本发明涉及地下工程施工技术领域，具体涉及一种地下掘进装置。
背景技术：
盾构法作为一种全机械化施工方法，属于暗挖法的范畴，距今已有170余年的历史。盾构法多适用于松软含水地层，该地层中的土质以粘土或含粘粒砂土为主，在这种环境下进行掘进施工的盾构机，其刀头磨损问题不容忽视。一般来说，盾构施工时面对的软土为原状土，而原状软土在天然沉积过程中，土颗粒会形成一定的骨架结构的聚集体，颗粒间的接触点在长期的物理化学作用下会产生胶结，从而使得原状土具有结构性和结构强度。
此外，随着我国基础设施建设的不断完善，越来越多的地铁、隧道建设被提上了日程。地下掘进作业的时间紧、任务重，因此很有必要找到一种能够有效提升挖掘速率的方法，在保证工程质量的前提下尽可能缩短工期，降低成本。
技术实现要素：
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种将传统的盾构开挖与超声振动结合成为一种新型的综合地下掘进装置及其掘进方法，具有很好的可行性和较高的工程应用价值。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种地下掘进装置，包括盾构机，所述盾构机包括一刀盘，所述刀盘上有数组切刀；在盾构壳体内部靠近刀盘处固定有超声波振动棒；刀盘中心位置固定有辅助超声波振动棒；其中，所述超声波振动棒和辅助超声波振动棒均包括换能器、变幅杆和超声波发射头，所述超声波发射头探出刀盘。
优选的，所述超声波发射头探出刀盘的长度与切刀探出刀盘的长度相当。
优选的，所述切刀以同心圆方式布置；所述超声波发射头凸出的位置设置在刀盘的横、纵两条中轴线上，且所述超声波振动棒的超声波发射头均夹设在两把相对称的切刀中心处。
优选的，所述辅助超声振动棒的超声波发射头的横截面积为所述超声波振动棒超声波发射头横截面积的2～3倍。
优选的，所述超声波振动棒的数量根据刀盘的直径与其本身的超声波发射头直径确定，且保证相邻超声波振动棒的间距与其超声波发射头直径的比值为5:1～7:1。
优选的，所述切刀的数量为所述超声波振动棒数量的两倍。
优选的，所述换能器安装有散热扇。
一种利用上述地下掘进装置的地下掘进方法，将超声振动和盾构开挖相结合，包括如下步骤：
S1、打开超声波振动棒及辅助超声波振动棒，振动棒所发出的高频振动通过其发射头传递给未被开挖的土层，使其变得松散；
S2、再转动刀盘，切刀开始切削被超声振动作用过的土层；随着刀盘不断向前推进，超声振动-切削这一过程不断循环进行，实现对土体的高效开挖。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明充分考虑了盾构机工作时所面临的土壤情况，将超声振动与盾构开挖相结合，由超声振动头所引起的超声振动，具有高频、聚能的特点，可以有效将聚集起来的土颗粒打散。同时在含水土壤中，超声波还会引发液-固界面处强烈的空化作用，空化气泡崩裂时产生的高速射流和冲击波会导致固体颗粒表面扩散层搅动，从而破坏土颗粒之间原有的胶结，使得土壤变得更加松软，更易被掘进开挖。
综上所述，本发明将超声破碎-盾构挖掘这两个过程有机的结合起来，不仅可以有效提高掘进速率，还可以减少盾构机刀头磨损，延长其使用寿命，从而降低工程成本。
2)、在本发明中，对于超声装置而言，其超声换能器、变幅杆、发射头必须经过严密的设计与调整，才能达到良好的耦合状态并正常运行，考虑到盾构机刀头结构的复杂性，直接将其与换能器、变幅杆相连接的做法难以达到上述耦合状态，这样就会导致其工作效率大大降低，甚至不能正常工作。因此在本发明中选择将超声振动棒安装在盾构壳体内部，且发射头使用目前市面上标准样式(光杆、菱形等)即可，这样一来不仅可以有效避免复杂结构刀头和超声换能器、变幅杆不匹配所带来的工作效率低下问题，还以让本方法更加简单易行。
3)、本发明超声波振动棒和刀盘上的切刀独立存在，可以有效避免由于发射头高频振动对刀头产生的不利影响；并且，在刀盘的圆心处还安装有辅助超声波振动棒，辅助超声波振动棒的超声波发射头的横截面尺寸为夹在两把相对称的切刀中间的超声波振动棒超声波发射头横截面尺寸的2～3倍，二者互相配合以保证开挖效果。
附图说明
图1为本发明的结构简示图。
图中标注符号的含义如下：
1-刀盘 2-切刀 3-超声波振动棒 4-辅助超声波振动棒
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种地下掘进装置
包括盾构机，所述盾构机包括刀盘1，所述刀盘1上有数组均匀分布的切刀2；在盾构壳体内部靠近刀盘处固定有超声波振动棒3，所述超声波振动棒3包括换能器、变幅杆和超声波发射头，所述超声波发射头探出刀盘1。
超声波发射头探出刀盘1的长度与切刀2探出刀盘1的长度相当。
切刀2以同心圆方式布置；所述超声波发射头凸出的位置设置在刀盘1的横、纵两条中轴线上，且所述超声波振动棒3的超声波发射头均夹设在两把相对称的切刀2中心处。采用这样的设计可以使得盾构机在旋转开挖过程中，两柄切刀对中间得超声波发射头起到有效的保护作用，避免了土体对发射头产生较大弯矩使其崩断。同时，由于超声波从振动头传导到土体时拥有一定的作用距离，其软化土体的作用仍然能够先于切刀对土体的切削，故可保证开挖效果。
在刀盘的1圆心处还安装有辅助超声波振动棒4；所述辅助超声波振动棒4超声波发射头的横截面尺寸为所述超声波振动棒3超声波发射头横截面尺寸的2～3倍；从而超声波振动棒3与辅助超声波振动棒4互相配合以保证开挖效果。
超声波振动棒3的数量根据刀盘1的直径与其本身的超声波发射头直径确定，且保证相邻超声波振动棒3的间距与其超声波发射头直径的比值为5:1～7:1；以保证超声波振动棒的辅助开挖效果。
超声装置在与土接触工作的时候会发热，在换能器部分安装有散热扇保障本装置的稳定运行。
利用上述地下掘进装置的地下掘进方法
将超声振动和盾构开挖相结合，包括如下步骤：
S1、打开超声波振动棒3及辅助超声波振动棒4，振动棒所发出的高频振动通过其发射头传递给未被开挖的土层，使其变得松散；
S2、再转动刀盘1，切刀2开始切削被超声振动作用过的土层；随着刀盘1不断向前推进，超声振动-切削这一过程不断循环进行，从而实现对土体的高效开挖。
在实际工程中，考虑到地下土体的土质复杂多样，在施工之前应进行较为详细的地质钻探和试验段试验，根据试验结果来综合考虑，选择合适频率、功率的超声振动棒并确定最佳施工方案。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。