间伐是森林经营中的一种抚育措施。在森林到达成熟前，通过抚育伐来培育优良木材，同时获得一定的木材商品，增加中间收入。目前，我国南方大量的人工林多需要通过间伐促进生长，人工林间伐集材问题提上日程，但我国在这方面的研究相对滞后(周新年，1991；2008；周新年等，2006；张正雄，2002；简本华，2003；冯建祥等，1991；1997)。南方林区地形复杂、伐区面积小、单株材积少且分散，加之活立木和林内杂灌的干扰，使间伐集材作业十分困难。长期以来依靠手工劳动，生产效率低。间伐集材作业成本高、木材收益较小、经济效益不显著，从而导致经营者间伐积极性不高，影响后续资源的成长。为解决上述问题，除政策性鼓励间伐外，还应加强对间伐索道集材的研究，以降低集材成本、减小生态环境破坏、提高间伐经济效益，寻求适合我国林情、地情的间伐集材之路。

1 索道工程设计 1.1 索系选择及机械设备配置

索系的选择应根据林情和地情，应能充分发挥索道的生产性能，提高工效、降低成本，以获得较大的经济、社会和生态效益。索系的选择要求: 1) 全系统包括工作索及其配置的跑车、绞盘机、滑轮和索具等，要求遵循“少、小、灵”的原则，即工作索根数少、直径小，机械设备质量轻、几何尺寸小，系统安装拆转灵活；2) 绞盘机功率、牵引力、牵引速度应与间伐集材适配；3) 牵引方式、起重方式应平稳，避免运行中振荡、偏摆、窜移，损伤活立木；4) 系统功能齐全，具全悬或半悬增力起重，顺坡或逆坡集材能力。

表 1为目前国内技术较成熟的索系及其配置(简本华，2003；冯建祥等，1991；1997；1998；罗才英，2010；罗才英等，2010)。

由表 1可知：几种索道索系均能不同程度满足要求，尤以Ⅱ13双(单)轮增力跑车索系为佳。

1.2 索道布线

我国制定有《林业架空索道设计规范》(LY 1056—91)，间伐索道的布线设计原则上应遵循相关规范；但间伐集材毕竟不同于主伐集材，间伐集材索道布线应考虑以下几点。

1) 南方林区人工林皆伐伐区索道吸引木材量大于120 m³(罗才英，2010)，对于人工林间伐集材索道应低于上述数值，具体数值应与同伐区手工单价对比具有明显优势为准，大约90 m³。

2) 线路应通过间伐小区木材分布的重心。

3) 单侧横向集材不超过50 m。

4) 索道线路选择布线应根据地形和林木条件综合分析选择，一般有顺沟布线、顺山布线和跨沟布线。由于人工林伐区山下多有板车道或汽运便道，顺沟布线与顺山布线并无本质上不同，且长距离多跨索道较少采用。因此，索道布线有如图 1所示的2种形式。

图 1a是一种中小型传统索道，其跨距l₀约为100~500 m。由于索道净空高度较大，可用于较大荷载的全悬空顺坡(或逆坡)原木(或原条)集材；图 1b则为典型的间伐集材索道，其跨距小于100 m，由于索道净空较小，仅能进行小荷载的半悬空(或拖地)、顺坡(或逆坡)原木(或原条)集材。表 1中Ⅲ13，Ⅲ43型索系比较适应图 1a的布线形式，Ⅱ03，Ⅱ13，Ⅰ03型索系比较适应图 1b的布线形式。

1.3 许用荷重法设计

在缆索起重工程中，为了避免烦琐的计算，充分发挥现有钢丝绳的潜能，在野外临时作业现场施工中，常采用“许用荷重法”进行承载索计算(周玉申，1995)。人工林间伐集材索道的设计正与之类似，采用“许用荷重法”设计满足人工林间伐索道要求转移频繁，索道设计快速、准确的特点。

许用荷重Q由下式给出:

(1)

式中: m为许用荷重系数。

(2)

