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假如水刀的水中加入石英会有什么效果
热度 1 fanxiaoyingz 2020-5-26 16:37
假如水刀的水中加入石英会有什么效果 从学习强国上看到一条消息，说是中国在盾构机领域的核心技术，盾构机大型轴承研究上取得了突破性进展，６米级常规盾构３米直径主轴承、减速机制造成功，已经通过了１００００小时寿命检测，并且通过了专家组的评审。同时国内最大直径敞开式硬岩掘进机下线使用。这些消息都是非常鼓舞人心的。而同类的信息也表明盾构机也是有缺点的，在地铁隧洞掘进中盾构机最为常见的问题是盾构机头部粘连大量泥土，导致盾构机无法正常工作，这个问题经常出现，在十多年前南水北调中线穿黄工程中出现过，在广东省汕头市海湾隧道也出现过（ 2018 年 4 月 17 日，广东省汕头市海湾隧道东线盾构机正式掘进；历经 760 个日夜艰苦奋战， 2020 年 5 月 16 日，海湾隧道东线顺利贯通。）说明过去的盾构机并不适合在泥土基质中使用，相反水刀这一新兴的开凿技术如果应用在隧洞开凿中也许会更加适合于泥土基质。 “水刀”技术最近几年获得了突飞猛进式发展，目前已经应用在金属切割、玻璃切割、陶瓷石材加工、软性材料的清水切割、低熔点及易燃、易爆材料的切割（如炸药、炮弹等）、超高压水清洗等等方面，在建材、航空、船舶、制造业、加工业等等方面得到了广泛的应用。水刀，即以水为刀，本名高压水射流切割技术，这项技术最早起源于美国。但是在２０１１年以前还没有得到广泛应用，直到 2011 年，由于水射流专家纪新刚创造性的另辟蹊径，将水刀做成了小型化、安全化，使水刀改变了不能在危险领域使用的局面。从而打开了水刀应用的市场。水刀的应用依赖于水的压力技术的进步，目前的水刀最大压力已经做到了 420MPa ，远远高于液化甲烷需要的压力。以压力来对水刀分类分为高压型和低压型，一般以 100MPa 为界限， 100MPa 以上为高压型， 100MPa 以下为低压型，而 200MPa 以上为超高压型。与激光切割比较，与等离子切割比较，水切割投资小，运行成本低，切割材料范围广，效率高，操作维修方便。无热变形，切割面质量好，基本不用再进行二次加工等等特点。 现在我们来看看为什么水刀会有很大的威力，它能够切割钢材、石材、陶瓷等等非常坚硬的东西？超高压水射流清洗技术是这几年在国际上发展起来的一门高科技技术，该技术主要利用高速水射流的动能来剥离表面顽垢，它是以水为介质，通过柴油机组或电机组驱动大流量增压器，将水加压至 94000PSI （ 648Mpa ）的压力，再通过呈圆周排列的多个宝石喷嘴喷射而出，喷嘴由油压或者气压驱动旋转，形成多束、多角度、强度各异的超高压旋转水射流。钢材的抗压强度一般在２３５兆帕以下，其屈屈服极限为２３５兆帕，低碳钢的屈服极限为 207MPa 。水刀可以达到４２０兆帕。有机玻璃的抗拉强度 55~77mpa ，抗压强度 130mpa 。岩石的抗压强度一般在１０．６——５６兆帕之间。石英岩硅质岩的抗压强度可以达到３３８兆帕。但是，目前水刀的压力已经超过了大多数硬质材料的抗压强度。所以，水刀已经在各个领域得到了广泛应用。 水刀之所以厉害，不仅仅是因为它的超高压强，而且是因为水刀里面带有 “刀子”，水刀中的水用在清洗中不需要添加剂，但是应用在切割中，往往会在水中添加超强度的固体物质，以增加切割效率。这些物质一般是钢砂、金刚砂（碳化硅）、石英砂。 水刀中添加进金刚砂以后的切割会对物体造成一定变形伤害，叫有损切割，而单纯地使用水，不添加任何其他东西的切割叫无损切割。无损切割适合于精细、高精度切割，水刀的出水直径非常小。而有损切割适合于比较粗糙的切割，精度要求不高，甚至以破损为主要目的的切割，例如开凿隧洞，切割岩石。在添加金刚砂（碳化硅）、石英砂的水刀中，金刚砂的压力也是超高压的，但是它作用在岩石上以后效果更好，一方面是因为其密度大，硬度大，另一方面其冲量更大，产生的力也更大。和伴随的水柱比较，金刚砂比水的质量大（密度大、体积大），所以其动量更大，相应的冲量更大。碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为 3.20 ～ 3.25 ，显微硬度为 2840 ～ 3320kg/mm2 英砂，比石英砂硬度高。所以相同流速下，其冲量和产生的压力是水柱的三倍多，但是金刚砂是人工产物，比较珍贵，并不适合做水刀添加剂。石英砂的比重 2.65 ，硬度为７，把石英砂添加到水刀的水中效果也非常好，其冲量是同速度水柱的２．６倍。而且由于石英砂是天然物质，自然界广泛存在，流失以后不需要回收，不造成环境污染，所以石英砂是良好的水刀添加剂。有了水刀添加剂以后，水刀的“刀口”直径可以扩大，可以应用在隧洞开采上。对于硬度在１００兆帕以下的岩石可以使用大一点的口径，对于硬度较大的岩石则采用小一点的口径，这样其切割岩石和破碎岩石的效果就会不一样。大口径岩石必然破碎效率高，单位时间破碎岩石量大；但是遇见超硬度岩石则无法破碎，只能减小口径集中切割破碎。那么有时候需要大口径，有时候需要小口径，难道需要现场更换刀具？我想应该在水刀上安装自动感应自动改变口径大小的智能装置。只要有感应器，自控芯片就能够实现。 但是，目前看，水刀技术在隧洞开采上才刚刚起步，前景一片光明。去年，中国第一个安装水刀的大型盾构机下线，应用于福建的引水工程中。水刀的应用可以改变以前的盾构机结构，使得敞开式掘进机得到更加广泛的发展。而水刀应用于隧洞，可以有效避免机器粘连，土壤填缝问题，水刀可以有效清除粘贴在刀盘上的泥土。也可以冲洗细石，增加大块岩石的滚动能力。 水刀应用在凿岩机上，由于它能够自主改变方向，形成多维度的切割缝，所以岩石更容易破碎，水刀的流水可以冲刷大块岩石中间缝隙的细小岩石，所以大块岩石的缝隙增加，更加容易出渣。也为分裂棒的使用提供了空间，分裂棒可以比较方便地插入岩石缝隙进行分裂震动。 水刀的水冲刷破碎岩石以后被运输出去，剩余的岩石是没有完全破碎的，但是已经有了缝隙，这时候使用刮刀、滚刀的效果必然会很好，因为岩石的整体性已经不存在，受力不再平衡，岩石的脆性就会起作用，在刮刀、滚刀的作用下就容易和母岩分离，从而提高凿岩效率。 水刀的水冲刷破碎岩石以后会形成一股洪流，洪水中夹杂许多细小石头和土壤，这些东西可以使用抽水机排出出渣口，对于排渣成本的降低很有效。这些碎小渣滓的排出给大岩石留出了较大的空间，这样盾构机的运行的时候阻力大大减少，无效转动会大大减少，从而能够提高开凿效率。不会再发生泥土粘连盾构机头的现象。 现在我们来看看，为什么水刀中夹杂石英砂以后，开凿效率会提高很多的原因。水刀自身的高压是它能够削铁如泥的基础，但是除过自身压力以外，它需要把自身的压力转化为切削和破碎的动力，需要向被切割对象转换动力，这种转换与被切割对象的性质、受力面、受力大小都有关系，还与水刀中水的流速有关系。现在我们来计算一下水刀中水流出后的动力。假如水刀的水压是３００兆帕，水流速度不仅与压力有关系，也与水管长度有关系，狭窄环境之下水管长度一般不会超过２０厘米，此时假如出口直径为０．６厘米，则水刀压力为１６９．６牛。此时的压力Ｆ是压强Ｐ乘以面积Ｓ，Ｆ＝Ｐ＊Ｓ＝Ｍ＊ａ，Ｍ＝Ｓ＊Ｖ，Ｖ＝ａ＊Ｔ，Ｌ＝０．５＊ａ＊Ｔ＊Ｔ，已知Ｌ等于２０厘米，Ｐ等于３００兆帕，Ｓ等于０．２８２６平方厘米，根据以上公式计算得出，水流的加速度为６２００００米每秒。此时的作用时间为０．００２５３秒，所以出口的水柱速度为１５６８米每秒。 所以，高速度才是水刀切割的秘密所在。 现在我们再来看看，这么高的水柱作用在岩石上的效果。这里需要使用动量和冲量的恒等定律Ｍ＊ｖ＝Ｆ＊ｔ，这个定律既适合宏观世界，也适合微观世界。这个分为几种情况，当只有水柱的时候，当水柱中含有微小的圆球形添加物的时候。现在我们来看看，假如水柱中有一粒金刚砂，假如金刚砂不会因为碰撞而分裂，金刚砂的半径Ｒ为１毫米，金刚砂的密度 б 为３１００，根据质量等于体积Ｖ和密度的乘积，有公式Ｍ＝ б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊３．１４＊３／４， 一粒金刚砂的质量Ｍ为０．００００１３千克，此时金刚砂的动量Ｍ ｖ为Ｍ＊ｖ＝ｖ＊ б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊ｖ＊３．１４＊３／４＝０．０２０３８４，ｖ等于１５６８，б等于３１００，Ｒ等于０．０００５。所以其动量可以算出为０．０２０３８４。此时的冲量Ｆｔ这样计算：由于水流速度ｖ很大，它作用于岩石上的时间很短，作用时间决定于岩石硬度，此时其极限压强Ｐ是３００兆帕，金刚砂的横截面Ｓ＝３．１４＊Ｒ＊Ｒ只有０．００００００３１４平方米，所以同类面积岩石可以承受的压力Ｆ＝Ｐ＊Ｓ＝ｐ＊３．１４＊Ｒ＊ＲＰ是岩石强度，计算结果为为９４２００牛，所以根据Ｍ＊ｖ＝Ｆ＊ｔ，以上公式中仅仅ｔ不知道，Ｍ、ｖ、Ｆ都知道，计算出作用的时间ｔ为０．００００００２１６３９秒，这个作用时间乘以水柱速度就是切割深度Ｌ，Ｌ＝ｖ＊ｔ，此时切割深度为３．４毫米。把以上冲量公式和动量公式连接起来Ｍ＊ｖ＝ｖ＊б＊Ｖ＝Ｒ＊Ｒ＊Ｒ＊б＊ｖ＊３．１４＊３／４，Ｆ＊ｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ＝ｐ＊３．１４＊Ｒ＊Ｒ＊ｔ。两者连接化简得出结论，ｔ＝３＊Ｒ＊б＊ｖ／ｐ／４ . 就是说作用于岩石的时间和钢球的半径成正比，和钢球的密度成正比，和速度成正比和岩石的强度Ｐ正反比。所以，对于３００兆帕的硬岩石，含有金刚砂的水刀的切割深度为３．４毫米。