城市軌道交通地下區(qū)間水位監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案研究

武翔宇 周杉杉

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510030）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)水平增長、城市建設(shè)發(fā)展，各地城市的軌道交通建設(shè)運(yùn)營規(guī)模迅速壯大?？紤]到有效節(jié)約市區(qū)用地空間，大多數(shù)城市的軌道交通線路均以地下線路敷設(shè)為主。然而由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市整體排水設(shè)施建設(shè)尚未完善，外加近些年異常天氣頻發(fā)，多個(gè)城市已發(fā)生因暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇，使得軌道交通地下區(qū)間積水，影響正常運(yùn)營，給地鐵公司的財(cái)產(chǎn)造成損失，市民的出行造成不便[1]。針對(duì)地下區(qū)間的環(huán)境監(jiān)測(cè)也引起地鐵公司建設(shè)及運(yùn)營部門的重視，提前做好準(zhǔn)確的信息預(yù)警監(jiān)測(cè)，能為地鐵公司、政府部門制定高效精確的防災(zāi)救災(zāi)應(yīng)急預(yù)案提供前提條件。國務(wù)院安委辦在2021 年印發(fā)的《城市安全風(fēng)險(xiǎn)綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)指南（試行）》中也提到對(duì)軌道交通車站出入口、出入段線、風(fēng)井等內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)此問題，本文提出針對(duì)城市軌道交通地下區(qū)間水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)間水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 地下區(qū)間現(xiàn)狀分析

軌道交通地下線路主要由地下區(qū)間和地下車站組成，地下車站之間通過區(qū)間隧道的方式連接起來。兩座相鄰地下車站之間的隧道稱為地下區(qū)間，通常采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間斷面為圓形。地下區(qū)間埋深較深，一般在地下十五米至三十米之間，區(qū)間隧道也相對(duì)封閉，單個(gè)區(qū)間長度約為一公里左右，通常僅在車站具有與外界連通條件。在線路縱斷面設(shè)計(jì)過程中，考慮列車運(yùn)行節(jié)能效率，相鄰兩座車站之間的區(qū)間斷面為凹型結(jié)構(gòu)，有利于列車出站下坡加速，進(jìn)站上坡減速。地下區(qū)間縱斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 地下區(qū)間縱斷面示意圖

根據(jù)軌道交通相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在區(qū)間線路設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)在區(qū)間線路縱斷面的最低點(diǎn)位置兼顧設(shè)計(jì)區(qū)間排水泵房，泵房內(nèi)設(shè)置排水泵，利用重力作用使進(jìn)入?yún)^(qū)間的廢水經(jīng)過排水溝流入?yún)^(qū)間排水泵房集水坑，由排水泵排出地下區(qū)間。區(qū)間廢水泵房平面示意圖如圖2 所示。

圖2 區(qū)間廢水泵房平面圖

現(xiàn)階段方案已保證在正常情況下流入?yún)^(qū)間的廢水通過排水泵排出區(qū)間。但面對(duì)一些特殊情況，如排水溝堵塞、發(fā)生內(nèi)澇或突發(fā)性滲水等情況導(dǎo)致進(jìn)水量超過排水泵最大設(shè)計(jì)值，則會(huì)造成積水堆積，漫過集水坑，流入?yún)^(qū)間隧道軌道面。外加區(qū)間內(nèi)視線較差，列車司機(jī)不一定能夠及時(shí)觀測(cè)到區(qū)間溢水情況，列車運(yùn)行期間工作人員無法進(jìn)入?yún)^(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，故設(shè)置實(shí)時(shí)的區(qū)間水位監(jiān)測(cè)，能再次加大對(duì)地鐵運(yùn)營安全的保障。

2 液位傳感器選型分析

液位傳感器作為水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其設(shè)備選型的適當(dāng)將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)傳感方式可將液位傳感器歸類為接觸式和非接觸式。電容式液位傳感器、光電液位傳感器、水浸式液位傳感器等屬于接觸式液位傳感器；超聲波液位傳感器、雷達(dá)液位傳感器等屬于非接觸式液位傳感器[2]。以下針對(duì)常見液位傳感器的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

