一种基于微波预裂的螺旋水平钻机及软岩隧道掘进方法与流程

本发明涉及隧道掘进装备及掘进方法，特别涉及一种基于微波预裂的螺旋水平钻机及软岩隧道掘进方法。

背景技术：

1、21世纪以来，我国西部艰险复杂山区规划建设了大量深埋长大软岩隧道工程。面对艰险复杂山区深埋长大软岩隧道工程，经常会出现软岩地层夹杂有硬岩地层以及软硬岩层等复合岩层。

2、传统螺旋水平钻机只能用于当软岩大变形隧道的岩石单轴抗压强度较低且断面较小的情况，适应性不强。因此，当传统螺旋水平钻机遇到硬岩不仅很难掘进入岩，而且易导致钻具和钻杆损坏，严重影响施工工期和工程造价。此外，传统螺旋水平钻机的钻具刀盘直径较小，一般只能适用于小直径洞室掌子面开挖。

3、综上，如何解决螺旋水平钻机无法适用于软硬岩层以及满足不同洞室掌子面直径需求对钻具进行不可逆改造等问题，成为本领域技术人员急需解决的重大问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，以有效提高螺旋水平钻机的掘进效率，同时能够有效减少钻具刀盘的磨损，缩短施工周期，节约工程造价。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、本发明的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，包括钻机装置、钻杆、钻具刀盘和履带式汽车，钻机装置固定设置在履带式汽车上，钻杆首尾分别与钻机装置和钻具刀盘连接，其特征是：还包括微波发射装置和高压注水装置，所述微波发射装置包括微波发射控制器、微波发射头、磁控管和冷却系统；所述钻具刀盘旋转中心设有与钻杆内腔相通的圆形通孔磁控管、冷却系统设置于钻杆内腔内，冷却系统位于磁控管外，微波发射头位于圆形通孔内；所述高压注水装置设置在履带式汽车上。

4、所述钻具刀盘本体上沿径向和圆形通孔左右两侧设有若干个滚刀，滚刀连接于钻具刀盘本体的转轴，圆形通孔贯穿该转轴。

5、所述钻具刀盘的外侧周向间隔设置还设置有扩孔卡座，用于安装扩孔刀具。

6、本发明所要解决的另一技术问题是提供采用上述一种基于微波预裂的螺旋水平钻机的软岩隧道掘进方法，该方法包括如下步骤：

7、①将螺旋水平钻机运行至掘进隧道掌子面前方，检查螺旋水平钻机是否正常运转，开始机械掘进土质或软岩地层，直至遇到硬岩地层，停止螺旋水平钻机机械掘进；

8、②启动微波发射装置，将微波发射头接触隧道掌子面岩体，利用微波将隧道掌子面岩体加热至500～600℃，同时向磁控管外侧冷却系统注入冷却介质对磁控管进行冷却；

9、③达到预定温度后，关闭微波发射装置，开启高压注水装置，喷淋隧道掌子面岩体，在隧道掌子面岩体温度降低至100～200℃时，关闭高压注水装置；

10、④重复步骤②～③，使隧道掌子面岩体处于冷热循环过程中，直至隧道掌子面岩体出现明显裂隙或破坏；

11、⑤启动螺旋水平钻机进行机械掘进；

12、⑥重复②～⑤，直至螺旋水平钻机机械掘进越过硬岩地层。

13、本发明的有益效果是主要体现在如下方面：

14、一、利用微波发射设备向隧道围岩掌子面发射微波，冲击并破坏软岩地层中硬岩岩体，提高了螺旋水平钻机的掘进效率，同时能够有效减少钻具刀盘的磨损，缩短施工周期，节约工程造价；

