新能源设备在高原隧道施工中的应用摘要：青藏高原地区内燃设备使用面临高海拔空气稀薄、功率下降、油料供 应困难等难题尤其长大隧道受地质、埋深、通风等原因影响，洞内施工空气环 境较差，洞内大量采用内燃设备，势必导致人机争氧、进一步恶化环境，给通风 组织、安全生产造成极大压力现场通过新能源挖装运设备的成功应用，实现隧 道主要施工装备的全面电动化，改善了隧道施工作业环境、提高施工效率，达到 了节能减排、降本增效的目标关键词:高原隧道新能源工程机械0 背景我国《“十四五”现代能源体系规划》对工程机械行业新能源发 展明确了转型方向，着力提升终端用能低碳化、电气化水平全球范 围内，零排放建筑工地试点已在挪威、芬兰、荷兰等多个国家城市推 进但在交通工程建设领域，成体系的新能源设备应用示范鲜有报道 现阶段国内新能源工程机械发展极为迅速，三一、徐工、比亚迪等企 业新能源设备，已覆盖混凝土泵车、混凝土搅拌车、汽车起重机、挖 掘机、装载机、运输车等工程施工应用系列［1］在快速充电、电力储 存、智能变频系统等技术手段的成熟发展下［2-3］，电动化工程机械的 场景适用性不断提高、应用成本不断降低受高原铁路特殊地质条件 影响，以及“绿色工程、创新工程、安全工程”的政策要求下，施工 单位采用新能源设备进行工程建设已是必然趋势。
1 工程概况项目处于高原国家森林公园雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区内 核心区，海拔2121〜4637m，生态脆弱区内最高气温37.8°C，最低 气温-18.5C，气压约为内地80%，空气稀薄、太阳辐射强标段隧道30.942km/1.5座，隧道地质条件极其复杂，存在长段落 高地应力岩爆、超高地温、高温热水、断层破碎带、节理密集带、浅 埋冲沟等不良地质其中A隧道采用分修方式，隧道左右洞之间局部 设置长平导，横洞进入正洞后单个工区同时施工4个工作面，最长独 头掘进距离超过6000m2 现场应用情况项目通过与国内各知名新能源设备厂家进行协商合作、试验运行 近半年，综合对比厂家技术研发能力，设备规格型号及技术参数，电 池品牌、充电模式及续航能力，质保期及售后服务保障等最终在E# 横洞进行隧道挖装运新能源设备全场景应用，主要包括电动挖掘机1 台、电动装载机 1 台、电动自卸汽车 5 台、电动罐车 3 台、充电补给 中心 1 处投入使用以来，新能源设备的运转、充电、维修保养、现 场进度均达到预期目标，为进一步全面推广实现隧道施工“零排放” 提供了参考依据3 应用效果3.1 续航能力电动挖掘机、装载机采用 300KW 充电桩，综合满电充电时间约 120min。
电动挖掘机每次充电可使用5-7小时，电动装载机续航能力 为6-8小时自卸车采用240KW充电桩，综合满电充电时间约110min, 综合工况下，现场各设备续航能力具体如下：表 1 现场电动设备续航工作能力号序类型设备编号综合满 电充电时间（min）综合 满电续航总充申量（KWH）作量总工1ZXCTOO102155Km7453Km28442ZXCT01109172Km6268Km28663自卸车ZXC-103104172Km7080Km30094ZXC-104112195Km6282Km32825ZXC-105135125Km5285Km217.6ZXC-106109197Km235m148K载机轮式装ZZJ-1081109.1h4543h11188挖机WJ-1101339.0h2303500h9混凝土GCT1210942Km53295Km罐车（1）综合充电时间为:充电度百分比/充电时间；统计现场平均单 次充电百分比量，自卸车为35-40%，装载机、挖机为 45-50%2）综合满电续航工况为：行驶里程（运行时间）/总消耗电量 百分比其中自卸车出趟里程包含满载+空载，与理论值280Km存在 较大差异；装载机、挖机的日常续航电量消耗包含行驶及工作状态， 工作状态下能耗大，因此实际单次满电续航能力低于 9h：新能源挖掘机，24吨级斗容1.2m3，电池容量422KWH电机功率 120KW，综合充满电时间1.74小时，综合续航6.95小时，每小时综 合耗电量46度。
新能源测斜装载机，6吨级斗容2.8m3，电池容量350KWH电机功 率180KW，综合充满电时间1.21小时，综合续航6.45小时，每小时 综合耗电量41度3） 因新能源罐车使用时间少，仅行驶了95Km，所以，该数据 还需继续进行收集，作进一步的分析4） 所有新能源设备均装有能力回收系统在减速或者制动过程 中，可向储能装置充电回收能量，有效增加了续航能力，相关研究表 明进行制动能量回收能够有效地提升车辆的续驶里程［4］自卸车在大 部分洞口属重载下坡出渣时，续航到154Km由河滩料运往砂石场工 作时，属于重载上坡电耗大，空车下坡制动能量回收少，续航仅52Km5） 洞外建设新能源补给中心，面积1100 ，采用11个各型号 智能充电柜，可满足50台设备1天的循环充电，中心内信息化室结合厂家后台动态监控每台设备的运转时间、充电量耗电量，问题故障 等数据3.2 维修保养工程机械设备的工作环境一般比较复杂，对设备的性能和应用会 造成一定影响近4 个月施工现场统计发生故障68 次，影响设备运 行3395min,统计表如下：表 2 现场电动设备故障统计设备故障类型合计接线施工部件电机电池自卸车212111338挖机235装载机4565525合计259206868（1）接线问题主要为线路插头松弛，重新进行插拔即可解决。
