凍土機械開挖技術現狀及未來發展方向淺析

董德坤 韓坦

陸軍研究院工程設計研究所 遼寧沈陽 110162

我國東北、西北大部分地區及華北中北部地區冬季氣候寒冷，地表溫度能持續處于零度以下，形成季節性凍土；部分地區積雪常年不融化，形成多年凍土。在以上這些地區，凍土是各類土石方施工作業中經常遇到的一種土壤類型，與常溫土壤相比，凍土硬度、粘性都比較大，難于挖掘和破碎，長期以來，凍土挖掘一直是土石方施工領域的技術難題。傳統上通常盡量回避冬季土工作業，這使得冬季持續時間較長地區的有效施工作業期比較短；隨著經濟和科技水平的發展，利用機械方法在冬季展開土工作業能縮短工期，有效節約人工和資金的占用成本，因而針對凍土的機械作業方法也逐步獲得發展。本文總結了不同的挖掘技術及凍土專用挖掘工作裝置的研究現狀和適應范圍，并提出了對該領域未來發展的一些思考[1]。

1 現有凍土機械開挖技術

自20世紀30年代始，北半球高緯度的許多國家相繼成立了各自的凍土研究機構，如蘇聯科學研究院的凍土研究所，美國陸軍工程寒區研究與工程實驗室（Cold Region Research Engineering Lab，CRREL)，中國科學院蘭州冰川凍土研究所，日本、法國、加拿大等國也都建立了自己的凍土科研機構，開展凍土力學理論及其應用方面的研究。凍土開挖方法主要有凍土融化開挖和凍土破碎開挖兩類，其中融化開挖法包括蒸汽化凍法、電熱化凍法、火焰烘烤加熱法、熱力鉆孔等，破碎開挖法主要是采用人工、爆破和機械等途徑將凍土破碎后再開挖。本文主要討論與機械相關的方法[2]。

1.1 傳統工程機械直接挖掘方式

當凍土層厚度較小（在0.25m以內）時，可直接用鏟運機、推土機及斗容量0.5m3左右的挖掘機開挖；當凍土層厚度在0.4m以內時，可采用斗容量1m3或以上的大型挖掘機直接挖掘；當凍土層厚度較大時，可用液壓破碎錘或用改裝的打樁機、挖掘機吊楔形重錘等，按順序劈裂破碎凍土，再用挖掘機開挖。有些挖壕機和挖壕挖坑機也可進行凍土開挖作業。目前，利用機械開挖凍土的常見工作裝置是懸掛式松土器。用于輔助作業的松土器，可以挖松0.15m～0.2m深的凍土層，主要作業的松土器可用于開挖較深的凍土層(包括常年凍土），最大挖松0.3m～0.9m深的凍土層。經驗表明，開挖基坑、溝渠、路塹、剝離作業等，使用懸掛式松土器要比挖掘機、鉆孔機、沖擊作業的機器和鏈斗式或斗輪式挖溝機更為合理。一般配備松土器的機械上裝有推土板或裝載斗，來提高機械的利用率和使用范圍。該方法作業安全，效率較高，勞動強度低，能適用于大面積凍土開挖[3]。

1.2 機械爆破聯合作業技術

20世紀60年代，人們開始探索新的破壞和輸送土壤的原理，如用爆炸能進行土壤開挖。用爆破法挖土時，氣體能量對土壤的作用類似于強大的熱力發動機，迅速對土壤進行破壞和拋投，形成較理想的溝或壕。而機械爆破聯合作業則是將機械作業和爆破作業相結合的方法，目前發展的主要有兩種：一種為機械爆破挖壕作業，一種為頻爆作業。在爆破形成機理上，包括與機械裝置復合的油氣點燃裝置和爆破/機械分別作業的形式。機械爆破復合挖掘技術效果較好，但操作復雜度稍高，并降低了機械的通用性，故在應用方面受到一定的限制[4]。

1.3 機械振動掘削技術

給作業刀具施以某種有規律的振動而進行的切削稱為振動切削，而將振動理論應用于土壤掘削、破碎等作業過程中的技術稱為振動掘削技術。在機械挖掘領域，通常利用單斗液壓挖掘機實現振動掘削，通過控制鏟斗液壓缸或者斗桿液壓缸進出油液的流量，使斗液壓缸活塞桿或者斗桿液壓缸塞桿按照一定的頻率、振幅和幅值作往復運動，從而使液壓挖掘機在進行挖掘作業時鏟斗能夠一邊挖掘土壤一邊按某種規律振動，并保證振動不能影響挖掘機鏟斗正常的挖掘動作。截至當前，液壓挖掘機振動掘削技術多處于實驗研究階段，實際應用的產品較少。從實驗研究結果看，振動掘削技術能有效減低液壓挖掘機總的挖掘阻力，在同樣輸入功率的情況下，能改善挖掘效率，擴展土壤適應范圍[5]。

2 凍土專用開掘機械的典型工作裝置結構

除了前述采用通用機械開掘凍土外，也有不少專門針對凍土的連續開挖型工作裝置，它們通常用于鋪設不同用途的管道和輸電、通信線路。按作業方式分，連續開挖工作裝置主要有三種形式：橫向旋轉銑切作業；縱向鏈桿式銑切作業；縱向轉輪式銑切作業[6]。

