本發(fā)明涉及一種用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置及應(yīng)用，主要適用于TBM開挖的存在強巖爆、極強巖爆風(fēng)險的水利水電、交通和礦山等深埋高應(yīng)力隧道中。

背景技術(shù)：

水利水電、交通和礦山等深埋硬巖或高應(yīng)力隧道開挖過程中經(jīng)常會遇到極強或強巖爆風(fēng)險。當(dāng)巖體內(nèi)積聚的高應(yīng)變能突然釋放時，導(dǎo)致強烈的圍巖破壞將對現(xiàn)場施工人員和設(shè)備造成極大的危害。目前國內(nèi)外對巖爆的控制方式主要有兩種：第一種是降低巖體中積聚的能量，例如應(yīng)力解除爆破、高壓注水、鉆應(yīng)力釋放孔、洞壁切槽開挖中導(dǎo)洞等；第二種是提高巖體的儲能能力或吸收圍巖釋放的能量，通過對圍巖進行支護來達到預(yù)防巖爆的目的，主要以吸能支護、柔性支護、剛性支護或二者結(jié)合的方式。但根據(jù)國內(nèi)外的研究成果和工程應(yīng)用效果可知，除了應(yīng)力解除爆破法以外，其它施工措施都不能達到理想效果。

全斷面隧道掘進機TBM（Tunnel Boring Machine）作為當(dāng)前最先進的隧道施工機械，具有掘進速度快、利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點，可實現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實現(xiàn)的復(fù)雜地理地貌深埋長隧道的施工。TBM掘進過程中實施應(yīng)力釋放孔可以一定程度上降低巖爆風(fēng)險。但是要防治極強巖爆或強烈?guī)r爆，需要打很多應(yīng)力釋放孔。這不僅速度慢，而且有時因應(yīng)力釋放不足而不足以防治巖爆，這就需要在應(yīng)力釋放孔的基礎(chǔ)上增加預(yù)裂巖體的功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置及應(yīng)用，旨在克服TBM掘進深埋隧道時無法應(yīng)對極強或強巖爆的局限性，在TBM滾刀工作前，利用微波能對超前鉆孔進行微波輻射，使鉆孔圍巖預(yù)裂達到應(yīng)力釋放的效果，從而實現(xiàn)TBM掘進深埋隧道時預(yù)防巖爆的目的。

為解決以上問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置，在TBM機架內(nèi)設(shè)有軸向的傳動絲杠，在傳動絲杠上滑動連接微波致裂系統(tǒng)，微波致裂系統(tǒng)末端設(shè)置微波發(fā)射棒；在TBM機架端部設(shè)有TBM刀盤，在TBM刀盤上設(shè)有通孔，微波致裂系統(tǒng)沿傳動絲杠滑動，微波發(fā)射棒從通孔中伸出，向鉆孔的巖石內(nèi)發(fā)送微波。

所述的微波致裂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，微波源的輸出口通過矩形波導(dǎo)依次連接環(huán)形器水負(fù)載、耦合器及檢波器、調(diào)配器和同軸轉(zhuǎn)換器，同軸轉(zhuǎn)換器末端連接同軸傳輸電纜，同軸傳輸電纜的末端連接微波發(fā)射棒。

所述的微波發(fā)射棒為均勻輻射型微波發(fā)射棒，結(jié)構(gòu)為由內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體和介質(zhì)護套組成，內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體為同軸設(shè)置的金屬管體，在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的端部共同連接介質(zhì)護套，從內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)出的微波從介質(zhì)護套發(fā)出。

所述的微波發(fā)射棒為裂縫式微波發(fā)射棒，結(jié)構(gòu)為由外導(dǎo)管和內(nèi)導(dǎo)管同軸設(shè)置，在外導(dǎo)管和內(nèi)導(dǎo)管之間設(shè)置介質(zhì)材料，在外導(dǎo)管上設(shè)有軸向的細長裂縫，微波從細長裂縫中發(fā)出。

采用所述的用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置用于巖石預(yù)裂的方法，包括以下步驟：

1）在TBM進入具有潛在巖爆風(fēng)險洞段前，采用超前鉆機在施工前方掌子面打地質(zhì)鉆孔，鉆孔為水平孔或具有傾角的斜孔，根據(jù)巖爆風(fēng)險等級確定鉆孔的數(shù)量和鉆孔布局，孔徑大小使同軸傳輸電纜和微波發(fā)射棒能夠順利進入鉆孔內(nèi)；

2）啟動傳動絲杠，帶動微波致裂系統(tǒng)向掌子面方向移動，使同軸傳輸電纜和微波發(fā)射棒從TBM刀盤上的圓孔中伸出，進入到其中的一個鉆孔中；

3） 啟動微波源，根據(jù)巖體巖石材料、含水率等特性選擇合適的微波功率，對鉆孔的圍巖進行微波輻射處理，并調(diào)節(jié)傳動絲杠，使得微波發(fā)射棒在鉆孔中前后移動，對整個鉆孔范圍進行微波輻射，使鉆孔的圍巖產(chǎn)生裂紋；

