设置在在刀盘中并能够由连通孔伸入超前导洞中，且激光破岩组件能够向超前导洞中发射用于破岩的激光。采用激光来超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的岩爆及软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本。解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了开挖效率，降低开挖成本，使施工人员的安全得到保障。

Description

利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法
技术领域
本发明涉及隧道掘进领域，具体涉及一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法。
背景技术
目前隧道开挖高地应力岩体时，会发生岩爆及软岩大变形等危害。针对高地应力所带来的施工风险，主要采用后期支护处理，所需成本较高，且施工过程中安全隐患大。岩爆及软岩大变形时，造成岩体大规模坍塌，使TBM掘进困难，甚至将机体掩埋，导致卡机事故，严重拖延工期。因此，如何提供一种能够进行高地应力岩体隧道掘进装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置及施工方法，以到达提高施工安全性和施工效率的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置，包括：刀盘，设置有连通孔；冲击钻机组件，设置在刀盘中并能够相对于刀盘移动，冲击钻机组件能够由连通孔伸出并能够在刀盘前方的岩石处形成超前导洞；激光破岩组件，设置在在刀盘中并能够由连通孔伸入超前导洞中，且激光破岩组件能够向超前导洞中发射用于破岩的激光。
进一步地，冲击钻机组件包括：第一推进油缸，设置在刀盘内并能够相对于刀盘移动；钻机震动及回转装置，固定在第一推进油缸上并能够随第一推进油缸一起移动；钻杆，一端与钻机震动及回转装置连接，钻杆的另一端能够由连通孔伸出并与前方的岩石抵接。
进一步地，钻杆包括：第一节钻杆，一端与钻机震动及回转装置能拆卸地连接，第一节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接；第二节钻杆，一端与第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，第二节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接。
进一步地，激光破岩组件包括：激光发生器，设置在刀盘的后方；激光输出组件，设置在刀盘内，激光输出组件与激光发生器电连接，且激光输出组件能够由连通孔伸入超前导洞中。
进一步地，激光输出组件包括：管状外壳；光纤电缆，一端穿设在管状外壳内，光纤电缆的另一端与激光发生器电连接；第二推进油缸，设置在刀盘内并与管状外壳连接，第二推进油缸能够驱动管状外壳带动光纤电缆一起伸入至超前导洞中。
进一步地，激光输出组件还包括多孔式激光辐射头，设置在管状外壳的一端并与光纤电缆的一端连接，且多孔式激光辐射头能够置于超前导洞中。
进一步地，激光输出组件为多个，间隔设置在刀盘内，多个激光输出组件均通过回转接头与激光发生器电连接。
进一步地，激光破岩组件还包括冷却组件，与激光发生器电连接。
本发明还提供了一种利用激光降低隧道高地应力的施工方法，采用上述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置进行操作，利用激光降低隧道高地应力的施工方法包括以下步骤：步骤一、当遇到高地应力工作区域时，启动冲击钻机组件进行超前导洞钻挖；步骤二、待超前导洞钻挖完毕后，撤回冲击钻机组件并使激光破岩组件伸入至超前导洞中；步骤三、启动激光破岩组件并向超前导洞中发射用于破岩的激光；步骤四、待激光破岩组件工作一定时间后，撤回激光破岩组件并启动刀盘对前方的岩石进行掘进；步骤五、待刀盘掘进至超前导洞的末端时，重复步骤一至步骤四，直至高地应力工作区域完全贯通。
进一步地，步骤三具体为：待激光破岩组件到达指定位置后，通过激光破岩组件向超前导洞内壁发射用于破岩的激光，且每间隔设定时间使激光破岩组件沿超前导洞的延伸方向移动，以对整个超前导洞范围进行激光照射。
本发明的有益效果是，采用激光来超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的岩爆及软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本。解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了开挖效率，降低开挖成本，使施工人员的安全得到保障。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为激光输出组件的结构示意图；
图3为多孔式激光辐射头的结构示意图。
图中附图标记：10、刀盘；11、滚刀；21、激光发生器；22、激光输出组件；221、管状外壳；222、光纤电缆；223、多孔式激光辐射头；23、冷却组件；31、钻机震动及回转装置；32、钻杆；33、第一推进油缸；40、回转接头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置，包括刀盘10、冲击钻机组件和激光破岩组件。刀盘10设置有连通孔；冲击钻机组件设置在刀盘10中并能够相对于刀盘10移动，冲击钻机组件能够由连通孔伸出并能够在刀盘10前方的岩石处形成超前导洞；激光破岩组件设置在在刀盘10中并能够由连通孔伸入超前导洞中，且激光破岩组件能够向超前导洞中发射用于破岩的激光。