同样，如果是石英砂，计算结果为如果不含金刚砂，则切割深度为多少呢？ 同样粒径的石英砂的切割深度仅仅只有２．９毫米。如果是纯粹的水柱，则切割深度仅仅为１毫米，切割效果有很大差别。金刚砂的密度为３．１，石英砂的密度为２．６５，水的密度为１ .所以，水柱中含有金刚砂的情况下，切割岩石的效率要比纯粹的水高２．４倍。如果水刀冲出的是单纯的水柱，则其动量和冲量的计算方法和以上并不相同，此时假设从水枪口冲出的水的质量和碰撞在岩石上的水的质量完全相同，则这段水柱作用在岩石上的时间为ｔ，在ｔ时间内从水枪中流出的水的质量Ｍ，Ｍ和水的体积成正比和水的密度成正比，Ｍ＝ б＊Ｖ，而流水的体积Ｖ和横断面积Ｓ成正比，和水在ｔ间隔内的长度成正比，Ｖ＝Ｌ * Ｓ，而Ｌ等于ｖ＊ｔ，Ｌ＝ｖ＊ｔ．此时水流速度ｖ已知。因此Ｍｖ＝б＊Ｖ＊ｖ＝б＊ｖ＊Ｌ * Ｓ＝б＊ｖ＊ｖ＊ｔ * Ｓ，冲量公式则为Ｆｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ，两者相等Ｍｖ＝б＊ｖ＊ｖ＊ｔ * Ｓ＝Ｆｔ＝Ｐ＊Ｓ＊ｔ，化简为б＊ｖ＊ｖ＝Ｐ，在这个公式中可以看出，水的密度б是一定的，Ｐ是岩石的硬度，是一个定值，那么水流的速度达到了一定的值就能够破裂岩石。而与水的形状没有关系，与水柱的截面积没有关系。但是与水是否持续冲流有关系，也就是说是否是连续流柱。此时可以计算出水柱要破裂岩石，最小的流速是３００兆帕的开方，最小速度要达到５５０米每秒。从上式子可以看出连续流柱的破碎能力根据岩石的硬度而定，与流体的密度成反比，与流体的速度成二次指数关系。这一点和其它形状的并不一样。以上分析是在水枪和岩石垂直的情况下的推导，如果不是垂直的，那么需要另外推导，这时候就必须考虑接触面积了。此时的切割深度如何呢？切割深度大概可以用相同压力下水柱在岩石中前进的距离来计算。由于Ｆ＝Ｍ＊ａ，Ｆ＝Ｐ＊ｓ，Ｍ＝б＊Ｓ＊Ｌ，则Ｐ＝б＊Ｌ＊ａ，Ｌ＝０．５＊ａ＊ｔ＊ｔ则，推导出Ｐ＝０．５＊ａ＊ａ＊ｔ＊ｔ＊б，而切割中水流的加速度ａ与ｔ的乘积就是速度ｖ，所以公式变为２＊Ｐ／б＝ｖ＊ｖ。所以ｖ不仅与岩石强度有关，还与介质的密度有关。当水柱开始接触岩石的时候，此时初始ｖ已知，为１５６８米每秒，可以反向推导出此时的压力Ｐ，ｐ值为１２２９兆帕；而当速度降为到没有切割效果时候的时对应的Ｐ是岩石的硬度３００兆帕，此时水流速度为０，ａｔ＝△ｖ，而Ｆｔ＝Ｍａ，则△Ｆｔ＝Ｍ△ｖ，△Ｆｔ＝Ｍ△ｖ＝Ｍａｔ，所以△Ｆ＝Ｍａ，已知△Ｆ＝９２９Ｓ兆帕，Ｍ＝б＊Ｓ＊Ｌ，所以９２９＝б＊Ｌ，Ｌ＝０．５＊ａ＊ｔ＊ｔ，ａｔ＝△ｖ，所以９２９＝б＊０．５＊△ｖ＊ｔ，△ｖ＝１５６８－５５０＝１０１８，所以ｔ＝９２９／１０１８／１０００／０．５＝０．００１８秒。由于作用于岩石上的时间算出为０．００１８秒，这时候就能够算出开凿岩石的深度Ｌ＝０．５＊△ｖ＊ｔ＝０．９３毫米。也就是说完全的水柱，初速度为１５６８，则对于硬度为３００兆帕的岩石，开凿深度为０．９３毫米，这个和球形计算方法得出的结论相差０．０７毫米。在误差范围之内（以上算法如有不妥，敬请指正）。 通过以上复杂的计算，可以看出，在水刀中加入金刚砂的效果比不加入任何东西效果好得多。而金刚砂实际上是碳化硅（ SiC ），是一种人工合成的物质，如果使用在开凿岩石中非常昂贵，所以应该用石英砂代替金刚砂，加入水刀中使用。而石英砂是一种自然界普遍存在的物质，非常廉价，也容易得到，并且石英砂不污染环境。 这样，在设计开敞式掘进机的时候，可以把水刀、分裂棒配合使用，也可以加进滚刀刮刀，和护卫装置，组成一个集成化的开凿机器，达到高效地开凿隧洞的效果。
个人分类: 气候生态|8784 次阅读|1 个评论
利用地下隧洞从长江向华北地区调水的初步设想
热度 1 fanxiaoyingz 2020-4-25 20:32
利用地下隧洞从长江向华北地区调水的初步设想 今年以来，水利部门连续 的 大动作引起了社会各界的关注。首先一个是南水北调东线和中线的验收工作正式启动，其次是南水北调东线和中线的后续工程的勘察设计工作正式启动，第三个是南水北调西线工程的最后勘查工作由水利部委托黄河水利委员会进行。水利部表示西线工程规划方案比选论证报告今年内要完成。 中国的南水北调东线工程和中线工程基本完工，五年以来试运行效果良好，目前中线工程已经调水超过 258 亿立方，东线调水超过 40 亿立方。调水工程取得了显著的经济效益和社会效益。但是水利部领导认为调水规模仅占总体规划调水规模的 41% ，就工程而言，南水北调与国务院批复的《南水北调工程总体规划》目标还有差距。 从华北平原对水的 实际 需求量来看，每年一百多亿立方的水量尚不能满足华北地区的需求。目前华北地区依然存在以下比较尖刻的问题：第一，地下水位并没有有效恢复，农业和生态用水依然比较紧缺。第二，华北地区的水污染依然比较严重。第三，据说华北地区有十分之一的土地是盐碱地，治理盐碱化土地对于淡水的需求依然很大。那么，到底华北地区需要多少水才能够满足经济发展和生态用水的需求呢？一般的预估量大约是 1000 亿立方。这么大的水量从哪里来呢？长江，惟有长江。 长江的年径流量超过 9000 亿立方，而我们目前能够利用的只是其五十分之一，基本上三峡以东，长江以南的水没有办法调用。目前能够利用的调水工程有南水北调的东线水渠，中线水渠，另外还有一个潜在的调水水渠就是使用了千百年的京杭大运河，据说京杭大远河的一些线路已经被废弃了，非常可惜。目前看，利用东线水渠向华北增加调水的潜力有限，主要原因并不是这条路线水量不足，而是成本较高，需要大型泵站抽水。而中线增加调水的制约因子是水源缺乏，为此水利部准备做从长江向丹江口调水的补充工程，“引江补汉工程 ”前期工作正在加紧进行。另外从白龙江 和 嘉陵江向汉江补水也是议程之中的事情。但是，无论中线潜力如何发挥，其引水量也只能是设计的最高限额， 480 亿立方。 那么能否有一个新的设计路线，能够把武汉以东的长江水调到北方，而且运行成本比较低呢？经过研究地图发现，实际上武汉以东的长江海拔都在海拔 19 米以下，从武汉到黄冈市、黄石市、九江市、安庆市、池州市、芜湖市的海拔 都在 19 米以下， 芜湖市只有 4 米。使用传统的落差引水的方法根本不可能把水调到华北平原。但是我们看到，大别山以东的平原和华北平原基本上连 成 一片，而海拔最高只有 40 米，最低只有 5 米，落差非常小。也就是说，如果从长江抽向天津抽水，如果没有阻力损失，那么一度电可以抽水将近 10 个立方，平均每立方水的抽水费用不足一毛钱。这就给我们一个启示，我们完全可以利用地下隧洞引水，然后各地可以根据需要抽水。而地下输水隧洞可以把水从长江自流引到天津北京地区。为此，我们勘查出这样一条引水路线： 在海平面以下 5 米—— 15 米范围内的地层修筑输水隧洞，引水点选择在合肥东南的巢湖，巢湖距离铜陵县的长江只有 40 公里，从长江引水到巢湖，从巢湖开凿地下输水隧洞沿着海拔 30 —— 40 米线向北引水 ， 初步规划经过淮南市、阜阳市、亳州市、商丘市、菏泽市、濮阳市、邯郸市、邢台市、衡水市到达保定市的白洋淀，从白洋淀引水向东北经过廊坊市到达天津市北面的武清区，这里有一大片低洼地可以利用，也有一个水库可以储水。全程 1150 公里。我们暂时给这个输水隧洞取一个名字叫“天津铜陵隧洞”简称“津陵隧洞”。 总结来说，津陵隧洞修筑在海拔负 5 ——负 20 的地下，隧洞直径 10 米较为合适，全程长度 1150 公里，穿越安徽、河南、山东、河北到达天津。其海拔始终保持负 5 米 ——负 20 米 ，全程没有落差，始终依靠长江水位在地上 8 米，隧洞水位在地下 5 米的 14 — 24 米的落差提供引水动力，是一个大型的 U 型管，主要依靠压力引导流水。所以，其原理和利用落差自流的原理完全不一样，它形成的是一个地下水网，每一个用户需要用水必须使用水泵抽取。对于这样一个设施需要解决以下问题： 第一， 隧洞的长度太长，是否具有现实性。从目前的技术水平看，这个不是问题。我国目前的隧洞技术已经非常发达，每一个大城市的地铁路程都超过了几百公里，这个 隧洞 总长 1150 公里，仅仅相当于北京上海西安三个城市地铁的总里程。 第二， 隧洞所经过的地区都是泥沙沉积区，没有硬岩石，开挖技术难度小，对于泥土盾构机的要求小，目前的设施水平完全能够达到。但是泥沙的稳定性差，容易发生坍塌、滑溜现象，因此隧洞的护壁必须使用管片砌撑，管片的用量很大。 第三， 隧洞实际上避开了所有的地上水库、河流、城市、公路和村庄，以及地上的所有建筑。在地下可以随意穿越，不破坏地上建筑。不占用地上土地。这一点对于人口稠密的东部平原尤为重要。 第四， 隧洞的路线避开城市和重要的地上设施，从农村的田地下面穿过 ， 不影响农业和种地。一般情况下，耕地深度不会超过 2 米，而这个引水隧洞在地下 20 到 60 米（当地海拔是 50 米则隧洞深度 60 米）。 第五， 隧洞的水自成体系，完全封闭，不受当地降雨、地下水污染的影响，而且全程不会受到污染。这一点对于华北平原也是自关重要的。 第六， 引水 量可以弹性调节，最大引水量可以超过 1000 立方。引水只受到水压影响，与坡度没有关系，这个 U 形管原理的好处就是水量只与水压有关。流速可以根据抽水量变化。 第七， 从铜陵到天津修建的地下隧洞只是一个主干隧洞，可以以分支隧洞形式修建许多分支隧洞，从而在大半个华北平原展开地下水网。形成树枝状结构，类似于新疆的坎儿井。 第八， 华北平原土地平坦、地域广阔，如果一条隧洞不能满足需求，可以修建更多的隧洞，例如可以沿着京杭大运河的地下修建。 第九， 这个隧洞可以有效的解决长江下游从九江到城陵矶每年发生大洪水，水无出去的问题。