电动设备在锦屏隧道施工中的应用研究＊

王 勇，吴吉云，庞 杰

（四川省交通建设集团股份有限公司，四川 成都 610041）

目前，大力发展节能与新能源设备是国际社会应对能源紧缺和环境污染在工程领域采取的共同措施，响应国家政策，新能源设备制造是中国提倡节能减排的典型产业，也是制造业跨越式发展难得的机遇。新能源设备行业迎战能源和环境的挑战也是可持续发展的重要一环[1]。

新能源设备在发展中涌现出来众多能源利用方式，如经典的太阳能、风能，以及现阶段发展较快的生物质能、海洋能、地热能和氢能等，但殊途同归，新能源设备的能量利用方式终会转变成电能，电动设备在特长隧道内的应用，主要体现在3 点：①没有发动机轰鸣的声音，很安静；②动力性能较好，设备在启动和运行时动力反馈都很强；③没有污染，隧道内的空气质量大幅上升[2]。

“油改电”是四川省交通建设集团股份有限公司采用的以全电动设备在锦屏隧道中的试点项目，其中最明显的便是零碳排放、纯电驱动方式，这种方式既是对绿色低碳发展理念的践行，也是加快推进集团低碳智能建造的一次创新突破。

1 工程概况

锦屏隧道全长9 930 m，四川路桥交建集团XJ9 标负责承建锦屏隧道（金阳端），共5 270 m，该隧道最大埋深1 270 m，人字坡。隧道洞身段主要为Ⅲ—Ⅴ级围岩，以玄武岩为主，岩体较完整—较破碎。

四川路桥交建集团积极响应国家“低碳、智能”生产号召，在宜金高速公路XJ9 标锦屏隧道施工机械中试点“油改电”项目，将锦屏隧道的右洞作为新能源试点隧道，左洞以燃油设备为主，旨在与右洞新能源设备的掘进速度作对比。

2 锦屏隧道燃油机械配套施工危害

新奥法的全称是新奥地利隧道工程方法（New Austrian Tunneling Method，NATM）。锦屏隧道按照传统新奥法在整个隧道中作业，所用设备占燃油设备的70%～80%。通常一个掌子面配挖掘机1 台、装载机2 台、自卸车5 台，根据工作量和运距的增加，自卸车台数还会增加2～4 台。隧道里存在大量的粉尘，加速磨损燃油设备发动机进气系统和散热系统部件，积尘使整个通风系统设备发热、磨损风机外露零部件等，造成通风系统不能正常工作，设备寿命缩短；且通风系统投资增大，运维费用高，空气净化不理想[3]。目前锦屏隧道最主要的研究方向为新能源设备在隧道施工作业中的动力性能的对比和油电设备之间环保减排的对比，以及经济性能的对比。

锦屏隧道建设应积极响应国家“十四五”规划对新能源设备的关注，促进隧道施工电动化设备符合国家环保要求及行业发展趋势，实现人性化施工，减轻大气污染、节约能源，带来施工方法的重大革新，助力中国2030 年“碳达峰”、2060 年“碳中和”的顺利实现。电动设备进行作业如图1 所示。

图1 电动设备在作业

3 锦屏隧道电动设备应用方案

3.1 电动设备应用总体方案

“油改电”实施阶段内容主要如下：第一阶段采用试用或租用方式组织纯电设备进场，与常规燃油动力设备进行比较；对收集的各种真实资料进行分析、总结。第二阶段根据试用纯电设备结果，由公司选取最佳配置方式，拟定采购或租赁方案，采购或租赁设备到现场使用，同时清退现有常规燃油设备。第三阶段在纯电设备使用成熟的基础上，整理试用资料和配置方案并编制成册，在集团其他项目上加以推广、运用。

在对新能源设备熟悉了解后，后期将整理试验数据得出结论并编制成册，具体如下：①针对隧道内外施工要求及施工环境，制定新能源电动设备整机技术性能参数标准；②明确新能源设备充电的配电技术；③明确移动充电桩性能参数、安装技术、防护技术等标准；④大面积纯电设备换电模式。通过试点转化成果，推广至集团其他项目，提高工程进度和施工效率。

3.2 关键技术

新能源代替旧能源是未来各个行业的发展方向。目前，环境污染、噪声污染、水土污染、海洋污染等都与人类活动密切相关，导致的恶劣天气、全球变暖等问题无不说明新能源的发展迫在眉睫[4]。

实践表明，纯电动施工设备零排放、噪声低、动力强劲、环保舒适、使用成本低，实现了隧道的人性化、信息化、智能化施工，保护了施工人员身体健康，并提高了施工工效。

3.2.1 工程机械特点研究

分析了设备的应用现状及制约工程机械设备发展的因素，阐述了中国工程机械的发展特点，匀勒了工程机械的发展前景，把握现代工程机械的特点，推动工程机械的应用，实现工业企业生产的节能减排目标，促进人类经济社会与自然环境的协调发展。

