一种隧道全断面热熔破岩装置及方法

本发明属于地下工程施工技术领域，具体涉及一种隧道全断面热熔破岩装置及方法。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

建设山区高速铁路中,其中隧道的修建往往是整个工程占比最大的，所以隧道开挖速度和施工质量直接影响着高速铁路所带来的社会经济效益。

目前，在隧道开挖的过程中，在地质条件好的区域通常会采用爆破的形式进行，爆破伴随着大量岩石被破碎使其与母岩剥离。岩石破碎意味其利用率将大打折扣，同时碎石的处理还会额外提高工程成本；传统爆破方式存在震动性大、碎石飞溅、粉尘污染等问题严重影响施工人员安全，不利于环保；同时在爆破前将钻孔等设备进行撤除影响建设效率。此外，目前在隧道热熔破岩装置的研发较少，没有全套的隧道硬岩完整性开挖装置。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种隧道全断面热熔破岩装置及方法，该装置具有机械化程度高、岩石整体性好、易于支护的特点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种隧道全断面热熔破岩装置，包括：

热熔发生装置，其包括多个水平设置的加热管，加热管固定于控制盘，控制盘与液压推进装置连接，液压推进装置可推动控制盘进而带动加热管水平移动；

履带式台车，其顶部设置固定框架，固定框架侧部设置轮轴式升降装置，液压推进装置与轮轴式升降装置连接，以带动热熔发生装置上下移动。

作为进一步的技术方案，所述轮轴式升降装置包括链条，链条绕过链轮设置，链条通过限位卡块与热熔发生装置连接，链轮与动力装置连接。

作为进一步的技术方案，所述控制盘底部设置槽口，对应于槽口处设置输送机，输送机将熔融状岩体输送至岩融仓。

作为进一步的技术方案，所述输送机的输送表面带有隔热挡板；所述岩融仓设置于岩体输送装置以将废渣运出。

作为进一步的技术方案，所述岩体输送装置对应设置于循环冷凝装置下方，循环冷凝装置底部带有添加剂喷口以向岩融仓内添加低温添加剂。

作为进一步的技术方案，所述控制盘和液压推进装置之间设置推力传感器以检测热熔破岩过程中的受力。

作为进一步的技术方案，所述履带式台车还固定设置同步控制装置，同步控制装置与推力传感器、液压推进装置连接。

作为进一步的技术方案，还包括净化排气装置，以将热熔作业以及循环冷凝装置产生的大量水汽中有毒物质过滤吸附后抽排。

第二方面，本发明实施例还提供了一种如上所述的隧道全断面热熔破岩装置的施工方法，包括以下步骤：

在岩体钻孔割缝，沿缝隙嵌入隔热护盾，操控履带式台车进入隧道预定作业区域；

对硬岩工作面进行钻孔，液压推进装置将加热管放入钻孔中，将加热管升温接触硬岩进行熔化，逐步将加热管全部进入岩体内部；

使热熔发生装置上下移动，实现对隧道硬岩全断面的热熔；

热熔过程中呈熔融状岩体输送进入岩融仓汇集，经冷却加工成型后由岩体输送装置运出；

操作履带式台车离开作业区，进行衬砌施工。

作为进一步的技术方案，加热管置入岩体过程中，通过推力传感器监测加热管受力情况，以判断岩体熔化的情况，根据受力情况控制液压推进装置将加热管逐步推进岩体内部。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的加热管由液压推进装置推进硬岩，加热管与硬岩内部接触后，通过推力传感器反馈参数变化，工作人员实时调整高性能加热管推进速度，加快施工进度。同时可通过轮轴式升降装置对热熔发生装置和液压推进系统高低位置的变化，实现对隧道硬岩全断面的热熔，开挖面平整精确不会超挖、欠挖。

本发明的岩融仓可自动调节尺寸大小，将汇集的熔融状岩石制作成满足需求的形状，同时可以添加不同成份，制作为高性能建材，形成高附加值环保产品，市场需求大。

本发明的施工方法是，根据工程需要在隧道围岩断面尺寸边缘进行钻孔割缝，将高强隔热护盾嵌入硬岩指定深度和位置，对围岩扰动小，减少孤石、落石危险的出现，可在不损伤围岩周边岩体强度的情况下使热熔主体装置准确、高效的进行破岩，同时也对热熔发生装置工作时起到隔热的作用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的热熔破岩装置示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的热熔破岩装置工作示意图；

