李帥遠(yuǎn)，盧高明，洪開榮，周建軍，楊延棟

（盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001）

0 引言

隨著隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，微波破巖、激光破巖技術(shù)得到大力發(fā)展。微波輔助機(jī)械破巖是隧道工程建設(shè)中極具應(yīng)用前景的輔助技術(shù)。采用微波輔助機(jī)械破巖可以提高巖石破碎效率、減輕機(jī)械設(shè)備損耗、降低施工成本［1-2］。

受巖石自身特性影響，根據(jù)巖石對微波加熱反應(yīng)，巖石材料可分為吸收型、不吸收型、絕緣性和混合型四類。不同巖石對微波的吸收能力不同，微波輔助破巖適合應(yīng)用于硬度高、微波吸收型巖石地質(zhì)。巖石的介電特性反映其對微波的吸收能力，介電特性越強(qiáng)，巖石吸收微波的能力越強(qiáng)，微波的加熱效果就越好［3］。目前主要利用電磁波頻域特性測量巖石介電特性參數(shù)，包括單端口傳輸線法、傳輸／反射法、同軸探頭法、諧振腔法，空間波法［4-6］。王修昌［7］采用自由空間法和諧振腔法對四種巖石樣品進(jìn)行介電常數(shù)測量，分析不同頻率巖石介質(zhì)的微波穿透深度及功率吸收情況。許文博［8］基于平行板電容及阻抗測量原理，設(shè)計(jì)出了一種寬帶電特性巖石介電特性自動(dòng)化測量系統(tǒng)。Han等［9］應(yīng)用三維有限差分模型開發(fā)了巖石介電特性測試數(shù)字巖心軟件，分析了裂隙連通性、裂隙飽和流體和施加電場方向等對含裂隙巖樣介電性質(zhì)影響。

巖石材料在微波加熱過程中會(huì)產(chǎn)生物理和結(jié)構(gòu)變化從而影響材料的介電性能。目前，常溫條件下介電特性的測量技術(shù)已相對成熟，但在變溫條件下介電特性測試裝置較少，且大多應(yīng)用于陶瓷，冶金物料的測試。為研究常溫和高溫條件下巖石對微波的吸收能力，本文選用同軸傳輸／反射法原理設(shè)計(jì)并搭建了變溫巖石介電特性測試裝置，并選取隧道施工現(xiàn)場常見巖石進(jìn)行變溫條件下介電特性測試，并分析實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

1 同軸傳輸／反射法測試原理

設(shè)計(jì)變溫巖石介電特性測量系統(tǒng)采用Niclson 傳輸／反射法進(jìn)行高損耗材料變溫微波電磁參數(shù)測試［10］。巖石樣品為一同心圓環(huán)，將巖石樣品放置同軸線一端，圓環(huán)內(nèi)徑和外徑要和同軸傳輸線內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體貼合緊密。該方法通過測量填充有被測介質(zhì)的傳輸線的反射與傳輸響應(yīng)，即兩端口參數(shù)S11與S21，推算出材料的電磁參數(shù)，散射參數(shù)信號流圖如圖1所示［11］。

圖1 散射參數(shù)信號流

Γ是當(dāng)材料無限長時(shí)，在特性阻抗Z0和Z1之間的反射系數(shù)，T為傳輸系數(shù)：

式中：Z0為空氣同軸線中的特性阻抗；Z1為材料中的特性阻抗。γ為樣品區(qū)的傳播常數(shù)；l為材料的長度。

根據(jù)邊界條件，參量S11、S21與反射系數(shù)Γ 及傳輸系數(shù)T關(guān)系為：

可得：S11（ω）＝S22（ω），S12（ω）＝S21（ω）。

根據(jù)散射矩陣與傳輸矩陣（或稱ABCD 轉(zhuǎn)移矩陣）［12］關(guān)系，將散射矩陣與歸一化統(tǒng)用矩陣聯(lián)立建立關(guān)系：

傳輸線散射端口網(wǎng)絡(luò)的歸一化通用矩陣為

當(dāng)樣品填充于傳輸線中時(shí)，傳輸線中僅存在TEM波（同軸系統(tǒng)）或TE10 波（波導(dǎo)系統(tǒng)）［13］。λ0為工作中的工作波長若傳輸線的截止波長為λc，空氣的傳播常數(shù)

填充介質(zhì)傳輸線的傳播常數(shù)

式中：μ0為自由空間的導(dǎo)磁率；ε0為自由空間的介電常數(shù)；μr為材料的相對介電常數(shù)；μr為材料的相對導(dǎo)磁率。

測得兩端口參數(shù)，傳輸線尺寸和試樣尺寸，結(jié)合上述公式即可得為材料的相對介電常數(shù)εr和材料的相對導(dǎo)磁率μr。

2 變溫巖石介電特性測試裝置設(shè)計(jì)