实际上，每年长江发生洪水的季节恰恰是华北平原炎热干旱的季节，这时候的华北平原的需水量非常大，完全可以解决长江危险。 第十， 这个隧洞可以有效调用长江以南产生的径流，其位置恰恰是长江以南多个湖泊的入江口以东，其位置在鄱阳湖以东 260 公里。对于调节湖泊水位有很大影响。 第十一， 隧洞引水的水质肯定没有从丹江口引水的水质好，但是也不会很差，完全能够满足华北平原农业用水、生态用水、治污用水、洗碱用水的需求。 第十二， 隧洞引水的总投资应该低于地上引水工程。隧洞引水不需要大型渡槽、水闸、调节闸门、水土流失防治措施，也不需要占地和搬迁，技术相对简单。 为了修建成功这样一个输水隧洞，需要对巢湖进行全面的环境治理，同时必须修建一个分水系统，让长江的水流到巢湖。巢湖的总面积为 750 平方公里，基本可以满足水沉淀、澄清和水量需求。在巢湖中引水位置可以选择在湖泊中央，使用大型沉管输水，使用竖井放水。用水单位可以使用竖井抽水，竖井高度应该超过当地地平和河水最高位，防止污染水源。 利用华北平原地下引水可以避免占用大量的农田和森林，可以避免搬迁住户，可以不影响地上各种设施，可以抬高地下水位，可以洗碱治理盐碱土地，而且输水的水质有保证，不会加入污染物。最为关键的是可以不受水量的限制，可以随用随取。实现北方和南方的旱闹互济，有效解决南方洪水问题。这个工程的设计思路避开了必须利用落差的理论，完全利用水压力原理，封闭系统的水流速度不受谢才公式制约，能够有效解决无落差的平原地区大规模供水问题。好处很多，当然困难也不少。希望理论界多多讨论。
个人分类: 气候生态|2930 次阅读|2 个评论
盾构机的改革思路
热度 2 fanxiaoyingz 2019-8-14 22:52
盾构机的改革思路 目前流行的盾构机是压力平衡式盾构机， 包括土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。那么为什么盾构机要强调压力平衡呢？压力平衡对于盾构机的性能有什么影响呢？盾构机一般有几百吨重，而且一般有八个以上的液压千斤顶，千斤顶加上自重产生的压力非常大，这个压力和盾构机前面的土体形成一对作用力和反作用力，所以盾构机给于土体的压力非常大，这种压力有两个作用，一个是挤压土体和土体中的泥水，让它向着隧洞边缘流动，这样隧洞护壁更加紧密，土体更加稳定，不会变形。第二个作用就是相当于给于隧洞以支护，使得隧洞结实规则，不容易发生垮塌、泄流等灾害，也不会产生大的变形。所以，盾构机都是压力平衡式盾构机。 但是，为了压力平衡牺牲了开凿效率，这一点非常重要。首先，只有含有泥水的地层才需要压力平衡，硬岩石，干土地层不需要压力平衡。硬岩石和干土不会侧向移动，正向压力大无法施加到侧向，而且岩石和干土的自身稳定性能良好，所以压力平衡式盾构机并不合适。只有土壤含有水分的情况下，土壤变为泥水，泥具有塑性，正向压力可以迫使它向侧向移动，这时候压力平衡式盾构机的强大正向压力才起到作用。第二，压力平衡的目的是洞壁结实稳定，但是目前已经有多项替代技术可以保证洞壁稳定，例如渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统、管片安装系统等等。所以，把隧洞开凿和洞壁防护分开考虑，分别采取措施已经是大势所趋。第三，压力平衡盾构导致盾构机的结构不够高效。例如，在压力平衡盾构机中，刀盘必须是平面的，否则压力就不会平衡，但是人们都知道子弹头是抛物线形状，火车机头是抛物线形状，现实中许多向前运动的东西的前端都是抛物线形状，这种形状效率高，摩擦阻力小。对于盾构机来说出渣容易，但是压力平衡式盾构机无法采用。又例如，压力太大盾构机和土体切得紧密，只能在盾构机上安装小尺寸刮刀、滚刀、切刀，无法安装劈刀、分裂棒等等。第四压力平衡式盾构机浪费了巨大的电力。它把岩石彻底粉碎以后从排渣孔排出渣土，严重影响了开凿速度，大量功率用来粉碎和研磨岩石，用了大量时间研磨岩石严重影响了开凿速度。盾构机的自重很大，在每一次前进中都需要巨大的电力，而且不够灵活，对于安装、拆卸、运输都是严重的挑战。第五，压力平衡式盾构机的排渣很困难，大量泥沙和碎石在盾构机的刀盘上要旋转很长时间才能够排出，而这种研磨是没有任何必要的，排渣不及时严重地推迟了盾构机的掘进速度。第六，压力平衡式盾构机的刀具磨损非常严重，而且更换刀具非常困难，不便于人员操作，前端空间很小。第七，压力平衡式盾构机只能前进，不能倒退，这个严重影响了工作，对于维修和支护和应急处理都不利。第八，由于盾构机都是集成模块系统，安装拆卸运输都不方便，包括根据新的情况改装也不方便。也导致其价格非常昂贵。 由于以上缺点压力，平衡式盾构机很难制造直径超过 15 米的大口径隧洞，所以很难应用于水工隧洞的建设。由于目前的支护技术已经非常先进，压力平衡已经没有必然性，所以我们应该发展研究“压力非平衡组合式盾构机”。 压力非平衡组合式盾构机是针对压力平衡式盾构机的缺点而设计，容纳了其优点的一种新型盾构机。在继承目前盾构机的技术的基础上加以改进。主要的改进之处介绍如下： 第一：机头和刀盘根据岩土特性分类设计。例如硬岩、泥水、干土、流沙、膨胀土等特性不同，那么采取的技术措施就不同，对应的设备就不同。尤其是刀盘、支撑和动力不同。刀盘上刮刀、滚刀、切刀、搅拌棒等的数量和排布也不一样，也可以增加分裂帮、劈裂器、液压钻、水刀等。根据自身特点量身定做。例如硬岩，岩石很硬，洞壁很稳定，岩石可以切割成大块，所以可以做压力非平衡掘进机，刀盘可以做成抛物线形，中间向前突出，方便出渣，刀盘上的刮刀减少，滚刀增加等。又例如泥水平衡式盾构机，可以保持目前的第三代设计，但是刀盘可以适当改进。干土掘进机的刀盘可以多用刮刀，少用滚刀，刀盘可以前突。流沙掘进机则应该优先使用固沙设施，首先喷灌凝固剂，然后掘进。 第二， 支护系统前移，提前支护，智能支护。可以强化侧壁边界的支护，用滚筒式掘进器提前切入泥土中，和操作面隔断，不影响操作面。在滚筒式掘进器的侧壁上安装若干感应器，对侧面岩土的稳定性不断监测。同时在滚筒式掘进器的侧壁上安装渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统，提前对洞壁硬化、固化、支护。措施由智能系统决定。 第三， 增加滚筒式掘进器或者滚筒式环切刀。滚筒式掘进器安装在刀盘的侧面，让其承受洞壁的侧压力，同时可以比刀盘提前掘进，让滚筒壁支护掌子面。这个设施的使用可以防止非平衡盾构产生的危险，也可以开辟临空面，让掘进更加容易。滚筒式掘进器实际上在 1960 年已经被英国应用于实际。只是我们设计的滚筒式掘进器可以和刀盘式掘进器结合起来使用，相互是单独的动力，掘进设施和粉碎输送设施分离，滚筒式掘进器主要负责前进掘进，而刀盘主要负责粉碎。 第四， 刀盘改革为中心前突的抛物线形状。改为抛物线形状以后盾构机的刀盘是向前突出的。这样的好处是出渣容易，渣土在重力作用下可以自动掉落到出渣螺旋输送机上。另外前突设计可以制造中间临空面，使得周围的掘进更加容易。当然如果是不旋转的刀盘则不需要。 第五， 增加盾构机机头的后退装置。第三代压力平衡式盾构机只能前进，无法后退，因为自重很大。但是如果把盾构机的机头设计为可以适当后退，后退距离在 1 —— 3 米完全可以，这样方便人员进去维修，更换刀具，处理应急事情。可以用千斤顶顶在掌子面上后退。这要求盾构机的前端机头是铆接式连接，可以拆卸。 第六， 在大部分隧洞中，隧洞大，进出口小，而且施工空间狭窄，这就要求盾构机可以在隧洞内进行拆卸和组装。因此应该发展灵活拆卸式盾构机，分节分段安装，这就要求各个节段之间有良好的连接设施，尤其要对连接点的安全措施做好。 根据以上改进意见，我们也设计了一种新型的 “硬岩滚筒式掘进机”： 1， 掘进设施：掘进设施主要是滚筒式掘进器，滚筒式掘进器实际上就是一个圆柱形钢管，钢管的直径可以很大，从 10 米到3 0 米都可以，在钢管的前端管缘上安装水刀，水刀的作用相当于凿岩先锋，直径 15 米的钢管的直径是 47 米，可以安装 23 — 31 个水刀，水刀的喷水方向可以是正前方、也可以倾斜 10 —— 30 度，倾斜的水刀可以把开凿的岩石缝隙扩大。水刀的后面、钢管的内壁安装超硬度的滚刀，滚刀的方向和普通的盾构机的方向不同，其切割方向是隧洞方向垂直的，和滚筒式掘进器的旋转方向一致，其目的是把水刀切割的狭窄的缝隙扩大。直径 15 米的钢管内侧，从前端向后可以依次安装切割直径为 1 厘米， 2 厘米， 3 厘米， 4 厘米， 6 厘米， 8 厘米的滚刀各 23 — 31 个，滚刀的中间可以安装若干刮刀，目的是把滚刀切破的岩石从大岩石上分离。滚筒式掘进器的长度大约 5 — 6 米，滚刀安装在前端 0.1 —— 4 米，后边的 2 米可以安装搅拌器。由于滚筒式掘进器是隧洞的最外围，所以实际上这个滚筒式掘进器是一个安全装置，可以防止岩爆、防止落石，防止涌水危害。它和其它设备基本不接触，可以单独使用动力，而且它只会旋转，所以旋转的动力传动装置可以简单化，不使用法兰，而是使用齿轮来传动，由于是钢管形式，消除了不必要的扭矩，钢管自身的形状和尺寸消除了横向扭矩，所以在钢管尾部加力，整个钢管都会旋转，因此把齿轮安装在滚筒式掘进器的尾部，可以使用 4 个异步调速电动机带动。这种传动安装简单，维护方便，动力强大，节省电力。滚筒式掘进器的前进可以使用传统的千斤顶向前顶压。滚筒式掘进器有一个巨大的优点就是可以持续不间断地旋转掘进，因为它是一个独立系统。 2， 碎岩设施：滚筒式掘进器只能把岩石切割成为一个具有宽度大约为 6 — 10 厘米的圆环型临空面，临空面里面的岩石实际上还是一块整体岩石。如何把岩石按照要求粉碎，达到运输的理想尺寸呢？