任彥麗

（中鐵長(zhǎng)安重工有限公司 陜西西安 710032）

1 引言

川藏鐵路雅安至林芝段全線隧道占線路總長(zhǎng)的84%，有多條長(zhǎng)且埋深大的隧道，大多海拔超過(guò)3 000 m。除少數(shù)隧道采用隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工外，多采用鉆爆法施工。為有效提升作業(yè)工效和安全系數(shù)，川藏鐵路隧道施工推行大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)，更多的燃油設(shè)備進(jìn)入隧道。川藏鐵路隧道海拔高，空氣稀薄，氧氣含量低，柴油設(shè)備燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生更多毒害氣體，污染施工環(huán)境，威脅施工人員身體健康，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。造成施工人員身體機(jī)能下降，作業(yè)效率低；設(shè)備功率低，油耗高，施工成本增加［1］。

2 高原隧道鉆爆法施工配套燃油機(jī)械危害

隧道鉆爆法施工出渣作業(yè)在整個(gè)隧道作業(yè)循環(huán)中所占時(shí)間為40% ～60%，所用設(shè)備占燃油設(shè)備的70%～80%。通常一個(gè)掌子面配挖掘機(jī)1臺(tái)、裝載機(jī)2臺(tái)、自卸車(chē)5臺(tái)，根據(jù)工作量和運(yùn)距的增加，臺(tái)數(shù)還會(huì)增加［2－4］。隧道里大量的粉塵，對(duì)燃油設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)部件加速磨損，積塵使整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)熱、磨損風(fēng)機(jī)外露零部件等，造成通風(fēng)系統(tǒng)不能正常工作，設(shè)備壽命縮短；通風(fēng)系統(tǒng)投資增大，運(yùn)維費(fèi)用高，空氣凈化不理想［5－7］。

目前高原隧道鉆爆法施工裝運(yùn)渣設(shè)備的研究，主要集中在高原高寒環(huán)境對(duì)設(shè)備性能的影響及選型配套、柴油機(jī)及系統(tǒng)改造升級(jí)等方面。吳秋軍［8］等采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試的方法，總結(jié)提出高海拔人體缺氧危險(xiǎn)等級(jí)、人員及裝備效率降低系數(shù)。王帥帥［9］等以運(yùn)輸類(lèi)施工機(jī)械為研究對(duì)象，分析高海拔低氧環(huán)境對(duì)施工機(jī)械動(dòng)力性能的影響，指出海拔越高，機(jī)械動(dòng)力性能越差，能源消耗也越大。高菊茹［10］等以國(guó)道317線雀兒山特長(zhǎng)隧道為依托，從隧道內(nèi)施工通風(fēng)、制氧供氧及內(nèi)燃機(jī)械有害氣體減排技術(shù)進(jìn)行研究，提出裝載機(jī)和自卸車(chē)是有害氣體的主要來(lái)源，可將兩者改為電力驅(qū)動(dòng)。陶偉明［11］等通過(guò)常見(jiàn)的隧道施工工序和機(jī)械設(shè)備分類(lèi)，將鐵路隧道機(jī)械化配套分為3類(lèi)，川藏鐵路采用Ⅰ型配套，裝運(yùn)渣作業(yè)工序采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車(chē)，并提出針對(duì)高海拔、高寒缺氧等情況對(duì)非增壓型柴油機(jī)的影響。關(guān)于高海拔隧道施工對(duì)人員、設(shè)備、供氧的影響已有大量研究成果，但專門(mén)針對(duì)高原高寒隧道施工用數(shù)量龐大、污染高、直接影響隧道施工效率的出渣作業(yè)設(shè)備，還沒(méi)有真正成熟有效的解決方案。

3 隧道出渣設(shè)備電動(dòng)化的必要性

（1）環(huán)保要求

非道路移動(dòng)機(jī)械國(guó)家三階段排放標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施，四階段排放標(biāo)準(zhǔn)將于2022年12月1日起實(shí)施，見(jiàn)表 1［12］。

表1 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)污染物排放限值 g／kW·h

由表1數(shù)據(jù)可知，非道路移動(dòng)機(jī)械從國(guó)家三階段排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)到四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一氧化碳、氮氧化合物、碳?xì)浠衔铩㈩w粒物排放，有了更加嚴(yán)格的規(guī)定。如今道路車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)國(guó)六，污染減少，尤其顯現(xiàn)數(shù)量龐大、污染嚴(yán)重的非道路車(chē)包含施工用機(jī)械設(shè)備排放不容樂(lè)觀，工信部已出臺(tái)政策和要求，大力推進(jìn)工程機(jī)械電動(dòng)化發(fā)展。

川藏鐵路建設(shè)應(yīng)積極響應(yīng)國(guó)家十四五規(guī)劃對(duì)新能源設(shè)備的關(guān)注，促進(jìn)隧道施工電動(dòng)化設(shè)備符合國(guó)家環(huán)保要求及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人性化施工，減輕大氣污染，節(jié)約能源，帶來(lái)施工方法重大革新，助力我國(guó)2030年“碳達(dá)峰”、2060年“碳中和”順利實(shí)現(xiàn)。