图3是热熔破岩装置工作过程中隔热护盾嵌入示意图；

图4是绝热智能控制盘中高性能加热管布置示意图；

图5是轮轴式升降装置结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、高性能加热管，2、液压推进装置，3、轮轴式升降装置，4、循环冷凝装置，5、添加剂喷口，6、净化排气装置，7、瞭望窗，8、同步控制装置，9、块状废渣，10、岩体输送装置，11、岩融仓，12、隔热带，13、推力传感器，14、防热输送机，15、履带式台车，16、高强隔热护盾，17、隔热挡板，18、绝热智能控制盘，19、槽口，20、热熔发生装置，21、链轮，22、链条，23、转轴，24、固定装置，25、限位卡块，26、伺服式电机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种隧道全断面热熔破岩装置，包括履带式台车15、热熔主体装置、液压推进装置2、岩体输送系统10、同步控制装置8，其中，热熔主体装置、液压推进装置2、岩体输送装置10、同步控制装置8设于履带式台车15上，液压推进装置与热熔主体装置相连。

热熔主体装置包括热熔发生装置20、隔热带12、防热输送机14、岩融仓11、循环冷凝装置4、净化排气装置6。

热熔发生装置20包括高性能加热管1、绝热智能控制盘18、推力传感器13；高性能加热管1设置多个，绝热智能控制盘18为盘式结构，多个高性能加热管1在绝热智能控制盘盘面均布设置。加热管端部可设置尖刺状结构，能为加热管进入岩体提供更大的作用力。

高性能加热管水平设置，绝热智能控制盘竖向设置，绝热智能控制盘与液压推进装置2连接，液压推进装置水平设置，且液压推进装置可推动绝热智能控制盘进而带动高性能加热管在水平方向移动。

绝热智能控制盘和液压推进装置2之间设置推力传感器13，推力传感器检测推进过程中受力大小。

绝热智能控制盘底部设置槽口19，防热输送机14低端设置于槽口处，热熔过程中产生的呈熔融状岩体由槽口处经由防热输送机向上输送至岩融仓11。

防热输送机为螺旋输送机形式，但其能承受较高的温度。

防热输送机上设有隔热挡板17，由隔热挡板的作用可使熔融状岩体高效的输送到岩融仓。

岩融仓设置于岩体输送装置10，岩融仓11设于循环冷凝装置4下方，履带式台车顶部设置支撑结构，支撑结构顶部固定设置固定框架，固定框架和支撑结构之间形成容置空间，循环冷凝装置、岩体输送装置、净化排气装置等均设置于容置空间内，岩体输送装置固定于支撑结构，循环冷凝装置固定于固定框架顶部。

循环冷凝装置4设有添加剂喷口5，可向岩融仓内添加不同成份，进而制作成高性能特种建材，二次开发环保利用；循环冷凝装置采用现有循环水冷却的装置，主要是保证岩融仓内岩渣的安全冷却。冷却水从进水口进入，在一定压力的作用下对岩渣进行冷却，冷却后出水通过集水槽进入热水池。利用循环泵将热水池输送到冷凝管降温，降温后的冷水进入冷水池进行循环。循环冷凝装置内部可加入不同成分的添加剂，进而将低温的添加剂加入岩融仓，在对熔融状岩体降温的同时制作成特种建材。循环冷凝装置可自动调节尺寸以满足废渣处理尺寸上的需求。

循环冷凝装置侧部设置隔热带12，其作用为保护循环冷凝装置上方的精密仪器以及起到遮蔽水气的作用。隔热带的功能层可分为反射层、防水层以及隔热层。隔热带反射层实际上在隔热带的表面涂上一层金属铝，可将袭来的大部分热辐射反射出去；防水层的材料一般采用聚四氟乙烯，该材料不惧强酸浓碱，性能稳定；隔热层是由阻燃纤维编织而成。

熔融状岩体经岩融仓收集后，与添加剂结合冷凝固化为块状废渣9，块状废渣由岩体输送装置10进行输送。

液压推进装置2和履带式台车15主体之间设置轮轴式升降装置3，具体是在固定框架侧部设置轮轴式升降装置，液压推进装置和轮轴式升降装置连接，通过轮轴式升降装置3带动液压推进装置2上下移动，使热熔发生装置20实现高低位置的变化，实现对隧道全断面的热熔。

