雄安新區(qū)地下交通網(wǎng)建設呼喚電力驅(qū)動施工機械產(chǎn)生

周世鑫，劉興芳

中建路橋建設集團有限公司，河北 石家莊 050011

導語：

因隧道內(nèi)路面施工時通風條件較差，瀝青煙問題限制了瀝青路面在長隧道內(nèi)的應用，同時發(fā)動機尾氣排放問題也制約著大型施工機械在長隧道內(nèi)道路施工的應用。本文從瀝青混合料材料、路面施工機械采用電力驅(qū)動兩個方面，提出了長隧道內(nèi)施工瀝青路面的思路，得出電力驅(qū)動施工機械必將大力推廣的結(jié)論。

隨著我國基礎設施建設的突飛猛進發(fā)展，地下道路工程越來越多，尤其是雄安新區(qū)建設提出了全新的道路規(guī)劃理念，京津冀協(xié)同發(fā)展專家咨詢委員會組長、雄安新區(qū)總設計師徐匡迪透露：“雄安新區(qū)建設將把城市交通、城市水電煤氣供應、災害防護系統(tǒng)全部放在地下，高鐵、車站、市內(nèi)交通等也會置于地下，而地上部分將讓給綠化、讓給人行道?！边@將意味著雄安新區(qū)幾乎所有的道路都要建在地下。雖然長隧道內(nèi)的路面應采用瀝青路面還是水泥路面一直在爭論之中，但瀝青路面以其表面平整、無接縫、行車舒適、振動小、噪音低、耐磨、不揚塵、易清洗、施工期短、養(yǎng)護維修簡便、可再生利用等一些列優(yōu)點，理應成為雄安新區(qū)道路結(jié)構(gòu)的主流。在路面施工期間，隧道通風設施往往還沒有來得及安裝，致使整條隧道通風性能較差，而瀝青路面施工過程中必然要產(chǎn)生一系列的污染氣體（熱瀝青混合料揮發(fā)的氣體、攤鋪機發(fā)動機排放的尾氣、運料汽車排放的尾氣、其他輔助設備發(fā)動機排放的尾氣等）。這不僅會嚴重影響施工人員的身體健康，還會直接影響隧道路面的施工質(zhì)量。

那么怎樣在保證施工人員職業(yè)健康以及施工質(zhì)量的前提下做好隧道內(nèi)瀝青路面的攤鋪施工？

即便是采用水泥路面，如此大規(guī)模的路面施工也要采用滑膜攤鋪機而不能用三輥軸小型機具施工，同樣需要解決運輸車輛和攤鋪設備發(fā)動機尾氣排放的問題。

要解決隧道內(nèi)瀝青路面施工的廢氣問題有兩個途徑：一個是堵，另一個是疏。堵就是盡量避免施工過程中的瀝青混合料揮發(fā)氣體，避免攤鋪機、壓路機、運輸汽車及輔助設備的發(fā)動機產(chǎn)生尾氣；疏就是加強隧道通風，將施工過程中隧道內(nèi)的廢氣控制在可接受范圍內(nèi)。本文著重從堵的角度出發(fā)，采用中溫阻燃瀝青混合料以及施工機械電力驅(qū)動的方式，降低施工過程中有害氣體的排放，提供適宜施工的條件。

瀝青混合料瀝青煙的治理

按施工溫度分類的3種瀝青混合料

瀝青混合料按照施工溫度分為3種：熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料和冷拌瀝青混合料。

熱拌瀝青混合料一般是指將瀝青加熱到160 ℃，將骨料加熱到180 ℃，在拌缸中高溫拌合生產(chǎn)瀝青混合料，出場溫度一般為160 ℃左右，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的溫度一般不低于145 ℃，攤鋪溫度一般不低于135 ℃，碾壓終了溫度不低于70 ℃。施工過程中不僅要消耗大量的能源，還會排放大量的有害氣體，但因其生產(chǎn)工藝成熟、質(zhì)量比較穩(wěn)定，一直大量運用在施工生產(chǎn)中。

常溫瀝青混合料是指常溫下拌合、常溫下鋪筑的瀝青混合料，一般采用乳化瀝青作為結(jié)合料，由于性能限制，乳化瀝青碎石混合料一般只適用于三級或三級以下的瀝青面層或二級公路的罩面層以及各級公路瀝青路面的聯(lián)接層或平整層。

