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。……