本文針對巖石介電特性參數(shù)的測試，設(shè)計(jì)并搭建了變溫巖石介電特性測試裝置，該裝置通過測試軟件將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試系統(tǒng)、校準(zhǔn)件、同軸轉(zhuǎn)換接頭、冷卻同軸線、隔熱同軸線、高溫同軸線、測試夾具、加熱測溫裝置等與計(jì)算機(jī)等互聯(lián)，組成如圖2 所示的變溫巖石介電特性測試裝置原理示意圖。同軸線傳輸線結(jié)構(gòu)將均勻、線性、各向同性材料的被測巖石樣品填充在標(biāo)準(zhǔn)傳輸線內(nèi)（同軸、波導(dǎo)等），構(gòu)成一個(gè)互易雙端口網(wǎng)絡(luò)。

圖2 變溫巖石介電特性測試裝置工作原理

圖3 所示為變溫巖石節(jié)電特性測試裝置實(shí)物圖。

圖3 變溫巖石介電特性測試裝置

其主要系統(tǒng)組成及各部件結(jié)構(gòu)如下：

（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由信號源、接收機(jī)和顯示器組成（見圖4），在設(shè)備頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描高頻激勵(lì)響應(yīng)測量。信號源向被測巖樣發(fā)送單一頻率信號，接收機(jī)調(diào)諧到該頻率并探測巖樣所反射和發(fā)射的信號［14］。根據(jù)測得的響應(yīng)可得出該頻率上的幅度和相位數(shù)據(jù)，通過算法分析處理，可得到正切巖石材料的電解質(zhì)常數(shù)，磁導(dǎo)率，損耗角等電磁參數(shù)。

圖4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

（2）加熱測溫系統(tǒng)。加熱測溫系統(tǒng)包括溫控箱、加熱箱、電磁加熱圈和熱電偶等組成。電磁加熱圈包裹被測樣品測試夾具，通過熱電偶測量巖石樣品溫度，由溫控箱調(diào)節(jié)加熱功率控制被測巖石樣品溫度，實(shí)現(xiàn)對巖石樣品加熱至設(shè)定溫度的精確控制［15］。

（3）測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)包含鋁合金平臺、滑動(dòng)導(dǎo)軌、彈簧和限位裝置等，變溫介電特性測試系統(tǒng)如圖5 所示。變溫巖石介電特性測試系統(tǒng)具有支撐測試夾具，輔助裝配待測件，調(diào)節(jié)加熱裝置位置的作用。

圖5 測試系統(tǒng)

（4）測試校準(zhǔn)件。校準(zhǔn)件選用高硬度合金制作，由如6 所示的法蘭盤結(jié)構(gòu)，包括傳輸線校準(zhǔn)件、直通校準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件三種測試校準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件內(nèi)部填充物采用聚四氟乙烯，同時(shí)對校準(zhǔn)件端口和作為測試端口的表面進(jìn)行拋光和抗氧化處理，以保證校準(zhǔn)過程中校準(zhǔn)件和測試座的形狀和表面電性能的穩(wěn)定。

圖6 測試校準(zhǔn)件

（5）軟件系統(tǒng)。本文的變溫巖石介電特性測試裝置用VC++軟件進(jìn)行編制。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和設(shè)備自帶軟件基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)儀器控制庫SICL和虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)VISA的驅(qū)動(dòng)軟件組成對儀器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、控制、管理。根據(jù)傳輸／發(fā)射法原理編寫測試子程序和校準(zhǔn)子程序，變溫巖石介電特性測試裝置軟件系統(tǒng)的流程圖見圖7 所示。

圖7 軟件系統(tǒng)流程圖

3 變溫巖石介電特性測試裝置應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)方案與條件

本文選取了某隧道施工路段花崗巖、砂巖和玄武巖三種巖石制成標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣品，分別在常溫和變溫條件下進(jìn)行了介電特性測試，相應(yīng)得到巖石樣品的介電常數(shù)，介電常數(shù)虛部，損耗正切。

為提高待測巖樣介電特性參數(shù)精度應(yīng)，巖石樣品制作要求：①被測樣品加工成中空柱狀；②樣品尺寸外徑為?16°-0.05mm，內(nèi)徑為?6.950+0.05mm，高度為10°-0.05mm；③巖石樣品兩端面光滑平整，巖樣內(nèi)外滿足于同軸夾具內(nèi)外導(dǎo)體緊密接觸，避免空氣縫隙影響測量結(jié)果精度，減小測量誤差。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)測試采用本文設(shè)計(jì)并搭建的變溫巖石介電特性測試裝置，變溫巖石介電特性測試的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）裝入巖石樣品。對測試巖石樣品進(jìn)行尺寸檢測，合格后裝入巖石樣品夾持器，中空柱狀巖石樣品裝配時(shí)需要端面對齊且不能頂入兩端同軸線中。