溫拌瀝青混合料一般是將瀝青加熱到145 ℃~165 ℃，骨料加熱到125 ℃~140 ℃，出場溫度一般120 ℃~130 ℃，攤鋪溫度不低于120 ℃，碾壓終了溫度不低于70 ℃。由于溫拌瀝青混合料的溫度降低了30 ℃，不僅會降低拌合過程中的能源消耗，施工過程中的有害氣體排放也會大大降低。國內(nèi)外大量研究和工程實踐證明：采用溫拌技術(shù)可節(jié)約燃料20%，減少溫室氣體（二氧化碳）排放50%，減少瀝青煙等有毒氣體排放80%左右。過去溫拌瀝青混合料采用較多的是乳化瀝青溫拌法和有機添加劑法，即在瀝青混合料拌合時添加Evotherm溫拌劑或者Sasobit溫拌劑來實現(xiàn)溫拌，但溫拌劑的添加不僅大大提高了生產(chǎn)成本，還導致瀝青混合料施工難度增加，甚至性能下降，限制了溫拌瀝青技術(shù)的應用；另外，施工溫度降低自然會導致瀝青混合料流動性下降，容易造成壓實度不足、壓實成型后空隙率過大，易發(fā)生水損害，也同樣限制了溫拌瀝青技術(shù)的應用，但這方面可以通過技術(shù)措施解決。

泡沫瀝青技術(shù)

泡沫溫拌瀝青混合料技術(shù)是將石料加熱到120 ℃后加入軟質(zhì)瀝青（100 ℃黏度小于0.3 Pa·s）， 拌合均勻后再將硬質(zhì)瀝青（25 ℃ 針入度小于10 mm）發(fā)泡后噴入。這種技術(shù)可節(jié)約40%~60%的能量消耗， 降低60%~70%的CO排放量。為進一步降低拌合溫度，Jenkins開發(fā)出采用泡沫瀝青制備半溫瀝青混合料（Half-Warm Aspr~atMix）技術(shù)。這種技術(shù)拌合溫度控制在100 ℃左右，瀝青結(jié)合料全部采用泡沫形式加入。試驗結(jié)果表明，采用針入度為8 mm（25 ℃） 的瀝青進行發(fā)泡后在101 ℃ 與石料拌合，瀝青可較好地包裹石料；同時在89 ℃ 條件下成型馬歇爾試件，其空隙率可達到4%。這種半溫瀝青混合料的疲勞壽命與熱拌瀝青混合料基本相當，但抗剪強度相對較小。隨著交通荷載的日益增大， 改性瀝青發(fā)泡用于生產(chǎn)泡沫改性瀝青溫拌混合料的技術(shù)受到了人們的高度關(guān)注。

泡沫瀝青混合的降溫效果非常明顯，與熱拌瀝青混合料相比，施工溫度通常降低30 ℃~50 ℃，從而減少有害氣體的排放。泡沫溫拌瀝青混合料路用性能同熱拌瀝青混合料相近， 但施工溫度低， 易于碾壓， 開放交通早，尤其適合于封閉環(huán)境，如隧道及建筑密集的城區(qū)道路等工程。該技術(shù)的問題在于需要硬瀝青和軟瀝青， 除了混合料生產(chǎn)上的不便，更重要的是， 在有些地區(qū)硬瀝青和軟瀝青的供應會有困難，這制約了該技術(shù)的推廣。其解決方案是對單一瀝青進行泡沫化處理，而不具體劃分為硬瀝青和軟瀝青， 相關(guān)研究已經(jīng)取得了很好的進展， 尤其是對改性瀝青的泡沫化技術(shù)將大大提高溫拌瀝青混合料的路用性能，有著很好的應用前景。

泡沫瀝青技術(shù)在我國的應用

泡沫瀝青是在正常熱拌瀝青混合料生產(chǎn)過程中，在高溫瀝青中添加一定比例的水，使瀝青急劇汽化，體積迅速膨脹，從而生成泡沫瀝青?；旌狭仙a(chǎn)時，瀝青是以泡沫瀝青的形式加入拌缸與集料拌合成瀝青混合料，泡沫瀝青相比瀝青黏度顯著降低，改善瀝青混合料的施工和易性，從而使混合料在相對較低的溫度下就可進行拌和、攤鋪和碾壓。

在華東某國家高速路段中，采用改性70#瀝青鋪設137.5 pxAC-20中面層瀝青混合料，生產(chǎn)配方為0~3 mm礦料20%、3~6 mm礦料18%、6~11 mm礦料20%、11~18 mm礦料22%、18~25 mm礦料15%、粉料5%、瀝青4.6%，攪拌時間26 S，出料溫度在150 ℃左右，在攪拌出料和攤鋪時幾乎看不到藍煙，性能與熱拌瀝青混合料相當。

