冻土机械开挖技术现状及未来发展方向浅析

董德坤 韩坦

陆军研究院工程设计研究所 辽宁沈阳 110162

我国东北、西北大部分地区及华北中北部地区冬季气候寒冷，地表温度能持续处于零度以下，形成季节性冻土；部分地区积雪常年不融化，形成多年冻土。在以上这些地区，冻土是各类土石方施工作业中经常遇到的一种土壤类型，与常温土壤相比，冻土硬度、粘性都比较大，难于挖掘和破碎，长期以来，冻土挖掘一直是土石方施工领域的技术难题。传统上通常尽量回避冬季土工作业，这使得冬季持续时间较长地区的有效施工作业期比较短；随着经济和科技水平的发展，利用机械方法在冬季展开土工作业能缩短工期，有效节约人工和资金的占用成本，因而针对冻土的机械作业方法也逐步获得发展。本文总结了不同的挖掘技术及冻土专用挖掘工作装置的研究现状和适应范围，并提出了对该领域未来发展的一些思考[1]。

1 现有冻土机械开挖技术

自20世纪30年代始，北半球高纬度的许多国家相继成立了各自的冻土研究机构，如苏联科学研究院的冻土研究所，美国陆军工程寒区研究与工程实验室（Cold Region Research Engineering Lab，CRREL)，中国科学院兰州冰川冻土研究所，日本、法国、加拿大等国也都建立了自己的冻土科研机构，开展冻土力学理论及其应用方面的研究。冻土开挖方法主要有冻土融化开挖和冻土破碎开挖两类，其中融化开挖法包括蒸汽化冻法、电热化冻法、火焰烘烤加热法、热力钻孔等，破碎开挖法主要是采用人工、爆破和机械等途径将冻土破碎后再开挖。本文主要讨论与机械相关的方法[2]。

1.1 传统工程机械直接挖掘方式

当冻土层厚度较小（在0.25m以内）时，可直接用铲运机、推土机及斗容量0.5m3左右的挖掘机开挖；当冻土层厚度在0.4m以内时，可采用斗容量1m3或以上的大型挖掘机直接挖掘；当冻土层厚度较大时，可用液压破碎锤或用改装的打桩机、挖掘机吊楔形重锤等，按顺序劈裂破碎冻土，再用挖掘机开挖。有些挖壕机和挖壕挖坑机也可进行冻土开挖作业。目前，利用机械开挖冻土的常见工作装置是悬挂式松土器。用于辅助作业的松土器，可以挖松0.15m～0.2m深的冻土层，主要作业的松土器可用于开挖较深的冻土层(包括常年冻土），最大挖松0.3m～0.9m深的冻土层。经验表明，开挖基坑、沟渠、路堑、剥离作业等，使用悬挂式松土器要比挖掘机、钻孔机、冲击作业的机器和链斗式或斗轮式挖沟机更为合理。一般配备松土器的机械上装有推土板或装载斗，来提高机械的利用率和使用范围。该方法作业安全，效率较高，劳动强度低，能适用于大面积冻土开挖[3]。

1.2 机械爆破联合作业技术

20世纪60年代，人们开始探索新的破坏和输送土壤的原理，如用爆炸能进行土壤开挖。用爆破法挖土时，气体能量对土壤的作用类似于强大的热力发动机，迅速对土壤进行破坏和抛投，形成较理想的沟或壕。而机械爆破联合作业则是将机械作业和爆破作业相结合的方法，目前发展的主要有两种：一种为机械爆破挖壕作业，一种为频爆作业。在爆破形成机理上，包括与机械装置复合的油气点燃装置和爆破/机械分别作业的形式。机械爆破复合挖掘技术效果较好，但操作复杂度稍高，并降低了机械的通用性，故在应用方面受到一定的限制[4]。

1.3 机械振动掘削技术

给作业刀具施以某种有规律的振动而进行的切削称为振动切削，而将振动理论应用于土壤掘削、破碎等作业过程中的技术称为振动掘削技术。在机械挖掘领域，通常利用单斗液压挖掘机实现振动掘削，通过控制铲斗液压缸或者斗杆液压缸进出油液的流量，使斗液压缸活塞杆或者斗杆液压缸塞杆按照一定的频率、振幅和幅值作往复运动，从而使液压挖掘机在进行挖掘作业时铲斗能够一边挖掘土壤一边按某种规律振动，并保证振动不能影响挖掘机铲斗正常的挖掘动作。截至当前，液压挖掘机振动掘削技术多处于实验研究阶段，实际应用的产品较少。从实验研究结果看，振动掘削技术能有效减低液压挖掘机总的挖掘阻力，在同样输入功率的情况下，能改善挖掘效率，扩展土壤适应范围[5]。

2 冻土专用开掘机械的典型工作装置结构

除了前述采用通用机械开掘冻土外，也有不少专门针对冻土的连续开挖型工作装置，它们通常用于铺设不同用途的管道和输电、通信线路。按作业方式分，连续开挖工作装置主要有三种形式：横向旋转铣切作业；纵向链杆式铣切作业；纵向转轮式铣切作业[6]。