（2）設(shè)備初始化。啟動(dòng)變溫巖石介電特性測試裝置并打開傳輸反射法測試軟件，進(jìn)行儀器設(shè)備初始化。

（3）校準(zhǔn)測試。對變溫巖石介電特性測試系統(tǒng)分別進(jìn)行直通校準(zhǔn)、反射校準(zhǔn)、傳輸線校準(zhǔn)，完成對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)。

（4）標(biāo)準(zhǔn)件測試。用變溫巖石介電特性測試裝置在常溫下對聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行介電特性測試，用聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品來判斷系統(tǒng)校準(zhǔn)是否成功，其介電常數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)值2.07 左右，在10%的誤差內(nèi)說明系統(tǒng)校準(zhǔn)成功。

（5）樣品測試。按實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行巖石樣品常溫和變溫狀態(tài)下介電特性測試，在軟件界面輸入樣品尺寸，選擇對應(yīng)溫度進(jìn)行介電特性參數(shù)測試。變溫測試前先打開水冷機(jī)和溫控箱，如果樣品有較大的揮發(fā)性可以打開氣泵，注意氣量需要調(diào)小，不然會(huì)影響溫度或者導(dǎo)致樣品移位。

3.3 結(jié)果與分析

采用本文設(shè)計(jì)并搭建的變溫巖石介電特性測試裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)條件對玄武巖、紅砂巖和花崗巖三種巖石樣品進(jìn)行了常溫、變溫測試實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果分析如下：

（1）常溫測試介電特性測試分析。常溫條件（室溫20 ℃）下介電特性參數(shù)測試，測試頻率為0.9～6.0 GHz范圍內(nèi)，介電特性的測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 常溫狀態(tài)下不同巖石介電特性測試

由圖8可知，在測試頻帶范圍內(nèi)，巖樣的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′、虛部ε″和損耗正切tan θ 隨頻率變化微量增加，無頻散現(xiàn)象。由圖8（a）～（c）分別可見，常溫狀態(tài)下不同巖石：復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部ε′為玄武巖＞花崗巖＞砂巖；復(fù)介電常數(shù)的虛部ε″為玄武巖＞砂巖＞花崗巖；損耗正切tan θ為玄武巖＞砂巖＞花崗巖。

（2）變溫測試介電特性測試分析。為更好地觀察巖石樣品變溫條件下溫度對巖石樣品介電特性影響變化，依照工業(yè)上廣泛應(yīng)用的915 和2 450 MHz 頻率微波，在變溫條件下測試了三種巖石的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部ε″參數(shù)，結(jié)果如圖9～10 所示。

由圖9～10 可知，在20～500 ℃范圍內(nèi)，915 和2 450 MHz頻率下：①溫度與花崗巖、砂巖、玄武巖3種巖石的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′、虛部ε″變化近似一致，2種頻率下介電特性測試對測量結(jié)果基本無影響；②花崗巖復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′隨著溫度的升高復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′增大，花崗巖復(fù)介電常數(shù)實(shí)部虛部ε″呈無規(guī)律變化；③砂巖復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′先增大后減小再增大變化，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部虛部ε″呈無規(guī)律變化，受砂巖結(jié)構(gòu)影響，砂巖中含水分較多，達(dá)到一定溫度砂巖中水分蒸發(fā)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′減?。虎苄鋷r復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′和虛部ε″先增加后減小。

圖9 溫度對巖石介電常數(shù)實(shí)部影響

圖10 溫度對復(fù)巖石介電常數(shù)虛部影響

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并搭建的變溫巖石介電特性測試裝置，選取隧道施工現(xiàn)場的花崗巖、砂巖、玄武巖3 種巖石進(jìn)行了變溫條件下介電特性測試對實(shí)驗(yàn)測試與分析，結(jié)果表明：①設(shè)計(jì)變溫巖石介電特性測試裝置穩(wěn)定、可靠，可以篩選出具有良好微波吸收性能路段，實(shí)行微波輔助機(jī)械破巖提高隧道施工效率；②常溫狀態(tài)下不同巖石復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′為玄武巖＞花崗巖＞砂巖；介電損耗玄武巖＞砂巖＞花崗巖。③在915 和2 450 MHz頻率下介電特性測試對測量結(jié)果基本無影響。通過該裝置分析溫度對介電特性影響，后續(xù)微波輔助破巖過程中，可以結(jié)合溫度對巖體破壞機(jī)理，針對不同巖石在微波吸收性能好和巖石破壞程度高的情況下進(jìn)行微波輔助破巖，降低能耗，提高隧道施工效率。