在長三角某高爾夫球場和某市政道路中采用普通70#瀝青鋪設AC-10、AC-13、 AC-20、AC-30和ATB-30各面層瀝青混合料4 000多噸，其中250 pxATB-30生產(chǎn)配方為：5~10 mm礦料10%、10~15 mm礦料14%、15~24 mm礦料43%、24~32 mm礦料33%、再生料50%、瀝青2.4%，攪拌時間為24 s，出料溫度在140 ℃左右，瀝青混合料穩(wěn)定度和流值都滿足要求，甚至比熱拌料更好。

泡沫瀝青溫拌技術(shù)在地下長隧道工程的應用展望

隨著泡沫瀝青技術(shù)、溫拌瀝青施工技術(shù)和阻燃瀝青混合料技術(shù)越來越成熟，其路用性能不但同熱拌瀝青混合料愈加相近， 而且具有施工溫度低、易于碾壓、開放交通早的優(yōu)點，減少了瀝青混合料生產(chǎn)過程中的能源消耗，更大大降低了施工過程中有害氣體的排放，適合于封閉環(huán)境施工，必將在雄安新區(qū)的建設中大顯身手。

瀝青混合料運輸、攤鋪、碾壓及輔助設備發(fā)動機尾氣的治理

瀝青混合料運輸、攤鋪、碾壓及施工現(xiàn)場輔助設備發(fā)動機排放廢氣的原因是：這些機械設備均以內(nèi)燃機作為動力，內(nèi)燃機械工作過程中必將消耗大量的氧氣，排放二氧化碳、一氧化碳及硫化物等廢氣。解決運輸車輛、攤鋪碾壓設備發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣的思路是：將這些設備全部改為電力驅(qū)動，徹底杜絕施工現(xiàn)場的有害氣體排放，真正實現(xiàn)施工現(xiàn)場的零污染。

混合料運輸車輛采用電力驅(qū)動的設想

目前電力驅(qū)動的車輛多用于家用轎車或城市公交車輛，還沒有自卸車采用電力驅(qū)動的先例。

瀝青混凝土運輸一般采用載重大于15 t的自卸車運輸，以減少攤鋪機前換車待料情況的發(fā)生，保證攤鋪的連續(xù)性，而實際施工生產(chǎn)過程中多采用30 t以上的自卸車作為瀝青混凝土運輸車。以東風EQ3208GT1自卸汽車為例，其發(fā)動機動力為155 kW，車廂尺寸為5 600 mm×2 250 mm×1 070 mm理論容量為13.5方，車廂容重為31.725 t，完全可以滿足大噸位自卸運輸車的要求。

目前廣泛投入使用的福田歐輝BJ6116EVUA型純電動客車選用的FTTB100發(fā)動機，功率為150 kW，最高車速可達100 km·h－1，續(xù)航里程可達到150 km。從理論上講FTTB100發(fā)動機及配套的蓄電池，完全可以滿足30 t自卸車輛的動力需求。瀝青混凝土運輸運距不會超過50 km，一般在30 km以內(nèi)，完全可以像公交公司一樣在瀝青拌合場建好充電站，自卸車回到拌合場后立即更換充好電的蓄電池，繼續(xù)工作，從而實現(xiàn)運輸車輛的不間斷作業(yè)。

瀝青攤鋪機采用電力驅(qū)動的設想

目前主流的大型瀝青攤鋪機發(fā)動機功率一般為180 kW左右，由于瀝青攤鋪機發(fā)動機輸出的動力需要經(jīng)過液力變矩器傳遞給液壓泵，然后再通過相應的控制系統(tǒng)，經(jīng)液壓管道傳遞到液壓馬達和液壓油缸，為攤鋪機各部位提供動力。眾所周知液壓傳動的效率為0.80~0.85，如果采用電力驅(qū)動則可以將瀝青攤鋪機的液壓泵全部去掉，所有的液壓馬達換成相應的電機，這將大大提升功率傳遞效率，從而將整機功率控制在153 kW以內(nèi)。這樣從理論上講，采用現(xiàn)有的大型電力驅(qū)動公交車蓄電池就可以滿足瀝青攤鋪機的動力需求。

但由于瀝青攤鋪需要不間斷攤鋪，按照目前電力驅(qū)動公交車配備的蓄電池推算，預計每工作1~1.5 h就需要更換蓄電池，不能保證連續(xù)攤鋪。解決這個問題的思路有2個。

