日本空運(yùn)型堰塞湖搶險(xiǎn)工程機(jī)械的研發(fā)

何秉順 王文科 陳堯 賀鑫焱

1 引言

2018年10月11日、17日，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜州白玉縣交界處、西藏自治區(qū)林芝市米林縣先后發(fā)生山體滑坡形成堰塞湖，分別造成金沙江、雅魯藏布江斷流。10月29日、11月3日，雅魯藏布江、金沙江原址分別再次滑坡形成堰塞湖。險(xiǎn)情發(fā)生后，由應(yīng)急管理部牽頭，相關(guān)部門和單位密切配合，科學(xué)有效處置，積極開展救援救災(zāi)，成功處置了4次堰塞湖險(xiǎn)情[1]。

回顧4次堰塞湖處置過程，前3次堰塞湖由于存在時(shí)間較短、現(xiàn)場(chǎng)交通不便，沒有采取人工干預(yù)泄流方式。在第4次金沙江“11·3”白格堰塞湖應(yīng)急處置中，考慮堰塞體自然溢流可能造成的嚴(yán)重破壞，前方指揮部及部際聯(lián)合工作組決定盡快采取人工干預(yù)措施，采用機(jī)械開挖泄流槽，降低堰塞體堰頂高程，減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)?？紤]大型工程機(jī)械進(jìn)入堰塞體為應(yīng)急處置的關(guān)鍵難題，探索通過陸路、水路、空中運(yùn)輸方式，齊頭并進(jìn)，爭(zhēng)取盡快打通運(yùn)輸通道，共運(yùn)輸13臺(tái)挖掘機(jī)、6臺(tái)裝載機(jī)及油料等物資上壩。經(jīng)過緊張施工，于11月11日16時(shí)完成最大開挖深度15m，頂寬42m、底寬3m，長(zhǎng)220m的泄流槽，共計(jì)完成土石方工程量13.5萬(wàn)m3。

一旦決定人工干預(yù)進(jìn)行堰塞湖應(yīng)急處置，如何把大型工程機(jī)械投送到堰塞體，是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在堰塞湖應(yīng)急處置的多數(shù)情況下，由于通往堰塞體道路堵塞或損壞，直升機(jī)載荷無(wú)法達(dá)到要求，水路運(yùn)輸受制于運(yùn)輸船只和碼頭，大型工程機(jī)械難以快速運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)開展施工作業(yè)。日本和我國(guó)類似，對(duì)極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)的堰塞湖一般也采取開挖泄流槽等人工干預(yù)方式降低堰塞湖水位，減少潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)，但亦同樣面臨交通中斷、惡劣自然條件下難以快速投送搶險(xiǎn)救援裝備的問題。在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險(xiǎn)中，日本采用了直升機(jī)投送、大型挖掘機(jī)械分解的方案，并探索了危險(xiǎn)地帶遠(yuǎn)程遙控、無(wú)人化施工的方式。根據(jù)堰塞湖搶險(xiǎn)救援實(shí)際需求，日本于2010年研發(fā)了空運(yùn)型大型工程施工機(jī)械。本文將介紹日本空運(yùn)型挖掘機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以期為我國(guó)類似裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和堰塞湖搶險(xiǎn)救援提供啟發(fā)和借鑒。

2 空運(yùn)型挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 背景和約束條件

在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險(xiǎn)中，針對(duì)危險(xiǎn)性較高、潰決后對(duì)下游危害嚴(yán)重且有時(shí)間進(jìn)行人工干預(yù)的堰塞湖，日本采取了機(jī)械開挖泄流槽、加固河床和兩岸山體邊坡、抽排堰塞湖水的應(yīng)急工程措施[2]。為了解決道路中斷情況下大型施工機(jī)械的投送問題，日本采取了將挖掘機(jī)（鏟斗容積0.23m3及0.5m3）拆解，采用民用直升機(jī)吊裝至堰塞體，再進(jìn)行組裝的投送方案（見圖1、圖2），探索了危險(xiǎn)地帶遠(yuǎn)程遙控、無(wú)人化施工的方式。

