激光破巖技術研究進展

鄭亞魁, 曠鳴海, 張 魁, 3, *, 汪鼎華, 聶 雄

(1. 中鐵山河工程裝備股份有限公司, 廣東 廣州 511400; 2. 湘潭大學機械工程與力學學院 復雜軌道加工技術與裝備教育部工程研究中心, 湖南 湘潭 411105; 3. 湘潭大學機械工程與力學學院 力學博士后流動站, 湖南 湘潭 411105)

0 引言

自從美國科學家Maiman于1960年研制出世界第1臺紅寶石激光器后,人類便開啟了激光技術研究與工程應用的時代[1-2]。最初,激光技術僅應用于小功率非金屬板材鉆孔、切割等制造業。經過幾十年的長期發展積累,隨著各類型大功率激光器的相繼問世,激光技術被廣泛應用于切割、焊接、清洗、鉆孔等工業領域,并已展示出高效、精準和可控等諸多優點(相比傳統機械加工技術)[3-4]。其中,學者們從20世紀60年代就開始嘗試將激光技術應用于破巖領域。美國麻省理工學院最早在1968年提出激光鉆井設想,并對激光破巖進行了試驗研究,驗證其具有一定的應用前景。隨后,天然氣研究所(GRI)于1997年開展了一個為期2年的研究項目,首次對激光技術在石油工業中的應用進行了研究,發現激光在鉆井領域的巨大前景。近20年來,激光技術因發展迅速,并且具有非接觸式能量傳輸、傳熱比大和能量高度集中等突出優勢[5-7],而被眾多學者廣泛地應用于破巖領域研究。可見,與微波等多種技術一樣,激光技術在破巖領域具有較高的應用前景,有望完全替代或者輔助傳統爆破法、機械破巖法,實現高效破巖作業。例如,在鉆井領域,激光鉆井的速率是傳統鉆井的10～100倍[8]。

深刻理解激光破巖機制,并對其加以有效調控利用,是實現激光高效破巖的關鍵所在。激光技術之所以能夠切實提高巖石破碎效率,降低破巖成本,主要在于: 1)在激光作用下,位于誘導作用區域的巖石產生了局部熱應力,弱化了巖石強度,并促進熱裂紋的產生與擴展,顯著降低了巖石的各項力學性能[9-10]; 2)巖石在激光照射下會經歷升溫、熔化、汽化和凝固過程,形成多相混合同時存在的狀態,產生了宏觀損壞現象[11-12]。但遺憾的是,對激光破巖機制的理解與運用尚未臻于完美。目前,仍有大量學者從激光功率、輻照時間和不同巖性等諸多方面對激光破巖技術及其破巖機制進行著深入且持續的研究[13-15]。

隨著中國經濟水平和科學技術的不斷發展,國家重大工程如南水北調、西部大開發、西氣東輸等大型工程相繼開工,城市軌道交通、地下空間開發和跨區域交通不斷推進,中國的地下工程修建規模和難度均位居世界前列[16-18]。深地等地下空間資源的挖掘與利用成為國家重點研發任務和戰略目標[19]。面對“三高”(高硬度、高圍壓和高石英含量)等極端掘進工況條件,傳統的全斷面硬巖隧道掘進機(以下簡稱TBM)等施工法存在施工效率低、施工成本大、關鍵破巖器具損耗高等缺陷[20-21]。有鑒于激光技術在前述采礦工程與鉆井工程等領域所取得的良好成果,激光輔助TBM破巖有望成為新的研究熱點。為了向隧道掘進和鉆井等地下工程領域學者提供比較全面的情報信息和合理的指導方向,本文首先闡述了激光與激光輔助破巖技術;再從激光破巖技術研究方法與影響因素研究方面,對目前國內外有關激光破巖技術在鉆孔領域的研究成果進行歸納總結; 最后對激光輔助破巖技術在隧道掘進領域的推廣應用進行概括,展望激光破巖技術的未來發展方向。

1 激光與激光輔助破巖技術

1.1 激光

激光,即受輻照放大的光,最早是由愛因斯坦于1917年提出,其原理是通過激發電子、振動和旋轉等方式,使高能級的粒子躍遷到低能級上,變為非平衡態,從而使系統傳播的光子被輻射放大,激發出一個高度集中的強光現象[22-23]。激光輻照最重要的特性包括空間相干性、窄光譜發射、高功率和可調控的空間模式等,使光束能夠聚焦到衍射極限的光斑尺寸,能輕易在物體局部區域產生高溫的熱應力場作用,以實現高強度能量傳輸[24]。目前,業界激光強度高達1023W/cm2[25]。