我们抛弃了传统的旋转刀盘和滚刀设施。而是让刀盘不旋转，并且和滚筒式掘进器之间保留缝隙，互不链接，在刀盘上不再安装滚刀和刮刀，而是以同心圆阵列形式排布液压钻机和分裂棒，利用岩石的脆性特点粉碎岩石。由于分裂棒的瞬时压力在 60 —— 80 兆帕，而岩石的硬度往往超过 250 兆帕，所以分裂棒只能劈裂较薄的岩石，为此我们设计一个“层层剥皮式”劈裂法。分裂棒在存在临空面的时候劈裂效果最好，我们用滚筒式掘进器开凿的间距为 6 — 10 厘米的圆环型临空面在外围，因此首先劈裂外围岩石，因此同心圆阵列钻头位置排布如下：以钢管圆心为引出点，在半径为 1 米， 2 米， 3 米， 3.6 米， 4.2 米， 4.7 米， 5.2 米， 5.6 ， 6.2 米， 6.7 ， 7.1 米（可以利用实验数据排布）的同心圆上、间隔 1.5 米排布钻头，钻头的数量分别为 4 个， 8 个， 12 个， 15 个， 17 个， 20 个， 22 个， 23 个， 26 个， 28 个， 30 个，总共 205 个钻头，最外面的同心圆的间距为 0.4 米，中间的同心圆间距为 0.6 米，最里面的同心圆间距为 1 米，同样的，在每一个钻孔傍边安装对应的分裂棒，同样是 205 个。在劈裂的时候分层劈裂，最外面的 30 个钻孔距离临空面很近，首先劈裂最外层，最外层的 30 个分裂棒开启使用，其它 175 个不启动。劈裂的结果是最外面 0.4 米内的岩石分裂成为碎石。这时候由于滚筒式掘进器在旋转，在旋转和自身重力作用下，碎石会掉落下去，一部分进入出渣孔，一部分掉落到了低处。在刀盘的低处，利用钻头和分裂棒的间隙，安装螺旋输送机，把渣土输送出去。这样一来外围的临空面的间距改变为 50 厘米，临空面更大，劈裂更加容易。然后启动临近一圈 28 个分裂棒，让临空面增大到 90 厘米，依次地临空面会增加到 140 厘米， 200 厘米， 240 厘米， 290 厘米， 340 厘米， 400 厘米， 460 厘米， 560 厘米和 660 厘米。随着临空面的增加，岩石运动的空间增加，岩石在运动的时候互相之间的碰撞机会增加，因此没有粉碎的岩石就容易开裂粉碎。如果每次劈裂的时间是 2 分钟，那么每间隔 22 分钟就可以把全部岩石劈裂完成。可以确保推进 2 米。从上面可以看出，掘进设施和碎岩设施是两个不同的系统，互不干涉，粉碎的过程中不需要掘进设施停机等待，这个就能够大大加快掘进速度。而且钻机分次分批的钻探，震动也能够起到劈裂作用。 3， 出渣设施。在刀盘上虽然安装了 205 个钻头和 205 个分裂棒，但是由于刀盘的面积高达 176 平米，所以还有大面积的区间可以开孔，利用开孔可以出渣。最大的开孔空间是 1 米 *1 米，可以出 1 米以下的碎石，可以有 10 个开孔。由于碎石在重力作用下下落到了隧洞底部，所以在刀盘的底部可以少安装一个钻头，腾出 80 厘米的空间宽度，空间的长度达到 1.5 米，利用这个开孔安装 1 个螺旋输送机，从掌子面出渣。这样，出渣孔可以达到 11 个。输送带可以安装 3 —— 6 个，出渣效率很高。由于刀盘不旋转，而滚筒式掘进器在不停地旋转，所以碎石会随着滚筒式掘进器而旋转，在旋转的时候互相破碎，也就有机会排出出渣口，所以滚筒式掘进器也是一个出渣设施。有了它，可以不需要更多的搅拌器，也不需要刮刀。如果 30 分钟能够前进 1.5 — 2 米，那么每小时可以前进 3 —— 4 米，每天可以掘进 72 — 96 米，每个月可以掘进 2160 —— 2880 米，每年可以掘进 25.9 —— 34.5公里 。掘进的效率非常高。 第三代盾构机在开凿和粉碎上是一体化的，这个严重影响了开凿速度和出渣速度。这里设计的掘进机把开凿和粉碎分别由两套互不干涉的设施承担，开凿可以持续不断，而粉碎则从外向里面一层一层粉碎，粉碎之后的出渣利用了重力，刀盘并不直接接触掌子面，在刀盘和开凿面之间还有一定的间隙。为了利用重力，刀盘可以设计为向前突出的抛物线形状，让落石直接落入出渣口。刀盘的作用不再是掘进，也不再是粉碎设备，而是安装和固定钻机，排布分裂棒的固定器，而且刀盘也有防护作用，让粉碎在刀盘和掌子面之间进行，避免机器和人员损伤，也可以防止坍塌流石等突发事件。有了空间，人员可以自由进出，方便维护和应急。 传统的第三代盾构机只能开凿直径在 15 米以下的隧洞，但是新型的“硬岩滚筒式掘进机”由于实现了开凿和粉碎的分离，所以原则上可以开凿任意直径的隧洞，例如 15 米以上到 30 米直径的水工隧洞，可以满足任何需求。 刀盘上的钻头可以一次钻探，分次劈裂，劈裂采取的是分层剥皮式劈裂，这样可以避免一次开动所有分裂棒造成的瞬时高电压高电流损伤，也可以保证分裂的碎石的尺寸不超过一米，确保出渣没有阻碍。分层剥皮式劈裂可以保证分裂的碎石大小均匀，尺寸合适，出渣有序，避免拥堵。所以，分层剥皮式劈裂是一个很重要的开凿工艺。 滚筒式掘进器前端的水刀需要大量的水，而这些水在完成劈裂任务以后可以减少粉尘，也可以冲刷碎石，让碎石之间的摩擦减少，增加出渣效率。几十个水刀和上百个大小不同的滚刀刮刀环形切割，可以保证切割高效和快速，也可以降低刀具温度，避免金属疲劳，提高工作效率。 由于这种机头开凿效率高、速度块，所以对于隧洞的防护和安全提出了更高的要求。在掘进机的后部应该家装更多的支护设施，其中一个就是钢管式护壁，另外可以安装更多的泡沫系统、注浆系统和混凝土速凝系统。此外，刀盘上几百个钻头和分裂棒也对电机系统有了更高的要求。 总体来说，新型的 “硬岩滚筒式掘进机”采取了以下设计：掘进采用钢管式滚筒掘进器，其旋转和前进分别使用不同的动力传输系统，旋转采用传统的齿轮式，前进采取千斤顶顶压式。采用抛物线前突式刀盘，刀盘不再是粉碎设备而是防护固定设备，刀盘加装了上百个液压钻头和分裂棒。粉碎岩石使用分裂棒，采取了分层剥皮式劈裂；出渣采取螺旋式输送机和皮带传输相结合。掘进机头和掘进机的其它设施采取组装可拆卸式。所以，这种掘进机和传统盾构机，或者 TBM 完全不同。
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准格尔盆地的水资源再分配
热度 1 fanxiaoyingz 2019-6-12 20:12
准格尔盆地的水资源再分配 准噶尔盆地位于北纬 43 ° 30 ′— 48 ° 30 ′，东经 82 ° 05 ′— 90 ° 57 ′之间，东北为阿尔泰山，南部为北天山，是一个略呈三角形的封闭式内陆盆地，东西长 700 千米，南北宽 370 千米，面积 38 万平方千米。盆地呈不规则三角形，地势向西倾斜，北部略高于南部，盆地一般海拔 400 米左右，东高 ( 约 1000 米 ) 西低，北部的乌伦古湖（布伦托海）湖面高程 479.1 米，中部的玛纳斯湖湖面 270 米，西南部的艾比湖湖面 189 米，是盆地最低点。盆地南缘冲积扇平原广阔，是新垦农业区，面积 4.9 万平方千米。 盆地水汽主要来自西风气流。降水西部多于东部，边缘多于中心，迎风坡多于背风坡。盆地冬季有稳定积雪，冬春降水量占年总量 30% ～ 45% 。除额尔齐斯河为外流河外，盆地其他河流均为内陆河，以盆地低洼部位为归宿。河流补给主要来自山区，春季平原融雪水亦有补给。按河流出山口处流量计算，共有年径流量 210 亿立方米（不包括伊犁河及塔城盆地河流），其中额尔齐斯河流出国境水量 100 亿立方米。 由于准噶尔盆地处于寒温带，所以整体来说蒸发量不大，而有来自大西洋和北冰洋的水汽，所以降水要多一些。而且由于有阿尔泰山的雪山融水，北天山的雪山融水，所以，准格尔盆地和塔里木盆地不同，是一个湿润盆地。其中心的古尔班通古特沙漠也是一个半湿润沙漠，面积占盆地总面积的 36 ． 9% ，面积 14 万平方千米，部分为灌木及草本植物覆盖，主要为南北走向的垄岗式固定、半固定沙丘，南缘为蜂窝状沙丘，是半湿润沙漠（塔克拉玛干沙漠是完全干旱沙漠）。沙漠中固定沙丘占大多数，年降水量 70 ～ 150 毫米，冬季有积雪。固定沙丘上植被覆盖度 40 ～ 50% ，半固定沙丘达 15 ～ 25% ，为优良的冬季牧场。沙漠的西部和中部以中亚荒漠植被区系的种类占优势，在沙漠东部和南部边缘，亚洲中部植物区系种类较多。 根据以上情况，我们认为准噶尔盆地的水资源比较丰富，水分损耗不大，可以通过盆地内部水资源再分配实现治理沙漠，扩大绿洲的目的。为此，应该做出以下水资源调配措施：修建一个堤坝，打通一条隧洞，修筑一条明渠，开凿几个人工湖泊。 第一个措施，在北天山和阿尔泰山上放置大量生水器，这两个地方是水汽容易凝结的地方，山上原本就有大量冰盖，放上生水器可以产生更多液态水。 第二个措施，在额尔齐斯河流出国界的地方（北纬 48 ° 00 ′，东经 85 ° 42 ′，海拔 425 米），修筑一个高 60 — 70 米的拦河坝，长度 45 公里，控制高程 500 米。修筑以后可以形成一个面积超过 6000 平方公里的湖泊，这个湖泊可以和目前的乌伦古湖（北纬 47 ° 13 ′，东经 87 ° 13 ′，海拔 480 米）连接起来，以便于将来引水。湖泊形成后对于灌溉农业很有好处，对于利用其蒸发的水蒸气润泽沙漠很有好处，对于未来形成连贯北疆的运河很有好处，未来湖泊形成后，其航运可以直接到达俄罗斯的额木斯克州。如图（红色区域是规划湖泊的淹没区，需要搬迁）： 第三个措施，从乌伦古湖（北纬 47 ° 13 ′，东经 87 ° 13 ′，海拔 480 米）开凿一条明渠穿过古尔班通古特沙漠到达乌鲁木齐北（北纬 44 ° 34 ′，东经 87 ° 45 ′，海拔 440 米）。这条明渠实际上就是一条运河，通过的古尔班通古特沙漠海拔最高 660 米，普遍在 550 米以下，开挖深度不超过 150 米，长度为 290 公里。