一種凍土施工用挖掘裝置設計

張 羽 ， 朱成珂 ， 李澤錕

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤[1]。凍土區別于常規融土的最本質特征是冰的存在，即通常情況下融土是三相體系，而凍土是四相體系（氣，液，土石，冰）[2]。研究表明，在一定的溫度范圍內，凍土的快剪強度隨著負溫的降低而近似地成正比增大，因此在工程施工中，凍土對挖掘會產生極大的挖掘阻力。隧道開挖時，升溫開挖極易導致熱融坍塌，施工時需搭設保溫棚減少太陽熱輻射，耗用大量能源，施工費用高。因此，可以從挖掘過程著手，在工作層面通過物理超聲賦能實現精準升溫，解決傳統凍土開挖作業存在的問題。

1 研究背景

傳統凍土挖掘作業時，通常采用爆破、升溫開挖等方式，極易導致熱融坍塌和嚴重的融沉并形成泥流河。多年凍土地區的生態環境極其脆弱，一經破壞，難以恢復，有時甚至是不可逆的。傳統作業方式耗能大、施工難度高、作業危險，已逐漸難以滿足可持續和生態友好型建設的需要。利用超聲空化作用產生高能沖擊波和高頻振動生熱[3-5]的特點，設計一種可安裝于挖掘機械鏟斗上的超聲振動式挖掘裝置。

2 結構原理示意圖及工作流程

2.1 系統工作原理示意圖

裝置可安裝于挖掘裝置鏟斗內進行工作，通過電路實現高頻交流電，通過換能器內部的線圈后引發陶瓷材料產生往復高頻振動，實現電能到機械能的轉化，產生超聲波，通過鏟斗斗齒向工作層面做功，并同時進行物理挖掘作業，如圖1所示。

超聲振動換能器和壓力傳感器安裝在鏟斗斗齒內部，挖掘鏟斗背部設置有電纜線保護槽和蓋板以安裝超聲振動換能器或壓力傳感器的電纜線。超聲換能器和壓力傳感器的殼體通過螺紋安裝在斗齒內部。超聲挖掘裝置結構示意圖如圖2所示。

2.2 操作流程

挖掘裝置斗齒在與作業介質凍土相接觸的同時，安裝在斗齒上的壓力傳感器檢測到壓力值的升高，通過主控電路打開超聲換能器。換能器通過電路實現高頻交流電，通過換能器內部的線圈后引發陶瓷材料產生往復高頻振動，實現電能到機械能的轉化，釋放出超聲波。超聲換能器向挖掘切面前方定向發出頻率在50 kHz～80 kHz的振動聲波，在土層中傳播時，大振幅的聲波形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處產生很大的壓強梯度，振動能量不斷被凍土層吸收轉化為熱量而使挖掘層面的溫度升高，層面內的結晶水融化為液態水，使層面處的土壤抗剪強度顯著降低；同時，超聲波作用于液態水，會引起空化作用，即空氣中傳播的超聲波引起液體時而受拉時而受壓，產生近于真空或含少量氣體的空穴。聲波壓縮階段，空穴被壓縮直至崩潰，由于氣泡壽命極短（約0.1 μs），可產生高速微射流（約110 m/s）并釋放出最高40 MPa～50 MPa局部壓力的沖擊波，破壞挖掘層面土壤的骨粒結合。空化作用進一步降低了層面挖掘阻力。此時，鏟斗可較為容易地對凍土層面進行挖掘，凍土土方進入挖掘鏟斗內再被轉移至土方運輸車或其他施工區域。

圖1 系統工作原理示意圖

圖2 超聲挖掘裝置結構示意圖

3 結語

綜上所述，筆者設計了一種新型的挖掘裝置，將液壓機械挖掘與超聲技術相結合，應用的技術具有以下特性：傳播方向性好，可以在凍土切削方向保持足夠大的振動功率；能量大，振動頻率高，與普通聲波相比具有大得多的能量；穿透能力強，在不透明固體中能穿透幾十米的厚度；超聲波在傳播過程中與媒介相互作用會產生的熱作用、機械作用、空化作用，可以極大降低土壤挖掘阻力。采用本裝置作業時土壤熱融層面小，不會造成熱融坍塌，且超聲振動與機械挖掘同時進行，效率高，施工成本低。