川藏鐵路隧道出渣設備電動化技術研究

任彥麗

（中鐵長安重工有限公司 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的84%，有多條長且埋深大的隧道，大多海拔超過3 000 m。除少數隧道采用隧洞掘進機（TBM）施工外，多采用鉆爆法施工。為有效提升作業工效和安全系數，川藏鐵路隧道施工推行大規模機械化作業，更多的燃油設備進入隧道。川藏鐵路隧道海拔高，空氣稀薄，氧氣含量低，柴油設備燃燒不充分會產生更多毒害氣體，污染施工環境，威脅施工人員身體健康，破壞當地生態環境。造成施工人員身體機能下降，作業效率低；設備功率低，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械危害

隧道鉆爆法施工出渣作業在整個隧道作業循環中所占時間為40% ～60%，所用設備占燃油設備的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，根據工作量和運距的增加，臺數還會增加［2－4］。隧道里大量的粉塵，對燃油設備發動機進氣系統、散熱系統部件加速磨損，積塵使整個通風系統設備發熱、磨損風機外露零部件等，造成通風系統不能正常工作，設備壽命縮短；通風系統投資增大，運維費用高，空氣凈化不理想［5－7］。

目前高原隧道鉆爆法施工裝運渣設備的研究，主要集中在高原高寒環境對設備性能的影響及選型配套、柴油機及系統改造升級等方面。吳秋軍［8］等采用現場試驗及測試的方法，總結提出高海拔人體缺氧危險等級、人員及裝備效率降低系數。王帥帥［9］等以運輸類施工機械為研究對象，分析高海拔低氧環境對施工機械動力性能的影響，指出海拔越高，機械動力性能越差，能源消耗也越大。高菊茹［10］等以國道317線雀兒山特長隧道為依托，從隧道內施工通風、制氧供氧及內燃機械有害氣體減排技術進行研究，提出裝載機和自卸車是有害氣體的主要來源，可將兩者改為電力驅動。陶偉明［11］等通過常見的隧道施工工序和機械設備分類，將鐵路隧道機械化配套分為3類，川藏鐵路采用Ⅰ型配套，裝運渣作業工序采用挖掘機、裝載機、自卸車，并提出針對高海拔、高寒缺氧等情況對非增壓型柴油機的影響。關于高海拔隧道施工對人員、設備、供氧的影響已有大量研究成果，但專門針對高原高寒隧道施工用數量龐大、污染高、直接影響隧道施工效率的出渣作業設備，還沒有真正成熟有效的解決方案。

3 隧道出渣設備電動化的必要性

（1）環保要求

非道路移動機械國家三階段排放標準已實施，四階段排放標準將于2022年12月1日起實施，見表 1［12］。

表1 非道路移動機械用柴油機污染物排放限值 g／kW·h

由表1數據可知，非道路移動機械從國家三階段排放標準升級到四階段排放標準，對一氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、顆粒物排放，有了更加嚴格的規定。如今道路車排放標準已達國六，污染減少，尤其顯現數量龐大、污染嚴重的非道路車包含施工用機械設備排放不容樂觀，工信部已出臺政策和要求，大力推進工程機械電動化發展。

川藏鐵路建設應積極響應國家十四五規劃對新能源設備的關注，促進隧道施工電動化設備符合國家環保要求及行業發展趨勢，實現人性化施工，減輕大氣污染，節約能源，帶來施工方法重大革新，助力我國2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”順利實現。

（2）行業發展

電動設備相比燃油設備，具有零排放、性能優越、節能高效的顯著優勢。目前世界及我國多個地區及城市已明確規定城市建設要使用零排放無污染的電動工程機械，多個國內外廠家都已開展電動設備的研究。電動設備很快成為一、二線城市與高污染地區的施工標配。

（3）川藏鐵路隧道施工出渣需要

高原高寒地區施工一般多選用增壓型柴油機，但仍避免不了排放高、噪聲大、效率降低、成本增加等問題。因此，研究適合川藏鐵路隧道出渣的零排放、無污染、低噪聲、綠色環保、節能高效的裝備，對改善隧道空氣污染、保證人員健康、提高作業效率具有重要意義。

4 隧道出渣設備電動化技術方案

4.1 總體方案

針對川藏隧道高海拔、高地應力、高低溫等極端條件，結合施工特點、工序要求，并借鑒以往高原隧道施工經驗，進行典型工況采集，對設備適應性、安全可靠性、技術先進性、經濟優越性等方面進行研究，實現最優動力總成及最佳整車性能。根據出渣作業要求，在了解隧道施工工法的基礎上，以隧道爆破進尺、開挖斷面大小、裝渣量、裝渣時間、運距、速度、卸渣時間、通過性、運行允許溫度為依據，確定純電動挖掘機、純電動裝載機、純電動自卸車整車性能參數。其中整機外形尺寸、鏟斗容積、功率大小、續航時間為重點參數，見圖1～圖3。

