本發(fā)明涉及深部工程硬巖破碎，尤其涉及一種盾構微波破巖裝置和方法。

背景技術：

1、在利用盾構技術進行地下挖掘時，常常會遇到各種硬度不一的巖石，這對挖掘進程構成了顯著挑戰(zhàn)。盾構的前端裝備有鋒利的切削刀片，設計用于破碎和排出挖掘路徑上的土體或軟巖。然而，高硬度巖石的存在，使得盾構的推進變得困難重重，需要更大的推力和更長的時間來穿透巖層，當遭遇高硬度巖石時，這些刀片會受到極大的磨損。這不僅延長了工期，還可能因過度磨損而導致刀片提前更換，增加了設備的維護成本和停機時間，加重經濟負擔。

2、因此，引入了創(chuàng)新的微波加熱與冷卻設備交替使用的方法。該方法利用微波的高頻振動特性，對巖石進行加熱，使巖石內部產生熱應力，巖石結構因熱脹冷縮而逐漸弱化。隨后，通過迅速冷卻處理，進一步加劇巖石內部的應力差異，導致巖石結構崩潰，變得易于破碎，有效地破壞了巖石的完整性，降低了巖石的硬度，從而極大地減輕了盾構刀片的工作負擔，提高了挖掘效率。

3、但是這種冷熱交替降低巖石硬度的方法，存在以下問題：

4、1.微波裝置和冷卻裝置與盾構刀盤的相對位置比較固定，沒有根據巖石的實際位置變化而調整，從而降低冷熱交替進行破巖的效果。

5、2.加熱和冷卻的處理強度以及冷熱交替頻次往往固定不變，這可能導致對硬巖的破碎過度，造成浪費，或者對巖石破碎不夠徹底，仍然阻礙挖掘進程。

6、因此，亟需一種盾構微波破巖裝置和方法，能夠高效、精準的對巖石進行破碎，提高挖掘效能。

技術實現思路

1、為了提高破巖效果，本發(fā)明一方面提供了一種盾構微波破巖裝置，所述裝置包括盾構刀盤、巖石探測設備、鉆桿；

2、所述巖石探測設備布設在所述盾構刀盤的面板中心上；

3、所述盾構刀盤的面板上開設多個鉆桿預留孔，在盾構刀盤內側的鉆桿預留孔中設置所述鉆桿和液壓設備；所述液壓設備將鉆桿從鉆桿預留孔推出盾構刀盤的面板，到達預定位置，進行微波破巖；其中鉆桿的伸出角度和伸出長度根據破巖目標點的位置確定；

4、所述鉆桿設有外層和內層，所述外層為螺旋葉片；所述內層的鉆頭位置設有微波發(fā)射裝置、注水冷卻裝置以及溫度傳感器。

5、作為本申請的一種實現方式，當鉆桿被液壓設備推至預定位置時，向掘進的相反方向縮回所述螺旋葉片，微波發(fā)射裝置、注水冷卻裝置以及溫度傳感器進入工作狀態(tài)。

6、作為本申請的一種實現方式，將巖石硬度最大點所在的位置作為所述破巖目標點。

7、作為本申請的一種實現方式，所述巖石探測設備為地質雷達。

8、作為本申請的一種實現方式，根據破巖目標點的位置確定鉆桿的伸出角度，使用下述計算公式：

9、；

10、；

11、 θz=arccos()；

12、式中， θx代表鉆桿與盾構刀盤在x軸方向上的夾角， θy代表鉆桿與盾構刀盤在y軸方向上的夾角， θz代表鉆桿與盾構刀盤在z軸方向上的夾角；x目標點、y目標點以及z目標點分別為破巖目標點在x軸、y軸以及z軸上的坐標點，x中心點、y中心點以及z中心點分別為盾構刀盤中心點在x軸、y軸以及z軸上的坐標點；d為盾構刀盤中心點到破巖目標點的水平距離，n為巖石表面法線向量，g為重力向量，||n||和||g||分別為巖石表面法線向量和重力向量的長度；其中，x軸、y軸以及z軸分別為盾構刀盤坐標系中的正交軸，x軸為盾構掘進的方向，y軸為從盾構后方向觀察時盾構的右側，z軸為垂直于x軸和y軸的方向。

