CN106979016A - 一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘 - Google Patents

Abstract

一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，刀盘正面开设有若干微波发射口，其外端孔口安装有透波防护板，刀盘内部设有若干微波发生机构，其与微波发射口数量相同且一一对应；若干微波发生机构在刀盘内具有两种分布方式，第一：在刀盘内均匀布置；第二：与刀盘上滚刀数量相同且一一对应布置，即每个滚刀旁布置一个微波发生机构及与该微波发生机构相对应的微波发射口；微波发生机构包括微波源、磁控管、矩形波导、环形器及微波聚焦辐射器；微波源与磁控管相连，磁控管与矩形波导一端相连，矩形波导另一端与环形器第一端口相连，环形器第二端口与微波聚焦辐射器相连，环形器第三端口连接有水负载；微波聚焦辐射器包括标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段。

Description

一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘

技术领域

本发明属于岩土工程及隧道工程技术领域，特别是涉及一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘。

背景技术

硬岩隧道掘进机作为隧道施工的主要方式之一，具有掘进速度快、利于环保及综合效益高等优点，能够实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌埋深的长隧道施工。

现阶段，利用硬岩隧道掘进机进行长隧道施工，就属于一种较为成熟的机械破岩法，而在传统的机械破岩法基础上，相关技术人员也曾提出了在微波辅助下进行机械破岩的想法。由于岩石内不同矿物成分对微波具有不同的吸收特性，而各矿物因不同的热膨胀所产生的内应力，会使岩石内部发生沿晶断裂和穿晶断裂，从而使岩石内部产生损伤和微裂纹，这会导致岩石的单轴抗压强度、抗拉强度及点载荷强度等降低，此时再进行机械破岩，便可解决破岩刀具易磨损的问题，进而充分发挥机械破岩的优势。

例如，公开号为104563883A的中国专利申请，就提出了一种微波辅助钻孔破岩方案，该方案中设定将辅助破岩微波发生器嵌入到钻头镶体的刀翼内部，而辅助破岩微波发生器的微波传导路径依次为磁控管、矩形波导管、同轴波导管及电极针，并最终通过电极针将微波发射出去。想要使岩石充分吸收微波能量，微波发射时的功率密度就至关重要，也是保证岩石能够在单位面积内尽可能多的吸收微波能量。可该专利申请中的辅助破岩微波发生器完全没有设置用于微波聚焦的部件，也就是说，磁控管发出的微波将以恒定的功率密度从电极针发射出去，想要充分实现岩石表面致裂，就必须提高磁控管的额定功率，但PDC钻头的尺寸范围是一定的，而钻头镶体的刀翼尺寸则更小，按照目前的技术水平，大功率磁控管因自身体积问题，是没法安装到小尺寸的PDC钻头刀翼内部的，如果为了满足安装条件而选择小功率磁控管，微波的功率密度又无法满足岩石表面致裂需要，进而就起不到辅助钻孔破岩的效果了。也就是说，公开号为104563883A的中国专利申请在短时间内是无法投入实际应用的。

而在隧道施工过程中，硬岩隧道掘进机刀盘与PDC钻头则完全不同，硬岩隧道掘进机刀盘在尺寸上要大得多，则使应用较大功率磁控管成为可能。但是，如何将微波发生设备设置到硬岩隧道掘进机刀盘中，且何种设置方式才能够满足隧道掘进时的微波辅助岩石预裂效果，目前仍然处于技术空白。另外，以目前的技术水平来说，依然只能采用恒定功率密度的微波进行岩石表面致裂，而由于磁控管的功率不可能无限制增大，岩石表面致裂效果还是难以达到理想要求。因此，必须对恒定功率密度微波进行聚焦，以提高微波发射时的功率密度，如此才能尽快满足工业化应用。目前，通用的角锥喇叭辐射天线虽然在一定程度上可以实行微波的聚焦发射，但角锥喇叭辐射天线的尺寸较大，且口径效率较低，对于岩石来说吸收效率也偏低，且能量损耗较大，岩石表面致裂效果也难以达到要求。

因此，为了尽快满足工业化应用，亟需设计一种具备微波辅助破岩能力的硬岩隧道掘进机刀盘，以充分发挥硬岩隧道掘进机的优势，有效提高隧道施工效率，并进一步降低隧道施工成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，有效满足了工业化应用，能够充分发挥硬岩隧道掘进机的优势，有效提高隧道施工效率，并进一步降低隧道施工成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，在刀盘正面开设有若干微波发射口，在微波发射口的外端孔口安装有透波防护板，微波发射口的内端孔口与刀盘内部相通，在刀盘内部设置有若干微波发生机构，微波发生机构与微波发射口数量相同且一一对应。