（2）行業(yè)發(fā)展

電動(dòng)設(shè)備相比燃油設(shè)備，具有零排放、性能優(yōu)越、節(jié)能高效的顯著優(yōu)勢(shì)。目前世界及我國(guó)多個(gè)地區(qū)及城市已明確規(guī)定城市建設(shè)要使用零排放無(wú)污染的電動(dòng)工程機(jī)械，多個(gè)國(guó)內(nèi)外廠家都已開(kāi)展電動(dòng)設(shè)備的研究。電動(dòng)設(shè)備很快成為一、二線城市與高污染地區(qū)的施工標(biāo)配。

（3）川藏鐵路隧道施工出渣需要

高原高寒地區(qū)施工一般多選用增壓型柴油機(jī)，但仍避免不了排放高、噪聲大、效率降低、成本增加等問(wèn)題。因此，研究適合川藏鐵路隧道出渣的零排放、無(wú)污染、低噪聲、綠色環(huán)保、節(jié)能高效的裝備，對(duì)改善隧道空氣污染、保證人員健康、提高作業(yè)效率具有重要意義。

4 隧道出渣設(shè)備電動(dòng)化技術(shù)方案

4.1 總體方案

針對(duì)川藏隧道高海拔、高地應(yīng)力、高低溫等極端條件，結(jié)合施工特點(diǎn)、工序要求，并借鑒以往高原隧道施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行典型工況采集，對(duì)設(shè)備適應(yīng)性、安全可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性等方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)動(dòng)力總成及最佳整車(chē)性能。根據(jù)出渣作業(yè)要求，在了解隧道施工工法的基礎(chǔ)上，以隧道爆破進(jìn)尺、開(kāi)挖斷面大小、裝渣量、裝渣時(shí)間、運(yùn)距、速度、卸渣時(shí)間、通過(guò)性、運(yùn)行允許溫度為依據(jù)，確定純電動(dòng)挖掘機(jī)、純電動(dòng)裝載機(jī)、純電動(dòng)自卸車(chē)整車(chē)性能參數(shù)。其中整機(jī)外形尺寸、鏟斗容積、功率大小、續(xù)航時(shí)間為重點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 電動(dòng)挖掘機(jī)技術(shù)方案

圖2 電動(dòng)裝載機(jī)技術(shù)方案

圖3 電動(dòng)自卸車(chē)技術(shù)方案

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）電機(jī)及電機(jī)控制器選型

根據(jù)設(shè)備作業(yè)所需扭矩，測(cè)算電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速，同時(shí)考慮儲(chǔ)備系數(shù)，進(jìn)行電機(jī)選型。保證電機(jī)輸出特性與施工需求相匹配，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和整車(chē)控制器的通信交互及控制準(zhǔn)確，電機(jī)功率、扭矩得到最大發(fā)揮和利用。尤其是川藏鐵路地處高原，空氣稀薄，熱傳導(dǎo)效果差，隧道出渣工況惡劣，道路崎嶇、重載、坡陡、沖擊大，對(duì)電機(jī)及電機(jī)控制器的穩(wěn)定、可靠及散熱性能提出更高要求；宜采用多相電機(jī)，具備跛行回駐地能力，以免單向電機(jī)出問(wèn)題造成設(shè)備趴窩。

（2）鋰電池選型、電量確定及布置

電池選型：選擇安全可靠、能量密度大、性能穩(wěn)定、適用性強(qiáng)的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，研究空間布置、外型尺寸、抗振動(dòng)性能、低溫啟動(dòng)、高溫散熱、高低壓供配電技術(shù)。

電池電量：根據(jù)出渣工序作業(yè)時(shí)間及所選電機(jī)、溫控、制氧、照明等系統(tǒng)的功率，確定電池電量。結(jié)合挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車(chē)各自特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工況及電池有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮最少留存電量，避免影響電池性能，保證人員設(shè)備能夠安全返回駐地。電量應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要合理確定，過(guò)小，續(xù)航力差，影響出渣作業(yè)效率；過(guò)大，整機(jī)不好布置，且成本過(guò)高，經(jīng)濟(jì)性差。

電池布置：工程機(jī)械電量一般配置在280 kW·h以上，以目前磷酸鐵鋰的能量密度匹配電池體積較大，布置較困難。首先要考慮整機(jī)外形尺寸，在隧道內(nèi)要具有良好的通過(guò)性及作業(yè)能力：電池布置不應(yīng)影響駕駛員視線，以免造成安全事故；考慮電池連接框架的強(qiáng)度及電池散熱，安全使用。

