雄安新区地下交通网建设呼唤电力驱动施工机械产生

周世鑫，刘兴芳

中建路桥建设集团有限公司，河北 石家庄 050011

导语：

因隧道内路面施工时通风条件较差，沥青烟问题限制了沥青路面在长隧道内的应用，同时发动机尾气排放问题也制约着大型施工机械在长隧道内道路施工的应用。本文从沥青混合料材料、路面施工机械采用电力驱动两个方面，提出了长隧道内施工沥青路面的思路，得出电力驱动施工机械必将大力推广的结论。

随着我国基础设施建设的突飞猛进发展，地下道路工程越来越多，尤其是雄安新区建设提出了全新的道路规划理念，京津冀协同发展专家咨询委员会组长、雄安新区总设计师徐匡迪透露：“雄安新区建设将把城市交通、城市水电煤气供应、灾害防护系统全部放在地下，高铁、车站、市内交通等也会置于地下，而地上部分将让给绿化、让给人行道。”这将意味着雄安新区几乎所有的道路都要建在地下。虽然长隧道内的路面应采用沥青路面还是水泥路面一直在争论之中，但沥青路面以其表面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪音低、耐磨、不扬尘、易清洗、施工期短、养护维修简便、可再生利用等一些列优点，理应成为雄安新区道路结构的主流。在路面施工期间，隧道通风设施往往还没有来得及安装，致使整条隧道通风性能较差，而沥青路面施工过程中必然要产生一系列的污染气体（热沥青混合料挥发的气体、摊铺机发动机排放的尾气、运料汽车排放的尾气、其他辅助设备发动机排放的尾气等）。这不仅会严重影响施工人员的身体健康，还会直接影响隧道路面的施工质量。

那么怎样在保证施工人员职业健康以及施工质量的前提下做好隧道内沥青路面的摊铺施工？

即便是采用水泥路面，如此大规模的路面施工也要采用滑膜摊铺机而不能用三辊轴小型机具施工，同样需要解决运输车辆和摊铺设备发动机尾气排放的问题。

要解决隧道内沥青路面施工的废气问题有两个途径：一个是堵，另一个是疏。堵就是尽量避免施工过程中的沥青混合料挥发气体，避免摊铺机、压路机、运输汽车及辅助设备的发动机产生尾气；疏就是加强隧道通风，将施工过程中隧道内的废气控制在可接受范围内。本文着重从堵的角度出发，采用中温阻燃沥青混合料以及施工机械电力驱动的方式，降低施工过程中有害气体的排放，提供适宜施工的条件。

沥青混合料沥青烟的治理

按施工温度分类的3种沥青混合料

沥青混合料按照施工温度分为3种：热拌沥青混合料、温拌沥青混合料和冷拌沥青混合料。

热拌沥青混合料一般是指将沥青加热到160 ℃，将骨料加热到180 ℃，在拌缸中高温拌合生产沥青混合料，出场温度一般为160 ℃左右，运输到施工现场的温度一般不低于145 ℃，摊铺温度一般不低于135 ℃，碾压终了温度不低于70 ℃。施工过程中不仅要消耗大量的能源，还会排放大量的有害气体，但因其生产工艺成熟、质量比较稳定，一直大量运用在施工生产中。

常温沥青混合料是指常温下拌合、常温下铺筑的沥青混合料，一般采用乳化沥青作为结合料，由于性能限制，乳化沥青碎石混合料一般只适用于三级或三级以下的沥青面层或二级公路的罩面层以及各级公路沥青路面的联接层或平整层。

温拌沥青混合料一般是将沥青加热到145 ℃~165 ℃，骨料加热到125 ℃~140 ℃，出场温度一般120 ℃~130 ℃，摊铺温度不低于120 ℃，碾压终了温度不低于70 ℃。由于温拌沥青混合料的温度降低了30 ℃，不仅会降低拌合过程中的能源消耗，施工过程中的有害气体排放也会大大降低。国内外大量研究和工程实践证明：采用温拌技术可节约燃料20%，减少温室气体（二氧化碳）排放50%，减少沥青烟等有毒气体排放80%左右。过去温拌沥青混合料采用较多的是乳化沥青温拌法和有机添加剂法，即在沥青混合料拌合时添加Evotherm温拌剂或者Sasobit温拌剂来实现温拌，但温拌剂的添加不仅大大提高了生产成本，还导致沥青混合料施工难度增加，甚至性能下降，限制了温拌沥青技术的应用；另外，施工温度降低自然会导致沥青混合料流动性下降，容易造成压实度不足、压实成型后空隙率过大，易发生水损害，也同样限制了温拌沥青技术的应用，但这方面可以通过技术措施解决。

