本發(fā)明涉及隧道施工領(lǐng)域，具體涉及一種微波輔助孤石處理裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)法施工在我國隧道領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但是在不良地質(zhì)中的掘進(jìn)依然是目前亟待解決的難題，特別是在不均勻地層中掘進(jìn)時(shí)突遇孤石的情形會(huì)極大的影響盾構(gòu)機(jī)的速度，針對(duì)這一難題，目前主要兩種方法應(yīng)對(duì)。當(dāng)前方孤石體量較小時(shí)，一般嘗試采用盾構(gòu)慢慢掘進(jìn)通過的方法，但是依然避免不了掘進(jìn)速度慢，刀具磨損嚴(yán)重甚至出現(xiàn)刀盤卡死的情況。當(dāng)孤石體量較大時(shí)，盾構(gòu)直接掘進(jìn)通過代價(jià)大，工程中在帶壓進(jìn)倉采用巖石劈裂機(jī)對(duì)孤石巖體進(jìn)行劈裂，但是這種辦法一是帶壓進(jìn)行作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、效率低，二是孤石完整性好沒有臨空面，巖石劈裂機(jī)的劈裂效果達(dá)不到預(yù)期，且?guī)r石劈裂機(jī)價(jià)格昂貴。

2、現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，在已公開的專利文獻(xiàn)中，專利cn?109596022?b提供了一種盾構(gòu)刀盤前孤石爆破處理的方法，該方法以盾構(gòu)的刀盤前方6000mm為分界線，劃分距離刀盤6000mm范圍內(nèi)為第一次爆破處理區(qū)，距離刀盤大于6000mm以外的范圍為后續(xù)爆破處理區(qū)。專利cn?209654040u公開了一種用于地鐵盾構(gòu)孤石和突出巖石爆破的射孔槍，該裝置利用彈性的卡扣將射孔彈固定在槍體中，安裝牢固，而且，由于對(duì)藥型罩進(jìn)行了改進(jìn)，降低彈間干擾，提高了射孔彈的穿孔性能。在既有研究中處理前方大體量孤石的方法多為采用爆破致裂的方式，該方式中爆破產(chǎn)生的沖擊波對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，不適用于全部地層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種微波輔助孤石處理裝置及方法，該裝置的致裂方式為微波能致裂，微波通過微波同軸將能量傳遞向四周巖石，巖石內(nèi)部的礦物離子在吸收微波能后會(huì)產(chǎn)生熱膨脹作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石的致裂，該發(fā)明具有自動(dòng)化程度高，操作簡單方便，微波致裂時(shí)間短，擾動(dòng)小，安全性高，效果好等優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

3、一種微波輔助孤石處理裝置，包括微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)和微波發(fā)生裝置，所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)包括用來探入巖石內(nèi)部的微波同軸鉆桿；微波發(fā)生裝置包括用來發(fā)射微波能的微波發(fā)生器，微波發(fā)生器通過鋁制合金管與微波同軸鉆桿連接；所述微波同軸鉆桿包含微波同軸和套設(shè)在微波同軸外部的螺旋空心鉆桿，所述螺旋空心鉆桿內(nèi)壁上設(shè)有用于使得微波同軸伸縮移動(dòng)的軌道槽，所述軌道槽內(nèi)部前端安裝有彈簧、后端連接有液壓油管，所述螺旋空心鉆桿外表面布設(shè)有螺旋旋轉(zhuǎn)齒，所述螺旋空心鉆桿前端設(shè)有空心鉆頭，所述微波發(fā)生器發(fā)射的微波通過螺旋空心鉆桿尾部的鋁制合金管傳遞至微波同軸進(jìn)行傳播；所述微波同軸外表面中間段固定安裝有可與軌道槽協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)微波同軸的前進(jìn)和收回的活塞環(huán)。

4、優(yōu)選地：所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)還包括用來驅(qū)動(dòng)微波同軸鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端上固定安裝有主動(dòng)齒輪，所述微波同軸鉆桿后端固定安裝有從動(dòng)齒輪，所述從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪相嚙合。

5、優(yōu)選地：所述活塞環(huán)將所述螺旋空心鉆桿內(nèi)壁上的軌道槽和微波同軸之間的密封空間密封分割成兩部分，彈簧頂在所述活塞環(huán)上，保證在尾端液壓油管注油施壓過程液壓油不會(huì)通過活塞環(huán)滲入前端彈簧部分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)的前進(jìn)，當(dāng)需要回退時(shí)，通過液壓油管進(jìn)行泄壓，活塞環(huán)便在彈簧的彈力作用下帶動(dòng)微波同軸回退。