3.2.2 电动设备操控性能与节能性试验研究

在2 t 级纯电动驱动挖掘机上搭建试验平台，基于所搭建的试验平台，分别在经济性、操控性、节能性、分段控制性方面进行试验研究；同时，开展电动设备与燃油设备在同等条件下进行试用的对比试验，通过数据收集对比分析，发现纯电设备在多方面的性能均较燃油设备优越，不仅在性价比方面较燃油设备更高，在零碳、经济、环保等方面更有显著提升。

3.2.3 移动充电桩相关技术性能参数研究

主要测试的是直流充电桩，基于电力电子技术的充电桩开关电源是最主要的谐波源。直流充电机通过场景内的谐波治理和无功补偿装置解决，而交流充电桩，出于成本、体积与质量方面的考虑，不进行谐波处理，根据设备特点详细分析移动充电桩的充电功额、额定电压、充电时长、安装方法、相关操作界面功能等相关技术性能参数。

在计算电动设备的维保成本时，发现电池在电动设备的价格组成中占据了很大一部分金额，且在5 年厂家质保期过后，更换电池还需要一笔不小的费用，若将电池与设备分离成2 部分，用户只需购买设备部分，电池由专业的电池租恁公司提供，并提供保养维护和后期的报废、回收、再利用，这样会大幅降低电动设备购买与使用的费用，使电动设备更加经济实惠。

3.2.4 电动设备在高速公路特长隧道中的应用研究

将电动设备及其工艺应用在特长隧道的开挖、装料、运输、养护等各个环节，详细介绍相关电动设备的工作参数、操作方法、工艺流程及相关的配套设施，并分析其取得的经济、社会效益[5]。锦屏隧道除高原、高寒环境外，还存在严重的涌水问题，现在电动设备，如电动装载机与电动挖掘机在洞内作业时防水性能还有待提高，电池的散热模块致使电池与电机部分不能全封闭，但是一旦进水，就会导致绝缘性减弱，设备停机。能量板块基本一次充电可以满足隧道内作业4～5 h，还能有剩余10%～20%的电量行驶至充电桩位置，电子控制及系统集成操作板块先进方便，动力板块与同类型燃油设备无二致，甚至有所超出。

4 工程应用期间的效能对比

充电桩的充电数据分析如表1 所示。电动设备充电如图2 所示。

表1 充电桩的充电数据

图2 电动设备充电

发展新能源技术的目的是为了缓解能源紧张与日益严重的环境问题，充电桩技术作为其中的关键技术，需要长时间不断投入。

运输车类型的新能源设备电池的安装位置现目前最主要分为安装在驾驶室与货箱（罐体）中间、侧挂。因侧挂电池为不规格电池型号，考虑到后期大面积使用新能源设备可能会建设换电站的情况，侧挂式电池设备可能不适宜换电模式，但是侧挂式电池的新能源设备适宜于隧道内作业（车身在隧道内更好掉头，且进水风险更低）；电池在驾驶室与货箱中间的新能源设备更适宜在路基与桥梁作业（车身与常规同类型燃油设备长近1 m，但在路面作业时不影响掉头，但是也会增加驾驶室的视线盲区，建议要求厂家出厂时加装倒车影像），且该电池安装位置为市面上主流模式，也能与换电站换电模式相匹配。电动混凝土罐车作业如图3 所示。

图3 电动混凝土罐车作业

动力性能方面：电动设备在动力方面与燃油设备相比较强，电动设备可以完全满足隧道内施工作业需要，且目前的纯电设备均有能量回收功能，能够进一步提高电动设备的续航能力。

环保减排对比：电动设备在隧道内无内燃机燃烧不充分的影响，不产生任何有毒、有害气体，经过大量实验发现，隧道内的装载机和自卸车是有害气体的主要来源，将隧道内设备改为纯电驱动模式可避免有毒、有害气体的产生。

经济性能对比：电动设备比燃油设备的维修保养成本低，不需更换空滤、机滤、柴滤等，设备全生命周期节约成本可观；且新能源设备在隧道内作业整机噪声平均下降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 结语

该项目对新能源设备在高速公路特长隧道中的应用方面进行了研究，在保证质量、安全的前提下，通过先进技术开发，最大限度节约资源，减少对环境的负面影响，该技术的研发对隧道新能源设备的应用具有巨大的推动作用，显著提高了企业自主创新能力，该项目也是对国家节能减排方针的大力推行，同时也是企业对新能源机遇的牢牢把握。

随着高速铁路公路的发展，沿江高速建设后还有多个重大建设工程。项目多处于高原或高寒地区，在这些工程隧道中使用纯电动设备可有效解决燃油设备对隧道污染的问题，节能高效，具有很好的推广价值。随着科技的进步，工程机械电动化正迎来快速发展，据全国土方机械委员会数据显示，2030 年前后工程机械电动化率将超过20%，成本大幅下降。借助隧道施工设备电动化技术研究的蓬勃发展，本文所述希望能够作为工程机械电动化的研发参考，也可作为用户初步选型的依据。