具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实施例提供一种隧道岩爆防治装置。该装置包括液态二氧化碳致裂器1、提供液态二氧化碳的液态二氧化碳提供模块以及控制驱动模块4。液态二氧化碳致裂器1位于超前应力释放孔7内。

该装置还包括集成管道2，集成管道2的至少一部分位于超前应力释放孔7内。

液态二氧化碳致裂器1与集成管道2连通，集成管道2与液态二氧化碳提供模块相连通。

集成管道2与控制驱动模块4连接，以控制集成管道2输送或释放液态二氧化碳。

其中，液态二氧化碳致裂器1的一端伸入超前应力释放孔7中，液态二氧化碳致裂器1的另一端与集成管道2的一端连接，集成管道2的另一端穿过固定在超前应力释放孔7端口处的孔口密封器3与液态二氧化碳提供模块连接。超前应力释放孔7的端口处与孔口密封器3紧密接触，孔口密封器3用于对超前应力释放孔7进行密封。

集成管道2靠近液态二氧化碳提供模块的一端与控制驱动模块4连接，控制驱动模块4用于驱动集成管道2至液态二氧化碳释放状态或充液状态；控制驱动模块4与液态二氧化碳致裂器1通过电连接，用于控制液态二氧化碳致裂器1的开启。

该装置还包括废气回收模块8，废气回收模块8的一端穿过孔口密封器3与超前应力释放孔7连通，以回收超前应力释放孔7内的二氧化碳气体。

本实施例中的集成管道2至液态二氧化碳充液状态可以理解为：液态二氧化碳提供模块通过集成管道2向液态二氧化碳致裂器1内输送液态二氧化碳，使液态二氧化碳致裂器1内的液态二氧化碳达到使用要求，对岩体进行致裂。本实施例中的集成管道2至液态二氧化碳释放状态可理解为：液态二氧化碳提供模块通过集成管道2向超前应力释放孔7内输送液态二氧化碳，液态二氧化碳在超前应力释放孔7内汽化吸热，以对岩体进行降温及二次致裂。

另外，本实施例中的液态二氧化碳致裂器1为现有技术，其可以包括充装阀、发热引爆装置、储液管和泄能器等。充装阀尾端与集成管道2连接，连接方式可以为螺纹连接。

本发明采用液态二氧化碳致裂岩体以及对高温岩体进行降温，二氧化碳致裂技术不属于化学爆炸范畴，其是利用液态二氧化碳吸热汽化体积瞬间膨胀，形成气体冲击岩体破碎的物理变化，二氧化碳致裂岩体具有震动小、节能环保等方面的优点。同时，液态的二氧化碳也是一种制冷剂，在其汽化过程中会吸收大量的热量，可实现降温的目的。高温岩体在极短时间内迅速降温，可将岩体二次致裂，采用本装置可对岩体进行二次致裂，应力释放效果更佳。

进一步地，参见图3和图4，集成管道2包括内导管201、外导管202和薄壁套管203。其中，内导管201、外导管202和薄壁套管203的材料均可以为金属管材。

具体地，外导管202套设在内导管201外部。外导管202与内导管201均为中空圆柱体结构，且外导管202与内导管201的轴线重合。内导管201的内部用于放置连接控制驱动模块4与液态二氧化碳致裂器1的导线。内导管201与外导管202之间的空间用于流通液态二氧化碳。

具体地，薄壁套管203套设在外导管202外部。外导管202的一端与薄壁套管203通过转动件205连接，外导管202的另一端与液态二氧化碳提供模块的绝热连接管路5通过转动件205连接。外导管202与薄壁套管203上均设有释放孔204，且外导管202相对于薄壁套管203可转动。本实施例中的转动件205可以为轴承或者旋转密封圈，设置转动件可以实现外导管202的旋转，且外导管202旋转时，内导管201和薄壁套管203不发生转动。当外导管202与薄壁套管203上的释放孔204孔位重合时，液态二氧化碳释放到超前应力释放孔7内。当外导管202与薄壁套管203上的释放孔204孔位交错时，可对液态二氧化碳致裂器1进行充液。当转动件为旋转密封圈，且绝热连接管路5的内径大于外导管202的内径时，旋转密封圈的外挡圈的外环面抵顶在绝热连接管路5的内壁，旋转密封圈的内滑环的内环面固定在外导管202上，旋转密封圈的内滑环相对于外挡圈可转动，并且旋转密封圈的内滑环与外挡圈密封。当然，本发明不限于上述结构，本发明的绝热连接管路5的内径也可以小于外导管202的内径，当绝热连接管路5的内径小于外导管202的内径时，旋转密封圈的外挡圈的外环面抵顶在外导管202的内壁，旋转密封圈的内滑环的内环面固定在绝热连接管路5上，实现外导管202转动时，绝热连接管路5不转动。

