城市軌道交通大直徑隧道清洗車應用探索與研究

喬勇杰，耿文超，邵華 ，徐明利，張振生

（北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100071）

1 緒論

地鐵隧道清洗車組用于完成地鐵隧道內地面、地下區間、車站、車輛段場內等處，對軌道、道床、扣件及隧道的沖洗。根據不同清洗區域的實際情況，清洗水路分片獨立控制，清洗用水壓力及流量可調。該產品利用晚間地鐵列車停運間隙，以5～10km/h的速度在行進中進行水清洗作業（不帶電），該產品具有作業效率高、清洗效果好和勞動強度低的優點。隧道清洗車采用水壓控制系統調節噴嘴入口處的壓力，水流通過噴嘴射出，對隧道壁、軌道、道床、扣件等進行壓力清洗及霧化降塵。

1.1 背景和意義

隨著社會的發展，城市人口逐漸上升，地鐵作為緩解地面交通擁堵的最佳工具，已成為現代城市交通的重要組成部分。與其他交通工具相比，地鐵除了空間利用率高外，還有單次運送人數多、速度快、能源消耗少等很多優點，使市民對生活環境質量和時間速度的需求得到滿足。

隨著地鐵運行的時間增長，地鐵遂道內殘留的垃圾、粉塵等污染物也越來越多。如果長時間不清理，就會在隧道內部積聚大量的污垢。如圖1所示，為道床、隧道壁及內部管道上積聚了大量的粉塵污垢。隧道粉塵污染物主要分為內部和外部兩個來源：內部主要為車輪與軌道磨損產生的細小鐵屑顆粒；外部主要為大氣污染物經通風口進入地鐵隧道內部。這些粉塵污染物不僅降低了地鐵隧道內的運行環境質量，還可能會影響隧道內部電氣設備的正常使用，關鍵是還會對地鐵的運行安全構成威脅。

圖1 地鐵隧道內部積聚的粉塵污垢

1.2 目前研究現狀

目前，地鐵隧道清潔技術國內外相比有一定差距，國外起步較早，技術發展成熟，濕式和干式清潔技術運用廣泛。隨著國內地鐵的大量建造，地鐵隧道清潔技術有了大幅提升，已有大量的濕式清潔設備投入使用，但是干式清潔技術發展有限，只有少量設備投入使用。

在國外，德國斯沃林公司研究制造的公鐵兩用隧道清潔車可以對公路及鐵路進行隧道清潔，如圖2所示。該清潔車包含有水清潔和壓縮空氣清潔兩種不同的清潔系統。水清潔系統主要清理隧道壁，吸塵系統將道床上的污染物吸起，并收集到垃圾箱中。該清潔車具有以下優點：使用范圍廣，可以清潔公路及鐵路隧道；自帶動力，無須配備其他輔助裝置；相比人工清洗，可以大大提高工作效率。但是，該清潔車也有一定的缺陷，設備造價昂貴，結構復雜，維修保養困難，特別是采用真空吸塵裝置，對其密封性能要求較高。

圖2 德國地鐵隧道清潔車

緊跟時代的腳步，特殊設備供應商Sch?ling開發了自行式真空吸塵的清潔車，并為其配備了智能傳感器技術，在清潔過程中，會不斷掃描隧道，使清潔車能在隧道中及早發現信號裝置、配電箱或其他障礙物，從而可以避開障礙進行清潔。如圖3所示，該清潔車的吸塵罩為軟管連接，可以自由伸縮，在進行工作時可以將各個清潔軟管移至軌道、道床和隧道壁附近，進行近距離清洗作業。

圖3 Sch?ling開發的自行式真空吸塵清潔車

該車優點為：采用真空吸塵的原理制造，做到了無水清潔，可以極大地避免水資源的浪費；采用智能傳感技術，自動化程度高，可以最大限度地減少人力的使用；吹吸裝置通過軟管移動至清潔部位，進行近距離作業，清潔效果好。但是，該車也具有一定的缺陷：由于采用智能傳感技術，其需要配備大量的傳感器，導致該車成本大大增加；吹吸裝置的移動需要增加相應機構，導致該車結構復雜；吸氣裝置對密封性要求較高。總之，雖然該車做到了無水清潔，自動化程度高，清潔效果好，但是密封要求高，結構復雜，成本高，導致該車實用性較低，無法普及。隨著國內地鐵清潔的需求增加，地鐵清潔技術有了大幅提升。國內已經可以生產出不同類型的清潔車，包括PTCV型（Push-pull Tunnel Cleaning Vehicle，PTCV）隧道吹吸式清潔車、TSV型（Tunnel Spray Vehicle，TSV）隧道清洗車及TCV型（Tunnel Cleaning Vehicle，TCV）隧道吸塵清洗車。

