CN108060927A - 一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，微波装置、钻头装置和水切割装置绕翻转电机主轴的周向均匀布置；微波装置和钻头装置分别通过两个导电伸缩杆与翻转电机连接，导电伸缩杆连接在翻转电机的周向位置；将微波发射器和PDC钻头安装在导电伸缩杆上，将电缆嵌入导电伸缩杆，电缆与翻转电机相连为微波发射器和PDC钻头供电；翻转电机与高压泵相连，冷水箱内为配备好的冷水，冷水箱和单向阀连接；单向阀与高压泵相连接；高压泵安装压力表；高压泵出口处安装有安全阀；供料系统磨料罐与磨料混合腔相连；磨料混合腔出口处与高压喷嘴相连。本装置具有快速加热后冷却切割的快速破岩功效，对周围环境干扰较小，提高破岩效率，降低破岩成本。

Description

一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置

技术领域

本发明为破岩装置技术领域中的微波加热和水切割辅助破岩装置，主要应用于地质勘探、隧道挖建以及矿山钻探、开采等行业领域。

背景技术

在隧道开挖过程中，经常遇见孤石和基岩突起问题，在利用盾构掘进时孤石和突起的基岩对盾构机的刀盘和刀具的损坏非常严重，严重影响施工进度、大幅增加工程成本。因此，合理处理隧道开挖过程中遇见的孤石和突起的基岩，对工程的顺利进行和节约工程成本具有重要意义。

目前处理孤石和突起的基岩的方法主要有：一是在盾构掘进过程中对孤石和突起的基岩进行处理，如使用盾构直接切削孤石和突起的基岩、洞内爆破孤石和突起的基岩或洞内液压劈裂机处理孤石和突起的基岩；二是在盾构施工前对孤石和突起的基岩进行预处理，如采用地面冲孔破除孤石和突起的基岩、人工挖孔桩挖除孤石和突起的基岩、地面钻孔爆破孤石和突起的基岩等。

混合式磨料水射流技术是一种冷切割，不产生高温，安全性高，常常适应于高温及破拆现场。

现有技术中的进行的岩石高温下快速冷却实验，从实验结果分析得出，岩石在600℃高温下用水快速冷却，岩石内部会产生大量的损伤，岩石的强度急剧下降。依据该实验理论及经验，本发明设计了一种利用微波和水切割定向、有效处理隧道挖掘中的孤石和突起基岩的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种快速破碎隧道孤石的装置及工艺，解决现有破碎技术对岩土层和周围环境扰动较大，对盾构机械磨损较严重等问题；通过微波对岩石进行加热以降低岩石强度，同时用冷水对加热的岩石进行快速切割达到破岩目的。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，微波装置、钻头装置和水切割装置绕翻转电机5主轴的周向均匀布置；微波装置和钻头装置分别通过两个导电伸缩杆与翻转电机5连接，导电伸缩杆2连接在翻转电机5的周向位置；

钻头装置包括PDC钻头1和第一驱动电机，第一驱动电机安装在第一个导电伸缩杆2的端部，PDC钻头1与第一驱动电机的输出轴连接，导电伸缩杆2的伸缩能够对PDC钻头1的钻机位置进行自由调整。

微波装置包括微波发射器3和铝制金属罩14，两个微波发射器3分别安装在第二个导电伸缩杆2的前端和中部，第二个导电伸缩杆2的伸缩能够对两个微波发射器3的位置进行自由调整，铝制金属罩14安装在导电伸缩杆2的尾部，微波发射器3与铝制金属罩14形成温度反射区域，增大微波发射器3的发热效率。

水切割装置包括第二驱动电机、冷水箱6、单向阀7、高压泵8、安全阀9、压力表10、磨料罐11、磨料混合腔12和高压喷嘴13；高压泵8与电机5的主轴连接，高压泵8与单向阀7相连，单向阀7通过管道与冷水箱6相连，高压泵8上安装有压力表10，高压泵8的出口处有安全阀9，供液系统出口与磨料混合腔12相连，磨料混合腔12进料口与磨料罐11相连，磨料混合腔12的出料口与高压喷嘴13相连，第二驱动电机与高压泵8连接，第二驱动电机通过连接杆固定在翻转电机5的周向。

