一种高地应力软岩隧道施工装置及其使用方法与流程

本发明涉及隧道工程，具体涉及一种高地应力软岩隧道施工装置及其使用方法。

背景技术：

1、未来10年内，我国铁路隧道正向着长、大、深的方向发展。我国西部地区属于三级地势分区的第一阶梯，其地质环境特点主要有软岩分布广泛、地应力水平较高、活动断裂较多、岩溶发育较大的地质特征，在这种复杂环境下进行建设隧道，一般都面临埋深大、受力大等问题，若施工期间遇到软弱围岩，则容易产生隧道大变形问题。

2、然而，导致高地应力软岩隧道变形过大的根本原因为：由于目前对于高地应力软岩隧道的工程特性、力学特性、变形机制、发展演变规律等无法准确预估，导致隧道围岩在高应力作用下迅速大变形，引发洞周位移较大、支护侵限、破坏等工程问题，严重危害工程人员生命安全。因此，高地应力软岩隧道施工过程中如何有效进行隧道围岩应力释放、控制隧道围岩位移、保证隧道洞室安全稳定是目前交通隧道工程建设者们急需解决的主要工程难题，同时这也是决定山区高地应力典型软岩隧道建设能否顺利进行的关键问题。

3、在深埋软岩隧道中，区域应力值极高，需要在施工前对深埋软岩隧道进行应力释放。现有的应力释放方法，例如钻爆法，在进行应力释放前不进行地质信息预报，同时钻爆法对现场环境产生的影响较大，容易产生空气污染。为此，通过将超前地质钻机与高地应力超前诱导释放装置相结合，实现地质超前预报与应力释放协作，同时利用温差效应释放应力，对于工程建设和环境保护，都具有非常重要的意义和应用价值。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提供了一种软岩隧道高地应力超前诱导释放装置及其使用方法，通过在超前地质钻机上增加应力超前诱导释放装置，实现地质超前预报与应力释放协作，同时利用温差效应释放应力，以此达到实时、准确、安全地预报地质信息和释放高地应力，保障深埋软岩隧道工程建设围岩变形控制要求，提高工程建设质量和速度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种高地应力软岩隧道施工配件，包括加热模块和冷却模块，所述加热模块用于加热待施工地区，所述冷却模块用于冷却待施工地区；

4、所述加热模块包括热源和与所述热源连接的加热体，至少部分所述加热体与待施工地区间断接触；

5、所述冷却模块包括冷源和与所述冷源连接的冷却体，至少部分所述冷却体与待施工地区间断接触；

6、所述加热体和所述冷却体与所述待施工地区交替接触，所述加热体与所述待施工地区接触时，所述待施工地区吸收所述加热体的热量升温，所述冷却体与所述待施工地区接触时，所述待施工地区释放热量至所述冷却体降温。

7、进一步的，所述热源为电磁发热源，所述加热体为电磁线圈，所述加热体的加热温度为800℃～1000℃。

8、进一步的，所述加热模块包括电磁线圈、圆柱形含铁质容器和电源，所述电磁线圈缠绕在圆柱形含铁质容器上，所述电源与电磁线圈连接，所述圆柱形含铁质容器的长度为3～5m。

9、进一步的，所述冷源为介质冷却源，所述冷却体为容纳管，所述容纳管中装有冷却介质，所述冷却体的冷却温度为-50℃~～-100℃。

10、进一步的，所述容纳管为注浆导管，所述冷却介质为干冰或者液氮中的至少一种。

11、第二方面，本发明提供了一种高地应力软岩隧道施工装置，包括机体，所述机体上安装有地质信息获取装置和如第一方面所述的高地应力软岩隧道施工配件，所述地质信息获取装置用于获取待施工地区的地质信息，所述地质信息至少包括所述待施工地区的地应力。

12、进一步的，所述机体上还安装有控制装置，所述控制装置的输出端与所述地质信息获取装置连接，所述控制装置的输出端与所述高地应力软岩隧道施工配件连接，所述控制装置用于分析待施工地区的地质信息、控制高地应力软岩隧道施工配件加热和冷却待施工地区。

13、进一步的，所述地质信息获取装置包括回转取芯钻，所述回转取芯钻包括钻杆和钻头，所述钻头包括钻头基体和切削齿，所述钻头基体与所述钻杆连接。

14、进一步的，所述回转取芯钻的钻孔直径为75.00mm。

15、第三方面，本发明提供了一种高地应力软岩隧道施工方法，采用如第二方面所述的高地应力软岩隧道施工装置，包括以下步骤：

16、机体移动至隧道待施工地区，利用地质信息获取装置获取待施工地区的地质信息；

17、根据获取的待施工地区的地质信息，控制高地应力软岩隧道施工配件的加热模块和冷却模块交替工作，利用加热模块加热待施工地区升温，利用冷却模块冷却待施工地区降温，冷热循环重复，直至所述待施工地区的岩体出现明显裂隙或破坏；

