[發(fā)明專利]一種搭載于TBM上的超前激光鉆機(jī)及工作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011394881.1
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112627836B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉斌;胡蒙蒙;李彪;陳磊;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: E21D9/10
• 分類號: E21D9/10;E21D9/11;E21D9/12;E21B10/00;E21B7/15;E21B17/04;E21B17/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 祖之強(qiáng)

本公開提供了一種搭載于TBM上的超前激光鉆機(jī)及工作方法，至少包括激光鉆頭、清孔鉆頭、連接部件和激光鉆桿；激光鉆頭包括排渣流體端口和激光發(fā)射終端，連接部件包括通過第一軸承套接的內(nèi)筒和外筒；激光鉆桿包括通過第二軸承套接的內(nèi)鉆桿和外鉆桿；激光發(fā)生裝置通過至少一根連續(xù)的激光光纖穿過內(nèi)鉆桿和內(nèi)筒的連續(xù)空間后與激光發(fā)射終端連接，排渣流體供給端口通過內(nèi)鉆桿和內(nèi)筒的連續(xù)空間與排渣流體端口連通；本公開解決了對TBM掌子面前巖體的水平快速鉆進(jìn)的難題，為揭露隧道掌子面前方地層巖性、構(gòu)造、地下水、軟弱夾層等地質(zhì)體及其性質(zhì)提供了一種快速有效的勘察方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及超前勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種搭載于TBM上的超前激光鉆機(jī)及工作方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關(guān)的背景技術(shù)，并不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

目前巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM，Tunnel Boring Machine)已廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路公路、市政工程等隧道工程。隧道工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，TBM施工中常遭遇突水突泥、斷層破碎帶等不良地質(zhì)情況，為保證施工安全和效率，掌子面前方地質(zhì)準(zhǔn)確的超前勘察非常重要。

目前超前勘察主要分為地球物理探測和超前水平鉆探兩大類。相比地球物理探測，超前水平鉆探能夠直接揭露隧道掌子面前方地層巖性、構(gòu)造、地下水、軟弱夾層等地質(zhì)體及其性質(zhì)，是一種精度更高的直接有效的超前勘察方法。目前TBM一般都配備一臺超前地質(zhì)鉆機(jī)，受限于TBM結(jié)構(gòu)，超前鉆機(jī)一般搭載于刀盤主軸承后側(cè)，主要用于超前錨桿或超前預(yù)注漿，其鉆探方向與隧道軸線的最小夾角為7°，不能向正前方鉆探，導(dǎo)致鉆探存在很大盲區(qū)，難以滿足百米級甚至千米超前勘察的需求。地質(zhì)鉆機(jī)鉆進(jìn)速度慢，并且鉆進(jìn)施工需要在TBM停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行，若實施百米以上超前鉆進(jìn)，勢必嚴(yán)重影響了施工速度，經(jīng)濟(jì)效益低下。因此，如何實現(xiàn)地質(zhì)鉆機(jī)在掌子面前方的水平、快速鉆進(jìn)，是TBM超前水平鉆探面臨的關(guān)鍵性理論和技術(shù)難題。

研究表明，激光鉆孔破巖速度是傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔的10到100倍，在石油鉆井領(lǐng)域有深厚的研究基礎(chǔ)，將其應(yīng)用到TBM水平鉆探領(lǐng)域潛力巨大。激光鉆孔裝備一般包括激光發(fā)生器與冷卻裝置、傳輸裝置、排渣裝置等，這些設(shè)備體積較大，需要專門空間安放。在石油鉆井中領(lǐng)域，激光鉆孔裝備一般安裝在地面；主要進(jìn)行豎向鉆孔，激光作用形成的巖熔沿著孔壁向下流動，對孔形影響較小；主要關(guān)注成孔效率與順利排渣，對于孔壁的礦物成分無太多要求。

本公開發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在TBM水平鉆探中，由于TBM本身結(jié)構(gòu)緊湊、搭載機(jī)具眾多，可利用空間非常有限，更無專門用于水平鉆探的預(yù)留接口，要實現(xiàn)激光鉆孔整套設(shè)備與TBM現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的合理融合，既保證鉆探安全高效又不影響TBM正常掘進(jìn)十分困難。特別是大功率激光的傳輸對接頭的要求非常高，接頭稍有誤差就會燒毀，因此目前在野外作業(yè)中，盡量少用或者不用激光接頭是十分務(wù)實可靠的選擇，而這對激光鉆孔技術(shù)的實施增加了困難。一般水平鉆探的目的是探水、探巖性與結(jié)構(gòu)等；若使用激光進(jìn)行鉆孔，探水主要確保既有裂隙的有效揭露，而探巖性與結(jié)構(gòu)則需要揭露原巖，進(jìn)而通過掃描、攝像等裝備輔助進(jìn)行。基于此，TBM的激光水平鉆探需要清除孔壁的熔融物并形成規(guī)則孔形。清除孔壁的熔融物，一方面可防止巖熔將既有裂隙封死，造成地下水誤判，另一方面將巖石原有礦物揭露出來，為探察巖性與結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)；巖孔深形成一致的規(guī)則孔形則為掃描、攝像等裝備順利進(jìn)出鉆孔提供條件；而現(xiàn)有技術(shù)中激光水平鉆探與TBM還無法有效的結(jié)合，導(dǎo)致超前鉆探的效果無法達(dá)到理想預(yù)期。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本公開提供了一種搭載于TBM上的超前激光鉆機(jī)及工作方法，能夠解決現(xiàn)有的隧道巖石掘進(jìn)機(jī)可利用空間狹小而激光鉆機(jī)設(shè)備體積龐大的矛盾，能夠保證大功率激光生成、傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕軌蚩焖傩纬蓤A形鉆孔、清除巖石熔融物并揭露孔壁巖性與結(jié)構(gòu)，保障了TBM超前水平鉆探的有效性和可行性。

為了實現(xiàn)上述目的，本公開采用如下技術(shù)方案：

本公開第一方面提供了一種搭載于TBM上的超前激光鉆機(jī)。