翻转电机5外部装有启动按钮，首先用钻头装置对正需要破坏的岩石，启动钻头装置开始进行钻心工作，工钻心作结束后，第一个导电伸缩杆2回收钻头装置；翻转电机5自动旋转至微波装置进行供电工作，第二个导电伸缩杆2带动微波发射器3进入钻好孔内，微波发射器3与铝制金属罩14在钻孔内形成密闭空间，微波发射器3启动加热，微波装置在钻孔内为球面热辐射区域，钻孔内壁的岩石被加热；微波装置工作结束后，翻转电机5旋转至水切割装置进行供电工作，高压喷嘴13在钻孔内旋转喷射，对加热的岩石内壁进行降温及切割，待水切割装置工作结束后翻转电机5停止工作，工作结束。通过冷热效应及水力切割，每个孤石破岩模块的力学性能被破坏，多个破岩模块协同作用完成对孤石的破坏。

一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩方法，该方法实施前，分别将微波发射器3和PDC钻头1安装在导电伸缩杆2上，将电缆4嵌入导电伸缩杆2，电缆4与翻转电机5相连为微波发射器3和PDC钻头1供电；翻转电机5与高压泵8相连，冷水箱6内为配备好的冷水，冷水箱6和单向阀7连接；单向阀7与高压泵8相连接；高压泵8安装压力表10；高压泵8出口处安装有安全阀9；供料系统磨料罐11与磨料混合腔12相连；磨料混合腔12出口处与高压喷嘴13相连。

该方法的实施如下：

S1采用跨孔超高密度电阻率法对隧道中的孤岩进行定位，获取孤岩在隧道中的形状和位置信息；

S2按孤岩的形状，对孤岩进行等效划分；每个划分的区域为单个破岩模块，并设定破岩模块的中心位置。

S3用钻头装置导电伸缩杆2伸出PDC钻头1对岩石进行钻孔，然后翻转电机5到微波装置用导电伸缩杆2伸出微波发射器3伸进钻孔中，用铝制金属罩14封住孔洞口，使微波发射器3在孔洞内加热4分钟，在翻转电机5到水切割装置，打开高压泵8进行升压，上升之所需的切割压力；然后，通过压力表10观察压力值，打开磨料罐11让磨料进入磨料混合腔12，让冷水一路经过单向阀7进入磨料混合腔12，最后通过高压喷嘴13喷出，对高温岩体进行降温破岩作业。

与现有技术相比较，本装置具有快速加热后冷却切割的快速破岩功效，先由钻头给孤石进行打孔，然后把微波装置通过伸缩杆伸进空洞中，进行微波加热，再用高压磨料混合水枪进行破岩，对周围土体扰动较少，对周围环境干扰较小，提高破岩效率，降低破岩成本。

附图说明

图1混合破岩装置结构示意图。

图2钻头示意图。

图3微波装置示意图。

图4水切割装置示意图。

图中：1、PDC钻头，2、导电伸缩杆，3、微波发射器，4、线缆，5、翻转电机，6、冷水箱，7、单向阀，8、高压泵，9、安全阀，10、压力表，11、磨料罐，12、磨料混合腔，13、高压喷嘴，14、铝制金属罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图所示，进一步阐述本发明

如图1所示，一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，微波装置、钻头装置和水切割装置绕翻转电机5主轴的周向均匀布置；微波装置和钻头装置分别通过两个导电伸缩杆与翻转电机5连接，导电伸缩杆2连接在翻转电机5的周向位置；

钻头装置包括PDC钻头1和第一驱动电机，第一驱动电机安装在第一个导电伸缩杆2的端部，PDC钻头1与第一驱动电机的输出轴连接，导电伸缩杆2的伸缩能够对PDC钻头1的钻机位置进行自由调整。