6、優(yōu)選地：所述微波同軸鉆桿外部設(shè)有保護(hù)殼，所述微波同軸鉆桿的后端與鋁管相連，所述鋁管遠(yuǎn)離微波同軸鉆桿的一端固定連接有合金板。

7、優(yōu)選地：所述鋁管外部設(shè)有用來與合金板固定連接的金屬支架。

8、優(yōu)選地：所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)共包括有三組微波同軸鉆桿，所述微波同軸鉆桿與孤石接觸的一端為前端部，三組所述微波同軸鉆桿的前端部之間具有一定間距。

9、優(yōu)選地：微波輔助孤石處理裝置還包括多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐座；所述多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)包括可伸縮的一級(jí)機(jī)械臂和二級(jí)機(jī)械臂以及可以擺動(dòng)的三級(jí)機(jī)械臂；所述一級(jí)機(jī)械臂包括液壓驅(qū)動(dòng)裝置；所述二級(jí)機(jī)械臂和所述三級(jí)機(jī)械臂分別通過第四連接軸與所述回轉(zhuǎn)支撐座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述二級(jí)機(jī)械臂遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座一端與所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置中間通過第一連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述三級(jí)機(jī)械臂遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座一端通過第三連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接有連桿，所述連桿遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座一端通過第二連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置后端；所述合金板固定安裝在所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置的移動(dòng)端上。

10、優(yōu)選地：所述微波同軸前端安裝有防護(hù)機(jī)構(gòu)，可避免在微波同軸在照射巖石過程中碎屑對(duì)同軸造成損害。

11、優(yōu)選地：所述防護(hù)機(jī)構(gòu)為高溫耐熱陶瓷。

12、一種微波輔助孤石處理方法，使用了如上述的一種微波輔助孤石處理裝置，包括以下步驟：

13、步驟s1：當(dāng)掌子面前方出現(xiàn)孤石時(shí)，控制盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，啟動(dòng)多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)調(diào)整微波同軸鉆桿的高度、角度并將微波同軸鉆桿向前推進(jìn)；

14、步驟s2：微波同軸鉆桿接觸掌子面上的孤石，啟動(dòng)電機(jī)，微波同軸鉆桿在孤石上的鉆孔；

15、步驟s3：鉆孔結(jié)束后，外部液壓泵通過液壓油管向軌道槽后部供油，推動(dòng)活塞環(huán)前移，微波同軸向前伸出，到達(dá)鉆孔內(nèi)后啟動(dòng)微波發(fā)生器，微波能量傳遞至前方微波同軸，實(shí)現(xiàn)孤石內(nèi)部的致裂；

16、步驟s4：孤石致列裂后，微波同軸鉆桿回退，盾構(gòu)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀對(duì)孤石的破巖。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

18、1、本發(fā)明將新型微波破巖和傳統(tǒng)的機(jī)械破巖進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)在機(jī)械臂的輔助下實(shí)現(xiàn)孤石的更加自動(dòng)、高效安全爆破；

19、2、本發(fā)明的微波在同軸上的能量分布呈現(xiàn)為底部到前端頂部能量密度逐漸降低的規(guī)律，而同時(shí)設(shè)置三個(gè)微波同軸鉆桿結(jié)構(gòu)，并使其前端具有一定間距，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使得微波同軸鉆桿結(jié)構(gòu)可以同時(shí)在孤石上的三個(gè)位置進(jìn)行破碎，并且三個(gè)位置呈三角式，能夠?qū)崿F(xiàn)微波能量的充分利用，并且三個(gè)具有一定間距的破碎位置，使孤石充分致裂，如圖7所示；

20、3、相較于傳統(tǒng)的爆破處理孤石的方法，微波輔助處理孤石結(jié)構(gòu)具有對(duì)圍巖擾動(dòng)小，安全性能高，致裂時(shí)間短等優(yōu)勢，更加安全、高效；

21、4、該裝置整體結(jié)構(gòu)小，占用空間少，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的搭載和拆卸，因此具有操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)勢，使用更加簡單、便捷。