方案一：給攤鋪機配備足夠多的蓄電池組。攤鋪機采用電力驅(qū)動后，去掉了傳統(tǒng)攤鋪機的發(fā)動機、液壓泵及液壓控制元件，這將給瀝青攤鋪機配備蓄電池帶來巨大的可利用空間，瀝青攤鋪機進行攤鋪作業(yè)也需要一定的配重以滿足攤鋪作業(yè)穩(wěn)定性的要求，可以通過試驗給攤鋪機配備可供攤鋪機連續(xù)工作8~12 h的可快速更換的蓄電池組，以滿足攤鋪機連續(xù)作業(yè)的要求。

方案二：利用流動蓄電站給攤鋪機供電。由于方案一沒有經(jīng)過實踐檢驗，只是一種設想，受攤鋪機可利用空間的限制，存在不能保證攤鋪機連續(xù)工作8 h以上的可能。所以我們給出另外一種設想：設計一臺電力驅(qū)動的小型貨車，裝載3~4組蓄電池，作為流動蓄電站。攤鋪機攤鋪作業(yè)過程中流動蓄電站在攤鋪機的左前方（或右前方）與攤鋪機同步行駛，每組蓄電池提供的電能可供攤鋪機連續(xù)作業(yè)的時間預計為1~1.5 h，4組蓄電池即可為攤鋪機提供4~6 h連續(xù)工作的電能，2個流動蓄電站交替為攤鋪機提供電能，可以實現(xiàn)蓄電站的快速轉(zhuǎn)換，保證攤鋪作業(yè)的連續(xù)性。

電力驅(qū)動壓路機的設想

目前瀝青路面碾壓施工一般采用的壓路機是雙鋼輪壓路機和膠輪壓路機組合，雙鋼輪壓路機一般最大噸位是15 t（大多數(shù)采用13 t或11 t壓路機），膠輪壓路機一般采用30 t。瀝青路面壓實用主流壓路機的功率見表1。

由表1可以看出：目前瀝青路面施工用大型壓實設備的發(fā)動機功率一般在130 kW左右即可滿足要求，即便是功率最大的戴納派克CC722雙鋼輪壓路機的發(fā)動機功率也只有170 kW。采用大型電動客車的發(fā)動機應該可以完全滿足其功率要求。

同瀝青攤鋪機一樣，壓實設備也是采用液壓傳動，采用電力驅(qū)動后，同樣可以去掉液壓泵，用電機取代馬達，直接驅(qū)動行駛及振動裝置，從而提高有效功率。

根據(jù)汽車的續(xù)航里程推算，在壓實設備滿負荷工作的情況下預計連續(xù)工作時間為1.5~3 h左右，完全可以在壓路機停機加水的同時更換蓄電池，滿足壓實作業(yè)要求。其他輔助設備的電力驅(qū)動瀝青路面攤鋪作業(yè)的輔助設備主要有：照明發(fā)電設備、給壓路機加水的水車及小型裝載機。照明發(fā)電設備完全可以直接用蓄電池組替代，水罐車和小型裝載機的發(fā)動機功率均在100 kW以內(nèi)，并且水罐車和小型裝載機不是連續(xù)工作，改為電力驅(qū)動相對攤鋪機、壓路機更容易實現(xiàn)。

表1 瀝青路面施工常用大型壓實設備發(fā)動機配置及功率

經(jīng)濟性對比

由于電力驅(qū)動的施工機械目前還沒有生產(chǎn)，但傳統(tǒng)的施工機械與傳統(tǒng)的汽車工作原理基本相同，都是采用燃油發(fā)動機提供動力，然后通過機械傳動或液壓傳動為工作裝置提供動力；采用電力驅(qū)動后也都是用蓄電池替代燃油發(fā)動機，以線控技術(shù)

電力驅(qū)動施工機械與燃油施工機械對比

控制、電動機直接為工作裝置提供動力。因此可以根據(jù)純電動汽車與燃油汽車的經(jīng)濟性分析給出電力驅(qū)動施工機械的經(jīng)濟性預測。

RAV4EV是在RAV4上改裝的電動汽車，它采用鎳氫電池和永磁同步電機等高新技術(shù)，性能較為先進，節(jié)能元器件應用較多，其駕駛性能與同等的RAV4燃油汽車相似。純電動汽車RAV4EV和燃油汽車RAV4經(jīng)濟性對比見表2。