微波装置包括微波发射器3和铝制金属罩14，两个微波发射器3分别安装在第二个导电伸缩杆2的前端和中部，第二个导电伸缩杆2的伸缩能够对两个微波发射器3的位置进行自由调整，铝制金属罩14安装在导电伸缩杆2的尾部，微波发射器3与铝制金属罩14形成温度反射区域，增大微波发射器3的发热效率。

水切割装置包括第二驱动电机、冷水箱6、单向阀7、高压泵8、安全阀9、压力表10、磨料罐11、磨料混合腔12和高压喷嘴13；高压泵8与电机5的主轴连接，高压泵8与单向阀7相连，单向阀7通过管道与冷水箱6相连，高压泵8上安装有压力表10，高压泵8的出口处有安全阀9，供液系统出口与磨料混合腔12相连，磨料混合腔12进料口与磨料罐11相连，磨料混合腔12的出料口与高压喷嘴13相连，第二驱动电机与高压泵8连接，第二驱动电机通过连接杆固定在翻转电机5的周向。

翻转电机5外部装有启动按钮，首先用钻头装置对正需要破坏的岩石，启动钻头装置开始进行钻心工作，工钻心作结束后，第一个导电伸缩杆2回收钻头装置；翻转电机5自动旋转至微波装置进行供电工作，第二个导电伸缩杆2带动微波发射器3进入钻好孔内，微波发射器3与铝制金属罩14在钻孔内形成密闭空间，微波发射器3启动加热，微波装置在钻孔内为球面热辐射区域，钻孔内壁的岩石被加热；微波装置工作结束后，翻转电机5旋转至水切割装置进行供电工作，高压喷嘴13在钻孔内旋转喷射，对加热的岩石内壁进行降温及切割，待水切割装置工作结束后翻转电机5停止工作，工作结束。通过冷热效应及水力切割，每个孤石破岩模块的力学性能被破坏，多个破岩模块协同作用完成对孤石的破坏。

分别将微波发射器3和PDC钻头1安装在导电伸缩杆2上，将电缆4嵌入导电伸缩杆2，电缆4与翻转电机5相连为微波发射器3和PDC钻头1供电；翻转电机5与高压泵8相连，冷水箱6内为配备好的冷水，冷水箱6和单向阀7连接；单向阀7与高压泵8相连接；高压泵8安装压力表10；高压泵8出口处安装有安全阀9；供料系统磨料罐11与磨料混合腔12相连；磨料混合腔12出口处与高压喷嘴13相连。

一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩方法，该方法的实施如下，

S1采用跨孔超高密度电阻率法对隧道中的孤岩进行定位，获取孤岩在隧道中的形状和位置信息；

S2按孤岩的形状，对孤岩进行等效划分；每个划分的区域为单个破岩模块，并设定破岩模块的中心位置。

S3用钻头装置导电伸缩杆2伸出PDC钻头1对岩石进行钻孔，然后旋转翻转电机5到微波装置用导电伸缩杆2伸出微波发射器3伸进钻孔中，用铝制金属罩14封住孔洞口，使微波发射器3在孔洞内加热4分钟，旋转翻转电机5到水切割装置，打开高压泵8进行升压，上升之所需的切割压力；然后，通过压力表10观察压力值，打开磨料罐11让磨料进入磨料混合腔12，让冷水一路经过单向阀7进入磨料混合腔12，最后通过高压喷嘴13喷出，对高温岩体进行降温破岩作业。

Claims (4)

1.一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，其特征在于：微波装置、钻头装置和水切割装置绕翻转电机(5)主轴的周向均匀布置；微波装置和钻头装置分别通过两个导电伸缩杆与翻转电机(5)连接，导电伸缩杆(2)连接在翻转电机(5)的周向位置；

钻头装置包括PDC钻头(1)和第一驱动电机，第一驱动电机安装在第一个导电伸缩杆(2)的端部，PDC钻头(1)与第一驱动电机的输出轴连接，导电伸缩杆(2)的伸缩能够对PDC钻头(1)的钻机位置进行自由调整；

