摘要：与传统架线式矿用机电车和铅酸蓄电电池式矿用电机车相比，超级电容机电车实现了功能特性上的跨越性转变，寿命使用时间长，充电快捷方便，本文以某土建工程为背景，深入研究了超级电容在盾构施工水平运输中的应用。
关键词：盾构施工；水平运输；超级电容
1 工程概况
本文以某轨道交通线土建工程盾构区间作业为研究背景，调查研究超级电容在盾构施工水平运输中的应用。该土建工程使用两台泥水、土压双模式平衡盾构机进行隧道掘进施工，左右线长度均约为1.7KM，隧道线路以千分之二坡度下坡出站，以千分之四坡度下坡后再以千分之七坡度上坡，最后以千分之七波度下车后进入到达站。左右线均采用两列工矿电机车用于水平运输作业，超级电容工矿电机车吨重为55吨重。
2 盾构施工水平运输与超级电容
2.1 盾构施工与水平运输
2.1.1 盾构施工
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。
盾构机于1847年发明，它是一种带有护罩的专用设备。利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体，同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。盾构机既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看是一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。
盾构法施工得到广泛使用，因其具有明显的优越性：首先，在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性，地下施工不影响地面交通，在河底下施工不影响河道通航；其次，施工操作不受气候条件的影响，产生的振动、噪声等环境危害较小；另外，采用盾构施工对地面建筑物及地下管线的影响较小。
2.1.2 水平运输
在盾构隧道内运输作业过程当中，隧道的长距离作业运输，主要是靠水平运输车来完成，其可分为4部分：驾驶室、电瓶车、砂浆车和管片车，如图 1所示。水平运输车负责运输管片、钢轨、砂浆等设备材料以及作业人员，运行方式为：以驾驶室为尾端倒着驶入隧道内，以驾驶室为首端正向驶出隧道。
图1 水平运输车功能区分
2.2 超级电容工作原理与特性
超级电容是一种新型的储能装置，结构上与普通的电解电容十分类似，属于双电层电容器，常又被称为双电层电容器、黄金电容、法拉第电容，是一种新型的储能原价，它兼有物理电容器和电池的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命，是20世纪七八十年代发展起来的一种新型储能装置。由于其内部采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量。超级电容作为地铁盾构水平运输电机车的动力装置逐渐发展起来。
超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，它们都包含一个正极与一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。超级电容的结构如图2所示，是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型一般需要根据电极材料的性质进行选择。
图2超级电容器的基本结构
上图中各部分为：（1）：聚四氟乙烯载体；（2）（4）活性物质压在泡沫镍集电极上；（3）：聚丙烯电池隔膜。
与过去常用的普通蓄电池相比，超级电容的特点非常突出，受温度影响不大，活性极化较小，工作范围为-40摄氏度到85摄氏度，安全性能高，受到高温、大电流影响时，电流会直接断路，避免恶性事故发生，充电电流越大的话速度越快，10秒内即能达到额定容量的百分之九十五，充电时间短，使用寿命长，几乎不存在自放电，也不存在化学污染问题，实现彻底免维护。
3 超级电容在盾构施工水平运输中的具体应用
盾构施工隧道水平运输主要有两个方面：一是将隧道施工所需的原材料运进隧道内，主要包括：管片、砂浆、轨道延伸铺设材料及其它辅助材料由洞外向盾构作业面的运输；二是将隧道施工所产生的渣土及废弃物由洞内运出洞外。隧道施工运输以机车提供牵引力，其余渣土平板等运输车辆组成编组，在满足隧道掘进运输的同时减少每掘进一环机车出渣次数，提高隧道掘进效率，降低运输时工序衔接时间和组织管理难度。
水平运输设备一般为轨道式运输工矿蓄能式电机车，在以前还有过使用隧道沿途架线式电机车和柴油式电机车，但存在较大的安全隐患和环境污染已经淘汰。目前这种工矿蓄能式电机车的主要存储能源的方式为铅酸蓄电池组和超级电容模块组。本文介绍的是目前正在积极迅速发展，逐渐取代铅酸蓄电池式电瓶车的超级电容式工矿电矿车。电瓶车由超级电容模块供应直流电源，直流电通过变频器转换成电压与频率可调的三相交流电，为二台交流变频牵引电动机提供动力电源，通过万向联轴节传递扭矩给齿轮传动减速箱，经减速后驱动车轴上轮对组实现电机车运行与牵引。
超级电容式工矿电机车无需搭设充电房等临设结构，只需在井下电机车停车充电位置（6m范围内）附近放置专用充电装置，几乎不占场地。剩余电量从百分之40到充满电时间短，约15分钟，单次使用寿命至少是蓄电池的2倍以上，使用寿命大于30000次，在使用过程中彻底维护；充电过程简单、易懂，一人就可独立完成，且不需要进行电池更换作业，按照有效作业时间计算对盾构施工基本不产生影响。
超级电容作为新型动力源具有充电时间短、充电电流小、网压波动小、耐压高等蓄电池式电机车不具备的优越性，且其最大牵引吨位不低于350吨，可适应最大坡度超过百分之30，经过某轨道交通线土建工程盾构区间的实际应用发现超级电容车启动平缓、动作灵活、牵引力大、制动性强、制动距离短等特点完全瞒住现场施工要求。
结束语
本文首先介绍了盾构施工的概念与工作原理，其次研究了超级电容的基本结构以及相较于普通铅酸蓄电池的突出特点，最后重点介绍了超级电容式工矿电机车在盾构施工水平运输中的应用。
参考文献：
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论文作者:李彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/28
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