光電液位傳感器的原理是根據(jù)光在不同的兩種介質(zhì)界面反射折射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)液體進(jìn)入傳感器透鏡時(shí)，光線便可折射到液體中，使接收器僅能接收少量或接收不到光源；當(dāng)無液體進(jìn)入傳感器透鏡時(shí)，光線便可直接從液面反射回接收器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位情況的探測(cè)。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、精度高，并且耐腐蝕耐高溫耐高壓。但因檢測(cè)方式與光線有關(guān)，不適應(yīng)在陽光直射情況下，有水汽、水蒸氣等環(huán)境下使用，容易造成誤報(bào)。

電容式液位傳感器的原理是根據(jù)被測(cè)液體中電容的變化值實(shí)現(xiàn)的。液位的高低變化會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器覆蓋面積的變化，覆蓋面積引起電容值發(fā)生變化。探頭與液體容器組成一個(gè)電容，當(dāng)探測(cè)器處于空氣中，測(cè)量到的是一個(gè)初始的電容值；當(dāng)液體注入容器中時(shí)，電容值將隨探測(cè)器被液體覆蓋面積的增加而增大。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、溫度環(huán)境穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是抗干擾能力差，檢測(cè)精度低于光電式液位傳感器。

水浸式液位傳感器的原理是根據(jù)液體的導(dǎo)電原理，通過電極探測(cè)是否有水的存在來進(jìn)行液位檢測(cè)。水浸式液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、操作安裝簡單、可靠性高，耐腐蝕效果好，檢測(cè)快速，響應(yīng)速度快；缺點(diǎn)是使用場(chǎng)所受限，僅可用于導(dǎo)電液體的檢測(cè)。

超聲波液位傳感器的原理是根據(jù)超聲波的傳播特性實(shí)現(xiàn)液位檢測(cè)。超聲波傳播的時(shí)間與波源物體表面的距離成正比。根據(jù)波源接收到發(fā)出超聲波的時(shí)間差，即可計(jì)算出液位，超聲波液位計(jì)正是利用超聲波的這一特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。超聲波液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不受被測(cè)物體顏色或透明度的影響、不受環(huán)境影響；缺點(diǎn)是不適用于真空環(huán)境、水下環(huán)境，受溫度影響較大。

雷達(dá)液位傳感器的原理是根據(jù)雷達(dá)電磁波經(jīng)過液面的反射，從而實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的。當(dāng)電磁波發(fā)出后經(jīng)過液面反射回來，傳感器檢測(cè)到發(fā)射波和反射波的時(shí)差，從而計(jì)算得出液位高度。被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性越好，反射信號(hào)的反射效果越好，測(cè)量精度越準(zhǔn)確。雷達(dá)液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)是適用于各種惡劣環(huán)境，尤其是易爆、易燃、高溫、強(qiáng)腐蝕性、粘稠等惡劣測(cè)量條件下；缺點(diǎn)為成本較高，安裝要求較高。

根據(jù)上述液位傳感器原理的描述和分析，總結(jié)各液位傳感器優(yōu)缺點(diǎn)表如表1 所示。

表1 常用液位傳感器對(duì)比表

經(jīng)上述不同類型液位傳感器的比選分析，考慮地下區(qū)間環(huán)境情況及工程環(huán)境的實(shí)際需求。本次水位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案主要目的為進(jìn)行區(qū)間水位測(cè)量，正常地鐵運(yùn)營情況下區(qū)間本身就存在滲水情況，部分自然滲水可通過區(qū)間既有的排水溝流入集水坑，無需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，僅需考慮漫出軌道面及鐵軌面情況下的水位信息。鑒于為固定高度點(diǎn)的水位監(jiān)測(cè)，本次設(shè)計(jì)方案考慮采用水浸式液位傳感器，在節(jié)約成本方便實(shí)施的前提下，以滿足本應(yīng)用條件的使用需求。

3 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

結(jié)合區(qū)間水位情況分析可知，如水位漫過道床面，則說明此時(shí)進(jìn)水流量已大于區(qū)間廢水泵房水泵排水量，廢水無法及時(shí)排出；如高于軌道面，則說明水位漫過軌道面，會(huì)與行駛列車的輪軌接觸，存在行車安全隱患；如高于軌道面8～10cm，則說明水位會(huì)漫過行駛列車轉(zhuǎn)向架走行部，按照軌道交通相關(guān)運(yùn)營要求禁止行車。通過上述分析，考慮在上述三個(gè)高度位置設(shè)置液位傳感器，實(shí)現(xiàn)本站調(diào)度員對(duì)本站區(qū)間、線路調(diào)度員對(duì)全線區(qū)間的區(qū)間水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，液位傳感器安裝斷面示意圖如圖3 所示。