PTCV型隧道吹吸式清潔車如圖4所示，用于隧道內道床、軌道和隧道壁的清潔，該車采用高壓風吹掃、真空風機吸塵、除塵器降塵的方式實現隧道清潔，是干式清潔車的一種，可應用于環境溫度低和缺少水資源的環境使用。該車優缺點為：無水清潔，可以節省水資源；對于隧道壁有較好的清潔效果，但是，由于道床和軌道的結構部件多，存在清除死角，氣流吹掃清潔效果較差；采用真空吸塵和除塵器降塵可以最大限度地避免二次污染，但同時也使該車密封要求更高，結構復雜，成本增加。

圖4 PTCV型隧道吹吸式清潔

TSV型隧道清洗車如圖5所示，是專為地鐵線路清潔而設計制造的專用車輛，該車采用高壓水沖洗的工作方式來清潔地鐵隧道，是濕式清潔車的一種。該車優缺點為：水沖洗設備簡單，易操作；高壓水具有較大的能量，可以輕易地將污垢清除；對于近距離的軌道和道床，高壓水具有較好的清洗效果且功耗小，但是，對于遠距離的隧道壁，清洗效果較差，而且需要較大的功耗；由于隧道壁安裝有電線電纜、信號線、信號燈和控制箱等，其絕緣性能較低，因此，很多情況下，不允許對隧道壁面進行直接水沖洗或防護后沖洗，增加了壁面清潔難度，導致隧道內粉塵清除不徹底，而且水沖洗不僅會使隧道內部電氣設備的絕緣性降低，還會導致隧道空間的濕度增加，造成安全隱患；水沖洗后有很大一部分顆粒處于浮空狀態，沒有后續裝置予以清除，會造成二次污染。

圖5 TSV型隧道清洗車

TCV型隧道吸塵清洗車如圖6所示，是一種新型清潔地鐵隧道的專用車輛，采用毛刷滾刷、高壓水沖洗、真空吸污等多種作業方式相結合的多功能隧道清潔車。其功能包括：高壓水清潔隧道壁下部及死角；毛刷滾刷清掃道床；真空回收道床及排水溝的污染物；定點將污染物排放在垃圾箱內等。該車優缺點為：高壓水沖洗隧道下部及死角，可以避免對電氣設備的直接作用，減小安全隱患，同時具有較好的清洗效果；對于道床采用刷掃和吸污結合的方式清潔，可以清潔各種不同的污染物，例如，粉塵、塑料和紙張等，同時將污染物吸收，避免二次污染，但需要在有限空間的清潔車上騰出一定空間盛放污染物，使該車體積增大；該清潔車沒有裝置清除隧道上部的污垢，隧道整體清潔效果不好；功能復雜多樣，導致清潔車的結構復雜，成本也相應增加。

圖6 TCV型隧道吸塵清洗車

綜上所述，所有的地鐵運營公司都需要經常保持地鐵隧道的清潔，運營的地鐵線路都會定期進行隧道內的大型清潔。傳統的方法是人工手持鐵鏟、掃把等簡單工具進行保潔。不僅工作條件差而且周期長，質量也難以保障。傳統的人工清潔方法已經不能滿足現在地鐵發展的需求，因此，需要開發新型現代化設備滿足地鐵隧道的保潔工作。

具有專利技術的新型地鐵隧道清洗車就應運而生，可對地鐵隧道內軌道、道床、扣件、排水溝及整個隧道壁面進行自動化沖洗清潔，大大提高了作業效率及清洗效果，大幅度降低了地鐵隧道污染給車輛運行造成的危害，以保證地鐵線路的正常運行，滿足廣大人民群眾每天工作、出行的日常需要。由于擁有現代化技術的地鐵隧道清洗車高效、徹底地對地鐵隧道的清潔，大大降低了地鐵隧道的污染及事故的發生，減小了城市地鐵停運及斷電維修維護造成的經濟損失，從而創造了良好的社會效益。