應(yīng)急搶險(xiǎn)結(jié)束后，日本國(guó)土交通省進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，組織東北地方整備局研發(fā)了空運(yùn)型挖掘機(jī)（鏟斗容積1m3），強(qiáng)化了無(wú)人化施工功能，并在日本多地部署[3]。2011年8月，12號(hào)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)暴雨洪水侵襲日本紀(jì)伊半島，導(dǎo)致奈良、和歌山等地出現(xiàn)17座堰塞湖，在奈良縣栗平、長(zhǎng)殿堰塞湖搶險(xiǎn)處置過程中，共投入了1m3級(jí)空運(yùn)型挖掘機(jī)2臺(tái)、0.5m3級(jí)6臺(tái)，取得了良好的應(yīng)用效果。

根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，空運(yùn)型挖掘機(jī)的研發(fā)約束條件是：

（1）采用常規(guī)民用直升機(jī)吊運(yùn)，考慮溫度和海拔高度的影響，分解零件的重量不得超過直升機(jī)載重能力，且能夠保持吊運(yùn)平衡狀態(tài)；

（2）滿足施工工期需求，采用施工能力大的挖掘機(jī)，盡最大可能壓縮拆解組裝時(shí)間和運(yùn)輸次數(shù)。

圖1 挖掘機(jī)拆解

圖2 直升機(jī)吊運(yùn)拆解部件

2.2 設(shè)備研發(fā)

2.2.1 確定拆解構(gòu)件質(zhì)量

日本國(guó)土交通省東北地方整備局調(diào)查了日本民用運(yùn)輸直升機(jī)現(xiàn)狀，現(xiàn)存吊運(yùn)能力為5t的1臺(tái)、3t的8臺(tái)。考慮到吊運(yùn)能力為3t的飛機(jī)數(shù)量較多，搶險(xiǎn)救援時(shí)容易調(diào)用派遣，故以吊運(yùn)能力為3t的直升機(jī)作為運(yùn)輸工具對(duì)象。考慮到直升機(jī)吊運(yùn)重量根據(jù)溫度和海拔高度的不同而變動(dòng)，參考以往的災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)海拔高度、災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的氣溫，并考慮到吊運(yùn)物體穩(wěn)定性的因素，確定拆解零件塊的最大重量為2800kg（海拔高度按500-1000m、氣溫按20-30℃、吊運(yùn)物重心穩(wěn)定）。

2.2.2 構(gòu)件拆解方案

按照小于直升機(jī)最大吊裝載運(yùn)能力（2800kg），根據(jù)鏟斗容積1m3挖掘機(jī)構(gòu)件組成，初步分解成11塊，但底盤（約5600kg）及配重（約5400kg）的質(zhì)量均超過2800kg。對(duì)于底盤，分解成為左行駛架、右行駛架、下部轉(zhuǎn)向架三部分，拼接采用加工方便的法蘭式，確保連接強(qiáng)度達(dá)到要求。配重分解為上下兩個(gè)部分，每部分重量均小于2800kg，上下兩部分配重采用插銷方式連接。通過上述拆解方式，總重量25.8t的挖掘機(jī)被拆解成14塊（圖3）。

圖3 空運(yùn)型挖掘機(jī)拆解圖（14塊）

2.2.3 提高拆解組裝效率

在2008年宮城·巖手地震誘發(fā)的堰塞湖搶險(xiǎn)使用的挖掘機(jī)，需要在工廠花費(fèi)3d時(shí)間拆解液壓管路和電氣線路。為了提高拆解組裝效率節(jié)約時(shí)間，研發(fā)的空運(yùn)型挖掘機(jī)液壓管路電氣線路的連接采用“插拔式”方式（圖4），可容易進(jìn)行裝配。另外，為了防止錯(cuò)誤的電路、油路管線連接，對(duì)管線附上不同的顏色標(biāo)識(shí)。通過上述改進(jìn)措施，設(shè)備的拆解可在1d內(nèi)完成。