18、向岩体出现明显裂隙或破坏的待施工地区进行注浆加固。

19、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

20、本发明通过将地质信息获取装置与高地应力软岩隧道施工配件相结合，实现地质超前预报与应力释放相协作，能够实时、准确、安全地预报地质信息和释放高地应力，保障深埋软岩隧道工程建设围岩变形控制要求，同时高地应力软岩隧道施工配件包括加热模块和冷却模块，加热模块对岩体升温破坏，导致岩体产生裂缝，冷却模块使岩体急剧降温，激发岩体裂隙长度和宽度，经过冷热循环反复作用，最终产生温差效应使岩体产生疲劳破坏或裂隙，以此释放软岩应力，对现场环境影响小，不会造成空气污染，提高了工程建设质量和速度，对于工程建设和环境保护，都具有非常重要的意义。

技术特征：

1.一种高地应力软岩隧道施工配件，其特征在于，包括加热模块和冷却模块，所述加热模块用于加热待施工地区，所述冷却模块用于冷却待施工地区；

2.根据权利要求1所述的一种高地应力软岩隧道施工配件，其特征在于，所述热源为电磁发热源，所述加热体为电磁线圈（31），所述加热体的加热温度为800℃～1000℃。

3.根据权利要求1所述的一种高地应力软岩隧道施工配件，其特征在于，所述加热模块包括电磁线圈（31）、圆柱形含铁质容器（33）和电源（32），所述电磁线圈（31）缠绕在圆柱形含铁质容器（33）上，所述电源（32）与电磁线圈（31）连接，所述圆柱形含铁质容器（33）的长度为3～5m。

4.根据权利要求1所述的一种高地应力软岩隧道施工配件，其特征在于，所述冷源为介质冷却源，所述冷却体为容纳管，所述容纳管中装有冷却介质，所述冷却体的冷却温度为-50℃～-100℃。

5.根据权利要求4所述的一种高地应力软岩隧道施工配件，其特征在于，所述容纳管为注浆导管（34），所述冷却介质为干冰或者液氮中的至少一种。

6.一种高地应力软岩隧道施工装置，包括机体，所述机体上安装有地质信息获取装置和如权利要求1-5任一所述的高地应力软岩隧道施工配件，所述地质信息获取装置用于获取待施工地区的地质信息，所述地质信息至少包括所述待施工地区的地应力。

7.根据权利要求6所述的一种高地应力软岩隧道施工装置，其特征在于，所述机体上还安装有控制装置（5），所述控制装置（5）的输出端与所述地质信息获取装置连接，所述控制装置（5）的输出端与所述高地应力软岩隧道施工配件连接，所述控制装置（5）用于分析待施工地区的地质信息、控制高地应力软岩隧道施工配件加热和冷却待施工地区。

8.根据权利要求6所述的一种高地应力软岩隧道施工装置，其特征在于，所述地质信息获取装置包括回转取芯钻（2），所述回转取芯钻（2）包括钻杆和钻头，所述钻头包括钻头基体和切削齿，所述钻头基体与所述钻杆连接。

9.根据权利要求8所述的一种高地应力软岩隧道施工装置，其特征在于，所述回转取芯钻（2）的钻孔直径为75.00mm。

10.一种高地应力软岩隧道施工方法，其特征在于，采用如权利要求6-9任一所述的高地应力软岩隧道施工装置，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种高地应力软岩隧道施工装置及其使用方法，包括机体，所述机体上安装有地质信息获取装置和高地应力软岩隧道施工配件，所述地质信息获取装置用于获取待施工地区的地质信息，所述地质信息至少包括所述待施工地区的地应力，所述高地应力软岩隧道施工配件包括加热模块和冷却模块，所述加热模块用于加热待施工地区，所述冷却模块用于冷却待施工地区。本发明能实现地质超前预报与应力释放相协作，实时、准确地预报地质信息和释放高地应力，保障深埋软岩隧道工程建设围岩变形控制要求，同时利用温差效应释放围岩应力，提高了工程建设质量和速度，对于工程建设和环境保护，都具有非常重要的意义。

技术研发人员：周明发,杨立,程立志,娄文杰,崔玉桥,夏增选,李帅,王咸临,宋晓莉,张冉,韩孟谕,陈义,迟浩然
受保护的技术使用者：昭通市大永高速公路投资开发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25