轮轴式升降装置3包括链轮21、链条22、转轴23、固定装置24、限位卡块25、伺服式电机26组成。轮轴式升降装置通过固定装置与履带式台车本体固定，链条挂接在链轮，且链条侧部固定限位卡块25，限位卡块与热熔发生装置连接，其中一链轮与伺服式电机26连接。启动伺服式电机26，电机通过链轮21带动链条22运作，进而带动热熔发生装置升降。上升状态时转轴23为顺时针转动，链条22通过限位卡块25带动热熔发生装置使其同步运动。

履带式台车顶部还固定设置同步控制装置8，同步控制装置8与液压推进装置2、推力传感器连接，由同步控制装置控制液压推进装置的动作，同步控制装置位于控制室内，控制室可设置瞭望窗7，工作人员在控制室内对同步控制装置进行操作，由瞭望窗可观察热熔破岩的情况。

履带式台车顶部固定框架还固定设置净化排气装置6，热熔作业以及循环冷凝装置产生的大量水汽经净化排气系统系统将有毒物质过滤吸附后将无害气体抽排出洞外。

本发明的热熔破岩装置，在保证开挖高效率的同时，也保证绿色环保，可以为隧道工程施工开挖提供工具，具有较好的工程价值和市场前景。

本发明还提出如上所述的隧道热熔破岩装置的施工方法，包括如下步骤：

(1)前期准备工作，在进入隧道作业之前应探测岩体完整性、岩体性质等，启动履带式台车并检查热熔主体装置、同步控制装置等各项性能；

(2)在岩体钻孔割缝沿缝隙嵌入高强隔热护盾16，通过同步控制装置操控履带式台车进入隧道预定作业区域后，结合前期探测的岩体情报和开挖岩体的轮廓线，将高强隔热护盾嵌入硬岩指定深度和位置，可在不损伤围岩周边岩体强度的情况下使热熔主体装置准确、高效的进行破岩工作；

(3)热熔预备作业，工作人员首先根据热熔发生装置上高性能加热管的尺寸和相对位置对硬岩工作面进行钻孔，其次根据岩石性质调整热熔发生装置温度，通过循环冷凝装置上的添加剂喷口可添加需要的组份，启动岩体输送装置将岩融仓运至防热输送机处，最后通过同步控制装置对高性能加热管升温并接触硬岩开始热熔作业；

(4)热熔正式作业，液压推进装置将高性能加热管放入预先打好的钻孔中，通过同步控制装置对高性能加热管升温到预定温度后接触硬岩开始变形熔化，通过推力传感器监测热熔过程中高性能加热管受到的反力，进而可以判断岩体熔化的情况，反馈到同步控制装置，工作人员根据推力传感器参数变化控制液压推进装置向前推进(推力传感器监测力较大时，表明硬岩还未被热熔；推力传感器监测力变小时，表明所接触的硬岩已被热熔，可继续推进)，直至高性能加热管全部进入岩体内部；

(5)硬岩全方位热熔，待高性能加热管全部进入岩体内部后，通过推力传感器反馈参数变化工作人员实时调整高性能加热管移动速度，加快施工进度；

同时可通过轮轴式升降装置使热熔发生装置和液压推进装置高低位置发生变化，实现对隧道硬岩全断面的热熔；

(6)废渣成型处理，热熔过程中产生的呈熔融状岩体通过槽口经防热输送机最后进入岩融仓汇集，经循环冷凝装置向岩融仓内提供温度较低的添加剂，对熔融状岩体进行冷却加工成型后，块状废渣经岩体输送装置运出，热熔作业以及循环冷凝装置产生的大量水汽经净化排气装置将有毒物质过滤吸附后将无害气体抽排出洞外，冷却产生的水可继续为循环冷凝装置工作，在施工资源紧缺的山区真正做到了高效利用；

(7)支护作业，将搭载热熔主体装置的履带式台车原地转向开出作业区，热熔作业完成后的岩体应及时的进行衬砌施工。

本发明可根据工程需要在隧道围岩断面边缘进行钻孔割缝，将高强隔热护盾嵌入硬岩指定深度和位置，可在不损伤围岩周边岩体强度的情况下使热熔主体装置准确、高效的进行破岩；安全、环保的解决隧道岩体开挖整体性差的难题，避免了采用常规爆破方式扰动性大、污染高的问题；弃渣可以在冷却时加工成不同形状，或添加不同成份，制作成高性能特种建材，环保利用；可省去弃渣场，节约用地，降低工程成本，这对生态脆弱的山区高原亦尤为重要。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。