圖4 插拔式油路管和電路插口

2.2.4 強(qiáng)化無(wú)人化施工功能

在宮城·巖手地震因余震引起的崩塌和降雨造成的泥石流等危險(xiǎn)地點(diǎn)施工中，搶險(xiǎn)隊(duì)伍探索了遠(yuǎn)程控制的無(wú)人化施工機(jī)械，施工效率為有人操作的60%，雖然施工效率低，但確保了施工人員的安全。因此，能夠防止崩塌、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害對(duì)施工人員的傷害，確保施工搶險(xiǎn)人員零傷亡。研發(fā)的空運(yùn)型挖掘機(jī)將遠(yuǎn)程操縱裝置作為標(biāo)準(zhǔn)配置，采用目視+操作手柄、挖掘機(jī)加裝攝像頭+顯示屏幕+操作手柄的兩種方式遠(yuǎn)程操作挖掘機(jī)（圖5）。

圖5 無(wú)人化施工兩種操作方式

2.2.5 鏟斗替代配件

根據(jù)搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的施工需求，設(shè)計(jì)的空運(yùn)型挖掘機(jī)鏟斗可替換為各種配件，不需要對(duì)設(shè)備主體進(jìn)行改造，包括液壓破碎機(jī)、起重吊勾、抓斗等，如圖6所示。液壓破碎機(jī)可用于巖石破碎、結(jié)構(gòu)破拆等，在堰塞湖搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，可采用液壓破碎機(jī)破拆影響湖水泄流的巨石、倒塌的建筑物等；在挖掘機(jī)鏟斗上加裝起重吊鉤（但仍要確保鏟斗總重不能超過2800kg），可在施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝各種裝備和建筑材料，相當(dāng)于在現(xiàn)場(chǎng)配備了起重機(jī)；抓斗，包含圓鋸，用于現(xiàn)場(chǎng)倒塌樹木的切割、搬運(yùn)、清理等。

圖6 鏟斗替代配件

3 結(jié)語(yǔ)

日本國(guó)土交通省組織研發(fā)的空運(yùn)型挖掘機(jī)（鏟斗容積1.0m3級(jí)）根據(jù)堰塞湖搶險(xiǎn)的需要和制約條件，是在常規(guī)的挖掘機(jī)上改造而成的。與以往應(yīng)用的挖掘機(jī)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）通過優(yōu)化拆解方案，拆解、空運(yùn)、組裝的時(shí)間縮短了5.5d；（2）與0.5m3級(jí)相比，施工能力幾乎加倍，縮短了施工工期；（3）增強(qiáng)了防止次生災(zāi)害的遠(yuǎn)距離操縱功能；（4）增加了滿足多種作業(yè)要求的配件。此外，日本還制作了包含拆解、空運(yùn)、組裝、安全管理等內(nèi)容的《災(zāi)時(shí)空運(yùn)應(yīng)對(duì)手冊(cè)》，以指導(dǎo)空運(yùn)型挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)用，在日本多地部署，并在日本東北、四國(guó)等地區(qū)多次組織操作培訓(xùn)和訓(xùn)練。

金沙江“11·3”白格堰塞湖應(yīng)急處置完成后，針對(duì)高海拔地區(qū)堰塞湖搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中暴露出的大型工程機(jī)械難以迅速到位的問題，國(guó)家應(yīng)急管理部正在組織工程機(jī)械制造企業(yè)研發(fā)適合于空運(yùn)的工程機(jī)械[4]，毫無(wú)疑問，日本空運(yùn)型挖掘機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)類似裝備設(shè)計(jì)生產(chǎn)和堰塞湖搶險(xiǎn)救援具有極強(qiáng)的啟發(fā)和借鑒價(jià)值。