電動設(shè)備在錦屏隧道施工中的應(yīng)用研究＊

王 勇，吳吉云，龐 杰

（四川省交通建設(shè)集團股份有限公司，四川 成都 610041）

目前，大力發(fā)展節(jié)能與新能源設(shè)備是國際社會應(yīng)對能源緊缺和環(huán)境污染在工程領(lǐng)域采取的共同措施，響應(yīng)國家政策，新能源設(shè)備制造是中國提倡節(jié)能減排的典型產(chǎn)業(yè)，也是制造業(yè)跨越式發(fā)展難得的機遇。新能源設(shè)備行業(yè)迎戰(zhàn)能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)也是可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)[1]。

新能源設(shè)備在發(fā)展中涌現(xiàn)出來眾多能源利用方式，如經(jīng)典的太陽能、風(fēng)能，以及現(xiàn)階段發(fā)展較快的生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮芎蜌淠艿?，但殊途同歸，新能源設(shè)備的能量利用方式終會轉(zhuǎn)變成電能，電動設(shè)備在特長隧道內(nèi)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在3 點：①沒有發(fā)動機轟鳴的聲音，很安靜；②動力性能較好，設(shè)備在啟動和運行時動力反饋都很強；③沒有污染，隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量大幅上升[2]。

“油改電”是四川省交通建設(shè)集團股份有限公司采用的以全電動設(shè)備在錦屏隧道中的試點項目，其中最明顯的便是零碳排放、純電驅(qū)動方式，這種方式既是對綠色低碳發(fā)展理念的踐行，也是加快推進集團低碳智能建造的一次創(chuàng)新突破。

1 工程概況

錦屏隧道全長9 930 m，四川路橋交建集團XJ9 標(biāo)負責(zé)承建錦屏隧道（金陽端），共5 270 m，該隧道最大埋深1 270 m，人字坡。隧道洞身段主要為Ⅲ—Ⅴ級圍巖，以玄武巖為主，巖體較完整—較破碎。

四川路橋交建集團積極響應(yīng)國家“低碳、智能”生產(chǎn)號召，在宜金高速公路XJ9 標(biāo)錦屏隧道施工機械中試點“油改電”項目，將錦屏隧道的右洞作為新能源試點隧道，左洞以燃油設(shè)備為主，旨在與右洞新能源設(shè)備的掘進速度作對比。

2 錦屏隧道燃油機械配套施工危害

新奧法的全稱是新奧地利隧道工程方法（New Austrian Tunneling Method，NATM）。錦屏隧道按照傳統(tǒng)新奧法在整個隧道中作業(yè)，所用設(shè)備占燃油設(shè)備的70%～80%。通常一個掌子面配挖掘機1 臺、裝載機2 臺、自卸車5 臺，根據(jù)工作量和運距的增加，自卸車臺數(shù)還會增加2～4 臺。隧道里存在大量的粉塵，加速磨損燃油設(shè)備發(fā)動機進氣系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)部件，積塵使整個通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)熱、磨損風(fēng)機外露零部件等，造成通風(fēng)系統(tǒng)不能正常工作，設(shè)備壽命縮短；且通風(fēng)系統(tǒng)投資增大，運維費用高，空氣凈化不理想[3]。目前錦屏隧道最主要的研究方向為新能源設(shè)備在隧道施工作業(yè)中的動力性能的對比和油電設(shè)備之間環(huán)保減排的對比，以及經(jīng)濟性能的對比。

錦屏隧道建設(shè)應(yīng)積極響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃對新能源設(shè)備的關(guān)注，促進隧道施工電動化設(shè)備符合國家環(huán)保要求及行業(yè)發(fā)展趨勢，實現(xiàn)人性化施工，減輕大氣污染、節(jié)約能源，帶來施工方法的重大革新，助力中國2030 年“碳達峰”、2060 年“碳中和”的順利實現(xiàn)。電動設(shè)備進行作業(yè)如圖1 所示。

圖1 電動設(shè)備在作業(yè)

3 錦屏隧道電動設(shè)備應(yīng)用方案

3.1 電動設(shè)備應(yīng)用總體方案

“油改電”實施階段內(nèi)容主要如下：第一階段采用試用或租用方式組織純電設(shè)備進場，與常規(guī)燃油動力設(shè)備進行比較；對收集的各種真實資料進行分析、總結(jié)。第二階段根據(jù)試用純電設(shè)備結(jié)果，由公司選取最佳配置方式，擬定采購或租賃方案，采購或租賃設(shè)備到現(xiàn)場使用，同時清退現(xiàn)有常規(guī)燃油設(shè)備。第三階段在純電設(shè)備使用成熟的基礎(chǔ)上，整理試用資料和配置方案并編制成冊，在集團其他項目上加以推廣、運用。