1.3 課題研究內容

（1）隧道清洗車既適合地鐵隧道開通前開荒清洗，又適合開通后的日常維護保養清洗，可完成隧道壁面清洗、軌道及道床清洗、扣件清洗、隧道噴霧降塵及空氣凈化。（2）隧道清洗車清洗分高、低壓清洗系統，高、低壓系統各自獨立，系統水壓、流量可方便進行調節，工作壓力穩定。（3）根據隧道實際的清潔狀態選擇不同的清洗功能，從而提高作業效率、節約清洗成本。（4）隧道壁及道床清洗分片控制，可避開不需或不能清洗的區域。（5）車下清洗帶射燈和攝像監控設備，很方便地實時觀察車下各清洗裝置的運行狀況和車下的作業效果。（6）配備手持高、低壓水槍，使用靈活方便，清洗無盲區、無死角。（7）針對不同部位和附著污物的特點，匹配不同孔徑、角度的噴嘴，從而合理利用水源并且提高清洗效果。（8）暫停清洗時，水壓系統低壓卸荷，減小了能量損失，而且節約用水。（9）高、低壓系統中各清洗裝置采用模塊化設計，安裝、調整、維護方便。（10）設備采用不銹鋼管道和水罐防腐能力強，管路設置進出水過濾，故障少，泵站及閥件壽命高。（11）發電機組滿足歐洲StageⅢA排放標準，降低了作業時隧道內的噪音和尾氣排放。（12）采用變頻控制技術實現了水泵的無級調壓、調流量。（13）接地系統可靠、安全，確保清洗設備和作業人員的安全。（14）水罐清潔用水可采用自來水接頭或消防接頭兩種上水方式。管路系統中設置了多處放水閥，可有效排出系統管路中的殘留剩水，避免冬季凍裂管道、閥件及設備。

2 隧道清洗車的組成和原理

清洗車主要提供隧道清洗，霧化降塵作業。其結構包括高壓清洗系統、低壓清洗系統、高低壓泵站、發電機組、控制室、23方水罐、視頻監控系統等如圖7。

圖7

2.1 軌道平車

PC-40型隧道清洗車主要由主車架、轉向架、制動系統、車鉤裝置及其他附件等組成，PC-40型隧道清洗車的主車架采用中梁承載結構，具有足夠的強度和剛度；走行部采用兩軸焊接式轉向架結構，采用心盤集中承載，車軸軸承箱采用導框定位方式。PC-40型隧道清洗車具有良好的運行穩定性、平穩性和動強度；制動性能可靠，控制靈活、靈敏度高，維護工作量小；操作維修方便，安全防護設施齊全。PC-40型隧道清洗車主要用于地鐵隧道沖洗，是地鐵維修保養理想的運載工具。

2.2 高壓清洗原理

高壓清洗系統技術參數。高壓泵：額定功率：55kW，流量：183L/min；高壓霧化組：噴嘴數量：頂部9個；左、右兩側各4個；共17個。噴霧形狀：錐形，工作壓力：3～10MPa；高壓道床清洗組：噴嘴數量：25個，噴水形狀：扇形，噴嘴與垂直方向夾角調節檔位：-15°、0°、+15°，工作壓力：10～16MPa；高壓隧道側下壁清洗組：噴嘴數量：4個（左、右各2），噴水形狀：扇形，工作壓力：10～16MPa。高壓清洗系統位于車輛前端，由高壓霧化組、高壓道床清洗組、高壓手持水槍、高壓隧道側下壁清洗組等及其附屬裝置等部件組成，如圖8所示。

圖8 高壓清洗系統

2.3 低壓清洗原理

低壓清洗系統技術參數：低壓泵：額定功率：30kW，流量：170L/min；低壓隧道側下壁清洗組：噴嘴數量：4個（左、右各2），噴水形狀：扇形，工作壓力：5～10MPa ；低壓隧道壁清洗組：工作壓力：5～10MPa；噴霧形狀：扇形；噴嘴數量：25個（頂部11個；左、右兩側各7個）；低壓道床清洗組：噴嘴數量：21個；噴水形狀：扇形；噴嘴與垂直方向夾角調節檔位：-15°、0°、+15°，工作壓力：5～10MPa；高低壓泵站：高低壓泵站主要為高低壓清洗系統和手持水槍作業時提供高壓用水，其結構如圖9～11，主要由底架、外罩、高壓泵組、低壓泵組、吸水泵、空壓機、進出水管道、泵站水槍管路、供劑管路及其控制閥件組成。吸水泵從水罐將清潔用水吸入，通過高壓或低壓泵增壓到工作壓力，再通過分管路分別進入霧化系統、道床清洗組、隧道壁沖洗組、手持水槍等。空壓機為系統控制氣動閥提供額定開啟壓力，保證系統安全。泵站端部設有兩處水槍快換接頭，并設有水槍支架，用于工作人員進行手持水槍清洗操作。