2.1 横向旋转铣切作业工作装置

此类工作装置以类似于铣床切削工件的形式对冻土进行切削，工作装置通常采用机械悬挂形式置于底盘的后侧，主要包括端铣刀、叶片式抛土器和犁。作业时，铣刀切削土壤，通过导向罩把土传递给抛土器，抛土器通过旋转把土抛到坑外一侧。犁在挖坑机每次走刀后，刮出挖坑机履带行走的水平面，以便机械下一次走刀。挡土板固定在工作装置上，用来防止土壤在作业过程中撒入安装在底盘平台上的设备，并避免这些设备受到抛出的石块的损伤。工作装置安装在提升架上，在液压油缸的作用下，提升架围绕其轴线转动将工作装置翻转到底盘的后侧上方，实现工作装置在工作状态与运输状态之间的转换。工装作业时，横向掘削铣切的旋转轴线通过机械的纵轴线，其旋转平面垂直于进刀方向，当铣刀旋转并向作业面进给时，即成扇形开挖土壤，扇形的矢度由铣刀进刀的深度或作业面的高度来确定，坑底的平整，由安装在铣刀后面的边道平整犁实施[7-8]。

2.2 纵向链杆式铣切工作装置

链杆式样工作装置由驱动装置链轮带动切削链，切削链上的耙铲与切削斗齿一起随切削链运动，纵向切削土壤。切削链沿工作面切削时，斗齿疏松土壤，耙铲则接住土壤并沿工作面送向上方，在转到驱动链轮上方时，便将土传送给抛土器，在抛土器内，土壤被叶片托住，以一定的转速从罩壳开口处被抛出到所挖沟渠的一侧。液压系统通过控制抛土器翻转架的升降油缸，实现运输状态和作业状态的互换；通过控制工作装置的提升油缸实现工作装置的入土与出土，调节挖壕、坑的深度；通过控制一个能调节抛土器和工作装置自动横向摆动的机构，实现工作装置的左右摆动；通过控制推土装置升降油缸实现推土铲刀的入土和出土。从综合成本和效率上，链杆式是目前发展前景较好的一种结构[9]。

2.3 纵向转轮式铣切工作装置

纵向转轮式铣切装置形如集成了多个小铲斗的挖掘轮，该工作装置主要由转轮铣刀盘、侧减速器、抛土器、刮土板和挖掘深度控制油缸组成。挖壕装置利用托架与车体尾部铰接。转子式抛土器用于克服挖掘时的土壤回填问题，并增加挖掘深度。在由中心驱动的转轮轮毂上，沿轮毂周边的外沿焊接有多排横向布置的挖掘齿，挖掘齿上安装有硬质合金刀具，确保得到所需要的挖掘宽度。挖掘装置中的刮土板不仅可用于确定所挖的深度，还可用于清除沟渠底部浮土和压实沟渠的底和壁，以起辅助支撑作用。转轮式挖壕装置由多个液压油缸控制并调节工作装置的升降，从而确保挖掘装置相对于车体的移动并可进行状态转换[10]。该结构挖掘效率高，但重量、体积大，功率需求较大，使其应用发展受到限制。

3 冻土挖掘机械的发展方向

3.1 机电一体化技术必将深入应用于工作装置和系统控制中

冻土挖掘工作装置掘进负荷变化大，应用环境恶劣、条件复杂。由于工作装置吸收功率大，不仅需要控制工作装置本身，而且需要对发动机、变速箱和行走系统进行系统化的控制，以最大化作业效率，并保护机械。从查到的资料看，如瑞士的HS-80OSE挖壕机就应用了微机控制变速箱，使机械经常处于最佳运行工况[11]。

3.2 工作装置结构将针对应用场景进一步优化

目前存在的横向旋转铣切、纵向链杆式铣切和纵向转轮式铣切作业结构都具有各自的适应场景和优缺点。有的在特定场景下效率高，但吸收功率巨大、经济性一般；有的能实现多样的挖掘效果，但同样存在经济性缺点。综合来看，纵向链杆式具有较好的发展前景，在新材料新工艺的加持下，能较好的平衡效率、功能和经济性要求，应予以重点关注[12]。

3.3 发动机及传动技术的发展会给冻土挖掘机械带来新突破

由于冻土工作介质吸收功率较大，势必对发动机和传动系统都提出了新要求，通过增加发动机功率并改善相应的传动系，能为作业装置提供必要的能量支持，才能保障作业能力和效率[13]。

3.4 振动挖掘技术在冻土挖掘领域有一定的发展前景

在有限的功率条件下实现较宽范围的土壤挖掘能力，振动挖掘技术是有其独特之处的。由于振动带来的噪音和设备损耗，目前该技术应用还比较少，随着技术的逐步成熟，振动挖掘能在改善冻土挖掘效率方面有较好的应用前景[14]。

4 结语

经济水平的不断发展对冬季土工作业提出了更多的需求，与其它方式相比，机械法具有成本低、保障条件简单、作业率高等独特的优点，能兼顾常温土壤与冻土条件的适用性，工程机械势必会在未来获得更大的发展。拓展工程机械工作装置介质适应范围是一项体系性的改进过程，不仅需要研究工装结构形式，还需要相关的材料和动力技术作为支撑。在总结既有挖掘方法与工装形式的基础上，综合集成新材料和动力技术，针对新的作业需求研发具有更好作业效率的工装结构形式，势必能不断拓展工程机械的应用范围，更好的为经济发展贡献力量。