泡沫沥青技术

泡沫温拌沥青混合料技术是将石料加热到120 ℃后加入软质沥青（100 ℃黏度小于0.3 Pa·s）， 拌合均匀后再将硬质沥青（25 ℃ 针入度小于10 mm）发泡后喷入。这种技术可节约40%~60%的能量消耗， 降低60%~70%的CO排放量。为进一步降低拌合温度，Jenkins开发出采用泡沫沥青制备半温沥青混合料（Half-Warm Aspr~atMix）技术。这种技术拌合温度控制在100 ℃左右，沥青结合料全部采用泡沫形式加入。试验结果表明，采用针入度为8 mm（25 ℃） 的沥青进行发泡后在101 ℃ 与石料拌合，沥青可较好地包裹石料；同时在89 ℃ 条件下成型马歇尔试件，其空隙率可达到4%。这种半温沥青混合料的疲劳寿命与热拌沥青混合料基本相当，但抗剪强度相对较小。随着交通荷载的日益增大， 改性沥青发泡用于生产泡沫改性沥青温拌混合料的技术受到了人们的高度关注。

泡沫沥青混合的降温效果非常明显，与热拌沥青混合料相比，施工温度通常降低30 ℃~50 ℃，从而减少有害气体的排放。泡沫温拌沥青混合料路用性能同热拌沥青混合料相近， 但施工温度低， 易于碾压， 开放交通早，尤其适合于封闭环境，如隧道及建筑密集的城区道路等工程。该技术的问题在于需要硬沥青和软沥青， 除了混合料生产上的不便，更重要的是， 在有些地区硬沥青和软沥青的供应会有困难，这制约了该技术的推广。其解决方案是对单一沥青进行泡沫化处理，而不具体划分为硬沥青和软沥青， 相关研究已经取得了很好的进展， 尤其是对改性沥青的泡沫化技术将大大提高温拌沥青混合料的路用性能，有着很好的应用前景。

泡沫沥青技术在我国的应用

泡沫沥青是在正常热拌沥青混合料生产过程中，在高温沥青中添加一定比例的水，使沥青急剧汽化，体积迅速膨胀，从而生成泡沫沥青。混合料生产时，沥青是以泡沫沥青的形式加入拌缸与集料拌合成沥青混合料，泡沫沥青相比沥青黏度显著降低，改善沥青混合料的施工和易性，从而使混合料在相对较低的温度下就可进行拌和、摊铺和碾压。

在华东某国家高速路段中，采用改性70#沥青铺设137.5 pxAC-20中面层沥青混合料，生产配方为0~3 mm矿料20%、3~6 mm矿料18%、6~11 mm矿料20%、11~18 mm矿料22%、18~25 mm矿料15%、粉料5%、沥青4.6%，搅拌时间26 S，出料温度在150 ℃左右，在搅拌出料和摊铺时几乎看不到蓝烟，性能与热拌沥青混合料相当。

在长三角某高尔夫球场和某市政道路中采用普通70#沥青铺设AC-10、AC-13、 AC-20、AC-30和ATB-30各面层沥青混合料4 000多吨，其中250 pxATB-30生产配方为：5~10 mm矿料10%、10~15 mm矿料14%、15~24 mm矿料43%、24~32 mm矿料33%、再生料50%、沥青2.4%，搅拌时间为24 s，出料温度在140 ℃左右，沥青混合料稳定度和流值都满足要求，甚至比热拌料更好。

泡沫沥青温拌技术在地下长隧道工程的应用展望

随着泡沫沥青技术、温拌沥青施工技术和阻燃沥青混合料技术越来越成熟，其路用性能不但同热拌沥青混合料愈加相近， 而且具有施工温度低、易于碾压、开放交通早的优点，减少了沥青混合料生产过程中的能源消耗，更大大降低了施工过程中有害气体的排放，适合于封闭环境施工，必将在雄安新区的建设中大显身手。

沥青混合料运输、摊铺、碾压及辅助设备发动机尾气的治理

沥青混合料运输、摊铺、碾压及施工现场辅助设备发动机排放废气的原因是：这些机械设备均以内燃机作为动力，内燃机械工作过程中必将消耗大量的氧气，排放二氧化碳、一氧化碳及硫化物等废气。解决运输车辆、摊铺碾压设备发动机产生的废气的思路是：将这些设备全部改为电力驱动，彻底杜绝施工现场的有害气体排放，真正实现施工现场的零污染。