式中: S为荷重中挠系数；R_L为钢丝绳破断长度(m)，，其中T_P为钢丝绳破断拉力(N)，q为钢丝绳单位长度重力(N·m^-1)；K为承载索张力安全系数；l₀为索道水平跨距(m)；α为弦倾角(°)。

为设计计算方便，m值已制成“集中荷重承载索数值表” (周玉申，1995)。

承载索最大张力T_max为：

(3)

承载索无荷张力T₀为：

(4)

式中: W为索重(N)，W=qL₀，其中L₀为索道曲线长(m)，有: L₀=lβ (m)，其中l为弦长，l=l₀secα (m)；β为索长比，，其中S₀为无荷中挠系数；ϕ₀为无荷张力系数，。

由以上算式可知：许用荷重Q取决于索道的弦倾角α、索道水平跨距l₀、荷重中挠系数S、钢丝绳的破断长度R_L和承载索张力安全系数K。一旦给定一个钢索规格q，通过α，l₀，K的变化，可以得到相应的Q值。因此，在间伐集材索道上，利用工区现有的钢丝绳，通过α，l₀，K的调整，经相应的“集中荷重承载索数值表”查得m值，快速计算出许用荷重Q。为工程上方便，表中还可以查出相应的无荷中挠系数S₀以及索长比β，索道工程设计所需的全部参数均可算出。反之，在已知设计荷载Q的条件下，利用m表也可求得所需承载索及其他设计参数。

1.4 索道侧型设计

悬索的挠度(无、有荷)及支架高度是决定索道线形和运载重物能否通过线路的主要因素。图 2为支架最低高度计算图。

索道弦线中点高程D由下式给出:

(5)

式中: C为l₀/2处地面高程(m)，；h₁为承载索至吊钩高度(m)；h₂为吊钩至木捆底部高度(m)；h₃为最小离地间隙(m)；f_max为荷重挠度(m)，f_max=Sl₀。

支架高度(H₁，H₂)计算:

(6)

(7)

式中：A，B分别为下支点、上支点地面高程(m)。

2 设计实例

某间伐伐区为一面坡地形，经测量，纵向顺坡长度100 m，坡度10°，横向平均长度(两侧)80 m，坡下有20世纪80年代废弃平车道。工班除现有1条长150 m、ϕ 13钢丝绳和1条长300 m、ϕ 8钢丝绳以及1台JSX2-0.8绞盘机外，无其他机械设备，按现有条件设计间伐索道，短期内满足木材生产要求。

2.1 索系选择

根据现有条件，对表 1索系进行选择。因地形关系以及配套机械设备的原因，排除了对Ⅲ13，Ⅲ43索系的选择；Ⅰ03索系因技术不成熟，也排除之外。对于Ⅱ03，Ⅱ13索系，经比较分析认为，2种索道索系投入成本相当，但后者无须人力抬升木捆起重和卸重，因而有可能提高单车载量及减轻劳动强度，提高工效。分析结果选用Ⅱ13型索道及其配置，该索道JP双轮增力跑车结构，如图 3所示。跑车具有2个行走轮，以SBL/2摆线针轮链滑车为起重增力机构，结构简单、安装容易、几何尺寸小、质量轻，且均可市购。链滑车技术参数列于表 2(张俊义，2005)。行走轮重量25 N，行轮下槽至吊钩高度150 mm。JP双轮增力跑车总高度为355 mm，总重量140 N，远小于K₂-2，YP₁-A遥控跑车，实为一种理想的间伐集材跑车。根据载荷需要也可设计成JP单轮增力跑车，相应载荷减半。

2.2 设计计算

现据已知条件，取S=0.035，设承载索拉力安全系数K=2.75。查“集中荷重承载索取值表”，有m=7.03，β=1.018，S₀=0.03。

由公式(1)得: Q=4 169 N。

由公式(3)得: T_max=31 490 N。

由公式(4)得: T₀=3 311 N。

且算得: L₀=103.3 m，库存钢丝绳够长。

轮压比验算:

(8)

