一種隧道渣土清理車的設計及應用

何 倫

（廣東華隧建設集團股份有限公司，廣東 廣州 510228）

現階段我國城市地鐵、引水隧道、電力隧道大力發展，在地質變化較大、較復雜地段采用盾構施工成為了主流。在盾構隧道施工中，尤其是土壓平衡盾構機施工時，在渣土運輸過程中散落的渣土較多。這些渣土最終都匯集在隧道的水平運輸軌道區間，對隧道造成二次污染影響文明施工，且積累到一定程度時將影響水平運輸的安全和其它施工作業。目前國內對盾構隧道安全施工、文明施工要求越來越高。為了滿足管理要求，通常在隧道掘進間隙，安排人員進行清理。人工清理存在較多的弊端，因此，需要一種高效、自動化程度高，可以在隧道軌行區間的復雜工況作業的清理設備。

1 隧道渣土清理車的基本原理

隧道渣土清理車主要由隧道渣土收集系統和泥水分離裝置兩部分組成。渣土收集系統將隧道里的渣土清掃收集并輸送到泥水分離裝置，再由泥水分離裝置將渣土和泥漿分離，泥漿循環使用，渣土箱裝滿時由機車運至井口后外運，系統工作流程如下圖1 所示。

圖1 隧道渣土清理車工作流程圖

2 隧道渣土清理車的總體設計

隧道渣土清理車的主要組成部分有軌道小車、泥漿箱、渣土箱、泥水分離機、機械臂、清洗頭、懸臂、圍堰機構等。軌道小車起承載設備和在軌運行的作用，機械臂、圍堰機構安裝在軌道小車的前側，渣土箱、泥漿箱和泥水分離機安裝在軌道小車上部，機械臂的自由端上裝有清洗頭能伸入到圍堰結構內部，設備具體布置如圖2所示。本隧道渣土清理車的設計重點在圍堰機構、渣土收集系統和電氣控制系統，泥漿分離機、循環泵、機械臂、軌道小車采用現有成熟設備改造而成，本文不再贅述。

圖2 隧道渣土清理車配置示意圖

2.1 圍堰機構的設計

圍堰機構包括兩片平行布置的圍堰板、垂直驅動機構和水平驅動機構。其中一片圍堰板通過固定架安裝在懸臂前端，另外一片圍堰板通過水平移動架安裝在懸臂的后端，水平移動架在驅動氣缸的作用下，可以沿著懸臂靠近或者遠離固定架，以便適應軌枕間距。在調整完圍堰板后，通過垂直驅動氣缸將圍堰板下降并與隧道面密貼。圍堰板與隧道底部形成一個臨時的圍堰區域，可以防止泥漿流失，并能維持一定的漿液深度，以便渣土收集系統能夠正常工作。

圍堰板包括固定板、折疊板、驅動氣缸和橡膠密封條組成，如圖3 所示。圍堰板與隧道接觸的弧形邊布置有橡膠密封條，可以減小泥漿流失量。折疊板通過鉸接安裝在固定板兩側，各折疊板都配置一個驅動氣缸，驅動氣缸固定端鉸接在固定板上，驅動氣缸的動作端鉸接在折疊板上。折疊板在相應的驅動氣缸收縮后，折疊板與固定板形成90°夾角，這樣使圍堰板橫向尺寸小于軌道車軌距，方便圍堰板沉入軌道下側。

圖3 圍堰板示意圖

2.2 渣土收集系統的設計

隧道渣土收集系統主要有機械臂、清掃頭、流體循環系統構成（圖4）。在機械臂的運動下將清洗頭送至隧道需要清洗的部位，通過清洗頭的沖刷作用，將渣土混合成流體狀態后泵送至泥漿分離機，以達到收集隧道里渣土的目的。

圖4 渣土收集系統示意圖

清洗頭由箱體、清洗刷盤、噴漿管、吸渣管、吸渣泵組成，如圖5 所示。清洗頭通過四連桿機構安裝在機械臂的自由端，且安裝有驅動油缸，通過液壓缸的動作可以調整清洗頭的角度，以適應隧道和軌道區域的空間角度。

圖5 清洗頭示意圖

清洗頭內的清洗刷盤將箱體內部空間分成渣漿收集空間和清洗漿流入空間。吸渣口布置在渣漿收集空間內，清洗漿噴出口布置在清洗漿流入空間內，清洗漿噴出口的末端折彎后指向清洗刷盤的刷毛。清洗盤內置驅動馬達，可以實現兩個刷盤向吸渣口方向旋轉。清洗漿噴出口通過送漿管道及泥漿泵和泥漿存放箱連接。渣漿吸口通過渣漿泵及排漿管道與泥漿處理機連接。泥漿處理機的渣土出口與渣土存放箱連通，泥漿處理機的泥漿出口與泥漿存放箱連通。由上述進漿管、排漿管、泥漿泵以及渣漿泵組成流體環流系統。清洗刷盤的刷毛將附著在隧道上的渣土刷下，與噴口噴出的泥漿混合后沿著清洗刷盤的旋轉方向流向渣漿收集空間，渣漿泵通過吸渣口將混合流體吸入并泵送到泥漿處理機。

2.3 電氣控制系統

隧道渣土清理車的電氣系統由PLC 控制系統、動力電源系統組成。在PLC 系統控制下，機械臂、清洗頭、圍堰板、泥漿處理機、動力源等能夠在預設的程序下運行。此外，控制系統可以實現上述各機構的單動和聯動作業，以及保護作業人員和各機構的安全。

3 隧道渣土清理車的運行

首先，選定停車地點和調整移動圍堰板的位置，以避開隧道軌枕，將圍堰板放下并與隧道面壓緊，圍堰機構與隧道底部形成一個臨時的圍堰區域。在人員的操作下機械臂將清洗頭送至需要清洗的區域。然后，打開流體循環系統，從噴出口噴出漿液，在漿液沖洗和清洗盤的清掃作用下，漿液與隧道里的渣土混合成流體狀態。由渣漿泵將混合流體泵送到泥漿分離機。泥漿處理機將泥漿和渣土進行分離，泥漿進入泥漿箱，渣土進入渣土箱。分離出來的泥漿通過送漿管和泥漿泵再次用來沖刷隧道，如此進行循環作業。

4 結語

該隧道清理機自動化程度較高，一個人就可以完成全部作業，操作方便，施工成本低。相對于人工清理隧道，效率得到很大的提升，減少了隧道占用時間。此外，還減少了隧道沖洗用水量，節約水資源。該設備的原型試驗機已經在佛山地鐵3 號線應用，根據實際應用情況，將對其進一步優化改進，相信該設備能夠更好地為隧道建設服務。