何秉順 王文科 陳堯 賀鑫焱

1 引言

2018年10月11日、17日，西藏自治區(qū)昌都市江達縣和四川省甘孜州白玉縣交界處、西藏自治區(qū)林芝市米林縣先后發(fā)生山體滑坡形成堰塞湖，分別造成金沙江、雅魯藏布江斷流。10月29日、11月3日，雅魯藏布江、金沙江原址分別再次滑坡形成堰塞湖。險情發(fā)生后，由應急管理部牽頭，相關(guān)部門和單位密切配合，科學有效處置，積極開展救援救災，成功處置了4次堰塞湖險情[1]。

回顧4次堰塞湖處置過程，前3次堰塞湖由于存在時間較短、現(xiàn)場交通不便，沒有采取人工干預泄流方式。在第4次金沙江“11·3”白格堰塞湖應急處置中，考慮堰塞體自然溢流可能造成的嚴重破壞，前方指揮部及部際聯(lián)合工作組決定盡快采取人工干預措施，采用機械開挖泄流槽，降低堰塞體堰頂高程，減輕災害風險?？紤]大型工程機械進入堰塞體為應急處置的關(guān)鍵難題，探索通過陸路、水路、空中運輸方式，齊頭并進，爭取盡快打通運輸通道，共運輸13臺挖掘機、6臺裝載機及油料等物資上壩。經(jīng)過緊張施工，于11月11日16時完成最大開挖深度15m，頂寬42m、底寬3m，長220m的泄流槽，共計完成土石方工程量13.5萬m3。

一旦決定人工干預進行堰塞湖應急處置，如何把大型工程機械投送到堰塞體，是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在堰塞湖應急處置的多數(shù)情況下，由于通往堰塞體道路堵塞或損壞，直升機載荷無法達到要求，水路運輸受制于運輸船只和碼頭，大型工程機械難以快速運抵現(xiàn)場開展施工作業(yè)。日本和我國類似，對極高風險、高風險的堰塞湖一般也采取開挖泄流槽等人工干預方式降低堰塞湖水位，減少潰壩洪水風險，但亦同樣面臨交通中斷、惡劣自然條件下難以快速投送搶險救援裝備的問題。在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險中，日本采用了直升機投送、大型挖掘機械分解的方案，并探索了危險地帶遠程遙控、無人化施工的方式。根據(jù)堰塞湖搶險救援實際需求，日本于2010年研發(fā)了空運型大型工程施工機械。本文將介紹日本空運型挖掘機的研發(fā)經(jīng)驗，以期為我國類似裝備設計、生產(chǎn)和堰塞湖搶險救援提供啟發(fā)和借鑒。

2 空運型挖掘機的設計

2.1 背景和約束條件

在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險中，針對危險性較高、潰決后對下游危害嚴重且有時間進行人工干預的堰塞湖，日本采取了機械開挖泄流槽、加固河床和兩岸山體邊坡、抽排堰塞湖水的應急工程措施[2]。為了解決道路中斷情況下大型施工機械的投送問題，日本采取了將挖掘機（鏟斗容積0.23m3及0.5m3）拆解，采用民用直升機吊裝至堰塞體，再進行組裝的投送方案（見圖1、圖2），探索了危險地帶遠程遙控、無人化施工的方式。

應急搶險結(jié)束后，日本國土交通省進一步總結(jié)經(jīng)驗，組織東北地方整備局研發(fā)了空運型挖掘機（鏟斗容積1m3），強化了無人化施工功能，并在日本多地部署[3]。2011年8月，12號臺風帶來暴雨洪水侵襲日本紀伊半島，導致奈良、和歌山等地出現(xiàn)17座堰塞湖，在奈良縣栗平、長殿堰塞湖搶險處置過程中，共投入了1m3級空運型挖掘機2臺、0.5m3級6臺，取得了良好的應用效果。

根據(jù)日本的經(jīng)驗，空運型挖掘機的研發(fā)約束條件是：

（1）采用常規(guī)民用直升機吊運，考慮溫度和海拔高度的影響，分解零件的重量不得超過直升機載重能力，且能夠保持吊運平衡狀態(tài)；

（2）滿足施工工期需求，采用施工能力大的挖掘機，盡最大可能壓縮拆解組裝時間和運輸次數(shù)。

圖1 挖掘機拆解

圖2 直升機吊運拆解部件

2.2 設備研發(fā)