15、二、微波的发射能量根据前方隧道围岩掌子面地质条件，可通过微波发射控制器、电源存储设备进行调节控制，隧道围岩的地质条件适应范围广；

16、三、将滚刀固定在钻具刀盘转轴上，能够确保滚刀对前方隧道围岩掌子面岩体的破坏力，提高螺旋水平钻机的掘进速度和效率，增加钻具刀盘和滚刀的使用寿命；

17、四、在钻具刀盘外侧设置有扩孔卡座，将滚刀和刮刀固定在扩孔卡座，能够扩展隧道掌子面，适应不同隧道断面开挖。

18、本发明能有效提高螺旋水平钻机的掘进效率，同时能够有效减少钻具刀盘的磨损，缩短施工周期，节约工程造价。

技术特征：

1.一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，包括钻机装置(40)、钻杆(30)、钻具刀盘和履带式汽车(70)，钻机装置(40)固定设置在履带式汽车(70)上，钻杆(30)首尾分别与钻机装置(40)和钻具刀盘(20)连接，其特征是：还包括微波发射装置(50)和高压注水装置(60)，所述微波发射装置(50)包括微波发射控制器(51)、微波发射头(511)、磁控管(52)和冷却系统(521)；所述钻具刀盘(20)旋转中心设有与钻杆(30)内腔相通的圆形通孔(21)，磁控管(52)、冷却系统(521)设置于钻杆(30)内腔内，冷却系统(521)位于磁控管(52)外，微波发射头(511)位于圆形通孔(21)内；所述高压注水装置(60)设置在履带式汽车(70)上。

2.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述微波发射装置(50)还包括水负载(53)、耦合器及检波器(54)、调配器(55)、转换器(56)和电源存储设备(58)，微波发射控制器(51)信号传输控制导线(57)分别电连接电源存储设备(58)、磁控管(52)，微波发射控制器(51)中的磁控管输出口通过矩形波导依次与水负载(53)、耦合器及检波器(54)、调配器(55)、转换器(56)电连接，转换器(56)末端通过所述微波传输电缆(512)与微波发射头(511)电连接。

3.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述冷却系统(521)的冷却介质为液态氮气、液态二氧化碳或者水溶液。

4.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述高压注水装置(60)由高压抽水泵(61)、高压抽水管(62)、高压储水箱(63)构成，高压储水箱(63)固定设置在履带式汽车(70)上，高压抽水泵(61)设置于高压储水箱(63)内，高压抽水管(62)与高压抽水泵(61)连接。

5.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述钻具刀盘(20)本体上沿径向和圆形通孔(21)左右两侧设有若干个滚刀(22)，滚刀(22)连接于钻具刀盘(20)本体的转轴，圆形通孔(21)贯穿该转轴。

6.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述钻具刀盘(20)的外侧周向间隔设置还设置有扩孔卡座(23)，用于安装扩孔刀具。

7.如权利要求1所述的一种基于微波预裂的螺旋水平钻机，其特征在于：所述钻杆(30)由若干个螺旋钻杆(32)通过相配套的螺纹(33)纵向拼接组成。

8.采用如权利要求1至7任意一项所述一种基于微波预裂的螺旋水平钻机的软岩隧道掘进方法，包括如下步骤：

技术总结一种基于微波预裂的螺旋水平钻机及软岩隧道掘进方法，以有效提高螺旋水平钻机的掘进效率，同时能够有效减少钻具刀盘的磨损，缩短施工周期，节约工程造价。包括钻机装置、钻杆、钻具刀盘和履带式汽车，钻机装置固定设置在履带式汽车上，钻杆首尾分别与钻机装置和钻具刀盘连接，其特征是：还包括微波发射装置和高压注水装置，所述微波发射装置包括微波发射控制器、微波发射头、磁控管和冷却系统。所述钻具刀盘旋转中心设有与钻杆内腔相通的圆形通孔磁控管、冷却系统设置于钻杆内腔内，冷却系统位于磁控管外，微波发射头位于圆形通孔内。所述高压注水装置设置在履带式汽车上。技术研发人员：陈明浩,徐正宣,付开隆,李东,丁文富,龙清亮,杨维博,余行健受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9