若干所述微波发生机构在刀盘内具有两种分布方式，第一种分布方式为：在刀盘内均匀布置；第二种分布方式为：与刀盘上的滚刀数量相同且一一对应布置，即每个滚刀的旁边布置有一个微波发生机构及与该微波发生机构相对应的微波发射口。

当若干所述微波发生机构在刀盘内采用第一种分布方式时，全部的微波发生机构具有相同的微波辐射功率，且刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构的数量按照如下公式计算得到：

式中，Q_R为刀盘转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，Q_r为刀盘转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，L_R为刀盘转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构转过的弧长，L_r为刀盘转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构转过的弧长，P为微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘的外圆圆周半径，r为刀盘的内圆圆周半径，N_R为刀盘外圆圆周上的微波发生机构的数量，N_r为刀盘内圆圆周上的微波发生机构的数量，θ为刀盘的转动角度。

当若干所述微波发生机构在刀盘内采用第二种分布方式时，全部的微波发生机构具有的微波辐射功率不同，且在刀盘的每单位转动路程上，刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构辐射的微波总能量相等，而刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率按照如下公式计算得到：

式中，P_R为刀盘外圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，P_r为刀盘内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘的外圆圆周半径，r为刀盘的内圆圆周半径，θ为刀盘的转动角度。

所述微波发生机构包括微波源、磁控管、矩形波导、环形器及微波聚焦辐射器；所述微波源与磁控管相连，磁控管与矩形波导一端相连，矩形波导另一端与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与微波聚焦辐射器相连，环形器的第三端口连接有水负载。

所述微波聚焦辐射器包括标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段，所述标准波导段用于接入微波源发出的微波，标准波导段与阻抗匹配段相连，阻抗匹配段与压缩辐射段相连；所述阻抗匹配段用于在标准波导段与压缩辐射段之间形成阻抗匹配，所述压缩辐射段用于形成并向外辐射高功率密度的微波，压缩辐射段嵌装于微波发射口内。

所述标准波导段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述阻抗匹配段采用变截面矩形金属腔体，变截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相配；所述阻抗匹配段的变截面矩形金属腔体的纵向窄边尺寸为由大到小的线性过渡，且纵向窄边的大尺寸端与标准波导段相连，纵向窄边的小尺寸端与压缩辐射段相连。

所述压缩辐射段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述微波源优选为频率2.45GHz且功率10kW及以下，所述矩形波导、标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段的横向宽边尺寸优选为109mm或86mm。

本发明的有益效果：

本发明的微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，有效满足了工业化应用，能够充分发挥硬岩隧道掘进机的优势，有效提高隧道施工效率，并进一步降低隧道施工成本。

附图说明

图1为本发明的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘正视图；

图2为本发明的微波发生机构结构示意图；

图中，1—微波发射口，2—微波源，3—磁控管，4—矩形波导，5—环形器，6—微波聚焦辐射器，7—标准波导段，8—阻抗匹配段，9—压缩辐射段，10—刀盘，11—滚刀，12—透波防护板，13—水负载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，在刀盘10正面开设有若干微波发射口1，在微波发射口1的外端孔口安装有透波防护板12，微波发射口1的内端孔口与刀盘内部相通，在刀盘内部设置有若干微波发生机构，微波发生机构与微波发射口1数量相同且一一对应。所述透波防护板12可由聚四氟乙烯材料制成，既能保证微波很好的穿透，又能阻止岩石碎块进入微波发射口1。

若干所述微波发生机构在刀盘10内具有两种分布方式，第一种分布方式为：在刀盘10内均匀布置；第二种分布方式为：与刀盘10上的滚刀11数量相同且一一对应布置，即每个滚刀11的旁边布置有一个微波发生机构及与该微波发生机构相对应的微波发射口1。

当若干所述微波发生机构在刀盘10内采用第一种分布方式时，全部的微波发生机构具有相同的微波辐射功率，且刀盘10外圆圆周和刀盘10内圆圆周上的微波发生机构的数量按照如下公式计算得到：

