電動設備在錦屏隧道施工中的應用研究＊

王 勇，吳吉云，龐 杰

（四川省交通建設集團股份有限公司，四川 成都 610041）

目前，大力發展節能與新能源設備是國際社會應對能源緊缺和環境污染在工程領域采取的共同措施，響應國家政策，新能源設備制造是中國提倡節能減排的典型產業，也是制造業跨越式發展難得的機遇。新能源設備行業迎戰能源和環境的挑戰也是可持續發展的重要一環[1]。

新能源設備在發展中涌現出來眾多能源利用方式，如經典的太陽能、風能，以及現階段發展較快的生物質能、海洋能、地熱能和氫能等，但殊途同歸，新能源設備的能量利用方式終會轉變成電能，電動設備在特長隧道內的應用，主要體現在3 點：①沒有發動機轟鳴的聲音，很安靜；②動力性能較好，設備在啟動和運行時動力反饋都很強；③沒有污染，隧道內的空氣質量大幅上升[2]。

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

1 工程概況

錦屏隧道全長9 930 m，四川路橋交建集團XJ9 標負責承建錦屏隧道（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國家“低碳、智能”生產號召，在宜金高速公路XJ9 標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，左洞以燃油設備為主，旨在與右洞新能源設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）。錦屏隧道按照傳統新奧法在整個隧道中作業，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，自卸車臺數還會增加2～4 臺。隧道里存在大量的粉塵，加速磨損燃油設備發動機進氣系統和散熱系統部件，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；且通風系統投資增大，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備在隧道施工作業中的動力性能的對比和油電設備之間環保減排的對比，以及經濟性能的對比。

錦屏隧道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，帶來施工方法的重大革新，助力中國2030 年“碳達峰”、2060 年“碳中和”的順利實現。電動設備進行作業如圖1 所示。

圖1 電動設備在作業

3 錦屏隧道電動設備應用方案

3.1 電動設備應用總體方案

“油改電”實施階段內容主要如下：第一階段采用試用或租用方式組織純電設備進場，與常規燃油動力設備進行比較；對收集的各種真實資料進行分析、總結。第二階段根據試用純電設備結果，由公司選取最佳配置方式，擬定采購或租賃方案，采購或租賃設備到現場使用，同時清退現有常規燃油設備。第三階段在純電設備使用成熟的基礎上，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。

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

3.2 關鍵技術

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

實踐表明，純電動施工設備零排放、噪聲低、動力強勁、環保舒適、使用成本低，實現了隧道的人性化、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

分析了設備的應用現狀及制約工程機械設備發展的因素，闡述了中國工程機械的發展特點，勻勒了工程機械的發展前景，把握現代工程機械的特點，推動工程機械的應用，實現工業企業生產的節能減排目標，促進人類經濟社會與自然環境的協調發展。

3.2.2 電動設備操控性能與節能性試驗研究

在2 t 級純電動驅動挖掘機上搭建試驗平臺，基于所搭建的試驗平臺，分別在經濟性、操控性、節能性、分段控制性方面進行試驗研究；同時，開展電動設備與燃油設備在同等條件下進行試用的對比試驗，通過數據收集對比分析，發現純電設備在多方面的性能均較燃油設備優越，不僅在性價比方面較燃油設備更高，在零碳、經濟、環保等方面更有顯著提升。

3.2.3 移動充電樁相關技術性能參數研究

主要測試的是直流充電樁，基于電力電子技術的充電樁開關電源是最主要的諧波源。直流充電機通過場景內的諧波治理和無功補償裝置解決，而交流充電樁，出于成本、體積與質量方面的考慮，不進行諧波處理，根據設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、相關操作界面功能等相關技術性能參數。

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

3.2.4 電動設備在高速公路特長隧道中的應用研究

將電動設備及其工藝應用在特長隧道的開挖、裝料、運輸、養護等各個環節，詳細介紹相關電動設備的工作參數、操作方法、工藝流程及相關的配套設施，并分析其取得的經濟、社會效益[5]。錦屏隧道除高原、高寒環境外，還存在嚴重的涌水問題，現在電動設備，如電動裝載機與電動挖掘機在洞內作業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，就會導致絕緣性減弱，設備停機。能量板塊基本一次充電可以滿足隧道內作業4～5 h，還能有剩余10%～20%的電量行駛至充電樁位置，電子控制及系統集成操作板塊先進方便，動力板塊與同類型燃油設備無二致，甚至有所超出。

4 工程應用期間的效能對比

充電樁的充電數據分析如表1 所示。電動設備充電如圖2 所示。

表1 充電樁的充電數據

圖2 電動設備充電

發展新能源技術的目的是為了緩解能源緊張與日益嚴重的環境問題，充電樁技術作為其中的關鍵技術，需要長時間不斷投入。

運輸車類型的新能源設備電池的安裝位置現目前最主要分為安裝在駕駛室與貨箱（罐體）中間、側掛。因側掛電池為不規格電池型號，考慮到后期大面積使用新能源設備可能會建設換電站的情況，側掛式電池設備可能不適宜換電模式，但是側掛式電池的新能源設備適宜于隧道內作業（車身在隧道內更好掉頭，且進水風險更低）；電池在駕駛室與貨箱中間的新能源設備更適宜在路基與橋梁作業（車身與常規同類型燃油設備長近1 m，但在路面作業時不影響掉頭，但是也會增加駕駛室的視線盲區，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如圖3 所示。

圖3 電動混凝土罐車作業

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

環保減排對比：電動設備在隧道內無內燃機燃燒不充分的影響，不產生任何有毒、有害氣體，經過大量實驗發現，隧道內的裝載機和自卸車是有害氣體的主要來源，將隧道內設備改為純電驅動模式可避免有毒、有害氣體的產生。

經濟性能對比：電動設備比燃油設備的維修保養成本低，不需更換空濾、機濾、柴濾等，設備全生命周期節約成本可觀；且新能源設備在隧道內作業整機噪聲平均下降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 結語

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

隨著高速鐵路公路的發展，沿江高速建設后還有多個重大建設工程。項目多處于高原或高寒地區，在這些工程隧道中使用純電動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。借助隧道施工設備電動化技術研究的蓬勃發展，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。