4） 將微波發(fā)射棒收回后重新插入到另一個鉆孔中，重復(fù)步驟3），最終對所有鉆孔進行微波輻射處理，從而達到應(yīng)力釋放的目的；

5）關(guān)閉微波電源，收回微波致裂系統(tǒng)，TBM刀盤上的刀具開始切割巖石，進行應(yīng)力釋放區(qū)施工洞段開挖。

該用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置采用傳動絲杠帶動微波致裂系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對巖石鉆孔進行預(yù)裂的工作。

所述磁控管是一種單一大功率微波源，由磁控管發(fā)出微波，頻率為915 MHz或2.45 GHz,這兩種微波頻率的區(qū)別在于穿透深度的不同。所述矩形波導(dǎo)與磁控管相連，用來傳輸磁控管發(fā)出的微波。所述波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器分別與矩形波導(dǎo)和同軸波導(dǎo)相連，所述同軸波導(dǎo)為圓柱形，實現(xiàn)波導(dǎo)管的轉(zhuǎn)換，以使微波從矩形波導(dǎo)傳輸?shù)酵S波導(dǎo)中，這一點尤為重要，實現(xiàn)微波的長距離輸送，并且只有極少的能量耗散。所述微波探頭和同軸波導(dǎo)相連，所述微波探頭亦為圓柱形，用來發(fā)射由同軸波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉?。所述的微波探頭可伸入到巖體的鉆孔中，也可對巖體表面進行面輻射。所述波導(dǎo)保護管是由一種透射微波的高強度材料構(gòu)成，起到透射微波和保護同軸導(dǎo)管和微波探頭的作用，避免鉆孔內(nèi)塌落的巖石損壞同軸波導(dǎo)管和微波探頭。

微波致裂系統(tǒng)包括矩形波導(dǎo)、環(huán)形器及水負(fù)載、耦合器和檢波器、調(diào)配器、同軸轉(zhuǎn)換器和同軸波導(dǎo)，這些裝置依次相互連接，用于將微波源發(fā)出的微波能量低損耗地傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射裝置。

微波發(fā)射棒為均勻輻射型微波發(fā)射棒或裂縫式微波發(fā)射棒，使微波在端部或側(cè)表面裂縫中發(fā)出，實現(xiàn)巖石的預(yù)裂。

采用微波應(yīng)力釋放裝置用于巖石預(yù)裂的方法，根據(jù)微波致裂巖石原理，采用高功率微波輻射巖石，巖石內(nèi)各礦物成分不均勻的熱膨脹在極短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力就可將巖石破碎，采用本裝置進行深埋隧道鉆孔應(yīng)力釋放具有能量消耗少、環(huán)境污染小等特點。

附圖說明

圖1為本申請的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本申請的工作狀態(tài)圖。

圖3為均勻輻射型微波發(fā)射棒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為裂縫式微波發(fā)射棒的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置，所述TBM可以是敞開式或護盾式全斷面巖石掘進機，是一種由破巖、出渣和支護連續(xù)作業(yè)的綜合機械設(shè)備；在TBM機架9內(nèi)設(shè)有軸向的傳動絲杠10，在傳動絲杠10上滑動連接微波致裂系統(tǒng)，微波致裂系統(tǒng)末端設(shè)置微波發(fā)射棒2；在TBM機架9端部設(shè)有TBM刀盤1，在TBM刀盤1上設(shè)有通孔，微波致裂系統(tǒng)沿傳動絲杠10滑動，微波發(fā)射棒2從通孔中伸出，向鉆孔的巖石內(nèi)發(fā)送微波。