1.2 激光輔助破巖技術

在進行鉆井和隧道挖掘等地下工程時,實質上是利用鉆頭和滾刀等關鍵破巖工具與巖石直接接觸,使巖石受到擠壓、剪切、張拉等多種破壞機制的綜合作用,從而破碎巖石。以滾刀破巖為例,在正壓力F作用下,滾刀侵入巖石并持續回轉滾壓破壞巖石,使得巖石內產生了大量損傷裂紋[26]。在這一過程中,巖石的高硬度與強研磨性是造成關鍵破巖器具磨損嚴重、破巖效率低的重要因素。滾刀破巖示意如圖1所示。雖然目前有不少學者嘗試通過采用高性能材料和結構優化設計等對關鍵破巖器具進行改進,以期在一定程度上改善刀具的磨損情況,但效果有限。考慮到巖石是一種非均勻的脆性材料,內部有許多缺陷,如微裂縫、孔隙、節理和裂縫等,巖體的破碎和去除主要受巖體內部缺陷的控制[27]。因此,學者發現利用高壓水射流、超聲振動、激光和微波輻照等新型破巖手段在巖石表面產生附加應力或熱場,可以增加巖石結構缺陷,削弱巖石強度,從而減少破巖器具的磨損,提高巖石破碎效率,實現高效破巖[28-29]。

圖1 滾刀破巖示意圖

目前,激光破巖技術已經在油氣鉆井領域取得大量研究成果,分為直接破巖和輔助機械器具破巖2種模式。直接破巖是利用激光直接作用于巖石,使巖石快速熔化和汽化,從而破碎巖石,并由高壓輔助氣體將巖石碎屑帶走; 激光輔助機械破巖是在使用激光照射巖石,使巖石快速升溫,并在巖石內部產生大量熱裂紋的基礎上,搭配有滾刀、鉆頭等機械破巖器具進行破巖,從而使得機械器具能夠快速破碎巖石。激光輔助機械器具破巖示意如圖2所示。大量的研究表明,使用激光直接破巖很難一次性完全破碎和去除巖石,而在激光輻照的基礎上搭配機械破巖器具進行破巖則能大幅度提高破巖效率。

圖2 激光輔助機械器具破巖示意圖

2 激光破巖技術研究方法

為了深刻理解激光破巖機制,眾多學者利用試驗、理論與仿真等手段對激光破巖技術進行了大量研究,其研究成果主要集中在激光鉆孔方面。下文以激光鉆孔為例,從試驗、理論和仿真3個方面,對激光破巖技術的研究方法進行分析總結。

2.1 試驗研究

試驗是最能直觀反映激光與巖石作用過程的研究方法。考慮到作為激光的發射裝置,激光器類型不同,其破巖效果與破巖機制不盡相同,因此必須選擇合適的激光器來搭建試驗平臺,進行激光破巖研究。根據激光器增益介質不同,激光器可分為氣體激光器、半導體激光器、光纖激光器和固體激光器等[30-32]。目前,可應用于破巖領域的激光器歸納如表1所示。激光破巖試驗平臺如圖3所示。由圖3可知,用于破巖試驗的主流激光器為光纖激光器。這是由于激光破巖是一個極其復雜的過程,會受到巖石類型、巖石沉積取向、巖石尺寸、激光輸出功率、激光照射時間等因素的影響,特別是地下工程中的惡劣環境會極大削弱破巖效果,而光纖傳輸由于其具有輸出功率高、傳輸效率好、光束質量高和運行成本低等優點,可以很好地解決上述問題。文獻[33-37]展示的裝置主要是通過激光鉆孔試驗,來探討激光破巖機制; 文獻[38]在鉆孔的基礎上還能進行切槽,并且搭配有美國Flir型紅外熱像儀(測量溫度高達2 000 ℃),可以直接測量并存儲激光輻照過程中巖樣的表面溫度; 文獻[39]是利用激光輻照軟化巖石,隨后搭配劃痕測試裝置用于評估激光處理后巖石樣品的熱軟化程度; 文獻[40]利用不同光學透鏡組合,將來自激光器的圓形光束塑造成所需橢圓或者矩形光束,以探究光斑形狀對激光破巖機制的影響。

研究表明: 激光破巖過程分為升溫、熔化、汽化和凝固4個過程[41-43],如圖4所示。可以看出: 1)當激光剛照射到巖石表面時,巖石溫度逐漸升高,受影響區域可分為輻照區、過渡區和熱影響區,其破碎方式主要為熱力破碎,破碎后脫落的碎屑可由高壓輔助氣流帶出; 2)輻照區的溫度急劇上升,達到巖石的熔點,巖石開始熔化甚至汽化,此時巖石因為在極短時間內吸收大量能量發生相變,導致體積膨脹,產生熱爆裂現象,并且由于巖石原始孔隙中的密封氣體和特殊礦物成分(硅酸鹽等)的熱分解氣體逸出,使熔池中出現少量氣泡; 3)隨著輻照時間的增加,熔池溫度不斷升高,并且逐漸沸騰,熔池中氣泡不斷增大和破裂,熱影響區溫度進一步升高,過渡區面積變大,熔池邊緣出現微裂紋; 4)激光輻照后,熔池內的熔融物和汽化物不能及時被輔助氣體吹出帶走,會重新冷凝成光滑玻璃狀物質(玻璃釉),玻璃釉中留有氣泡,部分氣泡會轉變為孔洞,同時,微裂紋在孔洞周圍產生,并在熱應力作用下迅速向外擴展,形成復雜的裂紋網。