13、作為本申請的一種實現方式，鉆桿的伸出長度l為：

14、l=。

15、本申請另一方面還提供一種盾構微波破巖方法，在上述任一項所述的一種盾構微波破巖裝置執(zhí)行，包括如下步驟：

16、在盾構掘進的過程中，實時探測盾構刀盤前面巖石硬度；

17、比較所述巖石硬度與預設的硬度閾值的大?。?/p>

18、若巖石硬度小于所述硬度閾值，則使用盾構的刀盤進行破巖操作；

19、若巖石硬度大于等于所述硬度閾值，則使用微波破巖法進行破巖操作，具體為：

20、停止盾構刀盤掘進，將鉆桿從孔徑中伸出至預定位置；

21、實時監(jiān)測巖石的礦物邊界幾何形狀和孔隙率；

22、根據所述巖石的礦物邊界幾何形狀、孔隙率以及巖石溫度，通過已訓練好的破巖模型，得到微波的發(fā)射角度、微波的波速、微波加熱時間、水流的流速、流水時間、以及微波加熱和注水冷卻的交替頻次；

23、微波加熱裝置和注水冷卻裝置，分別以對應的微波的發(fā)射角度、微波的波速、微波加熱時間、水流的流速、流水時間、以及微波加熱和注水冷卻的交替頻次進行破巖操作。

24、作為本申請的一種實現方式，所述破巖模型為多層感知器神經網絡模型，神經元個數為6。

25、作為本申請的一種實現方式，所述破巖模型的損失函數f為：

26、f=；

27、式中，yi表示破巖模型第i個輸出參數的實際值，yi`表示破巖模型第i個輸出參數的預測值。

28、本發(fā)明實施例具有以下技術效果：

29、1.本申請中的盾構微波破巖裝置，根據不同巖石的破巖目標點的位置確定鉆桿的伸出角度和伸出長度，使得鉆頭的微波發(fā)射裝置、注水冷卻裝置能夠更加精準的在需要破巖的位置進行微波破巖，提高破巖效果，同時減少了與破巖目標點間隔的土壤，降低了土壤對于微波加熱和冷卻的干擾，進一步提高了破巖效率。

30、2.本申請?zhí)峁┑亩軜嬑⒉ㄆ茙r方法，通過破巖模型，實時、精確設置不同礦物邊界幾何形狀、孔隙率以及巖石溫度下的微波的發(fā)射角度、微波的波速、微波加熱時間、水流的流速、流水時間、以及微波加熱和注水冷卻的交替頻次，克服了固定時間、頻次冷熱交替破巖操作帶來的過度破巖或者破碎程度不夠；而且微波的發(fā)射角度隨著巖石破碎程度的變化而變化，提高了微波加熱的效果，進一步提升破巖效果。

技術特征：

1.一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，所述裝置包括盾構刀盤（1）、巖石探測設備、鉆桿（3）；

2.根據權利要求1所述的一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，當鉆桿（3）被液壓設備（5）推至預定位置時，向掘進的相反方向縮回所述螺旋葉片（6），微波發(fā)射裝置（7）、注水冷卻裝置（8）以及溫度傳感器（9）進入工作狀態(tài)。

3.根據權利要求1所述的一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，將巖石硬度最大點所在的位置作為所述破巖目標點。

4.根據權利要求1所述的一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，所述巖石探測設備為地質雷達。

5.根據權利要求1所述的一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，根據破巖目標點的位置確定鉆桿（3）的伸出角度，使用下述計算公式：

6.根據權利要求5所述的一種盾構微波破巖裝置，其特征在于，鉆桿（3）的伸出長度l為：

7.一種盾構微波破巖方法，在權利要求1-6任一項所述的一種盾構微波破巖裝置執(zhí)行，其特征在于，包括如下步驟：

8.根據權利要求7所述的一種盾構微波破巖方法，其特征在于，所述破巖模型為多層感知器神經網絡模型，神經元個數為6。

9.根據權利要求8所述的一種盾構微波破巖方法，其特征在于，所述破巖模型的損失函數f為：

技術總結
本發(fā)明涉及深部工程硬巖破碎技術領域，公開了一種盾構微波破巖裝置和方法。所述裝置包括盾構刀盤、巖石探測設備、鉆桿，根據不同巖石的破巖目標點的位置確定鉆桿的伸出角度和伸出長度，使得鉆頭的微波發(fā)射裝置、注水冷卻裝置能夠更加精準的在需要破巖的位置進行微波破巖，提高破巖效果。所述方法，通過破巖模型，實時、精確設置不同礦物邊界幾何形狀和孔隙率下的微波的發(fā)射角度、微波的波速、微波加熱時間、水流的流速、流水時間、以及微波加熱和注水冷卻的交替頻次，精準進行微波破巖。

技術研發(fā)人員：賀維國,張瀟麗,陳翰,李明君,魏紅巖,郭靚,陳小飛,范國剛,顧永財
受保護的技術使用者：中鐵第六勘察設計院集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2