圖9 總體泵站圖

圖10 高壓泵站圖

圖11 低壓泵站圖

2.4 高壓霧化組

高壓霧化組是利用高壓泵將水加壓，經高壓管路送至高壓噴嘴霧化，形成飄飛的水霧。由于水霧顆粒是微米級的，非常細小，表面張力基本上為零，噴灑到空氣中能迅速吸附空氣中的各種大小灰塵顆粒，并沉降到隧道下部，效果如圖12。

圖12 高壓霧化效果

高壓霧化組結構由側噴架、基架、頂噴架、針閥、同軸閥、高壓手持水槍接頭以及相關附屬連接件管路、壓力表、噴嘴等組成。工作壓力3～10MPa，噴霧壓力可自行調節；采用精密加工不銹鋼微霧噴嘴，具有噴霧細、不磨損、壓力損失小的特點；采用不銹鋼管路；噴嘴數量：17；噴射形狀：錐形；保證隧道全斷面的有效覆蓋；在車欄桿側設置水槍快換接頭，方便操作人員使用水槍。

2.5 遠距離手持水槍

高壓手持水槍如用于隧道兩側側壁和局部需要清洗的區域。在車架端部開式平臺上或車下可以方便地對車輛周邊的任意位置進行清洗作業。高壓水槍支座固定在高壓霧化架上，水槍快換接頭在霧化架的兩側，方便人員操作。水槍上的扳機可控制壓力水的供給，實現清洗開關控制。水槍槍桿長1.5m，水槍可遠距離清洗，也可近距離清洗，有效射程達4m（表1）。

表1 手持高壓水槍參數表

3 智能控制和電氣系統簡介

控制臺的主要功能是控制水泵的啟停、噴嘴壓力調節、水位、水壓、高、低壓聯動與非聯動和射燈開關，控制臺面板、控制臺操作界面如圖13所示。

圖13 控制臺操作界面

3.1 系統的組成

隧道清洗車的電氣系統由交流電氣系統和DC24V直流電氣系統組成。DC24V直流電氣系統主要由電源（包括本車蓄電池組和充電發電機）、儀表監視、照明及刮水器、電熱玻璃等輔助裝置控制等組成；交流系統主要由空調、電取暖器等組成。

3.2 控制柜的組成

直流部分電氣保護元件及控制元件以及交流部分電氣保護元件集中安裝于控制柜中。控制柜內部電器件接線端子如圖14所示，各元器件說明如下。

圖14 控制柜接線端子圖

（1）斷路器（從左至右分別為以下設備提供保護）：主電源斷路器，泵站斷路器，24V控制斷路器，接觸器，PLC，繼電器，交換機，監控主機，變頻器。（2）交流、直流、傳感器接線端子。（3）50#線槽、35#DIN導軌。（4）斷路器（從左至右分別為以下設備提供保護）：噴水、雨刷，射燈。

3.3 交流電氣系統

交流電由柴油發電機組提供，控制線路集中安裝于控制室的控制柜中，用電設備有高低壓泵站、電暖器、空調等。

3.4 直流電氣系統

直流電氣系統用電設備的電源通過充電柜提供，控制元件及供電線路集中安裝于控制室的充電柜和控制柜中。直流用電設備有照明燈、雨刷、電熱玻璃、風扇、儀表及各種傳感器等。均采用負極接地方式。

操作臺設置在控制柜上，直流電氣部分的總電源開關安裝于充電柜操作臺上，控制整車直流電源的通斷。

4 實際操作流程設計

4.1 操作流程

地鐵隧道清洗車的操作主要是控制面板的操作，根據現場工況的不同，所有清洗裝置既可分片單獨工作，也可同時一起參與工作，完成隧道水沖洗作業，操作流程及步驟說明如圖15。

圖15

4.2 特別注意事項

（1）整個清洗作業是不帶電水清洗；（2）高壓泵及高壓系統使用不當或不遵守安裝及維護保養規則會造成人員或財物的嚴重損害。使用高壓系統的人員必須具備相當的知識；（3）發電機組相關注意事項見發電機組使用說明書，確保發電機組的正常操作；（4）每期作業前檢查柴油機油箱，將油箱內污垢從放油口清除掉；（5）水泵電機相關注意事項見水泵電機使用說明書，確保水泵電機的正常操作；（6）啟動發電機時，保證發電機外接插座上無負載；（7）清洗完畢后，應盡量清掃干凈地板上的積水，鎖好發電機柜、水泵罩、車棚；（8）在水清洗過程中嚴防人員上下車；（9）電氣控制柜外殼、水泵電機、發電機組等保證可靠接地；（10）未經許可不得私自拆裝電氣元件和線路；（11）作業時，操作室外的操作人員應穿戴作業服、防雨帽、鞋、手套；（12）定期清理水罐上水和出水過濾網，保持水路系統正常工作；（13）不進行水清洗時，運輸過程中鎖好欄桿門、發電機柜和水泵罩的柜門，清理好清洗車；（14）定期對管路系統進行檢查；（15）清洗過程中，注意觀察水位高度，確保水路系統正常工作；（16）溫度低于0℃時，放掉系統中的存水，包括水位計中的存水。