所述的微波致裂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，微波源8的輸出口通過矩形波導(dǎo)依次連接環(huán)形器水負(fù)載7、耦合器及檢波器6、調(diào)配器5和同軸轉(zhuǎn)換器4，同軸轉(zhuǎn)換器4末端連接同軸傳輸電纜3，同軸傳輸電纜3的末端連接微波發(fā)射棒2。所述微波源8為微波發(fā)生器在高壓電源的作用下發(fā)出高頻電磁波，微波發(fā)生器功率為30 kW及以上，頻率采用915 MHz，與頻率2450 MHz電磁波相比具有更大的穿透深度，該頻段電磁波更適用于現(xiàn)場破巖設(shè)備；微波致裂系統(tǒng)包括矩形波導(dǎo)、環(huán)形器和水負(fù)載7、耦合器及檢波器6、調(diào)配器5、同軸轉(zhuǎn)換器4和同軸傳輸電纜3，這些裝置依次相互連接，用于將微波源發(fā)出的微波能量低損耗地傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射裝置。所述環(huán)形器用于對傳輸?shù)奈⒉芰窟M行單向隔離，當(dāng)沒有被巖石吸收的微波能量反射回環(huán)形器時，被傳輸?shù)剿龅乃?fù)載裝置，將該部分微波能用冷卻水吸收，避免反射回的微波能損害微波發(fā)生器；所述耦合器和檢波器對微波入射和反射電流進行檢測；所述調(diào)配器對微波傳輸系統(tǒng)進行匹配調(diào)節(jié)；所述同軸轉(zhuǎn)換器用于將微波能量轉(zhuǎn)換為圓形同軸波導(dǎo)形式輸出；所述同軸波導(dǎo)為一種分米波同軸電纜，是一種用于雷達系統(tǒng)傳輸電磁波的電纜，主要由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成，在本發(fā)明中用于將微波能量傳輸?shù)轿⒉òl(fā)射裝置；

所述的微波發(fā)射棒2為均勻輻射型微波發(fā)射棒，結(jié)構(gòu)為由內(nèi)導(dǎo)體13、外導(dǎo)體14和介質(zhì)護套15組成，內(nèi)導(dǎo)體13和外導(dǎo)體14為同軸設(shè)置的金屬管體，在內(nèi)導(dǎo)體13和外導(dǎo)體14的端部共同連接介質(zhì)護套15，從內(nèi)導(dǎo)體13導(dǎo)出的微波從介質(zhì)護套15發(fā)出。其中介質(zhì)護套15材料為陶瓷、石英、有機玻璃等微波透射性材料。

所述的微波發(fā)射棒2為裂縫式微波發(fā)射棒，結(jié)構(gòu)為由外導(dǎo)管16和內(nèi)導(dǎo)管17同軸設(shè)置，在外導(dǎo)管16和內(nèi)導(dǎo)管17之間設(shè)置介質(zhì)材料，在外導(dǎo)管16上設(shè)有軸向的細長裂縫18，微波從細長裂縫18中發(fā)出。其中介質(zhì)材料為陶瓷、石英、有機玻璃等微波透射性材料。

采用所述的用于巖爆防治的TBM上微波應(yīng)力釋放裝置用于巖石預(yù)裂的方法，包括以下步驟：

1）在TBM進入具有潛在巖爆風(fēng)險洞段前，采用超前鉆機在施工前方掌子面打地質(zhì)鉆孔12，鉆孔12為水平孔或具有傾角的斜孔，根據(jù)巖爆風(fēng)險等級確定鉆孔的數(shù)量和鉆孔布局，孔徑大小使同軸傳輸電纜3和微波發(fā)射棒2能夠順利進入鉆孔12內(nèi)；

2）啟動傳動絲杠10，帶動微波致裂系統(tǒng)向掌子面方向移動，使同軸傳輸電纜3和微波發(fā)射棒2從TBM刀盤1上的圓孔中伸出，進入到其中的一個鉆孔12中；

3） 啟動微波源8，根據(jù)巖體巖石材料、含水率等特性選擇合適的微波功率，對鉆孔12的圍巖進行微波輻射處理，并調(diào)節(jié)傳動絲杠10，使得微波發(fā)射棒2在鉆孔12中前后移動，對整個鉆孔范圍進行微波輻射，使鉆孔12的圍巖產(chǎn)生裂紋；

4）將微波發(fā)射棒2收回后重新插入到另一個鉆孔12中，重復(fù)步驟3），最終對所有鉆孔進行微波輻射處理，從而達到應(yīng)力釋放的目的；

5）關(guān)閉微波電源，收回微波致裂系統(tǒng)，TBM刀盤1上的刀具開始切割巖石，進行應(yīng)力釋放區(qū)施工洞段開挖。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本裝置應(yīng)用于強巖爆或極強巖爆TBM施工深埋隧道，采用TBM超前鉆機在施工前方掌子面預(yù)先打地質(zhì)鉆孔，然后將微波巖石致裂裝置的同軸電纜和微波發(fā)射棒伸入到鉆孔中，對鉆孔周圍圍巖進行應(yīng)力釋放，從而達到TBM施工深埋隧道預(yù)防巖爆的目的；

（2）本裝置將TBM和微波巖石致裂系統(tǒng)進行一體化結(jié)合，在超前鉆機打完鉆孔后直接伸入微波棒進行巖石預(yù)裂，操作簡單，耗時少，效率高，有助于縮短工期；

（3）根據(jù)微波致裂巖石原理，采用高功率微波輻射巖石，巖石內(nèi)各礦物成分不均勻的熱膨脹在極短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力就可將巖石破碎，采用本裝置進行深埋隧道鉆孔應(yīng)力釋放具有能量消耗少、環(huán)境污染小等特點。