本發(fā)明涉及隧道掘進裝備及掘進方法，特別涉及一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機及軟巖隧道掘進方法。

背景技術(shù)：

1、21世紀(jì)以來，我國西部艱險復(fù)雜山區(qū)規(guī)劃建設(shè)了大量深埋長大軟巖隧道工程。面對艱險復(fù)雜山區(qū)深埋長大軟巖隧道工程，經(jīng)常會出現(xiàn)軟巖地層夾雜有硬巖地層以及軟硬巖層等復(fù)合巖層。

2、傳統(tǒng)螺旋水平鉆機只能用于當(dāng)軟巖大變形隧道的巖石單軸抗壓強度較低且斷面較小的情況，適應(yīng)性不強。因此，當(dāng)傳統(tǒng)螺旋水平鉆機遇到硬巖不僅很難掘進入巖，而且易導(dǎo)致鉆具和鉆桿損壞，嚴(yán)重影響施工工期和工程造價。此外，傳統(tǒng)螺旋水平鉆機的鉆具刀盤直徑較小，一般只能適用于小直徑洞室掌子面開挖。

3、綜上，如何解決螺旋水平鉆機無法適用于軟硬巖層以及滿足不同洞室掌子面直徑需求對鉆具進行不可逆改造等問題，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的重大問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，以有效提高螺旋水平鉆機的掘進效率，同時能夠有效減少鉆具刀盤的磨損，縮短施工周期，節(jié)約工程造價。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，包括鉆機裝置、鉆桿、鉆具刀盤和履帶式汽車，鉆機裝置固定設(shè)置在履帶式汽車上，鉆桿首尾分別與鉆機裝置和鉆具刀盤連接，其特征是：還包括微波發(fā)射裝置和高壓注水裝置，所述微波發(fā)射裝置包括微波發(fā)射控制器、微波發(fā)射頭、磁控管和冷卻系統(tǒng)；所述鉆具刀盤旋轉(zhuǎn)中心設(shè)有與鉆桿內(nèi)腔相通的圓形通孔磁控管、冷卻系統(tǒng)設(shè)置于鉆桿內(nèi)腔內(nèi)，冷卻系統(tǒng)位于磁控管外，微波發(fā)射頭位于圓形通孔內(nèi)；所述高壓注水裝置設(shè)置在履帶式汽車上。

4、所述鉆具刀盤本體上沿徑向和圓形通孔左右兩側(cè)設(shè)有若干個滾刀，滾刀連接于鉆具刀盤本體的轉(zhuǎn)軸，圓形通孔貫穿該轉(zhuǎn)軸。

5、所述鉆具刀盤的外側(cè)周向間隔設(shè)置還設(shè)置有擴孔卡座，用于安裝擴孔刀具。

6、本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是提供采用上述一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機的軟巖隧道掘進方法，該方法包括如下步驟：

7、①將螺旋水平鉆機運行至掘進隧道掌子面前方，檢查螺旋水平鉆機是否正常運轉(zhuǎn)，開始機械掘進土質(zhì)或軟巖地層，直至遇到硬巖地層，停止螺旋水平鉆機機械掘進；

8、②啟動微波發(fā)射裝置，將微波發(fā)射頭接觸隧道掌子面巖體，利用微波將隧道掌子面巖體加熱至500～600℃，同時向磁控管外側(cè)冷卻系統(tǒng)注入冷卻介質(zhì)對磁控管進行冷卻；

9、③達到預(yù)定溫度后，關(guān)閉微波發(fā)射裝置，開啟高壓注水裝置，噴淋隧道掌子面巖體，在隧道掌子面巖體溫度降低至100～200℃時，關(guān)閉高壓注水裝置；

10、④重復(fù)步驟②～③，使隧道掌子面巖體處于冷熱循環(huán)過程中，直至隧道掌子面巖體出現(xiàn)明顯裂隙或破壞；

11、⑤啟動螺旋水平鉆機進行機械掘進；

12、⑥重復(fù)②～⑤，直至螺旋水平鉆機機械掘進越過硬巖地層。

13、本發(fā)明的有益效果是主要體現(xiàn)在如下方面：

14、一、利用微波發(fā)射設(shè)備向隧道圍巖掌子面發(fā)射微波，沖擊并破壞軟巖地層中硬巖巖體，提高了螺旋水平鉆機的掘進效率，同時能夠有效減少鉆具刀盤的磨損，縮短施工周期，節(jié)約工程造價；

15、二、微波的發(fā)射能量根據(jù)前方隧道圍巖掌子面地質(zhì)條件，可通過微波發(fā)射控制器、電源存儲設(shè)備進行調(diào)節(jié)控制，隧道圍巖的地質(zhì)條件適應(yīng)范圍廣；

16、三、將滾刀固定在鉆具刀盤轉(zhuǎn)軸上，能夠確保滾刀對前方隧道圍巖掌子面巖體的破壞力，提高螺旋水平鉆機的掘進速度和效率，增加鉆具刀盤和滾刀的使用壽命；