另外，外导管202与绝热连接管路5连接的一端设置一扩展部，扩展部的外端到内端的直径逐渐减小。扩展部可以为中空的圆台状结构或者喇叭状结构，一方面，可以使绝热连接管路5内的液态二氧化碳顺利流入外导管202内，起到导向的作用；一方面，扩展部的外端直径增加，可以减少液态二氧化碳流到外导管202与绝热连接管路5连接处，防止液态二氧化碳泄露。

具体地，外导管202靠近绝热连接管路5的一端与控制驱动模块4连接，通过控制驱动模块4驱动外导管202相对于薄壁套管203转动。

外导管202的外壁与薄壁套管203的内壁为间隙配合，可以保证外导管202可相对于薄壁套管203转动。并且在集成管道2转动至液态二氧化碳充液状态时，外导管202上的释放孔204与薄壁套管203上的释放孔204位置相互错开，防止液态二氧化碳从释放孔204处泄出到超前应力释放孔7中。在集成管道2转动至液态二氧化碳释放状态时，外导管202上的释放孔204与薄壁套管203上的释放孔204位置相对应，使集成管道2内的液态二氧化碳释放到超前应力释放孔7中，对高温岩体进行降温。

进一步地，参见图2，控制驱动模块4包括壳体401、转动驱动机构402和致裂控制开关403。其中，壳体401上设置有致裂控制开关403，壳体401内设置有转动驱动机构402。

具体地，壳体401的一侧与集成管道2的薄壁套管203连接，薄壁套管203的一端固定在壳体401上，并且在薄壁套管203与壳体401的连接处设置密封圈，防止液态二氧化碳进入壳体401内。壳体401的另一侧与绝热连接管路5连接，绝热连接管路5的一端伸入壳体401内，并与集成管道2的外导管202连接，绝热连接管路5与壳体401固定连接。壳体401主要起到固定薄壁套管203和绝热连接管路5的作用。

设置在壳体401上的致裂控制开关403与液态二氧化碳致裂器1电连接。设置在壳体401内的转动驱动机构402与集成管道2的外导管202连接，以带动外导管202转动。

具体地，转动驱动机构402是一种机械驱动设备，与集成管道2的外导管202连接，用于控制外导管202转动。转动驱动机构402包括驱动部件4021和转动部件4022，驱动部件4021与转动部件4022转动连接，转动部件4022与集成管道2的外导管202连接。本实施例中的驱动部件4021可以为电机，转动部件4022可以为齿轮组或者蜗轮蜗杆结构。例如，当转动部件4022为齿轮组时，其中一个齿轮与驱动部件的输出轴连接，另一个齿轮套设在外导管外部并与外导管固定，两个齿轮啮合，驱动部件转动带动齿轮转动，进而带动外导管转动。

集成管道2的内导管201的一端呈L形穿过绝热连接管路5的管壁与控制驱动模块4的壳体401固定连接，内导管201与壳体401的连接处设置致裂控制开关403，致裂控制开关403通过导线穿过内导管201与液态二氧化碳致裂器1连接，用于控制液态二氧化碳致裂器1的开启。内导管201与绝热连接管路5的连接处设置密封圈，防止绝热连接管路5内的液态二氧化碳泄露。