微波装置包括微波发射器(3)和铝制金属罩(14)，两个微波发射器(3)分别安装在第二个导电伸缩杆(2)的前端和中部，第二个导电伸缩杆(2)的伸缩能够对两个微波发射器(3)的位置进行自由调整，铝制金属罩(14)安装在导电伸缩杆(2)的尾部，微波发射器(3)与铝制金属罩(14)形成温度反射区域，增大微波发射器(3)的发热效率；

水切割装置包括第二驱动电机、冷水箱(6)、单向阀(7)、高压泵(8)、安全阀(9)、压力表(10)、磨料罐(11)、磨料混合腔(12)和高压喷嘴(13)；高压泵(8)与电机5的主轴连接，高压汞8与单向阀(7)相连，单向阀(7)通过管道与冷水箱(6)相连，高压泵(8)上安装有压力表(10)，高压泵(8)的出口处有安全阀(9)，供液系统出口与磨料混合腔(12)相连，磨料混合腔(12)进料口与磨料罐(11)相连，磨料混合腔(12)的出料口与高压喷嘴(13)相连，第二驱动电机与高压泵(8)连接，第二驱动电机通过连接杆固定在翻转电机(5)的周向。

2.根据权利要求1所述的一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，其特征在于：翻转电机(5)外部装有启动按钮，首先用钻头装置对正需要破坏的岩石，启动钻头装置开始进行钻心工作，工钻心作结束后，第一个导电伸缩杆(2)回收钻头装置；翻转电机(5)自动旋转至微波装置进行供电工作，第二个导电伸缩杆(2)带动微波发射器(3)进入钻好孔内，微波发射器(3)与铝制金属罩(14)在钻孔内形成密闭空间，微波发射器(3)启动加热，微波装置在钻孔内为球面热辐射区域，钻孔内壁的岩石被加热；微波装置工作结束后，翻转电机(5)旋转至水切割装置进行供电工作，高压喷嘴(13)在钻孔内旋转喷射，对加热的岩石内壁进行降温及切割，待水切割装置工作结束后翻转电机(5)停止工作，工作结束；通过冷热效应及水力切割，每个孤石破岩模块的力学性能被破坏，多个破岩模块协同作用完成对孤石的破坏。

3.根据权利要求1所述的一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩装置，其特征在于：分别将微波发射器(3)和PDC钻头(1)安装在导电伸缩杆(2)上，将电缆(4)嵌入导电伸缩杆(2)，电缆(4)与翻转电机(5)相连为微波发射器(3)和PDC钻头(1)供电；翻转电机(5)与高压泵(8)相连，冷水箱(6)内为配备好的冷水，冷水箱(6)和单向阀(7)连接；单向阀(7)与高压泵(8)相连接；高压泵(8)安装压力表(10)；高压泵(8)出口处安装有安全阀(9)；供料系统磨料罐(11)与磨料混合腔(12)相连；磨料混合腔(12)出口处与高压喷嘴(13)相连。

4.利用权利要求1所述装置进行一种隧道挖掘中微波与水切割混合破岩方法，其特征在于：该方法的实施如下，

S1采用跨孔超高密度电阻率法对隧道中的孤岩进行定位，获取孤岩在隧道中的形状和位置信息；

S2按孤岩的形状，对孤岩进行等效划分；每个划分的区域为单个破岩模块，并设定破岩模块的中心位置；

S3用钻头装置导电伸缩杆(2)伸出PDC钻头(1)对岩石进行钻孔，然后旋转翻转电机(5)到微波装置用导电伸缩杆(2)伸出微波发射器(3)伸进钻孔中，用铝制金属罩(14)封住孔洞口，使微波发射器(3)在孔洞内加热4分钟，在旋转翻转电机(5)到水切割装置，打开高压泵(8)进行升压，上升之所需的切割压力；然后，通过压力表(10)观察压力值，打开磨料罐(11)让磨料进入磨料混合腔(12)，让冷水一路经过单向阀(7)进入磨料混合腔(12)，最后通过高压喷嘴(13)喷出，对高温岩体进行降温破岩作业。