一种隧道渣土清理车的设计及应用

何 伦

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510228）

现阶段我国城市地铁、引水隧道、电力隧道大力发展，在地质变化较大、较复杂地段采用盾构施工成为了主流。在盾构隧道施工中，尤其是土压平衡盾构机施工时，在渣土运输过程中散落的渣土较多。这些渣土最终都汇集在隧道的水平运输轨道区间，对隧道造成二次污染影响文明施工，且积累到一定程度时将影响水平运输的安全和其它施工作业。目前国内对盾构隧道安全施工、文明施工要求越来越高。为了满足管理要求，通常在隧道掘进间隙，安排人员进行清理。人工清理存在较多的弊端，因此，需要一种高效、自动化程度高，可以在隧道轨行区间的复杂工况作业的清理设备。

1 隧道渣土清理车的基本原理

隧道渣土清理车主要由隧道渣土收集系统和泥水分离装置两部分组成。渣土收集系统将隧道里的渣土清扫收集并输送到泥水分离装置，再由泥水分离装置将渣土和泥浆分离，泥浆循环使用，渣土箱装满时由机车运至井口后外运，系统工作流程如下图1 所示。

图1 隧道渣土清理车工作流程图

2 隧道渣土清理车的总体设计

隧道渣土清理车的主要组成部分有轨道小车、泥浆箱、渣土箱、泥水分离机、机械臂、清洗头、悬臂、围堰机构等。轨道小车起承载设备和在轨运行的作用，机械臂、围堰机构安装在轨道小车的前侧，渣土箱、泥浆箱和泥水分离机安装在轨道小车上部，机械臂的自由端上装有清洗头能伸入到围堰结构内部，设备具体布置如图2所示。本隧道渣土清理车的设计重点在围堰机构、渣土收集系统和电气控制系统，泥浆分离机、循环泵、机械臂、轨道小车采用现有成熟设备改造而成，本文不再赘述。

图2 隧道渣土清理车配置示意图

2.1 围堰机构的设计

围堰机构包括两片平行布置的围堰板、垂直驱动机构和水平驱动机构。其中一片围堰板通过固定架安装在悬臂前端，另外一片围堰板通过水平移动架安装在悬臂的后端，水平移动架在驱动气缸的作用下，可以沿着悬臂靠近或者远离固定架，以便适应轨枕间距。在调整完围堰板后，通过垂直驱动气缸将围堰板下降并与隧道面密贴。围堰板与隧道底部形成一个临时的围堰区域，可以防止泥浆流失，并能维持一定的浆液深度，以便渣土收集系统能够正常工作。

围堰板包括固定板、折叠板、驱动气缸和橡胶密封条组成，如图3 所示。围堰板与隧道接触的弧形边布置有橡胶密封条，可以减小泥浆流失量。折叠板通过铰接安装在固定板两侧，各折叠板都配置一个驱动气缸，驱动气缸固定端铰接在固定板上，驱动气缸的动作端铰接在折叠板上。折叠板在相应的驱动气缸收缩后，折叠板与固定板形成90°夹角，这样使围堰板横向尺寸小于轨道车轨距，方便围堰板沉入轨道下侧。

图3 围堰板示意图

2.2 渣土收集系统的设计

隧道渣土收集系统主要有机械臂、清扫头、流体循环系统构成（图4）。在机械臂的运动下将清洗头送至隧道需要清洗的部位，通过清洗头的冲刷作用，将渣土混合成流体状态后泵送至泥浆分离机，以达到收集隧道里渣土的目的。

图4 渣土收集系统示意图

清洗头由箱体、清洗刷盘、喷浆管、吸渣管、吸渣泵组成，如图5 所示。清洗头通过四连杆机构安装在机械臂的自由端，且安装有驱动油缸，通过液压缸的动作可以调整清洗头的角度，以适应隧道和轨道区域的空间角度。

图5 清洗头示意图

清洗头内的清洗刷盘将箱体内部空间分成渣浆收集空间和清洗浆流入空间。吸渣口布置在渣浆收集空间内，清洗浆喷出口布置在清洗浆流入空间内，清洗浆喷出口的末端折弯后指向清洗刷盘的刷毛。清洗盘内置驱动马达，可以实现两个刷盘向吸渣口方向旋转。清洗浆喷出口通过送浆管道及泥浆泵和泥浆存放箱连接。渣浆吸口通过渣浆泵及排浆管道与泥浆处理机连接。泥浆处理机的渣土出口与渣土存放箱连通，泥浆处理机的泥浆出口与泥浆存放箱连通。由上述进浆管、排浆管、泥浆泵以及渣浆泵组成流体环流系统。清洗刷盘的刷毛将附着在隧道上的渣土刷下，与喷口喷出的泥浆混合后沿着清洗刷盘的旋转方向流向渣浆收集空间，渣浆泵通过吸渣口将混合流体吸入并泵送到泥浆处理机。

2.3 电气控制系统

隧道渣土清理车的电气系统由PLC 控制系统、动力电源系统组成。在PLC 系统控制下，机械臂、清洗头、围堰板、泥浆处理机、动力源等能够在预设的程序下运行。此外，控制系统可以实现上述各机构的单动和联动作业，以及保护作业人员和各机构的安全。

3 隧道渣土清理车的运行

首先，选定停车地点和调整移动围堰板的位置，以避开隧道轨枕，将围堰板放下并与隧道面压紧，围堰机构与隧道底部形成一个临时的围堰区域。在人员的操作下机械臂将清洗头送至需要清洗的区域。然后，打开流体循环系统，从喷出口喷出浆液，在浆液冲洗和清洗盘的清扫作用下，浆液与隧道里的渣土混合成流体状态。由渣浆泵将混合流体泵送到泥浆分离机。泥浆处理机将泥浆和渣土进行分离，泥浆进入泥浆箱，渣土进入渣土箱。分离出来的泥浆通过送浆管和泥浆泵再次用来冲刷隧道，如此进行循环作业。

4 结语

该隧道清理机自动化程度较高，一个人就可以完成全部作业，操作方便，施工成本低。相对于人工清理隧道，效率得到很大的提升，减少了隧道占用时间。此外，还减少了隧道冲洗用水量，节约水资源。该设备的原型试验机已经在佛山地铁3 号线应用，根据实际应用情况，将对其进一步优化改进，相信该设备能够更好地为隧道建设服务。