表1 可用于破巖領域的激光器[9]

圖3 激光破巖試驗平臺

2.2 理論研究

基于對激光破巖機制的認識,學者們提出了各種理論模型來描述給定激光參數作用下巖石(見圖5)熱物性變化過程。激光破巖理論模型研究成果如表2所示。圖5中,激光光束輻照到巖石表面,絕大部分光能在巖石表面被吸收,然后通過熱傳導將熱量傳輸到巖石內部,部分能量由于折射和反射而消散。由于巖石的導熱系數較小,激光的熱作用區域集中在光斑區域部分的巖石表面,從而可等效為半徑無窮大物體加熱模型。假定圖5中巖柱直徑為b,巖柱高為h,圓形激光束直徑為d。激光束可以采用強度均勻的圓形光束和高速高斯光束表示,兩者可以分別通過式(1)和(2)定義。

(1)

(2)

式中:I(r)為激光功率密度;P0為激光總功率;R為激光束半徑;r為任意一點到熱源中心的徑向距離。

圖4 激光破巖過程示意圖[34]

圖5 激光輻照巖石示意圖(以圓形光束為例)

基于上述基本理論,如圖6所示,Zhang等[44]采用響應面法研究了激光鉆孔中激光功率、輻照時間和光斑直徑對巖石比能量的影響,得到巖石比能量的多元非線性回歸模型;然后,利用該模型分別交互分析各參數對巖石比能量的影響,找出影響巖石比能量的主要因素,發現激光功率對巖石比能量的影響最大,而輻照時間對巖石比能量的影響最小。李密等[45]根據非定常傳熱學原理分析了均勻激光光束和高斯激光光束照射砂巖時的溫度場分布,基于能量守恒定律建立了巖石的熔化和汽化模型,得到一定激光功率下巖石熔化和汽化的速率。Agha等[46]將激光與巖石的相互作用分為預熱、熔化和汽化3個主要階段,根據能量守恒定律建立了每個階段的控制模型,模型預測結果與試驗數據相比,比能(SE)較高,穿孔速率(ROP)較低,這是由于在最初的假設過程中有意地削弱了熔化過程的影響。

上述理論模型都能較好地分析特定條件下激光破巖過程,這對指導進一步試驗研究具有重要意義,但由于目前尚未有準確的理論模型描述黑體輻照、等離子體以及巖石流體飽和度等因素對破巖機制的影響規律,而實際的激光破巖過程是極其復雜的,因此,上述理論模型仍具有較大優化空間。

2.3 仿真研究

數值模擬已廣泛應用于激光破巖過程的研究。與傳統的試驗相比,仿真技術可以節省時間,減少材料消耗,獲得試驗難以或不可能測量的詳細特征信息,從而為深入研究激光破巖機制提供有效指導。數值模擬的可靠性取決于輸入參數的準確性,而合適的激光熱源模型和巖樣模型決定著所獲仿真結果是否接近實際破巖過程。激光破巖數值仿真研究成果如表3所示。由表3可知,學者們普遍采用高斯模型作為激光熱源模型,該模型能較好地反映熱源的熱學特性。

仿真模擬激光破巖所獲典型結果如圖7所示。可以看出: 1)學者們多采用有限元法進行激光破巖仿真研究,該方法能較好模擬激光輻照下巖石孔洞形貌、溫度場和應力場變化等變化規律(見圖7(a)、7(b)、7(c)); 2)離散元法則能有效模擬激光破巖試驗中難以觀測的巖石內部裂紋擴展動態過程,有利于分析巖石內部裂紋產生機制,深入揭示激光破巖機制(見圖7(d)); 3)仿真可以有效模擬試驗中激光輻照巖石后的表面損傷形貌(見圖7(a)); 4)高度再現了激光輻照過程中巖石表面溫度場變化,仿真所獲峰值溫度1 877 ℃與試驗峰值溫度1 911 ℃相比,誤差僅為1.77%,并且仿真所獲溫度區間等溫線輪廓與試驗高度吻合(見圖7(b))。以上特征高度再現了試驗中激光輻照巖石所獲結果,更合理、準確地反映了激光破巖機制。