（3）整車(chē)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包括空調(diào)制冷系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、電機(jī)冷卻系統(tǒng)和電池溫度控制系統(tǒng)的計(jì)算匹配，保證人員和設(shè)備正常工作。溫度過(guò)高或過(guò)低，首先影響駕駛?cè)藛T身體健康，造成施工隱患；其次電池適宜的工作溫度在20℃左右，溫度過(guò)高過(guò)低會(huì)造成電池充放電性能變差，甚至充不了電，不能為整車(chē)提供正常工作所需電流；會(huì)導(dǎo)致電機(jī)限扭矩、液壓系統(tǒng)不能正常工作等問(wèn)題。

（4）其他關(guān)鍵技術(shù)

安全、舒適、節(jié)能：整車(chē)配置電池自動(dòng)滅火、制氧、燈光、冷暖空調(diào)、防紫外線、高清攝像頭倒車(chē)影像、瓦斯報(bào)警等設(shè)備。駕駛室防翻滾ROPS防落物FOPS設(shè)計(jì)，針對(duì)巖爆增加防護(hù)網(wǎng)。

整車(chē)控制系統(tǒng)：作為整機(jī)核心，全方位與所有元器件進(jìn)行通信監(jiān)控，重點(diǎn)是對(duì)各系統(tǒng)控制策略的制定，更好地實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)與能量回收，保證整車(chē)施工安全、設(shè)備續(xù)航能力及使用壽命。

充電技術(shù)：作為整機(jī)外圍重要設(shè)備，合理選擇充電裝置的功率及充電電流很重要，決定了電池充電時(shí)間的長(zhǎng)短；充電裝置的位置應(yīng)結(jié)合施工實(shí)際需要，合理規(guī)劃，以保證使用方便、充電效率高，避免因位置及充電參數(shù)不合適，影響出渣作業(yè)速度。電動(dòng)裝載機(jī)、電動(dòng)自卸車(chē)移動(dòng)靈活，可考慮將充電裝置放在洞口，避免占用隧道內(nèi)本就擁擠的空間；電動(dòng)挖掘機(jī)移動(dòng)緩慢、不靈活，如果也到洞口充電，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還會(huì)影響其他工序作業(yè)，因此每間隔一定距離設(shè)定1個(gè)充電位，隨著隧道施工深入，充電裝置隨之跟進(jìn)。電動(dòng)設(shè)備考慮錯(cuò)峰充電更為經(jīng)濟(jì)。

4.3 后續(xù)需持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題

（1）電池成本高，占整車(chē)的一半，甚至數(shù)倍于同等性能燃油設(shè)備的價(jià)格，需研究更適合工程機(jī)械用磷酸鐵鋰電池、如何降低電池成本、無(wú)害化回收等技術(shù)。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)、5G技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及無(wú)人駕駛技術(shù)研究，考慮在巖爆、瓦斯、突涌水等危險(xiǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人駕駛提供可能，進(jìn)一步推動(dòng)智慧施工。

5 工程應(yīng)用

電動(dòng)出渣設(shè)備在康定2號(hào)隧道2號(hào)斜井應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 電動(dòng)出渣設(shè)備在康定2號(hào)隧道2號(hào)斜井應(yīng)用

電動(dòng)出渣成套設(shè)備已在多個(gè)高原隧道中應(yīng)用，經(jīng)歷了高海拔山區(qū)、寒冬冰雪、－15℃、野外臨建、隧道出渣等惡劣工況。對(duì)采集的數(shù)據(jù)綜合整理分析如下：

（1）整機(jī)效能

系統(tǒng)效能可達(dá)95%以上，工作效率高。

（2）能耗及充電時(shí)間

電動(dòng)挖機(jī)能耗為63.65 kWh／h，電動(dòng)裝機(jī)能耗為40.33 kWh／h，自卸車(chē)能耗為3.42 kWh／km；平均充電時(shí)間1～1.5 h。

（3）隧道空氣質(zhì)量及噪聲

無(wú)有毒、有害氣體排放，整機(jī)噪聲平均下降10～15 dB。

（4）經(jīng)濟(jì)性

用電比燃油成本降低50% ～60%，且維修保養(yǎng)成本低，不需更換空濾、機(jī)濾、柴濾等，維修保養(yǎng)費(fèi)用幾乎為零，設(shè)備全生命周期節(jié)約成本可觀。

6 結(jié)論

隨著高速鐵路、公路的發(fā)展，川藏鐵路建設(shè)之后還有滇藏、新藏等多個(gè)重大建設(shè)工程。項(xiàng)目多處于高寒缺氧地區(qū)，使用純電動(dòng)出渣設(shè)備可有效解決燃油設(shè)備對(duì)隧道污染的問(wèn)題，節(jié)能高效，具有很好的推廣價(jià)值。隨著科技的進(jìn)步，工程機(jī)械電動(dòng)化正迎來(lái)快速發(fā)展，據(jù)全國(guó)土方機(jī)械委員會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2030年前后工程機(jī)械電動(dòng)化率將超過(guò)20%，成本大幅下降。借助隧道出渣設(shè)備電動(dòng)化技術(shù)研究拋磚引玉，本文所述希望能夠作為工程機(jī)械電動(dòng)化的研發(fā)參考，也可作為用戶初步選型的依據(jù)。