在對新能源設(shè)備熟悉了解后，后期將整理試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論并編制成冊，具體如下：①針對隧道內(nèi)外施工要求及施工環(huán)境，制定新能源電動設(shè)備整機技術(shù)性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②明確新能源設(shè)備充電的配電技術(shù)；③明確移動充電樁性能參數(shù)、安裝技術(shù)、防護技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)；④大面積純電設(shè)備換電模式。通過試點轉(zhuǎn)化成果，推廣至集團其他項目，提高工程進度和施工效率。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

新能源代替舊能源是未來各個行業(yè)的發(fā)展方向。目前，環(huán)境污染、噪聲污染、水土污染、海洋污染等都與人類活動密切相關(guān)，導(dǎo)致的惡劣天氣、全球變暖等問題無不說明新能源的發(fā)展迫在眉睫[4]。

實踐表明，純電動施工設(shè)備零排放、噪聲低、動力強勁、環(huán)保舒適、使用成本低，實現(xiàn)了隧道的人性化、信息化、智能化施工，保護了施工人員身體健康，并提高了施工工效。

3.2.1 工程機械特點研究

分析了設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及制約工程機械設(shè)備發(fā)展的因素，闡述了中國工程機械的發(fā)展特點，勻勒了工程機械的發(fā)展前景，把握現(xiàn)代工程機械的特點，推動工程機械的應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排目標(biāo)，促進人類經(jīng)濟社會與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2.2 電動設(shè)備操控性能與節(jié)能性試驗研究

在2 t 級純電動驅(qū)動挖掘機上搭建試驗平臺，基于所搭建的試驗平臺，分別在經(jīng)濟性、操控性、節(jié)能性、分段控制性方面進行試驗研究；同時，開展電動設(shè)備與燃油設(shè)備在同等條件下進行試用的對比試驗，通過數(shù)據(jù)收集對比分析，發(fā)現(xiàn)純電設(shè)備在多方面的性能均較燃油設(shè)備優(yōu)越，不僅在性價比方面較燃油設(shè)備更高，在零碳、經(jīng)濟、環(huán)保等方面更有顯著提升。

3.2.3 移動充電樁相關(guān)技術(shù)性能參數(shù)研究

主要測試的是直流充電樁，基于電力電子技術(shù)的充電樁開關(guān)電源是最主要的諧波源。直流充電機通過場景內(nèi)的諧波治理和無功補償裝置解決，而交流充電樁，出于成本、體積與質(zhì)量方面的考慮，不進行諧波處理，根據(jù)設(shè)備特點詳細分析移動充電樁的充電功額、額定電壓、充電時長、安裝方法、相關(guān)操作界面功能等相關(guān)技術(shù)性能參數(shù)。

在計算電動設(shè)備的維保成本時，發(fā)現(xiàn)電池在電動設(shè)備的價格組成中占據(jù)了很大一部分金額，且在5 年廠家質(zhì)保期過后，更換電池還需要一筆不小的費用，若將電池與設(shè)備分離成2 部分，用戶只需購買設(shè)備部分，電池由專業(yè)的電池租恁公司提供，并提供保養(yǎng)維護和后期的報廢、回收、再利用，這樣會大幅降低電動設(shè)備購買與使用的費用，使電動設(shè)備更加經(jīng)濟實惠。

3.2.4 電動設(shè)備在高速公路特長隧道中的應(yīng)用研究

將電動設(shè)備及其工藝應(yīng)用在特長隧道的開挖、裝料、運輸、養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)，詳細介紹相關(guān)電動設(shè)備的工作參數(shù)、操作方法、工藝流程及相關(guān)的配套設(shè)施，并分析其取得的經(jīng)濟、社會效益[5]。錦屏隧道除高原、高寒環(huán)境外，還存在嚴重的涌水問題，現(xiàn)在電動設(shè)備，如電動裝載機與電動挖掘機在洞內(nèi)作業(yè)時防水性能還有待提高，電池的散熱模塊致使電池與電機部分不能全封閉，但是一旦進水，就會導(dǎo)致絕緣性減弱，設(shè)備停機。能量板塊基本一次充電可以滿足隧道內(nèi)作業(yè)4～5 h，還能有剩余10%～20%的電量行駛至充電樁位置，電子控制及系統(tǒng)集成操作板塊先進方便，動力板塊與同類型燃油設(shè)備無二致，甚至有所超出。