式中: V为轮压，，其中n为跑车轮数，n=2，本例V =4 169 N/2=2 085 N。则有C=15.1，满足C=15~20的轮压要求。由公式(5)~(7)算得支架高H₁=H₂=5.2 m。

3 索道安装及拆转技术

间伐集材索道安装与拆转应遵从《林用架空索道架设拆转技术规范》 (LY/T 1169—1995)。针对人工林间伐集材伐区的特点，对索道的支架设置、承载索的锚固以及闭式牵引索的拆转等进行探讨。

3.1 钢管支架技术

人工林间伐伐区无高大活立木可做上、下支点支架，这是人工林的现实。根据以上的设计计算，上下支架最小高度应为H=5.2 m，即必须在上、下支点处找相应活立木在5.2 m高度上悬挂承载索托索轮。在人工林间伐区内，这种高大活立木是难寻的，是间伐索道架设的难点。将缆索起重机利用钢管的刚性做高支架的技术引入间伐集材索道，钢管支架计算如下。

设支架两侧承载索水平夹角β=13°，由前面设计计算知，T_max =31 490 N(图 4)，则支架垂直力为:

(9)

据文献(王新铭，2007)，152×8×8 000钢管桅杆的垂直起重量为30 kN，以此类推，121×4×5 500钢管应能承受14 kN的垂直载荷，且单根钢管重仅635 N，便于搬运。

钢管的上、下端可焊上环扣，以方便悬挂滑轮、托索轮，还可按每节3 m、用法兰盘和高强螺栓连接成不同长度，以适应不同的支架高需要。钢管的安装可选择相对高大的立木做依靠，用粗铁线捆扎牢靠、或设绷索缆系。

3.2 承载索锚固技术

根据文献(王新铭，2007)，本设计T_max=31 490 N，应至少在承载索拉力方向选择2根胸径大于20 cm的立木以串锚的方式进行承载索锚固。若间伐区立木胸径较小，则应在两侧再增加辅助锚索，形成群锚。立木锚固的好处是施工简便，立木还可兼挂转向滑轮，伐区转移时，承载索可完整回收，拆卸快捷。只有在不得已的情况下，才采用卧桩。

3.3 闭式牵引索安装“余长免接法”技术

在以往工程实践中，牵引索的长度是为集材索道量身定做的，这样才能保证摩擦卷筒松边具有不打滑张力。但是，由于伐区坡长不一，这就需要多条长短不一的牵引索，否则，会导致因牵引索过短而浪费，牵引索过长，须多设张紧滑轮，费时费工，或斩断余长浪费钢索。在总结经验的基础上，提出用“余长免接法”技术解决这个问题。根据是:集材跑车在集材线路上做往复运行，由索道理论知，每条承载索上、下支点附近10~15 m左右均设计为“防磨段”，在跑车的左右两侧牵引索端多留15 m的余长，绕成绳圈卡在牵引索上，由于跑车运行不进入“防磨段”，跑车两端的绳圈不会进入上、下支架转向滑车，而影响跑车运行。此余长值是按经验在伐区平均坡长集材条件下的牵引索长基础上取的，因此将来遇到长坡集材时，则将余长放出若干，遇到短于平均坡长时，则将过长的牵引索绕进绳圈，由此解决因牵引索长短引起的安装、拆卸难题。图 5示出这种牵引索在Ⅱ13索道上的应用。基于同一道理，也可以在Ⅲ13型K₂-2增力集材索道上应用。

“余长免接法”技术还可应用于Ⅲ43型遥控跑车集材索道，此时，牵引索的绳头应安排在空侧，大体与跑车侧反对应位置，即跑车距上支点15 m处，绳头则应在同一侧牵引索距下支点转向滑车15 m处。对于遥控跑车，“余长免接法”技术还可免去闭式牵引索长接的工序环节，节省工时和材料。一条ϕ 8 mm牵引索长接将耗去2个熟练工人半天时间，占用近9 m长钢索。