17、四、在鉆具刀盤外側(cè)設(shè)置有擴孔卡座，將滾刀和刮刀固定在擴孔卡座，能夠擴展隧道掌子面，適應(yīng)不同隧道斷面開挖。

18、本發(fā)明能有效提高螺旋水平鉆機的掘進效率，同時能夠有效減少鉆具刀盤的磨損，縮短施工周期，節(jié)約工程造價。

技術(shù)特征：

1.一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，包括鉆機裝置(40)、鉆桿(30)、鉆具刀盤和履帶式汽車(70)，鉆機裝置(40)固定設(shè)置在履帶式汽車(70)上，鉆桿(30)首尾分別與鉆機裝置(40)和鉆具刀盤(20)連接，其特征是：還包括微波發(fā)射裝置(50)和高壓注水裝置(60)，所述微波發(fā)射裝置(50)包括微波發(fā)射控制器(51)、微波發(fā)射頭(511)、磁控管(52)和冷卻系統(tǒng)(521)；所述鉆具刀盤(20)旋轉(zhuǎn)中心設(shè)有與鉆桿(30)內(nèi)腔相通的圓形通孔(21)，磁控管(52)、冷卻系統(tǒng)(521)設(shè)置于鉆桿(30)內(nèi)腔內(nèi)，冷卻系統(tǒng)(521)位于磁控管(52)外，微波發(fā)射頭(511)位于圓形通孔(21)內(nèi)；所述高壓注水裝置(60)設(shè)置在履帶式汽車(70)上。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述微波發(fā)射裝置(50)還包括水負載(53)、耦合器及檢波器(54)、調(diào)配器(55)、轉(zhuǎn)換器(56)和電源存儲設(shè)備(58)，微波發(fā)射控制器(51)信號傳輸控制導(dǎo)線(57)分別電連接電源存儲設(shè)備(58)、磁控管(52)，微波發(fā)射控制器(51)中的磁控管輸出口通過矩形波導(dǎo)依次與水負載(53)、耦合器及檢波器(54)、調(diào)配器(55)、轉(zhuǎn)換器(56)電連接，轉(zhuǎn)換器(56)末端通過所述微波傳輸電纜(512)與微波發(fā)射頭(511)電連接。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述冷卻系統(tǒng)(521)的冷卻介質(zhì)為液態(tài)氮氣、液態(tài)二氧化碳或者水溶液。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述高壓注水裝置(60)由高壓抽水泵(61)、高壓抽水管(62)、高壓儲水箱(63)構(gòu)成，高壓儲水箱(63)固定設(shè)置在履帶式汽車(70)上，高壓抽水泵(61)設(shè)置于高壓儲水箱(63)內(nèi)，高壓抽水管(62)與高壓抽水泵(61)連接。

5.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述鉆具刀盤(20)本體上沿徑向和圓形通孔(21)左右兩側(cè)設(shè)有若干個滾刀(22)，滾刀(22)連接于鉆具刀盤(20)本體的轉(zhuǎn)軸，圓形通孔(21)貫穿該轉(zhuǎn)軸。

6.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述鉆具刀盤(20)的外側(cè)周向間隔設(shè)置還設(shè)置有擴孔卡座(23)，用于安裝擴孔刀具。

7.如權(quán)利要求1所述的一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機，其特征在于：所述鉆桿(30)由若干個螺旋鉆桿(32)通過相配套的螺紋(33)縱向拼接組成。

8.采用如權(quán)利要求1至7任意一項所述一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機的軟巖隧道掘進方法，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
一種基于微波預(yù)裂的螺旋水平鉆機及軟巖隧道掘進方法，以有效提高螺旋水平鉆機的掘進效率，同時能夠有效減少鉆具刀盤的磨損，縮短施工周期，節(jié)約工程造價。包括鉆機裝置、鉆桿、鉆具刀盤和履帶式汽車，鉆機裝置固定設(shè)置在履帶式汽車上，鉆桿首尾分別與鉆機裝置和鉆具刀盤連接，其特征是：還包括微波發(fā)射裝置和高壓注水裝置，所述微波發(fā)射裝置包括微波發(fā)射控制器、微波發(fā)射頭、磁控管和冷卻系統(tǒng)。所述鉆具刀盤旋轉(zhuǎn)中心設(shè)有與鉆桿內(nèi)腔相通的圓形通孔磁控管、冷卻系統(tǒng)設(shè)置于鉆桿內(nèi)腔內(nèi)，冷卻系統(tǒng)位于磁控管外，微波發(fā)射頭位于圓形通孔內(nèi)。所述高壓注水裝置設(shè)置在履帶式汽車上。

技術(shù)研發(fā)人員：陳明浩,徐正宣,付開隆,李東,丁文富,龍清亮,楊維博,余行健
受保護的技術(shù)使用者：中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9