4 工程應(yīng)用期間的效能對比

充電樁的充電數(shù)據(jù)分析如表1 所示。電動設(shè)備充電如圖2 所示。

表1 充電樁的充電數(shù)據(jù)

圖2 電動設(shè)備充電

發(fā)展新能源技術(shù)的目的是為了緩解能源緊張與日益嚴重的環(huán)境問題，充電樁技術(shù)作為其中的關(guān)鍵技術(shù)，需要長時間不斷投入。

運輸車類型的新能源設(shè)備電池的安裝位置現(xiàn)目前最主要分為安裝在駕駛室與貨箱（罐體）中間、側(cè)掛。因側(cè)掛電池為不規(guī)格電池型號，考慮到后期大面積使用新能源設(shè)備可能會建設(shè)換電站的情況，側(cè)掛式電池設(shè)備可能不適宜換電模式，但是側(cè)掛式電池的新能源設(shè)備適宜于隧道內(nèi)作業(yè)（車身在隧道內(nèi)更好掉頭，且進水風(fēng)險更低）；電池在駕駛室與貨箱中間的新能源設(shè)備更適宜在路基與橋梁作業(yè)（車身與常規(guī)同類型燃油設(shè)備長近1 m，但在路面作業(yè)時不影響掉頭，但是也會增加駕駛室的視線盲區(qū)，建議要求廠家出廠時加裝倒車影像），且該電池安裝位置為市面上主流模式，也能與換電站換電模式相匹配。電動混凝土罐車作業(yè)如圖3 所示。

圖3 電動混凝土罐車作業(yè)

動力性能方面：電動設(shè)備在動力方面與燃油設(shè)備相比較強，電動設(shè)備可以完全滿足隧道內(nèi)施工作業(yè)需要，且目前的純電設(shè)備均有能量回收功能，能夠進一步提高電動設(shè)備的續(xù)航能力。

環(huán)保減排對比：電動設(shè)備在隧道內(nèi)無內(nèi)燃機燃燒不充分的影響，不產(chǎn)生任何有毒、有害氣體，經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，隧道內(nèi)的裝載機和自卸車是有害氣體的主要來源，將隧道內(nèi)設(shè)備改為純電驅(qū)動模式可避免有毒、有害氣體的產(chǎn)生。

經(jīng)濟性能對比：電動設(shè)備比燃油設(shè)備的維修保養(yǎng)成本低，不需更換空濾、機濾、柴濾等，設(shè)備全生命周期節(jié)約成本可觀；且新能源設(shè)備在隧道內(nèi)作業(yè)整機噪聲平均下降10～15 dB。

使用成本及碳排放量分析如表2 所示。

表2 使用成本及碳排放量分析

5 結(jié)語

該項目對新能源設(shè)備在高速公路特長隧道中的應(yīng)用方面進行了研究，在保證質(zhì)量、安全的前提下，通過先進技術(shù)開發(fā)，最大限度節(jié)約資源，減少對環(huán)境的負面影響，該技術(shù)的研發(fā)對隧道新能源設(shè)備的應(yīng)用具有巨大的推動作用，顯著提高了企業(yè)自主創(chuàng)新能力，該項目也是對國家節(jié)能減排方針的大力推行，同時也是企業(yè)對新能源機遇的牢牢把握。

隨著高速鐵路公路的發(fā)展，沿江高速建設(shè)后還有多個重大建設(shè)工程。項目多處于高原或高寒地區(qū)，在這些工程隧道中使用純電動設(shè)備可有效解決燃油設(shè)備對隧道污染的問題，節(jié)能高效，具有很好的推廣價值。隨著科技的進步，工程機械電動化正迎來快速發(fā)展，據(jù)全國土方機械委員會數(shù)據(jù)顯示，2030 年前后工程機械電動化率將超過20%，成本大幅下降。借助隧道施工設(shè)備電動化技術(shù)研究的蓬勃發(fā)展，本文所述希望能夠作為工程機械電動化的研發(fā)參考，也可作為用戶初步選型的依據(jù)。