利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。该系统降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。

【技术实现步骤摘要】
利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统
本技术属于隧道施工
，具体涉及一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统。
技术介绍
隧道掘进机又称TBM(TunnelBoringMachine)，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，隧道掘进机掘进时，刀盘上刀具与掌子面直接接触破岩，刀具的检修和更换影响隧道施工的进程，同时，刀具消耗也是隧道掘进机施工成本中所占比例较大的项目之一。刀具消耗一般用耗刀率来度量，即每米进尺的耗刀数或每100m进尺的耗刀数，刀圈是刀具中直接接触岩体进行破岩的部位，因此刀具消耗主要指刀圈的消耗，刀圈滚动破岩时，会逐渐磨损，直径变小，刀顶变宽，当磨损达到一定程度时，刀具因不能继续使用而失效，而岩体的强度越高，磨蚀性越大，刀具磨损越严重这一结论已经被许多研究所证实，因此，在极其坚硬、完整岩石地层中，每把新刀所能掘进的长度很短，需要频繁的停机检修和更换刀具，耗用工时并增加成本，造成隧道掘进机掘进效率低下。影响隧道掘进机工作效率的主要地质因素为岩石的单轴抗压强度、岩石的硬度和耐磨性以及岩体结构面的发育程度(完整性)，一般来说强度、硬度和耐磨性越高，TBM的工作效率越低，岩体越完整，TBM的工作效率越低，这一结论已经被大量的研究和工程实例所证实(例如，王石春，1998.隧道掘进机与地质因素关系综述.世界隧道，(2)：39-43以及何发亮，谷明成，王石春，2002.TBM施工隧道围岩分级方法研究.岩石力学与工程学报，21(9)：1350-1354.)。水力压裂技术是通过封隔器将钻孔待压裂段封隔起来，并向该孔段注入高压水，当水压超过一定值后，钻孔壁将发生开裂，孔壁发生初始开裂时所需水压可通过理论计算确定(参照文献：蔡美峰，2013.岩石力学与工程.北京：科学出版社，126-130.)，钻孔壁发生初始开裂时的水压为Pi由下式表示：Pi＝3σmin-σmax+T式中σmin为垂直于钻孔平面内的最小主应力、σmax为垂直于钻孔平面内的最大主应力、T为岩石抗拉强度。当钻孔方向为一个主应力方向时，基于岩石为连续、均质和各向同性的假设，初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位、平行于最大主应力方向(如图1所示)，但如果孔壁有天然的裂隙或节理存在，那么初始裂隙很可能发生在这些部位。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，该系统降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，提高了掘进效率。本技术所采用的技术方案是：一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。进一步地，以隧道掘进机的刀盘面的中心为圆点，所有孔洞与圆心的距离均不相同，所有孔洞所在的同心圆叠加能够覆盖整个掌子面。进一步地，在隧道掘进机的刀盘面上，孔洞与相邻刀具存在一定距离。进一步地，封隔器直径规格有38mm、51mm、76mm、91mm、110mm和130mm。进一步地，高压泵上设有压力表。本技术的有益效果是：该系统可以通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，具体步骤为：S1根据地层条件(地层条件包括应力条件和结构面条件)设计掌子面的钻孔位置以及压裂顺序；S2钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔(打孔的顺序为从上往下或从左往右，钻孔的深度和直径根据地层条件确定)；S3通过封隔器将钻孔内待压裂段密封(转换阀处于加压状态)；S4高压泵通过加压管向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝扩展(给封隔器加压密封和给待加压段注射高压水可共用一个液压回路也可采用双回路)；S5裂缝扩张达到预定长度后高压泵停止加压，将封隔器完全卸压后(转换阀处于泄压状态)连同加压管从钻孔中取出；S6重复S3至S5直至所有钻孔压裂完成；S7隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；S8重复S2至S7。该系统通过水力压裂技术使掌子面及前方的完整的岩体产生新的裂缝，降低了施工范围内岩体的完整性，减少了掘进时的刀具磨损，刀具设计时可以采用水力压裂后的岩体完整性系数取代原岩体完整性系数，减少了刀具的使用量，不用频繁停机检修和换刀，提高了掘进效率；为了尽可能提高打孔速度，将钻杆设在刀盘面上的孔洞内，在很小的改造量下，避免单独设置一套打孔设备，只需钻杆的伸入和伸出，避免了打孔设备的周转。附图说明图1是水力压裂时裂缝的扩展方向示意图。图2是掌子面及前方岩体完整无结构面且竖直向是主应力方向时钻孔的平面布置图(图中A为竖直向应力大于水平向应力，B为水平向应力大于竖直向应力)。图3是掌子面及前方岩体中有一组软弱结构面时钻孔的平面布置图(图中A结构面与掌子面的圆心距离较近，B为结构面与掌子面的圆心距离较远)。图4是掌子面及前方岩体有坚硬的岩脉时钻孔的平面布置图。图5是掌子面及前方岩体完整无结构面且竖直向不是主应力方向时钻孔的平面布置图。图6是本技术实施例中水力压裂的配套设备和封隔器的工作示意图。图中：1-裂缝；2-钻孔；3-软弱结构面；4-岩脉；5-封隔器；6-转换阀；7-压力传感器；8-加压管；9-流量计；10-高压泵；11-控制器；12-数据采集器；13-压力表。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术作进一步的说明。一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，包括隧道掘进机、封隔器5和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器5直径，封隔器5上设有转换阀6和压力传感器7，水力压裂的配套设备包括加压管8、高压泵10、控制器11和数据采集器12，加压管8的两端分别与转换阀6和高压泵10连接，加压管8上设有流量计9，控制器11分别与流量计9、高压泵10、数据采集器12和压力传感器7连接。该系统可以通过水力压裂技术使得极硬的完整的岩体产生裂缝从而降低岩体完整度，具体步骤为：S1根据地层条件(地层条件包括应力条件和结构面条件)设计掌子面的钻孔2位置以及压裂顺序；S2钻杆伸出孔洞在掌子面上依次垂直打孔直至完成所有钻孔2(打孔的顺序为从上往下或从左往右，钻孔2的深度和直径根据地层条件确定)；S3高压泵10通过加压管8向封隔器5加压从而将钻孔2内待压裂段密封(转换阀6处于加压状态)；S4高压泵10通过加压管8向待压裂段泵入高压水并不断加大水压先使孔壁开裂后使裂缝1扩展(给封隔器5加压密封和给待加压段注射高压水可共用一个液压回路也可采用双回路)；S5裂缝1扩张达到预定长度后高压泵10停止加压，将封隔器5完全卸压后(转换阀6处于泄压状态)连同加压管8从钻孔2中取出；S6重复S3至S5直至所有钻孔2压裂完成；S7隧道掘进机开始掘进，掘进完压裂段后停止掘进；S8重复S2至S7。该系统通过水力压裂技术使掌子面及前方的完整的岩体产生新的裂缝1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。

【技术特征摘要】
1.一种利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：包括隧道掘进机、封隔器和水力压裂的配套设备，隧道掘进机的刀盘面的不同位置上预留有孔洞，孔洞内设有钻杆，钻杆的钻孔直径等于封隔器直径，封隔器上设有转换阀和压力传感器，水力压裂的配套设备包括加压管、高压泵、控制器和数据采集器，加压管的两端分别与转换阀和高压泵连接，加压管上设有流量计，控制器分别与流量计、高压泵、数据采集器和压力传感器连接。2.如权利要求1所述的利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的系统，其特征在于：以隧道掘进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓平，张梦，张旗，吕根根，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42