表2 純電動豐田RAV4與燃油RAV4經(jīng)濟性對照

由表2可以看出：目前階段純電動汽車的出廠價遠高于燃油汽車，同樣的純電動汽車價格要高出燃油汽車一倍（20萬元），而能源消耗成本僅為燃油汽車的五分之一，即便加上電池組更換成本，其全壽命運行成本與燃油汽車基本相同，全壽命成本高的原因僅在出產(chǎn)價一項。

由于施工機械采用電力驅(qū)動后的工況與純電動氣車基本相同，因此我們可以斷定，電力驅(qū)動施工機械與燃油施工機械的全壽命成本對比與純電動汽車與燃油汽車的對比情況應該基本相同，像瀝青攤鋪機這樣的大型施工機械，由于簡化的工作裝置較多，其造價有可能與燃油攤鋪機基本相同。

工作狀況對比

同樣可以斷定的是，與純電動汽車一樣，施工機械采用電力驅(qū)動后，與燃油施工機械相比將具備以下優(yōu)點。

（1）簡化維修保養(yǎng)工作，故障率低，運行可靠。

（2） 能源利用效率高。電動汽車對能源利用的總效率至少在19%以上(采用燃料電池時效率遠高于這一數(shù)值），而內(nèi)燃機汽車效率低于12%，電動驅(qū)動的施工機械將更加節(jié)能。

（3）環(huán)境污染小。由于采用電力驅(qū)動，電力驅(qū)動施工機械基本不排出廢氣，產(chǎn)生的廢熱也將大大降低。

（4） 噪音低。即使靠近正在高速運轉(zhuǎn)的電動機也不會有讓人感覺到不舒服的噪音,而內(nèi)燃機的噪音則非常大。

電力驅(qū)動施工機械的應用前景

電力驅(qū)動施工機械由于大大簡化了動力傳遞系統(tǒng)，不僅減少了維修保養(yǎng)工作，其故障率也必然大大降低。瀝青路面施工電力驅(qū)動施工機械由于大大簡化了動力傳遞系統(tǒng)，不僅減少了維修保養(yǎng)工作，其故障率也必然大大降低。推廣應用和電力驅(qū)動施工機械的產(chǎn)生，將使瀝青路面在長隧道中的應用或許成為可能，從而大大提高長隧道中車輛的行車舒適性，改善交通狀況。

綜上所述，電力驅(qū)動施工機械的產(chǎn)生可能解決長隧道內(nèi)（雄安新區(qū)大規(guī)模地下交通網(wǎng)）瀝青路面攤鋪問題，但由于其具備可靠性強、低能耗、低噪音、無污染等燃油施工機械無可比擬的優(yōu)點，必然將取得良好的市場推廣。

即便受多種條件限制，大規(guī)模地下交通網(wǎng)建設采用水泥混凝土路面，為保障施工質(zhì)量，如此大規(guī)模的道路建設，同樣呼喚電力驅(qū)動滑膜攤鋪機和電力驅(qū)動水泥混凝土攪拌運輸車的產(chǎn)生。

筆者認為，雖然受蓄電池技術(shù)限制，在目前階段電力驅(qū)動施工機械的全壽命成本高于燃油施工機械，但隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展，電力驅(qū)動施工機械的制造成本必將大幅度降低，純電動汽車已經(jīng)在全世界大力推廣，我們有什么理由不相信電力驅(qū)動施工機械將迎來美好的明天呢？機械（特別是瀝青攤鋪機這樣的關(guān)鍵設備）的工作可靠性對施工成本的影響至關(guān)重要。由于瀝青路面施工過程中，瀝青混合料出場、攤鋪、碾壓一系列工序都必須將瀝青混合料控制在一定的溫度范圍內(nèi)，因此一旦施工機械發(fā)生故障，瀝青混合料溫度下降超過了規(guī)范規(guī)定的溫度范圍，這部分瀝青混合料就必須做廢棄處理，造成巨大的材料浪費。因此每次瀝青攤鋪機發(fā)生不能立即修復的意外故障都會造成十萬元以上的損失。從這個方面講，由于電力驅(qū)動施工機械的可靠性會大大提高，能夠減少的材料浪費損失，甚至有可能完全彌補設備出場價的提高。

其次，電力驅(qū)動的施工機械低噪音、無污染，將大大改善瀝青路面攤鋪施工的工作環(huán)境，提高從業(yè)人員的職業(yè)健康保障能力，大幅降低施工過程中造成的環(huán)境污染。

由于熱拌瀝青混合料產(chǎn)生瀝青煙，燃油發(fā)動機排放尾氣，限制了瀝青路面在長隧道中的應用；而泡沫瀝青溫拌混合料的