未来从乌鲁木齐通过航运可以直接到达俄罗斯的欧洲地区（暂时起一个名字叫乌伦运河）。如图： 第四个措施，在古尔班通古特沙漠修建若干人工湖泊。由于乌伦运河横穿古尔班通古特沙漠，而这个沙漠中有许多地方海拔低于乌伦运河海拔，所以可以以乌伦运河为主干，在其两侧修建若干湖泊，主要的目的就是储存春季雪水和夏季洪水，用于灌溉农田和牧场。乌伦运河西面的大片土地海拔都低于 470 米，而且逐渐降低海拔，修筑湖泊的条件很好。乌伦运河以东的海拔普遍高于 480 米，难于修筑湖泊。 第五个措施，在乌鲁木齐的昌吉附近修筑一个湖泊。从乌鲁木齐向西，海拔逐渐降低，一直到克拉玛依市，海拔从 450 米降到了 275 米，因此必须在在乌鲁木齐的昌吉附近修筑一个湖泊，此处海拔430米，防止乌伦运河的水大量向西流淌，修筑的控制海拔在 470 米即可，形成的湖泊面积大约 2150 平方公里。可以灌溉周围沙漠和绿洲。 第六个措施，疏通从乌鲁木齐到克拉玛依的天然河道。让乌伦运河的水有控制地自流到克拉玛依地区。由于克拉玛依地区是一个低洼封闭地形，海拔只有 275 米，所以可以浇灌沿途 480 公里范围内的土地，形成更大面积的绿洲，而且会在克拉玛依的艾里克湖（北纬 45 ° 55 ′，东经 85 ° 46 ′，海拔 271 米）附近形成一个大的湖泊。这个地方是一个古代湖泊遗址。甚至有可能把尾水流入艾比湖（北纬 44 ° 50 ′，东经 83 ° 01 ′，海拔 194 米）（如图，紫色线条所示为天然水道）。 第七个措施，开凿一条隧洞。在伊犁地区东北部的尼勒克县的伊犁河上有一个吉林台水库（北纬 43 ° 50 ′，东经 82 ° 54 ′，海拔 1318 米），吉林台水库的北面是博罗科努山，翻过博罗科努山就是艾比湖。因此从吉林台水库向北打一个长度为 49 公里的隧洞就可以穿越博罗科努山，从隧洞出口到艾比湖落差高达 1060 米，水力潜力巨大。同时水可以自流到艾比湖，补充艾比湖水资源。 吉林台水库多年平均径流量 34.61 亿立方，因此从此处每年调取 5 亿立方水是完全可以的，调水的目的地就是艾比湖，艾比湖湖面海拔 194 米，周围都是高山，西北有一条古代河谷，但是被冰川冲刷物覆盖，海拔达到了 454 米，艾比湖的西北是阿拉湖，古代是互通的。如图： 通过上述工程措施，可以把准噶尔盆地内部的水资源进行再分配，可以基本上覆盖准格尔盆地一半以上的面积，受水面积超过 20 万平方千米。新增绿洲超过 2 万平方千米。新修建一条大运河，运河可以从克拉玛依到达乌鲁木齐，从乌鲁木齐可以到达乌伦古湖，从乌伦古湖通过额尔齐斯河到达斋桑泊，到达俄罗斯的欧洲地区，这个运河如果开通会惠及很多地区。而这个运河由于修建在海拔落差不大，比较平坦的盆地中，所以投资不大。因此，准噶尔盆地的水利工程不仅能够治理准格尔盆地，而且在一带一路中具有重要意义。
个人分类: 气候生态|8546 次阅读|6 个评论
在高围岩强度输水隧洞开凿中应该使用轨道电磁炮技术
fanxiaoyingz 2019-2-20 00:47
在高围岩强度输水隧洞开凿中应该使用轨道电磁炮技术 秦岭输水隧洞已经开凿了 91.5公里 ，可谓成绩骄人。但是我们也注意到，其中全长 18.3公里的岭南TBM标段是制约引汉济渭全线贯通的“卡脖子”工程，该标段自2015年2月底试掘进以来， 17个月 仅完成了 2.1公里的施工任务，月均进尺170米，施工进展十分缓慢。该地段最大的特点就是“硬”，岩石以石英岩和花岗岩为主，强度极大，好似钢板一块，刀具磨损量巨大，一个星期刀具更换数量达到123把。还有消息说，使用世界上最先进的强度最大的盾构机也不顶用，最后不得不使用钻爆法打通最后几公里，但是由于围岩硬度大难以钻探，隧洞长而且深洞内高温高湿不通风环境 不利于作业，大大降低了钻爆法的掘进速度。 由以上情况可以知道，超长度深埋高强度围岩隧洞的开凿，使用盾构机和钻爆法都不理想，速度很慢，岩石硬度大难以掘进。那么哪一种方法比较理想呢？这种情况又一次使我想起了使用 “电磁轨道炮”的飞爆法。我认为飞爆法是解决深埋、硬岩、大直径水工隧洞的最好方法。 电磁炮听起来很神秘，其实它的结构和原理很简单．电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统，它利用电磁系统中电磁场的作用力，把炮弹的速度分次加速，主要部件由电源、高速开关、加速装置、炮弹、计算机控制系统五部分组成，弹头又装有激光制导或其他制导装置。电磁炮没有圆形炮管，弹丸体积小，重量轻，使其在飞行时的空气阻力很小，因而电磁炮的发射稳定性好，初速度高，射程远．由于电磁炮的发射过程全部由计算机控制，弹头又装有激光制导或其他制导装置，所以具有很高的射击精度。电磁炮的加速作用的时间要比其它炸弹长得多，可大大提高弹丸的速度和射程。电磁轨道炮有一些突出优点：一是弹丸速度快，精度高，射程远，威力大，目前其初始速度超过了 3000米/秒。从理论上讲，其速度可以超过第一宇宙速度。 我们正是利用轨道电磁炮所发射的高速炮弹的能量，来钻透硬度很高的岩石，让炸药在岩石内部爆炸，从而提高开凿隧洞的速度。当然，这些能量最后几乎全部转化成为热能，使得岩石的温度瞬间达到熔点，从而让炮弹顺着熔化岩石进入围岩内部，然后引爆炮弹内的炸药，从而提高开凿隧洞的速度。所以高速度的炮弹有双层作用，一方面，其很高的能量熔化部分岩石，另一方面炮弹自身的高速度有钻探作用，能够钻进岩石，双层作用把带着炸药的炮弹钻进岩石深处，让炮弹从内部爆炸。对于这种轨道电磁炮，我曾经在《希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中 》有所交代。目前看来，对付硬度很大的岩石，轨道电磁炮所发射的飞弹最为合适，飞弹法是未来最为理想的开凿 超长度深埋高强度围岩水工隧洞的技术。 当然，虽然轨道电磁炮的技术原理并不复杂，它就是电动机的原理，但是正真把炮弹加速到每秒钟 3000米以上则是一个高技术，现在各个国家竞争激烈，主要应用在军事上。实际上上，由于轨道电磁炮原理简单，所以不可能被军事独占，它的原理大量地应用在民用设备上，而用来制造开凿隧洞的设备也是完全可以的。我在《飞弹爆破法钻洞技术初探》和《希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中》已经阐述了飞弹法的诸多好处，这些好处促使我们区研究轨道电磁炮和飞弹。 现在，我们来计算一下使用飞弹法所能够达到的开凿硬岩石的效果。尽管我们计算的方法比较简单，但是比较实用，不一定完全正确，但是大方向不会错。假设，我们拥有一个重量为 5公斤的飞弹，飞弹的长度是1米，飞行方向横截面尺寸为0.1米圆形，所以其截面积为3.142*0.05*0.05=0.007855平方米。由于飞弹的长度假设为1米，而其飞行速度为V，所以V的倒数就是飞弹作用于岩石上的时间，误差不会大。又假设，岩石的硬度很大，超过了70兆帕，甚至达到了300兆帕，计算以300兆帕为参数值。一般岩石的熔点在1200摄氏度，极端难熔的岩石的熔点是1600摄氏度，而钢铁的熔点是1500摄氏度，我们按照极其难熔化1600摄氏度为标准。一般常见的岩石比热容大约是2MJ/m3·℃，其含义是1立方米的岩石温度升高1摄氏度，需要吸收2兆焦耳的热能。那么按照这个比热容来计算，1立方米岩石从常温升高到1600摄氏度的熔点需要吸收1600*2=3200兆焦耳的能量。假定有3200兆焦耳的能量施加在一个正方形的岩石上，刚好可以融化1米长、1米高、1米宽的岩石。那么现在我们假设3200兆焦耳的能量施加在只有钻头那么大截面积的岩石上，而且瞬间就融化，那么它能够融化几米长呢？1/0.007855=127米长。反过来说如果融化1米长，截面积是0.007855平方米的岩石（飞弹穿透的截面积），只需要25.136兆焦耳能量即可。我们假设飞弹的动能全部转化为热能，当这个飞弹被加速到1000米每秒、1500米每秒、2000米每秒、2500米每秒、3000米每秒、3500米每秒、4000米每秒、4500米每秒、5000米每秒的时候，其动能、动量，冲量，作用于岩石的时间，冲量产生的力，飞弹给于岩石的压力，飞弹的能量能够融化的岩石的长度等指标分别计算如下表： 速度 作用时间 动能 动量 作用力 压力 热熔化长度 米 秒 兆焦耳 兆牛顿 兆帕斯卡 米 v T=1/v W=m*v*v/2 Q=m*v F=Q/T P=F/0.007855 L=W/25.136 1000 0.001 2.5 5000 5 635 0.10 1500 0.000667 5.625 7500 11.25 1429 0.22 2000 0.0005 10 10000 20 2540 0.40 2500 0.0004 15.625 12500 31.25 3969 0.62 3000 0.000333 22.5 15000 45 5715 0.90 3500 0.000286 30.625 17500 61.25 7779 1.22 4000 0.00025 40 20000 80 10160 1.59 4500 0.000222 50.625 22500 101.25 12859 2.01 5000 0.0002 62.5 25000 125 15875 2.49 从以上的计算表可以看出： 对于硬度为70兆帕以上的硬岩，速度为1000米每秒的飞弹就能够穿透，但是其产生的热量只能够让飞弹在岩石中前进10厘米长，很浅，无法埋设炸药，炸药的引爆效果必然很差，几乎只是岩石表层爆炸。如果要让飞弹钻进1米深，必须熔化前进接近1米，再依靠本身产生的强大压力钻进去一点，从而在1米甚至更深的地方引爆炸药，从上表可以看出，要达到这个效果应该把飞弹的速度加大到3000米每秒以上。当飞弹速度为3000米每秒时，它的动能转化的热能能够熔化大约0.9米深的岩石，而其强大的压力达到了5715兆帕，足以钻透钢板，可以再向前几十厘米。当然，这些能量加载在岩石上，岩石不仅能够熔化，而且能够变软，所以飞钻的钻探深度会超过1米。这个尺度符合我们的要求。因此，我们希望我们制造的轨道电磁炮能够把炮弹的速度提高到至少每秒3000米，即9马赫以上的速度。 根据目前的资料，轨道电磁炮作为一种新式武器，各国正在加紧研制。但是如何控制加速装置，如何提高大质量的炮弹速度依然是一个难题。而我们水利工作者所要创造的是一种新式的开凿隧洞的方法。过去，我们的水工隧洞很少有大直径的，秦岭 98.3公里长的隧洞的直径只有8.1米，按照这个速度每年只能输送大约15亿立方水（秦岭隧洞的规划中明确提出，很显然这个经过了严格的核算）。但是根据谢才公式，隧洞直径越大，输水效率越高，水的流速越高，所以一般来说隧洞直径在20米比较合理，而一般的盾构机和钻爆法都很难做到这么大的直径。虽然每次发射需要消耗很大的电能，但是陆地上电能供应充足，实际上加速到3000米的用电量不足7度电，成本也超不过7元。而飞弹法由于速度快，远离岩爆区域，飞弹范围大，能够准确用药准确定位，所以是理想的硬岩水工隧洞开凿技术。