式中，Q_R为刀盘10转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，Q_r为刀盘10转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，L_R为刀盘10转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构转过的弧长，L_r为刀盘10转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构转过的弧长，P为微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘10的外圆圆周半径，r为刀盘10的内圆圆周半径，N_R为刀盘10外圆圆周上的微波发生机构的数量，N_r为刀盘10内圆圆周上的微波发生机构的数量，θ为刀盘10的转动角度。

当若干所述微波发生机构在刀盘10内采用第二种分布方式时，全部的微波发生机构具有的微波辐射功率不同，且在刀盘10的每单位转动路程上，刀盘10外圆圆周和刀盘10内圆圆周上的微波发生机构辐射的微波总能量相等，而刀盘10外圆圆周和刀盘10内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率按照如下公式计算得到：

式中，P_R为刀盘10外圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，P_r为刀盘10内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘10的外圆圆周半径，r为刀盘10的内圆圆周半径，θ为刀盘10的转动角度。

所述微波发生机构包括微波源2、磁控管3、矩形波导4、环形器5及微波聚焦辐射器6；所述微波源2与磁控管3相连，磁控管3与矩形波导4一端相连，矩形波导4另一端与环形器5的第一端口相连，环形器5的第二端口与微波聚焦辐射器6相连，环形器5的第三端口连接有水负载13。根据实际安装需要，如果有必要的话，还可在环形器5的第二端口与微波聚焦辐射器6之间加装90°矩形波导转接弯头，进而使微波辐射方向发生90°转向。

所述微波聚焦辐射器6包括标准波导段7、阻抗匹配段8及压缩辐射段9，所述标准波导段7用于接入微波源2发出的微波，标准波导段7与阻抗匹配段8相连，阻抗匹配段8与压缩辐射段9相连；所述阻抗匹配段8用于在标准波导段7与压缩辐射段9之间形成阻抗匹配，所述压缩辐射段8用于形成并向外辐射高功率密度的微波，压缩辐射段8嵌装于微波发射口1内。

所述标准波导段7采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源2发出的微波波长相匹配。

所述阻抗匹配段8采用变截面矩形金属腔体，变截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相配；所述阻抗匹配段8的变截面矩形金属腔体的纵向窄边尺寸为由大到小的线性过渡，且纵向窄边的大尺寸端与标准波导段7相连，纵向窄边的小尺寸端与压缩辐射段9相连。

所述压缩辐射段9采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述微波源2优选为频率2.45GHz且功率10kW及以下，此时的微波发生机构具有体积小、易维护、成本低及便于在刀盘上安装的特点，所述矩形波导4、标准波导段7、阻抗匹配段8及压缩辐射段9的横向宽边尺寸优选为109mm或86mm，其对应的国家标准型号为BJ22或BJ26(其对应的美EIA标准型号为WR430或WR340)。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

建议对刀盘10内的全部的微波发生机构统一采用集成控制模式，使任一微波发生机构的微波辐射功率、微波辐射时间及启停状态都能够单独控制，不但可以节约刀盘10内的安装空间，又便于操作和检修。

当硬岩隧道掘进机安装了本发明的刀盘后，在掘进施工前，根据现场工程岩体对微波的实际吸收能力，确定微波辐射与刀具切割的配合方式。

当现场工程岩体对微波的吸收能力较强时，微波辐射与刀具切割可同时进行，即通过刀盘10转动使滚刀11切割岩体，同时启动微波发生机构对岩石进行微波辐射，实现边致裂边掘进的目的。

当现场工程岩体对微波的吸收能力较弱时，微波辐射与刀具切割可交替进行，即先启动微波发生机构对岩石进行微波辐射，等到岩石达到一定的致裂效果后，再通过刀盘10转动使滚刀11切割岩体，且在掘进的同时不用停止微波辐射。当致裂岩石被切割掉后，暂停推进，等后面的岩石再次达到一定的致裂效果后，再恢复推进，如此往复进行推进即可。