表2 激光破巖理論模型研究成果

(a) 激光功率與輻照時間對破巖比能影響規律的三維曲面

(b) 激光功率與輻照時間對破巖比能影響規律的等高線

(c) 激光功率與光斑直徑對破巖比能影響規律的三維曲面

綜上所述,仿真技術能良好再現激光破巖整個過程,有助于分析輻照過程中巖石各物理變化規律,對系統全面地研究激光破巖機制有著重要指導價值。然而,由于現有技術限制,目前的仿真技術難以模擬試驗中出現的玻璃釉現象,以及巖石吸收熱能后的相變過程,而這些現象又顯著影響著激光破巖效果。因此,在后續進一步研究激光破巖仿真技術時,應將著重考察這些因素。

表3 激光破巖數值仿真研究成果

3 激光破巖影響因素研究

激光破巖技術的關鍵是控制激光與巖石的相互作用過程,以盡可能小的激光能量破壞最大的巖石體積。國內外學者一般采用SE(比能)和ROP(穿孔速率)作為衡量激光破巖效率的重要指標,借助試驗(基于圖3所示試驗平臺)、理論和仿真等多種手段,研究了激光參數、巖石性質、環境和介質等[59-60]因素對激光破巖效率的影響規律,其研究成果系統總結如下。

3.1 激光參數

3.1.1 激光功率

1)激光功率小于巖石破壞閾值時,大部分激光能量用于促使巖石內部產生諸如熱膨脹、礦物質融化和微裂紋等微觀變化,剩余能量僅使巖石表面產生輕微燒蝕,此時巖石去除體積小,SE大。

2)當激光注入的能量剛好使巖石達到其熔點時,激光熱破碎結束,此時比能最小,破巖效率最高[9]。

3)激光功率大于巖石破壞閾值時,以激光鉆孔為例,此時激光孔深度主要通過巖石蒸發而增加,鉆孔直徑則是隨著巖石的熔化而增加,故激光功率變化對孔深和孔徑尺寸都會有影響,具體表現在,隨著激光功率的增加,孔深先增加再趨于平穩,孔徑逐漸變大,SE先減小再增加,ROP先增加后降低[61-62]。這是由于隨著激光功率的增加,巖石破碎速度變快,破碎體積變大,但激光功率過大時,巖石短時間內熔化量陡增,難以及時被輔助氣體清除,使孔壁上迅速產生大量玻璃釉,該物質會使后續輻照的激光發生反射和散射,增加激光能量損耗,阻礙激光能量進一步向巖石內部傳遞,從而導致孔深增加速率逐漸趨于平穩。

(a) 巖石破碎形貌[40]

(b) 溫度場分布[40]

(c) 應力場分布

(d) 裂紋擴展特征[53]

3.1.2 輻照時間

隨著輻照時間增長,鉆孔深度先增加后趨于平穩,孔徑逐漸增長,SE先減小后增加,ROP呈下降趨勢[63-64]。具體表現如下: 1)在一定激光功率下,隨著輻照時間的增長,巖石不斷吸收能量,鉆孔深度和直徑持續增加,SE減小,ROP降低; 2)當輻照時間超過某個閾值(巖石吸收的能量達到其熔點所需時間),此時巖石破壞從熱破碎變為熱熔化,單位時間內有效破巖量降低,再加上激光孔洞較深,孔內巖屑與熔融物不能被有效清理,使孔壁內玻璃釉物質逐漸增加,大量的能量被該物質反射與重復吸收,導致ROP下降,SE增加[65]。當激光功率過高時,穿孔深度幾乎不受激光輻照時間的影響。主要原因如下: 1)在高功率激光照射下,巖石在短時間內所吸收能量超過其熔化和汽化所需值,而單位時間內蒸發移除的巖石有限,多余熔巖不能及時排出,迅速產生大量玻璃釉,阻礙激光能量傳遞; 2)激光輻照的部分能量被殘余熔融物不斷重復吸收,從而抑制了孔深的增加。

3.1.3 光斑形狀

光斑形狀相關研究報道相對較少,但其也顯著影響著破巖效果。Chen等[40]開發了一種光學透鏡組合,并進行了圓形激光和橢圓激光輻照砂巖的對比試驗,其研究表明,橢圓光束輻照所獲巖石表面的峰值溫度遠低于圓形光束(兩者均遠高于巖石顆粒熔點),但其具有更大等溫區域,表明橢圓光束輻照下巖石內的能量傳遞更加迅速,使得該條件下玻璃釉物質產生較少,巖石表面熔化和汽化面積變大,開裂和熱剝落現象加劇。圓形與橢圓激光束照射對砂巖輻照效果比較如圖8所示。Deng等[50]建立了矩形和圓形激光光斑掃描破巖的物理模型,通過試驗和仿真相結合的方法分析了模型的合理性,其研究發現,在其他條件相同下對花崗巖進行矩形和圓形激光光斑掃描后,巖石的單軸抗壓強度分別降低24%和15%,抗拉強度分別降低20%和11%,可鉆性分別降低16%和10%,表明矩形光斑的破巖效果優于圓形光斑; 這是由于掃描過程中,圓形光斑的激光能量相對集中,溫度較高,加熱速度較快,巖石熔化溫度較快,熔化過程中吸收了大量的熱量; 而矩形光斑的激光能量相對分散,巖石熔化量相對較少,巖石熔化吸收的能量較少,大部分熱量傳遞到巖石內部,導致巖石溫度相對較高,熱影響更嚴重。