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输水隧洞应该拥有自己独特的技术
热度 1 fanxiaoyingz 2019-2-14 23:07
输水隧洞应该拥有自己独特的技术 2018 年在工程上有几个振奋人心的消息，一个是港珠澳大桥建成通车，一个是川藏铁路的雅安到林芝段开始修建，一个是引汉济渭工程的秦岭隧洞已经开凿完成 91.5 公里，而且最为艰难的已经完成，只有 6.8 公里没有完成。一个是661公里长的滇中引水工程全面开工。这四个工程都是水利爱好者极为关注的工程，因为这几个工程都与水有密切的关系，这种浩大的工程的完工将预示着我国在水利水工技术上有了巨大进步（中国水利网： 2018 年度引汉济渭工程建设取得重大突破）。 水利爱好者关注港珠澳大桥，是因为港珠澳大桥在水下 30 多米修建，在大海上有很大的水压和渗漏问题；关注川藏铁路是因为该铁路穿越很深的河谷，同时穿越多个雪山封冻区域；关注秦岭引水隧洞是因为这条隧洞是中国第一条长度接近一百公里的超长引水隧洞，到底在修建超长深埋引水隧洞中会出现什么问题，应该如何解决这是水利工作者最为关心的。通过秦岭引水隧洞的修建，我们发现修建超长深埋引水隧洞会出现以下问题： 1 ，高温环境，有些隧洞中温度会超过 90 度（川藏铁路中出现，一般在 50 多度）； 2 ，高湿度，这个比较常见，隧洞内水分大； 3 ，强涌水，有些隧洞通过地下水丰富地区，甚至有地下河，涌水很可怕， 2018 年川藏铁路上一次涌水连设备和隧洞外的住房也冲走了； 4 ，软岩变形，岩石容易变形，容易吸水膨胀，隧洞不容易成形，切护困难； 5 ，强岩爆，深埋隧洞，隧洞内壁压力过大，出现频繁的岩石爆裂爆破现象，当然目前岩爆已经能够有效预防，岩爆一般在隧洞开凿完成 24 小时之内频繁； 6 ，围岩差变化频繁，一会儿是软岩区一会儿是硬岩区，给盾构造成很大困难； 7 ，频繁穿越断层和破粹带，这些地区容易出现塌方、泻溜、陷阱、渗漏，处理比较困难； 8 ，高围岩强度，有的超过300兆帕，在引汉济渭工程的岭南 TBM 三号洞在掘进过程中，每天要更换 10 — 15 把刀，最多时达 20 多把，一个星期刀具更换数量就达 123 把，月均掘进尺度 170 米，非常缓慢。 9 ，高石英含量，有些地段虽然岩石硬度一般，但是石英含量很高，也非常艰难，浪费道具严重，掘进缓慢。 10 ，有害气体多，长距离隧洞通风困难； 12 ，放射性岩体，高温放射，这种情况人工无法施工，必须有防护设施。以上 12 个问题是在深埋超长隧洞施工中遇见的问题。我们知道了问题所在，也就有了对应的解决办法。因此，秦岭引水隧洞的修建具有划时代的意义，它的修建成功意味着将来我国会有多个大规模超长深埋隧洞工程实施，它是首创。 我国已经在隧道开凿中取得了巨大的成绩，隧洞开凿技术，隧道盾构机技术世界领先。其中已经完成 20 千米以上的铁路隧道 9 个，分别是关角隧道、兰渝西秦岭隧道、石太铁路太行山隧道、瓦日铁路吕梁山隧道、中天山隧道、太中银吕梁山隧道、乌鞘岭隧道，张唐铁路燕山隧道、向蒲铁路青云山隧道。在高海拔铁路隧道建设中发现了以下问题：夏季气温可达 40 ℃、冬季气温可达零下 20 ℃；昼夜温差可达 35 ℃；隧道洞内热泉可达 92 ℃，隧洞外温度却在零下十几度，这也给施工带来很大不便。高寒环境带来的主要天然隐患是季节性变化的冻土和积雪；冰害能以阻塞冻胀或融化冲击等作用破坏建筑物，通常结合昼夜温差、雨水、地震、强风等形成冰川泥石流、山洪或雪崩等自然灾害，给出渣和生活带来很大不便，也给洞外施工带来很大不便。另外，高山地区本来缺氧，但是隧洞中更加缺氧，给隧洞内供氧成为一个大问题。 输水隧洞和铁路隧洞相比较而言，有很大区别。首先铁路隧洞的埋深很少超过 1000 米，铁路总是选择隧洞和桥梁的合理比例规划隧洞高程，因此铁路隧洞一般埋深不大。其次，铁路隧洞由于需要人员进出，对供氧有严格要求，为了供氧，隧洞长度比较有限，不会出现超长隧洞。第三，铁路隧道允许坡度变化，在川藏铁路中就有八起八伏，累计爬升高度达 1.4 万米。雅安至林芝段路高程起伏在 1000 米以上高差段落达 11 个。但是输水隧洞由于受到送水目的地的高程限制，全程都必须高于出水口高程，而且一般必须逐渐降落高程，要求较为均匀的坡降。为了达到这个目的，哪怕拐好多弯路都是可以的。第四，铁路隧洞允许有一定弯度，但是不能出现急转弯，但是输水隧洞和渠道可以有急转弯，但不允许爬坡。第五，输水隧洞要求超长不漏水，要求深埋，所以往往会遇见岩爆和硬岩，缺氧，强涌水等更加极端的情况，克服这些条件需要更好的设备和技术，而这些技术和铁路技术完全不同。综上所述，尽管同样是隧洞，但是输水隧洞有自身的特点，这些特点和铁路隧洞有很大区别。因此从技术上水利隧洞可以借鉴铁路隧洞的技术，但是必须形成自己独有的技术，以便于应付超长、深埋、缺氧、硬岩、高温、涌水、岩爆、有毒气体等等极端环境，形成水利独有的技术集合。为将来修建更多的输水隧洞做技术储备。 这次秦岭引水隧洞 98.3 公里即将完工，经过了高温、高湿、软岩变形、强岩爆、强涌水、有害气体等地质灾害的考验，同时取得了非常多的经验，承建单位中铁十八局总结的科研成果“长大深埋软岩隧洞开敞式 TBM 快速施工综合技术研究”获得中国施工企业管理协会科技进步二等奖。同时参与编制水利部首部《岩石掘进机法水工隧洞工程技术规范》，为日后我国水利工程 TBM 施工的设计、规划、施工贡献陕西经验。这些成果成为以后开凿超长深埋输水隧洞提供了宝贵的经验，为深层岩石特点提供了第一手资料，开创了超长输水隧洞建设的先河。
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希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中
热度 1 fanxiaoyingz 2018-3-25 00:15
希望电磁炮技术尽快应用到隧洞开凿中 目前开凿隧洞的方法大概有三种：一种是新奥法，新奥法的着眼点在于安全，其实就是分层分区以不同的节奏开凿隧洞，分别支护好后把中间分隔部分再开凿，形成一个隧洞整体。第二种是盾构机法，盾构机的原理是用强力把岩石撵碎，从出渣口排出，而把开凿和防护一起完成，这个方法很好地解决了人员和机器设备安全问题，也对掘进速度有很大提升，但是依然不适合现实需要。第三种开凿隧洞的方法是爆破法，爆破法就是在开凿面按照一定的规则打许多眼，打眼的目的是把炸药安放到岩石内部，然后连接各个引火线，一起起爆，从内部向外炸开岩体。爆破法的缺点非常明显，一个是工作人员必须去工作面，而工作面往往烟尘非常大，空气不新鲜，岩石和土体可能随时崩塌，二是工作人员必须钻孔打眼，钻孔打眼的时间非常长，非常费工；三是必须逐个安放检查炸药，还需要把各个连线连接起来，技术复杂；四是工作人员必须定期撤离，定期进去，必须执行严格的安全制度。以上四个步骤极大地减小了隧道的凿进速度，为此我在博文《 飞弹爆破法钻洞技术初探 》（ http://blog.sciencenet.cn/blog-117615-1091970.html ）中发明了一种“钻探飞弹”，使用该弹，可以把岩爆法施工中的几个步骤省略，省去了钻探、安放、布线和引爆四个环节。我们紧紧抓住了岩爆法施工必须把炸药放到岩石内部，从内部引爆的中心思想，发明了类似穿甲弹的“钻探飞弹”。但是，经过计算钻探飞弹的飞行速度应该大于每秒两千米最好，但是一时之间没有找到方法。 为什么需要开凿速度比盾构法快几倍的新技术？因为中国是一个地势起伏很大的地方，有些必须的工程都需要长隧洞。中国目前必须修建的长隧洞有：中国去巴基斯坦的隧洞，可以避免攀爬 6000 米的克什米尔高原；中国去塔吉克斯坦的隧洞，可以避免攀爬 6000 米的帕米尔高原；从雅鲁藏布江到柴达木盆地的超长隧道，让清清流水滋润干旱的北方；从长江打隧洞到丹江口水库，以便于把长江的水用于南水北调。可以使用隧洞联通怒江、澜沧江和长江，使得这些河流的水互相调剂，防止洪闹灾害。甚至可以从武汉地区打一条长度为 800 公里的隧道，一直打到河北省。这样就能够让当地人直接抽取井水。总之，有了超长隧道，我们就可以干很多事情。 