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在高围岩强度输水隧洞开凿中应该使用轨道电磁炮技术

已有 491 次阅读 2019-2-20 00:47 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 调水, 隧洞, 开凿, 技术, 电磁炮

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

兆焦耳


兆牛顿

兆帕斯卡

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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1 范振英

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