(b) 橢圓激光照射后的形貌

(c) 圓形和橢圓激光輻照砂巖后所獲數據對比

脈沖寬度和重復頻率是脈沖激光的重要參數。脈沖寬度是指激光功率維持在一定值所持續的時間,重復頻率是指1 s內脈沖出現的次數。在其他參數相同的情況下,隨著脈沖寬度與重復頻率的增長,激光孔深度先增大后減小,直徑逐漸增大,SE先減小后增大,ROP先增大后降低,其中脈沖寬度的影響效果比重復頻率更顯著[66-67]。脈沖寬度的增加會提高單位時間內注入巖石的能量,促進巖石內部裂紋的生產,增大ROP,減小SE,提高破巖效率; 激光重復頻率的增加會增加熱應力的循環頻率,增加斷裂強度,使破巖的有效能量增多,從而降低SE,提高破巖效率[68]。但過高的激光脈沖和重復頻率會使注入巖石的能量過多,將增大巖石熔化概率,從而使SE增大,降低破巖效率[69]。

3.2 巖石性質

由于具有不同巖性的巖石試樣在激光照射下產生的破壞行為是不同的,進而破巖效率也千差萬別,因此應針對巖石性質,合理選擇破巖工法和破巖參數。影響激光破巖效率的巖石性質主要包括如下方面。

3.2.1 熱導率

作為巖石在地下工程研究中的主要物理特性之一,熱導率體現了巖石導熱能力的大小[70-71]。而熱導率數值與巖石石英的含量和孔隙率的大小有關,石英含量越多,孔隙率越小,巖石熱傳導率越大。巖石熱導率越高,巖石傳播熱量的速度就越快,巖石內部溫度分布也更加均勻,局部發生熱堆積可能性減少,從而降低因能量分布不均勻而導致的局部巖體熔化,使破碎巖石時比能下降,提高破巖效率[72]。在熱傳導較高的巖石中使用激光,可使巖石中積累的結晶水與巖石內的礦物物質一起蒸發,使巖石膨脹,從而發生斷裂。而巖石的熱導率普遍較低,激光照射在巖石表面的能量很容易超過巖石本身的導熱能力,使巖石局部升溫過快,造成巖體內礦物質分解、巖石熔化、汽化以及間隙生成等二次效應,導致部分激光能量被損耗浪費,SE顯著增大[9]。

3.2.2 礦物質成分

由于巖石是非均質天然產物,不同類型的巖石,其體內礦物質成分不同,即便是同類巖石其礦物質含量也會有所差異。巖石所含不同礦物質成分在熔點上的差異,決定了激光破巖性能,具體表現如下: 1)以石英巖為例,其內部富含石英成分。在相同激光束輻照下,隨著石英含量的增加,巖石熔化溫度會升高,巖石破壞程度降低,巖石熔化和蒸發消耗能量變多,激光破巖時SE增多。2)以砂巖和頁巖為例,大部分都含有帶水的黏土礦物。在激光輻照下,一方面,黏土礦物中的水分在高溫下受熱汽化,汽化產生的水蒸氣使巖石膨脹,產生裂紋,隨著能量的持續注入,裂紋不斷擴展延伸,最終達到破碎巖石的效果;另一方面,在較低的溫度下,黏土會發生坍塌和尺寸縮減,從而得到較深的激光孔徑[73-74]。3)以花崗巖為例,其在激光作用下的破碎行為與砂巖和頁巖相似[75]。不同的是,在相同激光參數下,花崗巖與頁巖會出現剝落現象,而砂巖一般只會出現熔化現象,這是由于砂巖主要由石英和長石組成,含有多種礦物質,如硅、鈣、黏土、氧化鐵等,在激光照射過程中,高功率密度的激光束被吸收,導致砂巖熔化,凝固后產生玻璃釉層,容易造成熔化、汽化等二次效應,能量浪費更多[10]。4)以石灰巖為例,其內部主要成分是CaCO3。當石灰巖與激光相互作用時,其體內CaCO3就會發生熱解離,產生CO2氣體,使巖石膨脹破裂,再加上石灰巖導熱系數低,巖體內溫度分布不均,一般以較小的碎片分解。

杭州市富陽區國土資源行政復議訴訟情況分析與對策（王雙鋼） ...................................................................1-49

3.3 工作環境與方式

不同于實驗室環境,工程鉆井等地下工程所處地層的地質條件復雜多變(例如存在含油巖層、含水巖層、熱巖層等),不同的工作環境以及破巖過程中巖屑的清掃方式會對激光破巖機制和效率造成極大影響。歸納總結包括如下方面。