内导管201的另一端与液态二氧化碳致裂器1连接，控制驱动模块4通过穿过内导管201内的电线与液态二氧化碳致裂器1连接，以控制液态二氧化碳致裂器1的开启。

进一步地，参见图2，液态二氧化碳提供模块包括绝热连接管路5和液态二氧化碳储存泵送模块6，绝热连接管路5的一端连通所述集成管道2，绝热连接管路5的另一端连通液态二氧化碳储存泵送模块6。

其中，液态二氧化碳储存泵送模块6包括泵送电机601、液态二氧化碳罐602、控制显示屏603、泵送加压控制开关604，泵送电机601用于将液态二氧化碳罐602内的液态二氧化碳泵送至绝热连接管路5，泵送加压控制开关604与泵送电机601连接，用于控制泵送电机601的开启和关闭，控制显示屏603用于显示液态二氧化碳罐602内的液态二氧化碳的流速及余量。

本实施例中，通过泵送电机601将液态二氧化碳罐602内的液态二氧化碳输送至液态二氧化碳致裂器1或超前应力释放孔7内，通过泵送加压控制开关604控制液态二氧化碳的流速及流量，根据施工现场要求，可以实现液态二氧化碳的自动控制。

进一步地，参见图2，废气回收模块8包括抽气泵801、废气回收储存罐802和废气回收连接管路803。废气回收连接管路803的一端连通超前应力释放孔7，废气回收连接管路803的另一端与抽气泵801连接。抽气泵801还与废气回收储存罐802连接。抽气泵801用于将超前应力释放孔7内的废气通过废气回收连接管路803输送至废气回收储存罐802中。废气回收连接管路803上设置废气排放阀门804，用于打开或关闭废气回收连接管路803。

本实施例中，废气回收模块8用于回收超前应力释放孔7内的废气，减少废气对环境的污染。

参见图5，本发明还提供一种隧道岩爆防治装置的防治方法，包括以下步骤：

S1、钻取超前应力释放孔7；

S2、安装隧道岩爆防治装置：将液态二氧化碳致裂器1和集成管道2连通，集成管道2和液态二氧化碳提供模块连通，然后将液态二氧化碳致裂器1和集成管道2置于超前应力释放孔7内，最后将超前应力释放孔7与废气回收模块8连通；

S3、岩体致裂：通过控制驱动模块4控制集成管道2至液态二氧化碳输送状态，将液态二氧化碳提供模块内的液态二氧化碳输送至液态二氧化碳致裂器1，引爆液态二氧化碳致裂器1；

S4、岩体降温：通过控制驱动模块4控制集成管道2至液态二氧化碳释放状态，将液态二氧化碳提供模块内的液态二氧化碳释放到超前应力释放孔7内，以降低岩体温度；

S5、废气回收：将超前应力释放孔7内的废气回收至废气回收模块8内。

需要说明的是，本发明的岩体致裂和岩体降温的顺序可根据现场的施工条件进行调整，可以先进行岩体致裂再进行岩体降温，也可以先进行岩体降温再进行岩体致裂。

具体步骤为：

(1)针对具有潜在岩爆风险的洞段施工前，采用超前钻机在前方掌子面打超前应力释放孔7，超前应力释放孔7为水平孔或具有倾角的斜孔；孔径大小使液态二氧化碳致裂器1能够顺利进入孔内，并满足孔口密封器3能够卡入孔内，达到密封要求；

(2)将液态二氧化碳致裂器1与集成管道2相连，通过绝热连接管路5与液态二氧化碳储存泵送系统6连接，采用孔口密封器3封闭超前应力释放孔7，并关闭废气回收连接管路803上的废气排放阀门804，液态二氧化碳致裂器1与输送集成管道2穿过孔口密封器3进入超前应力释放孔7中，启动控制驱动模块4的转动驱动机构402，集成管道2的外导管202在转动驱动机构402的带动下转动，集成管道2的薄壁套管203上的释放孔204与外导管202上的释放孔204孔位相错，启动液态二氧化碳储存泵送模块6的泵送电机601，对液态二氧化碳致裂器1进行充液；

(3)在充液结束后，关闭泵送电机601，启动控制驱动系统4的致裂控制开关403，对液态二氧化碳致裂器1中的发热引爆装置进行加热，使液态二氧化碳致裂器1引爆，致裂岩体；