微波发生机构的工作原理为：微波源2将交流电能转换为直流电能，磁控管3再将直流电能转换为微波能，所产生的微波首先通过矩形波导4进入环形器5内，微波在环形器5内进行单向环形传输，并通过环形器5的第二端口进入微波聚焦辐射器6的标准波导段7内，进而通过标准波导段7向阻抗匹配段8的变截面矩形金属腔体内输入微波，微波会在标准波导段7与压缩辐射段9之间逐渐实现阻抗匹配并进行聚焦，同时也是微波功率密度逐渐提高的过程，直到微波传输到压缩辐射段9，在压缩辐射段9内的微波功率密度已达到最高值，最后通过压缩辐射段9将微波定向辐射出去，首先穿过透波防护板12射出刀盘10，再通过空气介质传输到岩石表面，使岩石充分吸收微波能量，从而达到致裂岩石的效果。而由微波聚焦辐射器6反射回的微波将通过环形器5的第三端口进入水负载13内，通过在水负载13内进行水循环将反射回的微波能量消耗掉，用以保护环形器5和微波聚焦辐射器6的安全。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：在刀盘正面开设有若干微波发射口，在微波发射口的外端孔口安装有透波防护板，微波发射口的内端孔口与刀盘内部相通，在刀盘内部设置有若干微波发生机构，微波发生机构与微波发射口数量相同且一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：若干所述微波发生机构在刀盘内具有两种分布方式，第一种分布方式为：在刀盘内均匀布置；第二种分布方式为：与刀盘上的滚刀数量相同且一一对应布置，即每个滚刀的旁边布置有一个微波发生机构及与该微波发生机构相对应的微波发射口。

3.根据权利要求2所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：当若干所述微波发生机构在刀盘内采用第一种分布方式时，全部的微波发生机构具有相同的微波辐射功率，且刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构的数量按照如下公式计算得到：

$\frac{Q_R}{L_R}=\frac{Q_r}{L_r}$

$\frac{N_{R}PT}{\mathrm{\θ}R}=\frac{N_{r}PT}{\mathrm{\θ}r}$

$\frac{N_R}{N_r}=\frac{R}{r}$

式中，Q_R为刀盘转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，Q_r为刀盘转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构辐射的微波总能量，L_R为刀盘转动θ角度时外圆圆周上微波发生机构转过的弧长，L_r为刀盘转动θ角度时内圆圆周上微波发生机构转过的弧长，P为微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘的外圆圆周半径，r为刀盘的内圆圆周半径，N_R为刀盘外圆圆周上的微波发生机构的数量，N_r为刀盘内圆圆周上的微波发生机构的数量，θ为刀盘的转动角度。

4.根据权利要求2所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：当若干所述微波发生机构在刀盘内采用第二种分布方式时，全部的微波发生机构具有的微波辐射功率不同，且在刀盘的每单位转动路程上，刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构辐射的微波总能量相等，而刀盘外圆圆周和刀盘内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率按照如下公式计算得到：

$\frac{P_{R}T}{\mathrm{\θ}R}=\frac{P_{r}T}{\mathrm{\θ}r}$

$\frac{P_R}{P_r}=\frac{R}{r}$

式中，P_R为刀盘外圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，P_r为刀盘内圆圆周上的微波发生机构的微波辐射功率，T为微波发生机构的微波辐射时间，R为刀盘的外圆圆周半径，r为刀盘的内圆圆周半径，θ为刀盘的转动角度。

5.根据权利要求1所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述微波发生机构包括微波源、磁控管、矩形波导、环形器及微波聚焦辐射器；所述微波源与磁控管相连，磁控管与矩形波导一端相连，矩形波导另一端与环形器的第一端口相连，环形器的第二端口与微波聚焦辐射器相连，环形器的第三端口连接有水负载。

6.根据权利要求5所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述微波聚焦辐射器包括标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段，所述标准波导段用于接入微波源发出的微波，标准波导段与阻抗匹配段相连，阻抗匹配段与压缩辐射段相连；所述阻抗匹配段用于在标准波导段与压缩辐射段之间形成阻抗匹配，所述压缩辐射段用于形成并向外辐射高功率密度的微波，压缩辐射段嵌装于微波发射口内。

7.根据权利要求6所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述标准波导段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

8.根据权利要求6所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述阻抗匹配段采用变截面矩形金属腔体，变截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相配；所述阻抗匹配段的变截面矩形金属腔体的纵向窄边尺寸为由大到小的线性过渡，且纵向窄边的大尺寸端与标准波导段相连，纵向窄边的小尺寸端与压缩辐射段相连。

9.根据权利要求6所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述压缩辐射段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

10.根据权利要求6所述的一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘，其特征在于：所述微波源优选为频率2.45GHz且功率10kW及以下，所述矩形波导、标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段的横向宽边尺寸优选为109mm或86mm。