圖1 電動挖掘機技術方案

圖2 電動裝載機技術方案

圖3 電動自卸車技術方案

4.2 關鍵技術

（1）電機及電機控制器選型

根據設備作業所需扭矩，測算電機功率、轉速，同時考慮儲備系數，進行電機選型。保證電機輸出特性與施工需求相匹配，電機驅動器和整車控制器的通信交互及控制準確，電機功率、扭矩得到最大發揮和利用。尤其是川藏鐵路地處高原，空氣稀薄，熱傳導效果差，隧道出渣工況惡劣，道路崎嶇、重載、坡陡、沖擊大，對電機及電機控制器的穩定、可靠及散熱性能提出更高要求；宜采用多相電機，具備跛行回駐地能力，以免單向電機出問題造成設備趴窩。

（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、性能穩定、適用性強的磷酸鐵鋰動力電池，研究空間布置、外型尺寸、抗振動性能、低溫啟動、高溫散熱、高低壓供配電技術。

電池電量：根據出渣工序作業時間及所選電機、溫控、制氧、照明等系統的功率，確定電池電量。結合挖掘機、裝載機、自卸車各自特點，根據實際工況及電池有關標準，考慮最少留存電量，避免影響電池性能，保證人員設備能夠安全返回駐地。電量應根據實際需要合理確定，過小，續航力差，影響出渣作業效率；過大，整機不好布置，且成本過高，經濟性差。

電池布置：工程機械電量一般配置在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。首先要考慮整機外形尺寸，在隧道內要具有良好的通過性及作業能力：電池布置不應影響駕駛員視線，以免造成安全事故；考慮電池連接框架的強度及電池散熱，安全使用。

（3）整車溫控系統設計

包括空調制冷系統、采暖系統、電機冷卻系統和電池溫度控制系統的計算匹配，保證人員和設備正常工作。溫度過高或過低，首先影響駕駛人員身體健康，造成施工隱患；其次電池適宜的工作溫度在20℃左右，溫度過高過低會造成電池充放電性能變差，甚至充不了電，不能為整車提供正常工作所需電流；會導致電機限扭矩、液壓系統不能正常工作等問題。

（4）其他關鍵技術

安全、舒適、節能：整車配置電池自動滅火、制氧、燈光、冷暖空調、防紫外線、高清攝像頭倒車影像、瓦斯報警等設備。駕駛室防翻滾ROPS防落物FOPS設計，針對巖爆增加防護網。

整車控制系統：作為整機核心，全方位與所有元器件進行通信監控，重點是對各系統控制策略的制定，更好地實現安全制動與能量回收，保證整車施工安全、設備續航能力及使用壽命。

充電技術：作為整機外圍重要設備，合理選擇充電裝置的功率及充電電流很重要，決定了電池充電時間的長短；充電裝置的位置應結合施工實際需要，合理規劃，以保證使用方便、充電效率高，避免因位置及充電參數不合適，影響出渣作業速度。電動裝載機、電動自卸車移動靈活，可考慮將充電裝置放在洞口，避免占用隧道內本就擁擠的空間；電動挖掘機移動緩慢、不靈活，如果也到洞口充電，不僅浪費時間，還會影響其他工序作業，因此每間隔一定距離設定1個充電位，隨著隧道施工深入，充電裝置隨之跟進。電動設備考慮錯峰充電更為經濟。

4.3 后續需持續關注的問題

（1）電池成本高，占整車的一半，甚至數倍于同等性能燃油設備的價格，需研究更適合工程機械用磷酸鐵鋰電池、如何降低電池成本、無害化回收等技術。

（2）基于網絡、5G技術的遠程監控及無人駕駛技術研究，考慮在巖爆、瓦斯、突涌水等危險地區實現遠程監控和無人駕駛提供可能，進一步推動智慧施工。

5 工程應用

電動出渣設備在康定2號隧道2號斜井應用現場見圖4。

圖4 電動出渣設備在康定2號隧道2號斜井應用

電動出渣成套設備已在多個高原隧道中應用，經歷了高海拔山區、寒冬冰雪、－15℃、野外臨建、隧道出渣等惡劣工況。對采集的數據綜合整理分析如下：

（1）整機效能

系統效能可達95%以上，工作效率高。

（2）能耗及充電時間

電動挖機能耗為63.65 kWh／h，電動裝機能耗為40.33 kWh／h，自卸車能耗為3.42 kWh／km；平均充電時間1～1.5 h。

（3）隧道空氣質量及噪聲

無有毒、有害氣體排放，整機噪聲平均下降10～15 dB。

（4）經濟性

用電比燃油成本降低50% ～60%，且維修保養成本低，不需更換空濾、機濾、柴濾等，維修保養費用幾乎為零，設備全生命周期節約成本可觀。

6 結論

隨著高速鐵路、公路的發展，川藏鐵路建設之后還有滇藏、新藏等多個重大建設工程。項目多處于高寒缺氧地區，使用純電動出渣設備可有效解決燃油設備對隧道污染的問題，節能高效，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展，據全國土方機械委員會數據顯示，2030年前后工程機械電動化率將超過20%，成本大幅下降。借助隧道出渣設備電動化技術研究拋磚引玉，本文所述希望能夠作為工程機械電動化的研發參考，也可作為用戶初步選型的依據。