经过研究，我觉得提高开凿速度的最好的办法还是岩爆法。我们不仅需要把目前的岩爆法中钻探、安放、布线和引爆四个工序集中到一起，而且要让飞弹的速度基本上达到瞬间击穿 2 米厚的岩石的程度。瞬间击穿 2 米厚的岩石需要多大的速度呢？穿甲弹初速可达 1500 ～ 1800 米 / 秒，可击穿 300 ～ 550 毫米的垂直均质装甲。由于岩石硬度和钢铁硬度不同，钢铁的硬度不仅有硬度，而且有韧性，不脆、而岩石的硬度大，容易脆裂， 1000 摄氏度度容易融化，所以估算 2000 米每秒的 “钻探飞弹”能够打进岩石，但是如果需要深入到 2 米以内爆炸，则需要 3000 米每秒以上的速度。那么如何获得这么大的速度呢？这个方法就是电磁炮的应用。据有关报道，从理论上讲电磁炮的速度可以超过第一宇宙速度（ 7.9 千米 / 秒）。其实，电磁炮的原理并不复杂，就是当电流经过磁场的时候会产生洛伦兹力，而洛伦兹力就可以加速机械运动。其实我们使用的发电机也是这个原理（反向），而我们使用的电动机则完全是这个原理。三相电的洛伦兹力可以把转子加速到 7000 转到几万转以上（专用的离心机转速超过 2 万转）。如果产生洛伦兹力的电磁感应线圈是沿着直线排列，而且在恰当的时间启动，那么就可以实现给炮弹的直线加速。 在 1845 年，查尔斯·惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛射到 20 米远。此后，德国数学家柯比又提出了用电磁推进方法制造 电气炮 的设想。而第一个正式提出电磁发射／电磁炮概念并进行试验的是挪威奥斯陆大学物理学教授伯克兰。二战期间，在军事需求的刺激下，德国、日本都研制过电磁炮。上世纪 30 年代，德国的汉斯莱曾将 10 克弹丸用电磁炮加速到 1.2 公里／秒的初速。上世纪 70 年代，澳大利亚国立大学建造了第一台电磁发射装置，将 3 克重的塑料块（炮弹）加速到 6000 米／秒的速度。在 1980 年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮把质量为 300 克的炮弹加速到了每秒约 4 千米。用单极发电机供电的电磁炮，已能把 318 克重的炮弹加速到 4200 米／秒的速度。磁通压缩型电磁炮已能将 2 克重的炮弹加速到 11000 米／秒的速度。据我国媒体报道，我国在电磁炮方面也有很大的进展。 那么，我们能不能把电磁炮技术应用于隧道开凿呢？我想完全是可以的。我们说，加快隧洞掘进速度的关键是把炸药快速打进岩石内部。进入 1 米也好，进入 2 米也好，最好进入 3 米，不能超过 3 米。然后让炸药从岩石里面引爆，这样爆炸的效果是很好的，它必然向着临空面这一面炸开松动。我们已经发现如果使用专用的炮架发射，可以避免工作人员面临危险区，可以避免工作人员进进出出，可以把爆破中的四个环节缩减为一个环节。更有甚者，利用这种爆破法，我们可以多次爆破一次清理渣土，这样凿岩过程就节省了人员进出的时间、钻眼的时间，安放炸药的时间、布线的时间，等待安全稳定的时间，和出渣的时间。这样，也许过去每天只能放两次炮仗，现在则每天可以放十次以上的炮仗，而且每一次炮仗的出渣量比原来多几倍。施工进度提高十倍。 我在《飞弹爆破法钻洞技术初探 》中虽然提出了把 钻探、安放、布线和引爆四个环节合为一个的办法，是一个好办法。但是总是无法把飞弹的速度提高到 2000 米以上，如果没有这样高的速度，那也是不可能的。因为一个飞弹的动能和动量相差越大，其穿透能力越强，要更深地打进岩石内部，必须有更高的速度，否则炸药在岩石外面爆炸，岩石的稳定性不会被破坏。 所以，这次电磁炮的消息有力地支援了我的关于飞弹爆破法钻洞技术设想。从理论上已经不存在加速隧洞开凿技术改革的障碍。如果再加上精确定位装置则很完美了。希望各方专家早日造出这样一个机器。这个机器必须能够开凿大口径的隧道，这个机器必须开凿速度快，效益好，成本低。
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飞弹爆破法钻洞技术初探
热度 3 fanxiaoyingz 2017-12-28 23:46
飞弹爆破法钻洞技术初探 老实说，雅鲁藏布江的丰富水源激励了无数水利专家去想调水方案。但是始终无法克服两个巨大的困难，就是必须要么选择抬升水头两千米，翻过山山水水；要么必须修建超长深埋隧道。翻过山山水水的方案我最终并不支持，我认为超长深埋隧道是完全可行的，隧道调水有以下好处：路径最短，海拔刚好能够自流，不需要渡槽，不需要桥梁，不需要渠道维护，不需要穿越河流，不需要穿过雪山，不需要提升水头，不需要搬迁人口，保温能够长年引水，水质优良，污染少，水没有蒸发损失少，不漏水，不结冰，维护简单，大幅度节省资金。 尽管存在太多的好处，但是我问了所有专业人员都认为技术上不可能。主要存在以下问题： 1 ， 钻探速度问题，据洪开荣讲他们修建一个 21 公里长的隧道用了两年多时间，那么 700 多公里的隧道需要 70 年时间，这个太慢了。 2 ，深埋隧道的岩爆问题，这个问题其实已经解决。 3 ，隧道内供氧问题， 4 ，隧道内防尘问题， 5 ，隧道内人员物资进出问题。 6 ，产生的渣土运输问题。 可以说，解决了以上问题，超长隧道问题就算解决了。而以上问题的关键是掘进速度问题，那么什么样的办法能够加快掘进速度呢？我设计了一个初步方案供大家参考。 普通的开凿技术是：钻孔 ——埋炸药——引爆——除尘——清理渣土——修理边角。由于钻孔、埋炸药、引爆都是分别操作，而且人工操作，所以大大增加了施工危险，延缓了施工时间，提高了工地的环境要求。那么，能不能有一种办法，把钻孔、埋炸药、引爆放在一起操作呢？有啊。我们通过学习“穿甲弹”发现，我们完全可以借鉴 穿甲弹， 在比较远的地方像发射子弹一样，让隧洞钻头获得极高的速度，然后这个隧洞钻头钻进岩石一米左右，然后在岩石里面自动引爆，从而实现开凿岩石的目的。 据介绍 100 毫米普通穿甲弹弹丸初速 900 米 / 秒左右，在 1000 米距离上可击穿 110 ～ 160 毫米 /30 °（装甲 厚度 / 法线角）的装甲。 1000 米处的速度损失是初速的 11% ～ 17% 。杆式穿甲弹具有长径比（飞行弹体长度与弹体直径之比）大，长径比可达 12 ～ 20 ，穿甲能力强，飞行速度损失小等优点，初速可达 1500 ～ 1800 米 / 秒， 1000 米飞行速度损失是初速的 3% ～ 8% ，可击穿 300 ～ 550 毫米的垂直均质装甲，并具有显著的后效作用。钨合金穿甲弹，它们的穿甲本领更强，尤其是贫铀弹芯的穿甲弹在硬脑壳钻进装甲后，还能产生 1000 ℃以上的高温，使装甲局部熔化。 98/99 式坦克的 125MM 钨合金尾翼脱壳穿甲弹 2000M 可击穿 850MM 匀质钢甲， 125MM 特种合金穿甲弹同距离可击穿 960MM 匀质钢甲。 如果我们研究出一种专门用于隧道钻探的穿山弹头，一次性的，能够瞬时间打通 500 —— 800 毫米，那么就是我们极大的成功。我们研究的这种穿山弹头的后面应该加载“高爆炸药”。由于这种炮弹型岩石钻头需要控制重量，所以我们需要爆炸效果好，质量轻的炸药，在钻通 80 公分以后立即引爆。什么炸药效果好呢？ CL-20 炸药比较合适。 CL-20 炸药学名六硝基六氮杂异伍兹烷，是目前已知能够实际应用的能量最高、威力最强大的非核单质炸药，爆轰速度高达 9500 米 / 秒，被称为第四代炸药，也被誉为“突破性含能材料”。 那么这种 “钻探飞弹”能不能钻透岩石，一次能够钻多深呢？我们看到穿甲弹能够穿透 300 —— 800 毫米的钢板。那么钢板的硬度是多少呢？能不能钻透岩石呢？硬度是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，或者抵抗其中两种或三种情况同时发生的能力，是材料的一种重要力学性能，例如，金属材料常用硬度反映材料抵抗塑性形变的能力，而陶瓷、矿物材料的硬度主要反映材料抵抗破坏的能力。硬度在实际应用中，由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。钢铁用维氏硬度划分，钢不淬火硬度小于 HRC28 ，比较软，不耐磨，淬火后硬度可以大于 HRC55 ，耐磨性较好。而岩石的硬度用洛氏硬度衡量，一般坚硬的钢铁的硬度比金刚石的还要小 100 倍。普通的工业钻头能够钻透钢铁，但是不能钻透水泥和瓷砖，普通的石头。但是带了硬度很大的钻头的“电锤”却可以钻透岩石、水泥和瓷砖，却不能钻透钢铁。所以，钻透岩石一个是硬度要高，另外一个，钻进方法要好。电锤在钻岩石的时候有一个反复震动的过程，“冲击”的过程，那么“钻探飞弹”有没有震动和冲击过程呢？有。为了认为在速度之外产生震动和冲击作用，在“钻探飞弹”上可以制造旋纹，帮助钻探冲击的时候产生偏向力，产生震动效果。另外“钻探飞弹”可以带一个小小的尾翼，以便在钻岩石的时候产生高速旋转，同时掌握准确度。 “钻探飞弹”在通过飞速撞击岩石的时候会产生高温，那么这种高温能不能融化岩石，进而很容易进入岩石内部爆炸呢？花岗岩为例，它的熔点就在 950 ～ 1000 ℃之间，铁的熔点 1535 ℃，普通钢材的熔点为 1500 ℃左右。也就是说，既然“穿甲弹在硬脑壳钻进装甲后，还能产生 1000 ℃以上的高温，使装甲局部熔化”，那么它“钻探飞弹”也能够产生高温融化或者软化岩石，进而冲击进入进入岩石内部爆炸。 这样，我们就发明出了一个 “钻探飞弹”，它的直径 100 毫米，长度 1200 毫米，安装有高强度钻头（弹头），安装旋转流线，安装有尾翼，弹体内安装有 CL-20 炸药。每一个造价 100 元。