混合料运输车辆采用电力驱动的设想

目前电力驱动的车辆多用于家用轿车或城市公交车辆，还没有自卸车采用电力驱动的先例。

沥青混凝土运输一般采用载重大于15 t的自卸车运输，以减少摊铺机前换车待料情况的发生，保证摊铺的连续性，而实际施工生产过程中多采用30 t以上的自卸车作为沥青混凝土运输车。以东风EQ3208GT1自卸汽车为例，其发动机动力为155 kW，车厢尺寸为5 600 mm×2 250 mm×1 070 mm理论容量为13.5方，车厢容重为31.725 t，完全可以满足大吨位自卸运输车的要求。

目前广泛投入使用的福田欧辉BJ6116EVUA型纯电动客车选用的FTTB100发动机，功率为150 kW，最高车速可达100 km·h－1，续航里程可达到150 km。从理论上讲FTTB100发动机及配套的蓄电池，完全可以满足30 t自卸车辆的动力需求。沥青混凝土运输运距不会超过50 km，一般在30 km以内，完全可以像公交公司一样在沥青拌合场建好充电站，自卸车回到拌合场后立即更换充好电的蓄电池，继续工作，从而实现运输车辆的不间断作业。

沥青摊铺机采用电力驱动的设想

目前主流的大型沥青摊铺机发动机功率一般为180 kW左右，由于沥青摊铺机发动机输出的动力需要经过液力变矩器传递给液压泵，然后再通过相应的控制系统，经液压管道传递到液压马达和液压油缸，为摊铺机各部位提供动力。众所周知液压传动的效率为0.80~0.85，如果采用电力驱动则可以将沥青摊铺机的液压泵全部去掉，所有的液压马达换成相应的电机，这将大大提升功率传递效率，从而将整机功率控制在153 kW以内。这样从理论上讲，采用现有的大型电力驱动公交车蓄电池就可以满足沥青摊铺机的动力需求。

但由于沥青摊铺需要不间断摊铺，按照目前电力驱动公交车配备的蓄电池推算，预计每工作1~1.5 h就需要更换蓄电池，不能保证连续摊铺。解决这个问题的思路有2个。

方案一：给摊铺机配备足够多的蓄电池组。摊铺机采用电力驱动后，去掉了传统摊铺机的发动机、液压泵及液压控制元件，这将给沥青摊铺机配备蓄电池带来巨大的可利用空间，沥青摊铺机进行摊铺作业也需要一定的配重以满足摊铺作业稳定性的要求，可以通过试验给摊铺机配备可供摊铺机连续工作8~12 h的可快速更换的蓄电池组，以满足摊铺机连续作业的要求。

方案二：利用流动蓄电站给摊铺机供电。由于方案一没有经过实践检验，只是一种设想，受摊铺机可利用空间的限制，存在不能保证摊铺机连续工作8 h以上的可能。所以我们给出另外一种设想：设计一台电力驱动的小型货车，装载3~4组蓄电池，作为流动蓄电站。摊铺机摊铺作业过程中流动蓄电站在摊铺机的左前方（或右前方）与摊铺机同步行驶，每组蓄电池提供的电能可供摊铺机连续作业的时间预计为1~1.5 h，4组蓄电池即可为摊铺机提供4~6 h连续工作的电能，2个流动蓄电站交替为摊铺机提供电能，可以实现蓄电站的快速转换，保证摊铺作业的连续性。

电力驱动压路机的设想

目前沥青路面碾压施工一般采用的压路机是双钢轮压路机和胶轮压路机组合，双钢轮压路机一般最大吨位是15 t（大多数采用13 t或11 t压路机），胶轮压路机一般采用30 t。沥青路面压实用主流压路机的功率见表1。

由表1可以看出：目前沥青路面施工用大型压实设备的发动机功率一般在130 kW左右即可满足要求，即便是功率最大的戴纳派克CC722双钢轮压路机的发动机功率也只有170 kW。采用大型电动客车的发动机应该可以完全满足其功率要求。

同沥青摊铺机一样，压实设备也是采用液压传动，采用电力驱动后，同样可以去掉液压泵，用电机取代马达，直接驱动行驶及振动装置，从而提高有效功率。

根据汽车的续航里程推算，在压实设备满负荷工作的情况下预计连续工作时间为1.5~3 h左右，完全可以在压路机停机加水的同时更换蓄电池，满足压实作业要求。其他辅助设备的电力驱动沥青路面摊铺作业的辅助设备主要有：照明发电设备、给压路机加水的水车及小型装载机。照明发电设备完全可以直接用蓄电池组替代，水罐车和小型装载机的发动机功率均在100 kW以内，并且水罐车和小型装载机不是连续工作，改为电力驱动相对摊铺机、压路机更容易实现。