2.2.1 確定拆解構(gòu)件質(zhì)量

日本國土交通省東北地方整備局調(diào)查了日本民用運輸直升機現(xiàn)狀，現(xiàn)存吊運能力為5t的1臺、3t的8臺?？紤]到吊運能力為3t的飛機數(shù)量較多，搶險救援時容易調(diào)用派遣，故以吊運能力為3t的直升機作為運輸工具對象?？紤]到直升機吊運重量根據(jù)溫度和海拔高度的不同而變動，參考以往的災害發(fā)生地點海拔高度、災害發(fā)生時間的氣溫，并考慮到吊運物體穩(wěn)定性的因素，確定拆解零件塊的最大重量為2800kg（海拔高度按500-1000m、氣溫按20-30℃、吊運物重心穩(wěn)定）。

2.2.2 構(gòu)件拆解方案

按照小于直升機最大吊裝載運能力（2800kg），根據(jù)鏟斗容積1m3挖掘機構(gòu)件組成，初步分解成11塊，但底盤（約5600kg）及配重（約5400kg）的質(zhì)量均超過2800kg。對于底盤，分解成為左行駛架、右行駛架、下部轉(zhuǎn)向架三部分，拼接采用加工方便的法蘭式，確保連接強度達到要求。配重分解為上下兩個部分，每部分重量均小于2800kg，上下兩部分配重采用插銷方式連接。通過上述拆解方式，總重量25.8t的挖掘機被拆解成14塊（圖3）。

圖3 空運型挖掘機拆解圖（14塊）

2.2.3 提高拆解組裝效率

在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險使用的挖掘機，需要在工廠花費3d時間拆解液壓管路和電氣線路。為了提高拆解組裝效率節(jié)約時間，研發(fā)的空運型挖掘機液壓管路電氣線路的連接采用“插拔式”方式（圖4），可容易進行裝配。另外，為了防止錯誤的電路、油路管線連接，對管線附上不同的顏色標識。通過上述改進措施，設備的拆解可在1d內(nèi)完成。

圖4 插拔式油路管和電路插口

2.2.4 強化無人化施工功能

在宮城·巖手地震因余震引起的崩塌和降雨造成的泥石流等危險地點施工中，搶險隊伍探索了遠程控制的無人化施工機械，施工效率為有人操作的60%，雖然施工效率低，但確保了施工人員的安全。因此，能夠防止崩塌、滑坡、泥石流等次生災害對施工人員的傷害，確保施工搶險人員零傷亡。研發(fā)的空運型挖掘機將遠程操縱裝置作為標準配置，采用目視+操作手柄、挖掘機加裝攝像頭+顯示屏幕+操作手柄的兩種方式遠程操作挖掘機（圖5）。

圖5 無人化施工兩種操作方式

2.2.5 鏟斗替代配件

根據(jù)搶險現(xiàn)場的施工需求，設計的空運型挖掘機鏟斗可替換為各種配件，不需要對設備主體進行改造，包括液壓破碎機、起重吊勾、抓斗等，如圖6所示。液壓破碎機可用于巖石破碎、結(jié)構(gòu)破拆等，在堰塞湖搶險現(xiàn)場時，可采用液壓破碎機破拆影響湖水泄流的巨石、倒塌的建筑物等；在挖掘機鏟斗上加裝起重吊鉤（但仍要確保鏟斗總重不能超過2800kg），可在施工現(xiàn)場吊裝各種裝備和建筑材料，相當于在現(xiàn)場配備了起重機；抓斗，包含圓鋸，用于現(xiàn)場倒塌樹木的切割、搬運、清理等。

圖6 鏟斗替代配件

3 結(jié)語

日本國土交通省組織研發(fā)的空運型挖掘機（鏟斗容積1.0m3級）根據(jù)堰塞湖搶險的需要和制約條件，是在常規(guī)的挖掘機上改造而成的。與以往應用的挖掘機相比，具有以下優(yōu)勢：（1）通過優(yōu)化拆解方案，拆解、空運、組裝的時間縮短了5.5d；（2）與0.5m3級相比，施工能力幾乎加倍，縮短了施工工期；（3）增強了防止次生災害的遠距離操縱功能；（4）增加了滿足多種作業(yè)要求的配件。此外，日本還制作了包含拆解、空運、組裝、安全管理等內(nèi)容的《災時空運應對手冊》，以指導空運型挖掘機實際應用，在日本多地部署，并在日本東北、四國等地區(qū)多次組織操作培訓和訓練。

金沙江“11·3”白格堰塞湖應急處置完成后，針對高海拔地區(qū)堰塞湖搶險救災工作中暴露出的大型工程機械難以迅速到位的問題，國家應急管理部正在組織工程機械制造企業(yè)研發(fā)適合于空運的工程機械[4]，毫無疑問，日本空運型挖掘機的研發(fā)經(jīng)驗對我國類似裝備設計生產(chǎn)和堰塞湖搶險救援具有極強的啟發(fā)和借鑒價值。