[發(fā)明專利]一種基于真三軸加載的巖石微波致裂試驗裝置

有效

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• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108678761B
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮夏庭;盧高明;李元輝;張希巍;姜超;童天揚;龔彥華
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;E21D9/087;E21D9/00;G09B25/02;H05B6/64
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

一種基于真三軸加載的巖石微波致裂試驗裝置，包括真三軸加載組件和微波輻射致裂組件，微波輻射致裂組件共設(shè)有兩套，分別為微波輻射表面致裂組件和微波輻射孔內(nèi)致裂組件；真三軸加載組件包括固定式加載框架、移動式加載框架、底座、軌道、滑臺及兩自由度移動架；在固定式加載框架上設(shè)有兩組Z向作動器和兩組Y向作動器，在移動式加載框架上設(shè)有一組X向作動器；巖石試樣加載腔位于固定式加載框架中部；移動式加載框架及滑臺均通過滑塊設(shè)置在軌道上；微波輻射表面致裂組件和微波輻射孔內(nèi)致裂組件均通過兩自由度移動架安裝在滑臺上，滑臺和兩自由度移動架均通過伺服電機驅(qū)動；在移動式加載框架上設(shè)有微波屏蔽網(wǎng)，試驗裝置整體置于電磁屏蔽室內(nèi)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程及采礦工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于真三軸加載的巖石微波致裂試驗裝置。

背景技術(shù)

微波輔助破巖技術(shù)是一種極具潛力的新興破巖技術(shù)，在機械刀具切削巖石前，通過微波預(yù)先輻射致裂巖石，降低巖石的單軸壓縮、抗拉和點荷載強度等力學(xué)特性，解決機械法破碎硬巖時刀具易磨損的問題，即可提高破巖效率，還可降低破巖成本。

在隧道施工中，利用盾構(gòu)機和TBM刀盤進行隧道盾構(gòu)施工的方式已越來越廣泛，但由于孤石的影響，經(jīng)常出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、刀座變形及更換困難的情況，刀盤磨耗會導(dǎo)致刀盤強度和剛度降低，刀盤受力不均勻會導(dǎo)致主軸承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞及盾構(gòu)負(fù)載加大等弊端。

例如，在2004年，廣州地鐵三號線工程在天華區(qū)間遇到花崗巖孤石群，正常情況下盾構(gòu)機幾百米才換一次刀具，而在這個區(qū)間，盾構(gòu)機每前進十幾米就需更換刀具，有些地方巨大的孤石塊迎面擋在隧道前方，使盾構(gòu)機根本無法通過，該盾構(gòu)區(qū)間曾一度停工，工程無法推進，被地鐵界公認(rèn)為“世界性難題”。在2006年，廣州地鐵三號線工程在天河五山附近地下曾遇到孤石群，導(dǎo)致一天才推進7cm，致使停工半年，后采用多種爆破技術(shù)才解決。在2009年，廣州地鐵三號線工程在北延段遇到孤石群，由于距離南方醫(yī)院住院部大樓太近，不能采取爆破方式，只能進行人工挖掘，原本盾構(gòu)機一天的施工量，導(dǎo)致半年才完成。在2016年，廣州地鐵六號線工程在蘇元至蘿崗區(qū)間，開倉換刀的次數(shù)就高達(dá)200多次。

利用TBM刀盤開挖硬巖隧道時，經(jīng)常受到刀盤磨損嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致?lián)Q刀相當(dāng)頻繁，這極大的提高了維修成本，也嚴(yán)重影響了施工進度。

據(jù)不完全統(tǒng)計，刀具消耗費用約占項目成本的30％～40％，而刀具維護更換時間也約占項目工期的30％～40％。

例如，青島地鐵2號線工程在盾構(gòu)施工過程中，遭遇高硬度花崗巖，導(dǎo)致刀具磨損較大，每天就需要更換3～5把刀具，僅刀具成本就在8000元/米左右。在引漢濟渭工程秦嶺隧洞盾構(gòu)施工過程中，遇到堅硬類石英巖和花崗巖，在總計2000m掘進距離中，共計更換中心刀38把，單刀1668把，消耗單刀刀圈858個，使得施工成本顯著增加，而且嚴(yán)重影響了施工進度。

由于TBM刀盤的設(shè)計與巖石性質(zhì)和地質(zhì)條件有著密切的關(guān)系，巖石點荷載強度、單軸壓縮強度和抗拉強度是影響刀盤壽命和貫入度的重要參數(shù)，而巖石強度的降低則可在一定程度上提高刀盤的壽命和貫入度，通過微波輻射恰好可以顯著降低巖石的強度。

由于許多隧道開挖工程都屬于深部巖體工程，受到地應(yīng)力的作用，深部工程巖體往往處于三向高應(yīng)力狀態(tài)下，由于不同應(yīng)力作用下巖石的微波致裂作用效果是不一樣的，那么就需要研究在不同應(yīng)力作用下巖石的微波致裂效果。

因此，為了更好地模擬盾構(gòu)機和TBM刀盤旋轉(zhuǎn)時微波輻射對巖石的致裂效果，研發(fā)一種基于真三軸加載的巖石微波致裂試驗裝置及方法十分必要。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于真三軸加載的巖石微波致裂試驗裝置，不但能夠模擬盾構(gòu)機和TBM刀盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時對真三軸加載下的巖石試樣進行表面微波輻射致裂，還可在固定狀態(tài)下對真三軸加載下的巖石試樣進行孔內(nèi)微波輻射致裂，進而獲得不同應(yīng)力作用下巖石試樣的微波致裂作用效果。