表1 沥青路面施工常用大型压实设备发动机配置及功率

经济性对比

由于电力驱动的施工机械目前还没有生产，但传统的施工机械与传统的汽车工作原理基本相同，都是采用燃油发动机提供动力，然后通过机械传动或液压传动为工作装置提供动力；采用电力驱动后也都是用蓄电池替代燃油发动机，以线控技术

电力驱动施工机械与燃油施工机械对比

控制、电动机直接为工作装置提供动力。因此可以根据纯电动汽车与燃油汽车的经济性分析给出电力驱动施工机械的经济性预测。

RAV4EV是在RAV4上改装的电动汽车，它采用镍氢电池和永磁同步电机等高新技术，性能较为先进，节能元器件应用较多，其驾驶性能与同等的RAV4燃油汽车相似。纯电动汽车RAV4EV和燃油汽车RAV4经济性对比见表2。

表2 纯电动丰田RAV4与燃油RAV4经济性对照

由表2可以看出：目前阶段纯电动汽车的出厂价远高于燃油汽车，同样的纯电动汽车价格要高出燃油汽车一倍（20万元），而能源消耗成本仅为燃油汽车的五分之一，即便加上电池组更换成本，其全寿命运行成本与燃油汽车基本相同，全寿命成本高的原因仅在出产价一项。

由于施工机械采用电力驱动后的工况与纯电动气车基本相同，因此我们可以断定，电力驱动施工机械与燃油施工机械的全寿命成本对比与纯电动汽车与燃油汽车的对比情况应该基本相同，像沥青摊铺机这样的大型施工机械，由于简化的工作装置较多，其造价有可能与燃油摊铺机基本相同。

工作状况对比

同样可以断定的是，与纯电动汽车一样，施工机械采用电力驱动后，与燃油施工机械相比将具备以下优点。

（1）简化维修保养工作，故障率低，运行可靠。

（2） 能源利用效率高。电动汽车对能源利用的总效率至少在19%以上(采用燃料电池时效率远高于这一数值），而内燃机汽车效率低于12%，电动驱动的施工机械将更加节能。

（3）环境污染小。由于采用电力驱动，电力驱动施工机械基本不排出废气，产生的废热也将大大降低。

（4） 噪音低。即使靠近正在高速运转的电动机也不会有让人感觉到不舒服的噪音,而内燃机的噪音则非常大。

电力驱动施工机械的应用前景

电力驱动施工机械由于大大简化了动力传递系统，不仅减少了维修保养工作，其故障率也必然大大降低。沥青路面施工电力驱动施工机械由于大大简化了动力传递系统，不仅减少了维修保养工作，其故障率也必然大大降低。推广应用和电力驱动施工机械的产生，将使沥青路面在长隧道中的应用或许成为可能，从而大大提高长隧道中车辆的行车舒适性，改善交通状况。

综上所述，电力驱动施工机械的产生可能解决长隧道内（雄安新区大规模地下交通网）沥青路面摊铺问题，但由于其具备可靠性强、低能耗、低噪音、无污染等燃油施工机械无可比拟的优点，必然将取得良好的市场推广。

即便受多种条件限制，大规模地下交通网建设采用水泥混凝土路面，为保障施工质量，如此大规模的道路建设，同样呼唤电力驱动滑膜摊铺机和电力驱动水泥混凝土搅拌运输车的产生。

笔者认为，虽然受蓄电池技术限制，在目前阶段电力驱动施工机械的全寿命成本高于燃油施工机械，但随着蓄电池技术的发展，电力驱动施工机械的制造成本必将大幅度降低，纯电动汽车已经在全世界大力推广，我们有什么理由不相信电力驱动施工机械将迎来美好的明天呢？机械（特别是沥青摊铺机这样的关键设备）的工作可靠性对施工成本的影响至关重要。由于沥青路面施工过程中，沥青混合料出场、摊铺、碾压一系列工序都必须将沥青混合料控制在一定的温度范围内，因此一旦施工机械发生故障，沥青混合料温度下降超过了规范规定的温度范围，这部分沥青混合料就必须做废弃处理，造成巨大的材料浪费。因此每次沥青摊铺机发生不能立即修复的意外故障都会造成十万元以上的损失。从这个方面讲，由于电力驱动施工机械的可靠性会大大提高，能够减少的材料浪费损失，甚至有可能完全弥补设备出场价的提高。

其次，电力驱动的施工机械低噪音、无污染，将大大改善沥青路面摊铺施工的工作环境，提高从业人员的职业健康保障能力，大幅降低施工过程中造成的环境污染。

由于热拌沥青混合料产生沥青烟，燃油发动机排放尾气，限制了沥青路面在长隧道中的应用；而泡沫沥青温拌混合料的