3.3.1 巖層所處飽和類型

巖石為多孔隙物質,因此在其賦存環境下填充有油、水和氣等流體介質[76]。巖層所處的不同飽和類型對激光破巖效率產生了顯著影響。Kariminezhad等[62]利用CO2激光分別照射干燥和濕潤的混凝土,發現水分使激光破巖主要去除機制從蒸發變為裂散,激光照射在水飽和混凝土上時,水吸收能量變成水蒸氣,使巖石膨脹破碎,水的存在使得ROP顯著增長,SE降低,從而促進激光破巖效果。激光破碎干燥混凝土與水飽和度為15%混凝土所需比能如圖9所示。Ahmadi[63, 77]、Rad[78]和Dini[58]等利用CO2激光和Nd:YAG激光照射干燥、水飽和以及油飽和的花崗巖和石灰石等,發現在激光輻照時,加熱液體比氣體所需能量更多,而由于水和油的汽化點和比熱容差異很大,水的汽化需要更多時間與能量,使激光破碎水飽和巖石所需比能最高,油飽和巖石次之,干燥巖石最低。激光破碎不同飽和液體巖石所需比能如圖10所示。對比圖9與圖10可知,學者們在研究流體對激光破巖影響時所獲結論有所差異,這主要是由于他們試驗條件不一樣,如激光器類型,激光參數、巖石種類等選擇不一樣。激光破巖是極其復雜的過程,考慮流體之后又將流體熱力學等融入其中,使這一過程變得更加復雜。不同的激光器配合不同的飽和流體巖石會得到不一樣的效果,業界關于流體對激光破巖效果的研究還比較淺顯,目前尚未得出統一的影響機制,還需進一步深入研究。

圖9 激光破碎干燥混凝土與水飽和度為15%混凝土所需比能[62]

3.3.2 巖層圍壓

現有激光破巖研究大都是在實驗室標準大氣壓下進行的,但想要將其運用于工程實際,就必須考慮地下巖石所處壓力條件的影響。當巖石處于較大壓力條件下時,其孔隙率、力學性能等會發生改變,這會影響激光破巖時的ROP和SE,從而影響激光破巖效果。Erfan等[79]研究了溫度、液壓和圍壓對激光鉆孔ROP和SE影響,指出隨著溫度、液壓和圍壓的升高,巖石ROP降低,SE升高,這是由于隨著圍壓的升高,巖石內部顆粒會被壓緊,顆粒間的接觸變強,熱應力減小,巖石強度提高,從而需要更多的能量才能使其破碎。Gahan等[80]設計了一種精密三軸試驗裝置,并對砂巖、石灰巖進行了不同圍壓、軸壓和孔隙壓力組合下的激光測試,研究發現比能隨著圍壓和軸向壓力的增大而減小,這是由于在圍壓和軸向壓力作用下,巖石內部顆粒接觸更緊密,巖石熱導率變大,熱量擴散變快,巖石內部礦物質等熔化變困難,從而降低巖石比能,提高破巖效率。不難發現,由于激光參數和試驗條件的不同,學者們得到的研究結果有所差異,但都證實了圍壓對激光破巖效率有顯著的影響。

(a) 花崗巖

(b) 砂巖

3.3.3 巖屑清掃

激光破巖過程中是否有輔助氣體吹掃巖屑,以及輔助氣體吹掃方式和流速等對破巖效果有顯著影響。激光照射巖石時,巖石表面吸收能量產生熱裂紋、熔化以及汽化等現象,形成激光孔洞。如果孔內巖屑和熔融物沒有及時被輔助氣體吹掃清除,沉積在孔底,就會阻礙激光能量進一步傳遞,同時會對激光能量造成二次吸收,使激光能量損耗變大,有效破巖能量減少,破巖效率降低。Wang等[81]系統地分析了同軸輔助氣體和縱向磁場輔助對毫秒激光打孔過程、打孔效率和打孔質量的影響,研究發現在激光鉆盲孔和通孔過程中,同軸輔助氣體和縱向磁場都有效地提高了鉆孔效率,但同軸輔助氣體對鉆孔效率的提升效果更顯著; 當采用同軸氬氣氣流配合縱向磁場輔助鉆孔時,主要靠輔助氣體吹掃清除巖屑和熔融物,縱向磁場進一步對等離子體進行垂直擠壓和水平拉伸,有效提高了激光打孔效率和質量。

4 激光輔助隧道挖掘研究

通過前述有關激光破巖方面的文獻調研可知,激光破巖有速度快、效率高和安全性高等優勢,在地下工程領域極具潛力。然而,考慮到TBM掘進領域工況載荷與地質條件的特殊性,加之對激光破巖研究手段的欠缺,對破巖機制認識的不足,將激光破巖技術耦合應用到隧道挖掘,仍存在諸多有待解決的研究難題。目前,已有學者針對激光輔助TBM滾刀破巖進行了前瞻性研究,現歸納總結如下。