2.1 橫向旋轉銑切作業工作裝置

此類工作裝置以類似于銑床切削工件的形式對凍土進行切削，工作裝置通常采用機械懸掛形式置于底盤的后側，主要包括端銑刀、葉片式拋土器和犁。作業時，銑刀切削土壤，通過導向罩把土傳遞給拋土器，拋土器通過旋轉把土拋到坑外一側。犁在挖坑機每次走刀后，刮出挖坑機履帶行走的水平面，以便機械下一次走刀。擋土板固定在工作裝置上，用來防止土壤在作業過程中撒入安裝在底盤平臺上的設備，并避免這些設備受到拋出的石塊的損傷。工作裝置安裝在提升架上，在液壓油缸的作用下，提升架圍繞其軸線轉動將工作裝置翻轉到底盤的后側上方，實現工作裝置在工作狀態與運輸狀態之間的轉換。工裝作業時，橫向掘削銑切的旋轉軸線通過機械的縱軸線，其旋轉平面垂直于進刀方向，當銑刀旋轉并向作業面進給時，即成扇形開挖土壤，扇形的矢度由銑刀進刀的深度或作業面的高度來確定，坑底的平整，由安裝在銑刀后面的邊道平整犁實施[7-8]。

2.2 縱向鏈桿式銑切工作裝置

鏈桿式樣工作裝置由驅動裝置鏈輪帶動切削鏈，切削鏈上的耙鏟與切削斗齒一起隨切削鏈運動，縱向切削土壤。切削鏈沿工作面切削時，斗齒疏松土壤，耙鏟則接住土壤并沿工作面送向上方，在轉到驅動鏈輪上方時，便將土傳送給拋土器，在拋土器內，土壤被葉片托住，以一定的轉速從罩殼開口處被拋出到所挖溝渠的一側。液壓系統通過控制拋土器翻轉架的升降油缸，實現運輸狀態和作業狀態的互換；通過控制工作裝置的提升油缸實現工作裝置的入土與出土，調節挖壕、坑的深度；通過控制一個能調節拋土器和工作裝置自動橫向擺動的機構，實現工作裝置的左右擺動；通過控制推土裝置升降油缸實現推土鏟刀的入土和出土。從綜合成本和效率上，鏈桿式是目前發展前景較好的一種結構[9]。

2.3 縱向轉輪式銑切工作裝置

縱向轉輪式銑切裝置形如集成了多個小鏟斗的挖掘輪，該工作裝置主要由轉輪銑刀盤、側減速器、拋土器、刮土板和挖掘深度控制油缸組成。挖壕裝置利用托架與車體尾部鉸接。轉子式拋土器用于克服挖掘時的土壤回填問題，并增加挖掘深度。在由中心驅動的轉輪輪轂上，沿輪轂周邊的外沿焊接有多排橫向布置的挖掘齒，挖掘齒上安裝有硬質合金刀具，確保得到所需要的挖掘寬度。挖掘裝置中的刮土板不僅可用于確定所挖的深度，還可用于清除溝渠底部浮土和壓實溝渠的底和壁，以起輔助支撐作用。轉輪式挖壕裝置由多個液壓油缸控制并調節工作裝置的升降，從而確保挖掘裝置相對于車體的移動并可進行狀態轉換[10]。該結構挖掘效率高，但重量、體積大，功率需求較大，使其應用發展受到限制。

3 凍土挖掘機械的發展方向

3.1 機電一體化技術必將深入應用于工作裝置和系統控制中

凍土挖掘工作裝置掘進負荷變化大，應用環境惡劣、條件復雜。由于工作裝置吸收功率大，不僅需要控制工作裝置本身，而且需要對發動機、變速箱和行走系統進行系統化的控制，以最大化作業效率，并保護機械。從查到的資料看，如瑞士的HS-80OSE挖壕機就應用了微機控制變速箱，使機械經常處于最佳運行工況[11]。

3.2 工作裝置結構將針對應用場景進一步優化

目前存在的橫向旋轉銑切、縱向鏈桿式銑切和縱向轉輪式銑切作業結構都具有各自的適應場景和優缺點。有的在特定場景下效率高，但吸收功率巨大、經濟性一般；有的能實現多樣的挖掘效果，但同樣存在經濟性缺點。綜合來看，縱向鏈桿式具有較好的發展前景，在新材料新工藝的加持下，能較好的平衡效率、功能和經濟性要求，應予以重點關注[12]。

3.3 發動機及傳動技術的發展會給凍土挖掘機械帶來新突破

由于凍土工作介質吸收功率較大，勢必對發動機和傳動系統都提出了新要求，通過增加發動機功率并改善相應的傳動系，能為作業裝置提供必要的能量支持，才能保障作業能力和效率[13]。

3.4 振動挖掘技術在凍土挖掘領域有一定的發展前景

在有限的功率條件下實現較寬范圍的土壤挖掘能力，振動挖掘技術是有其獨特之處的。由于振動帶來的噪音和設備損耗，目前該技術應用還比較少，隨著技術的逐步成熟，振動挖掘能在改善凍土挖掘效率方面有較好的應用前景[14]。

4 結語

經濟水平的不斷發展對冬季土工作業提出了更多的需求，與其它方式相比，機械法具有成本低、保障條件簡單、作業率高等獨特的優點，能兼顧常溫土壤與凍土條件的適用性，工程機械勢必會在未來獲得更大的發展。拓展工程機械工作裝置介質適應范圍是一項體系性的改進過程，不僅需要研究工裝結構形式，還需要相關的材料和動力技術作為支撐。在總結既有挖掘方法與工裝形式的基礎上，綜合集成新材料和動力技術，針對新的作業需求研發具有更好作業效率的工裝結構形式，勢必能不斷拓展工程機械的應用范圍，更好的為經濟發展貢獻力量。