它的发射由大炮，或者车载专用发射器发射。发射速度 1500 米每秒。发射距离 1.5 公里—— 2 公里之外。 为了达到准确的爆炸，不要炸掉不该炸的侧壁，那么它必须是精确制导，或者准确标准的。所以 “钻探飞弹发射器”的瞄准系统应该更加先进。同时，为了控制爆破量，应该仔细研究炸药的量，准确控制飞弹的速度。等等。 所以，这种 “钻探飞弹发射器”的设计就显得非常重要了。我们设计出一种可以一次发射 8 —— 10 枚钻探飞弹的发射器，让这些飞弹均匀地分布在工作面的各个爆破点上，这样一次就能够比较整齐地炸开一个工作面。每次爆炸可以推进 1.5 — 2 米，而每天不间断施工，每爆炸三次清理一次，那么三次爆炸会推进 4 — 6 米，爆炸只需要 10 分钟，水枪喷雾除尘需要半个小时，清理渣土需要三个小时，其他预留半个小时。那么一个作业需要 4 个小时。每天可以循环 6 次，那么每天可以推进 16 米到 24 米。工作效益比别的方法高。而且由于是远距离飞弹爆破，可以用于大直径的隧洞，调水隧洞的直径需要 20 米才能满足需要。 由于钻探飞弹的发射点距离开凿岩石的施工现场达到 2 公里，所以防尘、供氧、防止岩爆等问题比较好解决。我们精确制导爆破，也可以一次推进 30 米深，等岩石稳定再去清理渣土。 那么如何快速清理渣土呢？我认为可以发明生产一种新的 “盾构机”，它的主要任务是铺设轨道，运输渣土，给隧洞定型，给隧洞凿边坡，和支护。这种盾构机可以前进，也可以后退，在爆破的时候后退到安全地方，在运输渣土的时候前进，渣土运输完毕，开凿剩余不够规范的岩石，并且开凿出大小形状一致的隧洞墙壁，并且做墙壁的支护工作。 也许这种 “钻探飞弹 + 盾构机”的开凿模式能够解决超长隧洞的问题。
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天赐水源为何不用？
热度 1 fanxiaoyingz 2017-11-28 01:45
天赐水源为何不用？ 前几天看了北京师范大学刘里远博士提出一个藏水入疆隧道工程建议，觉得很经济，很有意义，于是提出了我的修改意见，但是实际上，这个修改意见本身也吓了我一跳。 首先，要打通一个能够自己流动的隧道，整个隧道的高度必然要高于出水口的海拔，而进水口的海拔也必然高于整个隧道海拔。而最理想的出水口的确在格尔木地区。这里最低也在 2700米左右，实际上整个柴达木盆地的海拔也在2700米以上，2700—2800比较常见。所以，出水口控制在2800非常合适。而格尔木是通往西藏的最重要的中转站，它又处在雅鲁藏布江大拐弯的正北方向，能够做到距离最短。所以，格尔木是引水隧道的唯一出口点。 这样一来，进水口的海拔必须控制在 2900左右。天赐良地，我们发现林芝的格则（北纬29°25′54″，东经94°28′29″海拔2920米）处在雅鲁藏布江的主干道上，这里江面宽阔，宽度3公里，交通方便，海拔恰好。是比较合适的进水口。但是，格则作为进水口有两个严重缺点，第一个是格则的北面有帕隆藏布江，它的河床海拔在2700米以下，从格则打通隧道就必须在帕隆藏布江上修建一个实际200 米，高程在2950以上的水坝，用于抬高水头。这样的引水可以引到雅鲁藏布江主干道的水。第二个缺点是从格则引水，其引水水量不到雅鲁藏布江下游水量的十分之一，很小。 要有巨量引水量必须在雅鲁藏布江的下游打主意，因此我最后把坝址选在了墨脱县的雅鲁藏布江主干道的多卡村附近（北纬 29°49′30″，东经95°15′10″海拔1190米），我称它为“重力坝坝址”。这里的径流量基本能够满足调水要求。但是同时出现了一个技术难题。这个难题就是这里的河床海拔只有1190米，而我们调水的水头要求是2900米，落差居然高达1710米，坝顶的实际高度在2920米左右，所以实际落差是1730米。这么高的落差，能不能修建一座超级水坝？这个问题使得我这几天彻夜难眠。 所以，藏水北调的关键有两个，一个是开凿长度为 700公里的一个超长隧道，而且隧道的埋深在1500米，另外一个是修建一个超级水坝，水坝的高度达到1730米。这是两个世纪难题。我们能否克服并且实现呢？ 超长隧洞在技术上目前已经可以克服，最大的困难据说是 “岩爆”问题。岩爆是隧道打通以后，由于隧道周围的应力发生巨大变化而出现的岩石崩塌现象，岩爆一般在隧道打通以后24小时之内发生，所以这个问题可以通过“间歇施工”“工程处理”的方式来防止。虽然间歇施工会让施工期加长，但是能够安全通达最为重要，二十年打通也是可以的。埋深在1500米以下的岩石应该都是坚硬的岩浆岩或者变质岩，所以隧道的牢固程度和加固我倒是不担心。 最为困难的是高程 1730米超高水坝。那么这样的水坝仅仅是理想吗？它有可能建成吗？如果建设不成功就把引水点改变为格则。因为从格则打隧道通过帕隆藏布江的时候修建的水坝只需要200多米高程，现有的技术条件没有任何问题。但是，其缺点依然是水量较少，所以我们依然希望在“重力坝坝址”修建一座超级水坝。在这个地方修建水坝需要1730米高程，很显然，钢筋水泥坝很难完成这个任务，最为理想的是重力坝。重力坝的核心使用钢筋水泥做坝体，然后坝前坝后堆填岩石，夯实坝基。按照1：2的坡降，坝顶宽度200米，坝前坝后总长度接近4000米，土方量非常巨大。那么有没有必要修建这么巨大的一个水库呢？很有必要。 黄河是我国第二大河流，总长度 5464公里，但是黄河的年径流量平均在580亿立方米以下，花园口站多年观测量为563.4亿立方米。就是这560亿立方米的水养育了整个中华民族。但是雅鲁藏布江墨脱段的径流量是多少呢？年径流量达1400多亿立方米，水能占雅鲁藏布江全部水能的2/3，占中国水能蕴藏量的1/10。墨脱县的年降雨量最低是2500毫米，最高点是5000毫米，水资源特别丰富。所以这里，包括“阿鲁拉恰尔邦”终年云雾缭绕，阴雨绵绵，水量丰沛，径流量巨大。成为中国乃至亚洲最大的水源地，水塔。雅鲁藏布江的径流量是黄河的2.4倍，这样的水资源如何不用？ 有人说，利用雅鲁藏布江的水会引起印度不满，引起国际纠纷。这个问题需要大家取得一致意见。由于 “阿鲁拉恰尔邦”降雨量太大，这个地区几乎不能利用，由于雅鲁藏布江的径流量太大，几乎给下游人造成四季灾难，从谷歌地图上看，雅鲁藏布江下游的河道宽度都在15公里到25公里以上，季节性河床宽度在30公里以上，河床以外30公里几乎无法居住，所以其实雅鲁藏布江下游是一条真正的桀骜不驯的河流，印度人利用的很少，大量的水资源白白浪费掉了。河边的居民由于受到季节性洪水的祸害，生活艰苦，居住条件差。另外如果不算中国境内的径流量，仅仅是9万平方公里的阿鲁拉恰尔邦产生的降雨量和径流量也足够印度的这一带本地人使用了，因为这里的年降雨量也在2500毫米以上。中国如果利用雅鲁藏布江的水，由于它的年径流量为1400多亿立方米，中国最多在夏季洪水季节利用，也只能利用不超过其30%，即就是一个黄河的水量，不会也不可能超过这个水量。所以，中国可以完全不用理会印度的抗议。恰恰相反，这里丰沛的水量是天赐水源，让我国西北解决干旱问题。 所以修建 “多卡巨型水库”很有必要，无论有多大困难都应该修建。修建以后会不会有危险？这个问题不仅是我担心的，而且是各位都担心的。现在我想不会有危险。因为，从林芝到墨脱，河床的海拔从2920米降到1180米，虽然降幅很大，但是距离只有200多公里，也就是说这里的河床非常狭窄，有足够的泥沙沉积空间。一旦大坝修建成功，泥沙沉积在库区，河床在十几年之内可能抬升1000米，河床达到2200米左右，这样大坝就逐渐更加安全。 中国的藏南地区由于山高水深，降雨量巨大，这里一直是交通禁区，中国一直到 2013年才通达了到墨脱县城的公路。所以藏南地区虽然降雨量巨大，山高水深，森林覆盖率超过70%，但是一直交通不便，无法利用。如果建成了“多卡水库”，那么可以形成从多卡到林芝200多公里的水路，更加有利于中国保卫国土建设墨脱，控制边境。1730米的落差，可以修建多个大型水电站，每年的发电量会是三峡水库发电量的五倍以上，有充足的电力供应西藏和四川。长江电力去年的发电收入为485亿元，净利润295亿元，按照这个利润比，那么 多卡水库的年营业额可以超过3000亿元，净利润会超过1500亿元。如果投资万亿，十年以内也可以收回成本。 青海大学校长王光谦院士主持了一个空中调水研究工程，想开辟一条空中水汽通道，名称叫 “玉树—墨脱水汽通道”。如果 “多卡水库”修建成功，那么可能极大地增加水汽进入青藏高原的量，这些水汽一定会沿着现有的“玉树—墨脱水汽通道”到达中国的甘南和川西北地区，给那里带去较大的降水量。这一点可以肯定。 “多卡水库”位于原始森林地区，施工非常困难。大坝截留也有一定困难。但是好处是雅鲁藏布江藏南地区的降雨和径流有极大的季节特点，一般每年的10月到次年的4月，长达半年时间水量很小，而从4月到10月水量非常大。所以，最好的施工季节是冬季和春季。另外，藏南地区处在北纬30度以南，年平均气温高于0度，尤其是海拔2000米以下，常年可以施工。雪线在3200米左右。所以坝址高度选择为2920米非常合适，不会有冻害。“多卡水库”的坝址周围被高山环绕，在河床两岸十多公里的范围内，海拔就从1200抬升到3100米以上，所以这个地方是天赐的优良坝址。这些都是工程有利的一面。重力坝水库需要大量的土方石料？这些土方石料从哪里来？从坝址向雅鲁藏布江上游恰恰是雅鲁藏布江的大拐弯，这里有大约100平方公里的山区，常 年不会冰冻，从这里取土非常合适。取土以后，水库修建成功以后，这里将成为淹没区，形成巨大的库容。 藏水北调是我们共同的理想，天赐水源为何不用？
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