4.1 試驗研究

最早關于激光輔助TBM掘進的研究可追溯到1970年,當時聯合飛機公司啟動了一個名為“熱輔助隧道掘進”的項目,以期提高TBM在硬巖地層的掘進效率。該團隊對激光輻照后的巖石進行線切割試驗,試驗結果表明激光熱輔助TBM掘進在理論技術上是可行的。Foro Energy申請了一項高功率激光輔助隧道掘進設備的專利,主要介紹如何將激光系統耦合進掘進設備以及其使用方法[82]。為了驗證高能激光技術輔助TBM破巖的可行性,張魁等[83]以孔孔距(相鄰激光孔之間的距離)和刀孔距(滾刀與激光孔排之間的間距)為變量,開展了一系列激光輔助滾刀壓頭侵巖試驗。激光輔助滾刀壓頭作用下巖石試樣表面宏觀破碎過程如圖11所示。激光輔助滾刀壓頭侵巖所獲巖石表面形貌如圖12所示。結合圖11與圖12可知: 1)在滾刀作用下,巖石發生擠壓破碎,形成巖粉,巖粉受周圍未破碎巖樣約束擠壓成密實核,當密實核衍生發育成熟后,因產生裂紋而發生潰散,繼而發生巖爆,巖粉從刀刃側噴射而出,花崗巖表面出現明顯破碎現象; 2)尤其是在預制有激光孔洞一側,巖石損傷區域明顯擴張,并且激光孔洞幾乎都發生嚴重坍塌破壞,這表明預制激光孔洞能有效促進花崗巖試樣的破碎。巖石破碎比耗能隨刀孔距變化如圖13所示。可以看出,除孔孔距為5 mm、刀孔距為3 mm這組試驗外,其余試驗組所獲巖石破碎比能耗都在300 J/g上下波動,明顯低于對照組的866 J/g(未預制激光孔)。顯然,激光輔助滾刀破巖能有效降低破巖比能耗,從而提高破巖效率。

(a) 第873幀

(b) 第903幀

(c) 第936幀

(d) 第966幀

圖12 激光輔助滾刀壓頭侵巖所獲巖石表面形貌[83]

圖13 巖石破碎比耗能隨刀孔距變化圖[83]

4.2 仿真研究

考慮到目前缺乏能系統全面地研究激光輔助TBM破巖的試驗平臺,并且現有TBM試驗平臺切割載荷和尺寸較大,試驗費時費力,成本高昂,一些學者嘗試利用數值仿真技術模擬激光輔助滾刀破巖這一過程,進行前瞻性研究。Rui等[35]通過四維晶格彈簧模型(4D-LSM)建立了激光破巖數值模型,使用耦合非連續變形分析(DDA)實現了模擬激光輔助TBM滾刀切削巖石這一過程,并在此基礎上構思了激光輔助TBM掘進概念圖(其仿真計算模型見圖14,掘進概念見圖15)。與普通的隧道掘進機相比,此裝置最大的區別是在機槍內增加了激光發射器,用于產生與切割軌跡垂直的激光損傷,由切割軌跡與激光損傷組成的計算區域被劃分為尺寸為50 mm×100 mm的矩形區域(見圖15(b)),刀具從矩形區域的左側沿中線切割,激光引起的損傷位于矩形區域的右側,其切割距離為0～50 mm,切割角度為90°,可用于預測TBM圓形工作面計算區域內激光功率、輻照時間和光束半徑與破巖效率和刀具磨損之間的關系。其研究結果表明,所建仿真模型能較好模擬激光輔助滾刀破巖全過程,激光損傷的引入可以明顯降低巖石各項力學性能,提高TBM隧道掘進的可靠性和工作效率。

Zhang等[84]提出了一種“2步式”激光輔助滾刀破巖仿真建模構想(流程圖見圖16),該構想將激光輔助滾刀破巖分為2個主要步驟: 1)進行激光破巖仿真,獲得巖石破損形貌; 2)在第1步所獲巖石破碎結果的基礎上,搭建給定刀孔距的滾刀破巖模型,從而完成激光輔助滾刀破巖過程。不同刀孔距下仿真模擬結果如圖17所示。可以看出: 1)在滾刀破巖過程中,巖石在滾刀的作用下不斷破碎,并且其破碎區延伸至激光孔,致使激光孔遭到破壞,從而提升破巖量; 2)刀孔距為4 mm時效果最好(見圖17(b)),明顯可見位于預制有激光孔的A側巖石損傷大于位于B側的巖石損傷。該方法間接地模擬了激光輔助滾刀破巖全過程,有效地呈現了塊狀巖石單元從母巖模型中剝離的現象,顯示了有限元法在模擬巖石破裂瞬態過程中的優勢。

