[发明专利]一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置

说明书

一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置，包括真三轴加载组件和微波辐射致裂组件，微波辐射致裂组件共设有两套，分别为微波辐射表面致裂组件和微波辐射孔内致裂组件；真三轴加载组件包括固定式加载框架、移动式加载框架、底座、轨道、滑台及两自由度移动架；在固定式加载框架上设有两组Z向作动器和两组Y向作动器，在移动式加载框架上设有一组X向作动器；岩石试样加载腔位于固定式加载框架中部；移动式加载框架及滑台均通过滑块设置在轨道上；微波辐射表面致裂组件和微波辐射孔内致裂组件均通过两自由度移动架安装在滑台上，滑台和两自由度移动架均通过伺服电机驱动；在移动式加载框架上设有微波屏蔽网，试验装置整体置于电磁屏蔽室内。

技术领域

本发明属于岩土工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置。

背景技术

微波辅助破岩技术是一种极具潜力的新兴破岩技术，在机械刀具切削岩石前，通过微波预先辐射致裂岩石，降低岩石的单轴压缩、抗拉和点荷载强度等力学特性，解决机械法破碎硬岩时刀具易磨损的问题，即可提高破岩效率，还可降低破岩成本。

在隧道施工中，利用盾构机和TBM刀盘进行隧道盾构施工的方式已越来越广泛，但由于孤石的影响，经常出现刀具磨损严重、刀座变形及更换困难的情况，刀盘磨耗会导致刀盘强度和刚度降低，刀盘受力不均匀会导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞及盾构负载加大等弊端。

例如，在2004年，广州地铁三号线工程在天华区间遇到花岗岩孤石群，正常情况下盾构机几百米才换一次刀具，而在这个区间，盾构机每前进十几米就需更换刀具，有些地方巨大的孤石块迎面挡在隧道前方，使盾构机根本无法通过，该盾构区间曾一度停工，工程无法推进，被地铁界公认为“世界性难题”。在2006年，广州地铁三号线工程在天河五山附近地下曾遇到孤石群，导致一天才推进7cm，致使停工半年，后采用多种爆破技术才解决。在2009年，广州地铁三号线工程在北延段遇到孤石群，由于距离南方医院住院部大楼太近，不能采取爆破方式，只能进行人工挖掘，原本盾构机一天的施工量，导致半年才完成。在2016年，广州地铁六号线工程在苏元至萝岗区间，开仓换刀的次数就高达200多次。

利用TBM刀盘开挖硬岩隧道时，经常受到刀盘磨损严重的影响，导致换刀相当频繁，这极大的提高了维修成本，也严重影响了施工进度。

据不完全统计，刀具消耗费用约占项目成本的30％～40％，而刀具维护更换时间也约占项目工期的30％～40％。

例如，青岛地铁2号线工程在盾构施工过程中，遭遇高硬度花岗岩，导致刀具磨损较大，每天就需要更换3～5把刀具，仅刀具成本就在8000元/米左右。在引汉济渭工程秦岭隧洞盾构施工过程中，遇到坚硬类石英岩和花岗岩，在总计2000m掘进距离中，共计更换中心刀38把，单刀1668把，消耗单刀刀圈858个，使得施工成本显著增加，而且严重影响了施工进度。

由于TBM刀盘的设计与岩石性质和地质条件有着密切的关系，岩石点荷载强度、单轴压缩强度和抗拉强度是影响刀盘寿命和贯入度的重要参数，而岩石强度的降低则可在一定程度上提高刀盘的寿命和贯入度，通过微波辐射恰好可以显著降低岩石的强度。

由于许多隧道开挖工程都属于深部岩体工程，受到地应力的作用，深部工程岩体往往处于三向高应力状态下，由于不同应力作用下岩石的微波致裂作用效果是不一样的，那么就需要研究在不同应力作用下岩石的微波致裂效果。

因此，为了更好地模拟盾构机和TBM刀盘旋转时微波辐射对岩石的致裂效果，研发一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置及方法十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置，不但能够模拟盾构机和TBM刀盘的旋转状态，同时对真三轴加载下的岩石试样进行表面微波辐射致裂，还可在固定状态下对真三轴加载下的岩石试样进行孔内微波辐射致裂，进而获得不同应力作用下岩石试样的微波致裂作用效果。