圖3 液位傳感器安裝斷面示意圖

城市軌道交通均設(shè)置有環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱BAS），用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備（如通風(fēng)空調(diào)、動(dòng)力照明、給排水、自動(dòng)扶梯、電梯等）正常運(yùn)營時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可在火災(zāi)時(shí)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。BAS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由PLC 控制設(shè)備、各類輸入輸出模塊、現(xiàn)場(chǎng)傳感器等設(shè)備組成。通常區(qū)間最低點(diǎn)廢水泵房附近均設(shè)置有BAS 模塊箱，用于對(duì)區(qū)間廢水泵、區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道門的監(jiān)控。本次設(shè)計(jì)考慮新增的液位傳感器也設(shè)置于區(qū)間廢水泵附近，僅由BAS 模塊箱敷設(shè)控制線纜接入水位傳感器終端盒即可。接入BAS 系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖4 所示。

圖4 液位傳感器安裝斷面示意圖

通過BAS 系統(tǒng)，即可將區(qū)間水位信息狀態(tài)上傳至車站/控制中心工作站，一旦傳感器探測(cè)到水位信息即可通過BAS 報(bào)警至調(diào)度工作站，運(yùn)營調(diào)度人員可實(shí)時(shí)掌握?qǐng)?bào)警信息，根據(jù)水位高度進(jìn)行列車調(diào)度管理，從而確保行車安全、乘客安全。

為驗(yàn)證上述方案實(shí)用性與可靠性，選取某區(qū)間安裝液位傳感器之后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分別上述三個(gè)高度位置（高度一：道床面、高度二：軌平面、高度三：高于軌平面10cm）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 水位監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過上述測(cè)試結(jié)果表明，上述方案能夠準(zhǔn)確測(cè)出對(duì)應(yīng)高度的水位情況。

4 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展望

根據(jù)上一節(jié)結(jié)論，設(shè)置液位傳感器并接入既有BAS系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端控制室對(duì)于區(qū)間水位狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，初步實(shí)現(xiàn)地下區(qū)間的水位監(jiān)測(cè)功能。為確保針對(duì)地下區(qū)間水位監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性，提出以下幾點(diǎn)展望，作為后續(xù)的研究方向：

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)的飛速發(fā)展，在下一階段考慮利用新技術(shù)提升液位傳感器的精確性、可靠性、實(shí)用性。研制專用于軌道交通地下區(qū)間的液位傳感器，考慮到區(qū)間內(nèi)列車運(yùn)行伴隨著劇烈震動(dòng)，該液位傳感器需具備較強(qiáng)的抗震抗干擾性?？紤]液位傳感器具備無線信息傳輸?shù)裙δ埽瑴p少區(qū)間內(nèi)通信線纜的敷設(shè)，方便施工。

除此之外，考慮從其他途徑獲取地下區(qū)間環(huán)境信息。如針對(duì)列車新增水位監(jiān)測(cè)功能，研究車頭或輪軌加裝相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的可行性，從而實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)。如針對(duì)積水漫過軌道面與鐵軌接觸之后，牽引供電回流情況的影響變化等，研究實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)。如在地下區(qū)間廢水泵房處安裝攝像機(jī)，利用人工智能、圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)水位識(shí)別檢測(cè)等功能。

除此之外，在整個(gè)軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，針對(duì)城市內(nèi)澇導(dǎo)致軌道交通進(jìn)水的出入段線、車站出入口等位置在前期設(shè)計(jì)階段需提升防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加裝防淹裝置等，從而源頭杜絕內(nèi)澇情況，降低地下區(qū)間進(jìn)水可能。

5 結(jié)論

針對(duì)城市軌道交通地下區(qū)間水位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案研究，論述上述方案的可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下區(qū)間水位的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)于城市軌道交通的安全運(yùn)行具有極其重要的意義。但考慮到地下區(qū)間實(shí)際環(huán)境、列車行駛狀況、既有傳感器的測(cè)量精度、誤報(bào)率、使用環(huán)境等因素，單一的措施并不能完全確保區(qū)間水位的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。根據(jù)既有條件和技術(shù)，提出部分研究思路和展望，建議根據(jù)軌道交通既有的自動(dòng)化系統(tǒng)，結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、列車自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等綜合考慮，提高對(duì)整個(gè)地下區(qū)間的各項(xiàng)環(huán)境條件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保行車安全，提高軌道交通的運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。