4.3 激光輔助滾刀破巖機制分析

基于對滾刀/激光破巖機制的深刻認識,歸納出如圖18所示激光輔助滾刀破巖機制。相較于傳統滾刀破巖方式,當TBM處于該破巖模式下時,刀盤會借助激光發射器預先照射并切割位于相鄰滾刀之間的巖體,預期會產生如下效果: 1)利用激光在巖體上形成裂隙孔洞,從而破壞巖石完整性,削弱巖石強度; 2)使滾刀與激光之間出現一個耦合破碎區,從而促進熱裂紋與側向裂紋的交匯,提高滾刀破巖效率。綜上所述,當TBM處于激光輔助滾刀破巖模式下時,通過發揮熱應力與機械應力的耦合效應,有望顯著降低破巖比能耗,提高TBM破巖效率,同時降低刀巖相互作用的劇烈程度。

(a) 仿真示意圖

(b) 仿真模型

(a) 3D視圖

(b) TBM盤形工作面

圖16 2步式激光輔助滾刀破巖建模流程圖[84]

(a) 3.5 mm

Fig. 17 Simulated results under different cutter-hole spacing[84]

圖18 激光耦合滾刀破巖示意圖

5 結論與展望

激光輔助破巖是一種新型高效的破巖技術,有望徹底改變機械破巖工具易磨損問題,在油氣鉆井和隧道挖掘等地下工程中具有廣闊前景。本文結合近年來激光破巖技術研究成果,首先概括了激光破巖技術的主要研究方法; 其次,系統地總結歸納了影響激光破巖效果的主要因素; 最后基于前述研究成果,討論了激光輔助破巖在隧道掘進領域的推廣應用。

5.1 結論

1)激光破巖是一個多學科、多物理場耦合的難題,匯集了光學、傳熱、巖土工程、損傷力學和其他相關學科,打破了傳統破巖理念,可以極大地提高破巖效率。

2)目前,激光破巖技術的研究手段主要為試驗、理論和仿真方法。其中,試驗方法可以直觀地反映激光與巖石相互作用過程,為仿真和理論提供有效的物性參數; 理論與仿真方法則可以節省時間,減少材料消耗,獲得試驗難以或不可能測量的詳細特征信息; 三者結合才能更好地揭示激光破巖機制,確定激光破巖過程中溫度場、熱應力場、流體動力場和破巖能耗之間的關系。

3)玻璃釉物質是影響激光破巖效果的顯著因素,尤其是在高功率下,巖石輻照表面會產生大量玻璃釉,該物質不僅會抑制激光能量進一步向深部巖石傳遞,而且會阻礙破巖器具機械應力產生的裂紋與激光輻照熱裂紋耦合,從而影響破巖效果,而目前有關玻璃釉形成過程的報道較少。后續應深入研究玻璃釉主要由巖石內部哪種物質產生,以及玻璃釉的基本組成成分,從而在不削弱巖石損傷效果的前提下,有效減少該物質的生成。

4)現階段有關激光輔助TBM滾刀破巖的研究主要是先利用激光輻照巖石,然后對輻照后的巖石進行滾刀切割試驗,從而間接研究激光輔助滾刀破巖過程。這種方法在一定程度上可以揭示激光輔助滾刀破巖機制,但其與實際工況存在差異。在實際工程中,激光照射與滾刀破巖應是同步進行的。

5.2 展望

1)針對不同巖性,確定專用激光。由于不同的巖石其內部成分與自身性能差異較大,在激光的作用下表現出不同的變化規律,因此,應確定巖石性能與激光器類型、激光輻照參數和輔助氣體吹掃方式等因素之間的關系,定量分析破碎不同巖石所需激光能量,合理設計最優的激光破巖參數組合。

2)激光輔助破巖過程中的溫度效應研究。激光輔助破巖過程中溫度可高達幾千℃,雖然可通過高壓輔助氣體進行降溫和清掃破碎巖屑,但仍需系統、全面地研究高溫巖屑對刀具、刀盤和TBM整體工作環境的影響機制,以防高溫對滾刀等關鍵器具的性能產生不利影響。

3)軟硬件研究手段進一步完善。在接下來的研究中應在保證激光傳輸安全、有效的前提下,開發一種能用于長距離傳輸,以及滿足地下作業空間狹窄、惡劣工作環境的激光裝置,并能將其合理地耦合到TBM工作界面,從而實現激光輔助滾刀破巖完整過程研究。此外,還需開發一種專用的仿真軟件,可以完整地模擬激光輔助滾刀破巖真實過程,而不是將其分為2個部分進行研究。

后續工作應綜合考慮激光地下工作環境,合理將激光系統耦合入機械破巖系統,解決激光輔助破巖過程中降溫、排屑和安全等問題,突破激光破巖技術核心難題,形成完善的激光破巖地下作業系統。