一种冻土施工用挖掘装置设计

张 羽 ， 朱成珂 ， 李泽锟

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤[1]。冻土区别于常规融土的最本质特征是冰的存在，即通常情况下融土是三相体系，而冻土是四相体系（气，液，土石，冰）[2]。研究表明，在一定的温度范围内，冻土的快剪强度随着负温的降低而近似地成正比增大，因此在工程施工中，冻土对挖掘会产生极大的挖掘阻力。隧道开挖时，升温开挖极易导致热融坍塌，施工时需搭设保温棚减少太阳热辐射，耗用大量能源，施工费用高。因此，可以从挖掘过程着手，在工作层面通过物理超声赋能实现精准升温，解决传统冻土开挖作业存在的问题。

1 研究背景

传统冻土挖掘作业时，通常采用爆破、升温开挖等方式，极易导致热融坍塌和严重的融沉并形成泥流河。多年冻土地区的生态环境极其脆弱，一经破坏，难以恢复，有时甚至是不可逆的。传统作业方式耗能大、施工难度高、作业危险，已逐渐难以满足可持续和生态友好型建设的需要。利用超声空化作用产生高能冲击波和高频振动生热[3-5]的特点，设计一种可安装于挖掘机械铲斗上的超声振动式挖掘装置。

2 结构原理示意图及工作流程

2.1 系统工作原理示意图

装置可安装于挖掘装置铲斗内进行工作，通过电路实现高频交流电，通过换能器内部的线圈后引发陶瓷材料产生往复高频振动，实现电能到机械能的转化，产生超声波，通过铲斗斗齿向工作层面做功，并同时进行物理挖掘作业，如图1所示。

超声振动换能器和压力传感器安装在铲斗斗齿内部，挖掘铲斗背部设置有电缆线保护槽和盖板以安装超声振动换能器或压力传感器的电缆线。超声换能器和压力传感器的壳体通过螺纹安装在斗齿内部。超声挖掘装置结构示意图如图2所示。

2.2 操作流程

挖掘装置斗齿在与作业介质冻土相接触的同时，安装在斗齿上的压力传感器检测到压力值的升高，通过主控电路打开超声换能器。换能器通过电路实现高频交流电，通过换能器内部的线圈后引发陶瓷材料产生往复高频振动，实现电能到机械能的转化，释放出超声波。超声换能器向挖掘切面前方定向发出频率在50 kHz～80 kHz的振动声波，在土层中传播时，大振幅的声波形成锯齿形波面的周期性激波，在波面处产生很大的压强梯度，振动能量不断被冻土层吸收转化为热量而使挖掘层面的温度升高，层面内的结晶水融化为液态水，使层面处的土壤抗剪强度显著降低；同时，超声波作用于液态水，会引起空化作用，即空气中传播的超声波引起液体时而受拉时而受压，产生近于真空或含少量气体的空穴。声波压缩阶段，空穴被压缩直至崩溃，由于气泡寿命极短（约0.1 μs），可产生高速微射流（约110 m/s）并释放出最高40 MPa～50 MPa局部压力的冲击波，破坏挖掘层面土壤的骨粒结合。空化作用进一步降低了层面挖掘阻力。此时，铲斗可较为容易地对冻土层面进行挖掘，冻土土方进入挖掘铲斗内再被转移至土方运输车或其他施工区域。

图1 系统工作原理示意图

图2 超声挖掘装置结构示意图

3 结语

综上所述，笔者设计了一种新型的挖掘装置，将液压机械挖掘与超声技术相结合，应用的技术具有以下特性：传播方向性好，可以在冻土切削方向保持足够大的振动功率；能量大，振动频率高，与普通声波相比具有大得多的能量；穿透能力强，在不透明固体中能穿透几十米的厚度；超声波在传播过程中与媒介相互作用会产生的热作用、机械作用、空化作用，可以极大降低土壤挖掘阻力。采用本装置作业时土壤热融层面小，不会造成热融坍塌，且超声振动与机械挖掘同时进行，效率高，施工成本低。