(4)岩体致裂后，打开废气排放阀门804，打开废气回收模块8的抽气泵801开关，超前应力释放孔7内的废气经由废气回收连接管路803排至废气回收模块8的废气回收储存罐802；

(5)废气回收后，启动控制驱动模块4的转动驱动机构402，外导管202在转动驱动机构402的带动下转动，使薄壁套管203上的释放孔204与外导管202上释放孔204的孔位重合；

(6)打开液态二氧化碳储存泵送模块6的泵送加压控制开关604，启动泵送电机601，液态二氧化碳经由绝热连接管路5持续向输送释放管道2泵送，并从释放孔204中溢出，液态二氧化碳汽化吸热对围岩进行降温；

(7)关闭泵送电机601和泵送加压控制开关604，打开废气排放阀门804，打开抽气泵801开关，超前应力释放孔7内废气经由废气回收连接管路803排至废气回收储存罐802，此时，高地温岩爆隧道应力释放与降温装置完成一次应力释放与降温；

(8)重复步骤(1)～(7)，达到应力释放效果与围岩降温效果后，进行后续施工。

下面介绍本发明的一种隧道岩爆防治装置的具体防治方法：

(1)在具有强烈岩爆或极强岩爆风险的洞段，采用超前地质钻对施工前方掌子面打超前应力释放孔，钻孔为水平孔或具有倾角的斜孔，根据岩爆风险等级确定应释放孔的数量和钻孔布局，孔径大小应满足液态二氧化碳致裂器和集成管道伸入超前应力释放孔内的要求。

(2)在隧道现场进行组装，依次连接液态二氧化碳致裂器、集成管道、控制驱动模块、绝热连接管路、液态二氧化碳储存泵送模块以及废气回收模块，连接完成后进行设备调试，调试成功后将液态二氧化碳致裂器和集成管道穿过孔口密封器伸入超前应力释放孔中，并用孔口密封器堵住孔口，关闭废气回收连接管路上的废气排放阀门。

(3)利用控制驱动模块启动转动驱动机构，外导管在转动驱动机构带动下转动，使薄壁套管上释放孔与外导管上释放孔孔位相错，利用液态二氧化碳储存泵送模块启动泵送电机，对液态二氧化碳致裂器进行充液。

(4)充液完成后，关闭液态二氧化碳储存泵送模块的泵送电机，利用控制驱动机构启动致裂控制开关，对液态二氧化碳致裂器中发热引爆装置进行加热，产生大量的热量，使管内液态二氧化碳瞬间汽化体积膨胀，当管内气体压力超过泄压释能片极限强度时，气体冲破泄压释能片，从泄能孔释能出来，瞬间产生强大的气团冲击力，沿着目标体自然裂隙冲开物料并将其推离主体，从而达到静态爆破致裂岩体的目的。

(5)岩体致裂后，关闭液态二氧化碳储存泵送模块的泵送电机和泵送加压控制开关，打开废气回收连接管路上的废气排放阀门，打开废气回收模块的抽气泵开关，超前应力释放孔内废气经由废气回收连接管路排至废气回收模块的废气回收储存罐。

(6)利用控制驱动模块启动转动驱动机构，外导管在转动驱动系统带动下转动，使薄壁套筒与外导管上的释放孔孔位重合，以提供液态二氧化碳溢出通道。

(7)利用液态二氧化碳储存泵送模块启动泵送电机，打开泵送加压控制开关，液态二氧化碳经由绝热连接管路持续向液态二氧化碳输送释放管道泵送，并从释放孔中溢出，液态二氧化碳汽化吸热对围岩进行降温并达到二次致裂的效果。

(8)关闭泵送电机和泵送加压控制开关，打开废气排放阀门，打开抽气泵开关，超前应力释放孔内废气经由废气回收连接管路排至废气回收储存罐，该装置完成一次应力释放与降温。

(9)重复(2)～(8)步骤，达到应力释放预期与围岩降温效果后，可进行后续施工。

综上所述，该系统操作简单，效率高，能耗小，爆破扰动弱，环境污染少，同时具有降温减少高温热害与释放应力的功效。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。