本发明采用激光来超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的岩爆及软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本，解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了掘进效率，降低掘进成本，使施工人员的安全得到保障。
需要说明的是，刀盘10周围设有多个连通孔，刀盘10上还设有滚刀11，上述滚刀11为目前隧道掘进机常用的典型滚刀。具体地，冲击钻机组件包括第一推进油缸33、钻机震动及回转装置31和钻杆32。第一推进油缸33设置在刀盘10内并能够相对于刀盘10移动；钻机震动及回转装置31固定在第一推进油缸33上并能够随第一推进油缸33一起移动。钻杆32的一端与钻机震动及回转装置31连接，钻杆32的另一端能够由连通孔伸出并与前方的岩石抵接。
工作时，由第一推进油缸33驱动钻机震动及回转装置31带动钻杆32沿图1所示的左右方向移动，以形成超前导洞。其中钻机震动及回转装置31可以为钻杆32提供旋转力的驱动装置，且该驱动装置能够承受轴向载荷。
优选地，钻杆32包括第一节钻杆和第二节钻杆。第一节钻杆的一端与钻机震动及回转装置31能拆卸地连接，第一节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接；第二节钻杆的一端与第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，第二节钻杆的另一端能够与前方的岩石抵接。设置第一节钻杆和第二节钻杆可以增加超前导洞的长度，减少超前导洞钻孔操作与正常掘进操作的切换次数，从而达到提高掘进效率的目的。
上述钻杆32可以为多节，按照第一节钻杆和第二节钻杆的连接方式进行连接，钻杆的具体节数可以根据不同需要进行选取。其中钻杆32的钻头可拆卸，从而能够进行多节钻杆的拼接。
如图1所示，激光破岩组件包括激光发生器21和激光输出组件22。激光发生器21设置在刀盘10的后方；激光输出组件22设置在刀盘10内，激光输出组件22与激光发生器21电连接，且激光输出组件22能够由连通孔伸入超前导洞中。
激光发生器21能够向激光输出组件22输出设定功率的激光，使激光输出组件22能够对超前导洞内的岩壁进行照射，来超前释放岩体的内应力，达到提高施工安全性的目的。
具体地，激光输出组件22包括管状外壳221、光纤电缆222和第二推进油缸。光纤电缆222的一端穿设在管状外壳221内，光纤电缆222的另一端与激光发生器21电连接。第二推进油缸设置在刀盘10内并与管状外壳221连接，第二推进油缸能够驱动管状外壳221带动光纤电缆222一起伸入至超前导洞中。
当需要将激光输出组件22伸入至超前导洞中时，通过第二推进油缸可以实现激光输出组件22的移动，同时，本实施例中设置有管状外壳221，可以更好地对光纤电缆222进行保护，防止在超前导洞中受损。
优选地，激光输出组件22还包括多孔式激光辐射头223，设置在管状外壳221的一端并与光纤电缆222的一端连接，且多孔式激光辐射头223能够置于超前导洞中。其中，多孔式激光辐射头223采用多孔设计，照射到岩体的光斑形状为圆形，每个光斑的激光功率范围100-4000瓦，可大面积辐射孔内岩体，增加致裂效果。
本实施例中的激光输出组件22为多个，间隔设置在刀盘10内，多个激光输出组件22均通过回转接头40与激光发生器21电连接。回转接头40可以使多个激光输出组件22同时输出，实现多路激光输出组件22分光的目的。
如图1所示，本实施例中的激光破岩组件还包括冷却组件23，与激光发生器21电连接。通过设置冷却组件23可以对激光发生器21进行冷却，是其始终保持最佳工作温度，提高其工作效率。
本发明还提供了一种利用激光降低隧道高地应力的施工方法，采用上述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置进行操作，利用激光降低隧道高地应力的施工方法包括以下步骤：
步骤一、当遇到高地应力工作区域时，启动冲击钻机组件进行超前导洞钻挖；
步骤二、待超前导洞钻挖完毕后，撤回冲击钻机组件并使激光破岩组件伸入至超前导洞中；
步骤三、启动激光破岩组件并向超前导洞中发射用于破岩的激光；
步骤四、待激光破岩组件工作一定时间后，撤回激光破岩组件并启动刀盘10对前方的岩石进行掘进；
步骤五、待刀盘10掘进至超前导洞的末端时，重复步骤一至步骤四，直至高地应力工作区域完全贯通。
该方法可以超前释放高地应力岩体的内应力，降低TBM施工过程中遇到岩爆及软岩大变形的风险，提高施工安全性和效率。
其中，步骤一具体为：隧道掘进过程中利用超前勘探获得开挖前方岩体信息。当遇到高地应力工作区域，刀盘10停止开挖，启动冲击钻机组件，进行超前导洞的钻挖。超前导洞的深度和孔径可根据工作岩体性质决定，工作岩体性质可通过超前勘探进行确定。
步骤二具体为：待超前导洞钻挖完毕后，撤回冲击钻机组件，旋转刀盘10，使激光输出组件22对准超前导洞，随后打开第二推进油缸，使激光输出组件22伸入超前导洞之内。冲击钻机组件和激光输出组件22固定在刀盘10的支架上，且不随刀盘10转动。冲击钻机组件和激光输出组件22平行放置，由各自的推进油缸控制实现前后上下移动。
步骤三具体为：当激光输出组件22到达指定位置后，打开激光发生器21及冷却组件23，激光发生器21产生激光束，通过多孔式激光辐射头223照射到孔内岩石。且每间隔设定时间使激光输出组件22沿超前导洞的延伸方向移动，以对整个超前导洞范围进行激光照射，使整个超前导洞范围的围岩产生裂纹。