已 与厂家进行沟通改进2）部件问题主要为爆胎；施工问题主要为洞内滴水导致行车绝 缘过低报警；电机方面主要为电机温度过高，需冷却重启；电池方面 主要为电压异常，需重复断电重启3）与常规设备相比较，新能源设备需着重加强电池组、电动机 的日常保养与维修设备不应长期处于低电量状态，充电过程中电池 温度过高时，应立刻停止进行充电3.3 施工评价（1）降低洞内通风需求一般隧道施工的供风量由人员、排尘、 最低风速、爆破、内燃设备等需风量的最大值决定按掌子面1 台装 载机、2 个自卸车计算内燃设备需风量:=1x1^ = 3x（260x2x0 65-163x0 65） = 1332^^111111 = 22^/1根据现场工况计算，其他因素需风量在2〜12m'/s高原地区内燃机燃烧不充分还会导致排烟增加对比分析，采用新能源设备后， 可降低洞内 45%的施工需风量2）装载机上坡出碴过程，功率变化极大前期试验过程中，存 在电池续航能力仅为3h，满足不了工序时长要求，与厂家沟通协调， 将电池容量282KWH提高至350KWH，工作续航能力5h以上，满足了现 场需求其余设备工作性能与燃油设备无明显区别3） 新能源设备能耗远低于燃油设备，可直接降低本身运营，也 可降低隧道施工通风成本。
按年限摊销购置成本后，具有一定经济优 势随着新能源设备的广泛应用，之后成本优势将更大4） 目前在用的新能源设备有时出现掉电死机的现象，关电重启 即恢复，主要有系统原因、工况环境与软件保护定值不匹配原因等 解决办法是厂家持续提高管理系统的稳定性，现场调整保护值以及对 控制电路进行密封防尘防水保温等措施：①电池需要加装保温棉，减少高温辐射的影响；②采用独立电池 水冷的方案，整车加大换热板换，例如8kW的板换，以满足驾驶室、 电池和电驱动的制冷需求；③对电控部分进行防尘放水密封并加装除 湿装置5） 现场新能源设备的维修技术力量不足，特别是电路方面，不 能很快的完成维修任务需要经过与厂家协同培训、培养，建立专业 的维修队伍4 下一步研究方向（1）长大隧道施工，车辆行驶距离增加，设备一次进出洞超过 1 小时，新能源设备续航能力问题凸显目前隧道工程没有专业的洞内充点站设计洞内快速充电、换电的方案、设备适用性需进行专业研 发、验证从充电过程及磷酸铁锂电池本身高温特性好的特点来说， 在隧道里对新能源设备进行充电是安全的，目前没有规范要求不允许 在隧道里充电，国家土方设备标委电动分委计划在2023 年成立并就 该问题给出明确政策，建议在隧道二衬成型段设置封闭区域充电柜， 做好相关防护措施，给设备充电。
2）本项目高原隧道施工，机械设备工作环境极端工作环境- 15°C〜60°C，温度对电池充放电的影响不可忽视目前电池在-20°C 以下时，放电在60%左右甚至更差在50-60C环境温度下会破坏电 池的化学平衡且设备各冷却系统负荷过大，存在较大风险［5］高湿环 境中（90%以上）存在电器装置表面附着凝露而造成短路的情况发生 因此新能源设备对高海拔高寒环境和隧道内高水温、高湿度的适应性 需要积累经验3）目前电池供应紧张，1组350KWH磷酸铁锂电池及管理系统 价格在 40 万元左右，暂时没有降价空间，新能源挖掘机、装载机、 自卸车和搅拌车整车价格相当于燃油车价格的 2 倍，对使用单位前期 投资较大国家大型工程建设需用设备数量巨大，可探索采用建立集 中换电站的模式，对各施工单位新能源设备电池进行出租业务，采取 每台车电池月租套餐+超出用电量费进行计量收费，设备使用单位在 采购设备时只采购底盘，无需采购电池组，节省了新能源设备的采购 成本5 结束语新能源工程机械设备在环保节能领域具有明显的优势在一般工 程施工环境中已基本实现对传统设备的功能替代，隧道特殊环境下的 适用性还需通过长时间的现场应用进行进一步验证。
同时目前新能源 工程设备价格昂贵，市场资源还比较缺乏，施工单位大规模存在一定 困难，建议在资金支付或专项资金上给予政策支持，逐步推广成熟适 用的新能源设备参考文献[1] 王刚•〃双碳〃加速工程机械新能源〃井喷式〃爆发还有多远[J].建设机械 技术与管理, 2022, 35(1):2.[2] 邱瑞.浅谈几种新能源工程机械特点及发展[J].山东工业技术，2017(11):1.[3] 郑振，唐菲.论当代机械新能源与节能技术的应用[J].现代制造技术与装备， 2019(11):2.[4] 史艳龙.纯电动汽车续驶里程动态估算及影响因素研究[D].武汉：武汉 理工大学， 2017.[5] 胡棋威.锂离子电池热失控传播特性及阻断技术研究[D].武汉：中国舰船研究院，2015。