5 維護保養及檢修

5.1 清洗車的整備

車輛啟用前，需要檢查車輛各系統部件的燃油、冷卻液、機油、液壓油等狀態，確保加注適量，并無泄漏等現象。車輛中平車、發電機組、空調、泵等的燃油、冷卻液、機油、液壓油等的加注操作和加注量請參閱其各自說明書。

5.2 清洗車的保養

車輛的使用和保養是不可分割的統一體，保養是為了更好地使用，使用必須注意保養。保養工作關系車輛質量、經濟性能和運用安全。車輛司機應熟悉車輛結構、各部件名稱及工作狀態，掌握車輛易故障的部件和關鍵部件，掌握常見故障現象及檢查方法，正確使用工具，明確職責，牢固樹立愛車思想，以極端負責的態度操縱、保養所使用的車輛。為保證軌道車輛能夠安全、順利地完成作業任務，車輛司機在平時應對車輛進行大量精心的保養工作，掌握規律，總結經驗，確保車輛運用安全。

（1）日常保養。日常保養是在車輛出車前后及行駛中進行的，以清潔、緊固、潤滑為主要內容的預防性檢查工作，以使車輛保持良好的狀態。日常保養的主要項目有：①清潔車身內外、車窗玻璃、電氣設備和底盤各部；②檢查燈光、儀表、刮雨器；③檢查水散熱器、油箱及油管、水管、空氣制動管路密封；④檢查冷卻水、燃油、潤滑油、蓄電池蒸餾水是否充足；⑤檢查各部連接螺栓、連接銷以及防松用的開口銷、保險墊；⑥檢查和調整發空氣機調壓是否正常；⑦檢查軸箱彈簧；⑧檢查踏梯及門扶手和其他輔助扶手的緊固情況；⑨檢查手制動機的工作情況；⑩檢查閘瓦磨損情況，必要時調整閘瓦間隙；每次出車前檢查液壓油箱油量，管路是否松動，起動后，油泵、管路等是否有異響。

（2）定期保養。車輛每行駛2500～3000km或每季度，進行一次定期保養。定期保養是以全面檢查、調整、緊固、潤滑，并排除不正常狀態為內容的檢查工作。除進行日常保養的內容外，應增加以下項目：①柴油發電機組清潔空氣濾清器、空氣壓縮機濾清器；排除風缸、均衡風缸、油水分離器中的積水和油污；②檢查各種皮帶的磨損情況,必要時調整或更換；③檢查主車架、轉向架構架有無裂紋和變形；④檢查油壓減振器的安裝緊固及工作情況；⑤檢查蓄電池的電液比重；⑥檢查車鉤的三態作用及車鉤與車架連接的緊固螺栓；⑦檢查車體是否有銹蝕，油漆是否有脫落，必要時補漆；⑧及時消除所發現的其他故障及不正常現象。

（3）換季保養。結合定期保養，同時，按規定用不同黏度的潤滑油(夏季換用高黏度的潤滑油，冬季換用低黏度的潤滑油)，調整蓄電池的電解液的比重。

5.3 長期不使用的保護

車輛長期停放不用，應做下列工作：（1）放掉冷卻液；（2）清洗空氣濾清器和柴油濾清器等；（3）把空氣濾清器、柴油機排氣管口包扎好，避免潮濕空氣進入缸內；（4）按潤滑圖表進行保養，所有油杯處加注黃油；（5）拆掉蓄電池；（6）柴油發電機組每月要發動一次，進行檢查保養；（7）要把車輛停放在車庫內。

6 結語

隨著我國城市軌道交通的快速發展，地鐵的隧道里程越來越長。地鐵隧道建成和運營中日積月累，在隧道表面以及道床等部位都會產生如泥沙、浮灰、水泥附著物、油污、泥狀的淤積物等污物，不僅影響地鐵內環境美觀、空氣質量，還會影響司機視野的清晰度、降低舒適性，影響隧道日常維護、對行車安全構成嚴重威脅。利用隧道清洗車清潔后，降低運營安全風險的同時增加了舒適度。