4 间伐集材索道生产性试验分析

自20世纪90年代SJ-0.4/2轻型人工林集材索道及其机械系统问世以来，现已发展成YP-0.5, YP-1, YP-2轻型遥控跑车系列，研发了JSX2-0.4, JSX2-0.8及JS3-1.5, JS3-2, JSD3-2系列绞盘机(冯建祥等，1991；1997；1998；罗才英，2010)，在福建、江西2省10余家生产单位推广应用，其中在南平市王台采育场、明溪县雪峰林场、永定县金丰林场、建瓯市叶坑采育场和江西省瑞昌市青山林场进行了不同规模的人工林间伐集材索道生产试验，并有一定的试验数据，有些单位形成了报告或论文(简本华，2003；冯建祥等，1991；1997)。

在以上生产性试验中，采用的索系类型有Ⅲ13型K₂-2增力跑车索道、Ⅲ43型SJ-0.4/2遥控跑车索道、Ⅱ03和Ⅲ03 JP单挂轮跑车索道。综合试验结果如下。

1) Ⅲ13型K₂-2增力跑车索道、Ⅲ43型SJ-0.4/2遥控跑车索道，单车载量较大、台班生产率高，适于水平距200~500 m、集材量较大的长坡伐区集材；但索道要求净空高较大(6~8 m)，架设难度较大，尤以Ⅲ13 K₂-2跑车索道、索系复杂，Ⅲ43型SJ-0.4/2遥控跑车索道，则跑车造价昂贵、故障较多，但索道线路简单，在线路运行中，该索道实际上属于Ⅱ43型索系。以上索道逆坡集材每工每天达1.8~4.0 m³，逆坡集材效益显著。索道单车载重0.5~0.7 m³。伐区平均集材量120~200 m³。

2) Ⅱ03，Ⅲ03JP单挂轮跑车索道，对伐区索道净空要求不高(仅3~5 m左右)，适于短距离(水平距＜100 m)、集材量＜100 m³的伐区集材。索系最简单，甚至无须专门勘测设计即可快速安装拆卸，其单车载重0.15~0.3 m³，台班产量可达10~20 m³(冯建祥等，1998)；但这类索道工人劳动强度较大(须用人力抬升木捆装车和卸车)。

3) Ⅱ13索道应用特点与Ⅱ03索道相同，但它具有起重功能，可降低工人的劳动强度，提高生产率。

4) 上述索道集材生产率一般比手工劳动提高50%~200%，生产成本降低20%~50%。

5) 利用上述各索系索道集材对林区保留木及幼树几乎无损伤、对地表无破坏、不易造成水土流失，能最大限度地保护伐区内的幼苗、幼树及保留木，有利于保护森林生态环境，生态效益显著提高。

5 结束语

人工林间伐集材应结合当地经济发展水平，因林制宜、因地制宜。应以索道为主结合其他辅助作业(如手工搬运、溜山、小板车集运、便携式绞盘机林内小集中等)。在集材前应先作伐区工艺设计，比较多种技术方案，选出优者，其中最重要的指标应为生产成本优于手工作业，同时具有保护生态、文明生产的优势。一般而言，以索道为主的人工林间伐集材生产方式，比以手工作业为主生产方式生产效率高、生产成本低，同时保护林木、水土的生态效益，减轻劳动强度的社会效益。

就人工林间伐集材索道而言，我国在这方面尚处于探索阶段，技术上远不如主伐集材索道成熟。今后应加强对“少、小、灵”型索系及其机械配置的研发，开发类似JP双(单)轮增力起重跑车索道，索系结构简单，能够进行顺、逆坡集材，又具有起重提升能力的多功能索道系统。同时，应加强对工程技术人员和生产工人进行包括“许用荷重法”设计在内的索道理论培训，钢管支架、承载索多点锚固和牵引索“余长免接法”安装和拆转技术培训；增强包括对便携式绞盘机、集木搭钩、提木手钳、拖木靴等辅助机具的使用技能培训。打造一支既有一定理论基础、又有熟练技能的索道专业队伍，通过努力必能将我国人工林间伐集材索道技术提高到一个新的阶段。