技術(shù)特征：

1.一種微波輔助孤石處理裝置，包括微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)(2)和微波發(fā)生裝置(4)，其特征在于：所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)(2)包括用來探入巖石(6)內(nèi)部的微波同軸鉆桿(1)；微波發(fā)生裝置(4)包括用來發(fā)射微波能(5)的微波發(fā)生器，微波發(fā)生器通過鋁制合金管與微波同軸鉆桿(1)連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)(2)還包括用來驅(qū)動(dòng)微波同軸鉆桿(1)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端上固定安裝有主動(dòng)齒輪(28)，所述微波同軸鉆桿(1)后端固定安裝有從動(dòng)齒輪(27)，所述從動(dòng)齒輪(27)與主動(dòng)齒輪(28)相嚙合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述活塞環(huán)(12)將所述螺旋空心鉆桿(15)內(nèi)壁上的軌道槽(14)和微波同軸(11)之間的密封空間密封分割成兩部分，彈簧(19)頂在所述活塞環(huán)(12)上，保證在尾端液壓油管(18)注油施壓過程液壓油不會(huì)通過活塞環(huán)(12)滲入前端彈簧(19)部分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)(12)的前進(jìn)，當(dāng)需要回退時(shí)，通過液壓油管進(jìn)行泄壓，活塞環(huán)(12)便在彈簧的彈力作用下帶動(dòng)微波同軸(11)回退。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述微波同軸鉆桿(1)外部設(shè)有保護(hù)殼(21)，所述微波同軸鉆桿(1)的后端與鋁管(22)相連，所述鋁管(22)遠(yuǎn)離微波同軸鉆桿(1)的一端固定連接有合金板(24)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述鋁管(22)外部設(shè)有用來與合金板(24)固定連接的金屬支架(23)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)(2)共包括有三組微波同軸鉆桿(1)，所述微波同軸鉆桿(1)與孤石接觸的一端為前端部，三組所述微波同軸鉆桿(1)的前端部之間具有一定間距。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：微波輔助孤石處理裝置還包括多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)(3)和回轉(zhuǎn)支撐座(34)；所述多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)(3)包括可伸縮的一級(jí)機(jī)械臂(31)和二級(jí)機(jī)械臂(33)以及可以擺動(dòng)的三級(jí)機(jī)械臂(311)；所述一級(jí)機(jī)械臂(31)包括液壓驅(qū)動(dòng)裝置(310)；所述二級(jí)機(jī)械臂(33)和所述三級(jí)機(jī)械臂(311)分別通過第四連接軸(39)與所述回轉(zhuǎn)支撐座(34)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述二級(jí)機(jī)械臂(33)遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座(34)一端與所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置(310)中間通過第一連接軸(36)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述三級(jí)機(jī)械臂(311)遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座(34)一端通過第三連接軸(38)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有連桿(35)，所述連桿(35)遠(yuǎn)離所述回轉(zhuǎn)支撐座(34)一端通過第二連接軸(37)轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置(310)后端；所述合金板(24)固定安裝在所述液壓驅(qū)動(dòng)裝置(310)的移動(dòng)端上。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述微波同軸(11)前端安裝有防護(hù)機(jī)構(gòu)(13)，可避免在微波同軸(11)在照射巖石過程中碎屑對(duì)同軸造成損害。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種微波輔助孤石處理裝置，其特征在于：所述防護(hù)機(jī)構(gòu)(13)為高溫耐熱陶瓷。

10.一種微波輔助孤石處理方法，其特征在于：使用了如權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的一種微波輔助孤石處理裝置，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種微波輔助孤石處理裝置及方法，涉及隧道施工領(lǐng)域，該裝置包括微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)和微波發(fā)生裝置，微波輔助致裂孤石機(jī)構(gòu)包括用來探入巖石內(nèi)部的微波同軸鉆桿；微波發(fā)生裝置包括用來發(fā)射微波能的微波發(fā)生器，微波發(fā)生器通過鋁制合金管與微波同軸鉆桿連接；出現(xiàn)孤石，啟動(dòng)多軸機(jī)械臂機(jī)構(gòu)向前探出，帶動(dòng)微波同軸鉆桿伸出；微波同軸鉆桿啟動(dòng)，在孤石上鉆孔；微波同軸伸出，到達(dá)鉆孔后啟動(dòng)微波發(fā)生器，微波能量傳遞至前方微波同軸，通過微波同軸將能量傳遞向四周巖石，巖石內(nèi)部的礦物離子在吸收微波能后會(huì)產(chǎn)生熱膨脹作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖石的致裂；該裝置自動(dòng)化程度高，操作簡單方便；方法微波致裂時(shí)間短，擾動(dòng)小，安全性高，效果更好。

技術(shù)研發(fā)人員：劉學(xué)勤,馮通,劉超尹,孫成果,李研,盧高明,周建軍,趙強(qiáng),王承山,麻超,李澤璘
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中鐵南方投資集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30