其中，激光发生器21为光纤激光器，激光的输出模式为脉冲输出。工作波长为近红外。激光发生器21的功率和激光辐射头照射时间可根据岩石性能决定。激光破岩组件还配有冷却组件23和电源系统，以用来给激光发生器21供电及提供冷却。优选地，本实施例中还设有温度监控装置，用来监控超前导洞内加热部分的温度。
步骤四具体为：激光照射一定时间后，关闭激光发生器21，收回激光输出组件22，启动掘进机刀盘系统，对高地应力岩体进行开挖。
本实施例采用激光来超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的岩爆及软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本。解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了开挖效率，降低开挖成本，使施工人员的安全得到保障。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：采用激光来超前释放岩体的内应力，不仅能够有效降低施工过程中面临的岩爆及软岩大变形等风险，同时可以提高掘进速度，降低成本。解决了传统高地应力岩体施工时所遇到的一系列问题，大大提升了开挖效率，降低开挖成本，使施工人员的安全得到保障。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (9)

1.一种利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，包括：
刀盘(10)，设置有连通孔；
冲击钻机组件，设置在刀盘(10)内并能够相对于刀盘(10)移动，所述冲击钻机组件能够由所述连通孔伸出并能够在刀盘(10)前方的岩石处形成超前导洞；
激光破岩组件，设置在刀盘(10)内并能够由所述连通孔伸入所述超前导洞中，且所述激光破岩组件能够向所述超前导洞的岩壁发射用于破岩的激光；
所述冲击钻机组件包括：
第一推进油缸(33)，设置在刀盘(10)内并能够相对于刀盘(10)移动；
钻机震动及回转装置(31)，固定在第一推进油缸(33)上并能够随第一推进油缸(33)一起移动；
钻杆(32)，一端与钻机震动及回转装置(31)连接，钻杆(32)的另一端能够由所述连通孔伸出并与所述前方的岩石抵接。
2.根据权利要求1所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，钻杆(32)包括：
第一节钻杆，一端与钻机震动及回转装置(31)能拆卸地连接，所述第一节钻杆的另一端能够与所述前方的岩石抵接；
第二节钻杆，一端与所述第一节钻杆的另一端能拆卸地连接，所述第二节钻杆的另一端能够与所述前方的岩石抵接。
3.根据权利要求1所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，所述激光破岩组件包括：
激光发生器(21)，设置在刀盘(10)的后方；
激光输出组件(22)，设置在刀盘(10)内，激光输出组件(22)与激光发生器(21)电连接，且激光输出组件(22)能够由所述连通孔伸入所述超前导洞中。
4.根据权利要求1所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，激光输出组件(22)包括：
管状外壳(221)；
光纤电缆(222)，一端穿设在管状外壳(221)内，光纤电缆(222)的另一端与激光发生器(21)电连接；
第二推进油缸，设置在刀盘(10)内并与管状外壳(221)连接，所述第二推进油缸能够驱动管状外壳(221)带动光纤电缆(222)一起伸入至所述超前导洞中。
5.根据权利要求4所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，激光输出组件(22)还包括多孔式激光辐射头(223)，设置在管状外壳(221)的一端并与光纤电缆(222)的一端连接，且多孔式激光辐射头(223)能够置于所述超前导洞中。
6.根据权利要求3所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，激光输出组件(22)为多个，间隔设置在刀盘(10)内，多个激光输出组件(22)均通过回转接头(40)与激光发生器(21)电连接。
7.根据权利要求3所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置，其特征在于，所述激光破岩组件还包括冷却组件(23)，与激光发生器(21)电连接。
8.一种利用激光降低隧道高地应力的施工方法，采用权利要求1至7中任一项所述的利用激光降低隧道高地应力的施工装置进行操作，其特征在于，所述利用激光降低隧道高地应力的施工方法包括以下步骤：
步骤一、当遇到高地应力工作区域时，启动所述冲击钻机组件进行所述超前导洞钻挖；
步骤二、待所述超前导洞钻挖完毕后，撤回所述冲击钻机组件并使所述激光破岩组件伸入至所述超前导洞中；
步骤三、启动所述激光破岩组件并向所述超前导洞中发射用于破岩的激光；
步骤四、待所述激光破岩组件工作一定时间后，撤回所述激光破岩组件并启动刀盘(10)对所述前方的岩石进行掘进；
步骤五、待刀盘(10)掘进至所述超前导洞的末端时，重复所述步骤一至所述步骤四，直至所述高地应力工作区域完全贯通。
9.根据权利要求8所述的利用激光降低隧道高地应力的施工方法，其特征在于，所述步骤三具体为：待所述激光破岩组件到达指定位置后，通过所述激光破岩组件向所述超前导洞内壁发射用于破岩的激光，且每间隔设定时间使所述激光破岩组件沿所述超前导洞的延伸方向移动，以对整个所述超前导洞范围进行激光照射。
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