地鐵風亭機械式防洪方案研究

白建國 張慶雙

（中鐵北京工程局集團第二工程有限公司，湖南 長沙 410007）

1 防洪方案研究背景

受亞熱帶海洋性季風氣候影響，我國南方地區(qū)一年中大部分時間雨量充沛，雨季明顯。近年來，我國南方地區(qū)部分地鐵在持續(xù)特大暴雨極端天氣的影響下，地面積水嚴重，地鐵低洼地帶發(fā)生了多起洪水倒灌地鐵內(nèi)部的事故，導致站臺和軌行區(qū)被淹，引發(fā)地鐵停運、地鐵設備設施損毀和人員傷亡等事故，社會影響很大。

地鐵被淹問題受到相關(guān)部門高度重視，相關(guān)部門將地鐵防洪作為重點項目，并組織專家和科技人員研究暴雨季節(jié)洪水倒灌地鐵的問題，分析地鐵被淹的成因，提出切實可行的解決方案，防止此類問題的再次發(fā)生，保障地鐵運營安全。

地鐵地面風亭高度普遍設計標高為1m，在正常情況下可防止地面雨水進入地鐵，但在極端天氣的情況下已不能阻擋洪水倒灌地鐵。經(jīng)研究后提出地鐵新線地面矮風亭的標高由原設計標高1m提高到1.5m的解決方案，但該方案需要退讓道路紅線，增加了地鐵在建新線部分站點風亭建設方案的協(xié)調(diào)與報建難度。因此，在滿足地鐵規(guī)范、城市規(guī)劃和城市景觀的要求下，研發(fā)一種機械式防洪裝置能有效滿足極端天氣下城市地鐵防洪的需求，保障地鐵安全運營。

2 地鐵風亭機械結(jié)構(gòu)設計

為了研究地鐵風亭機械防洪裝置，對現(xiàn)有傳統(tǒng)風亭口尺寸進行調(diào)查，地鐵石壁站矮風亭外形尺寸大約為5600mm×3400mm，混凝土厚度為500mm，高度為1000mm。結(jié)合地鐵風亭現(xiàn)狀，需要設計一種機械裝置來替換傳統(tǒng)風亭，起到防洪擋水的作用，防止洪水從風亭口部倒灌進入內(nèi)部。設備平時標高1000mm，工作時設備標高須不小于1500mm。

考慮傳統(tǒng)風亭的空間界限要求，結(jié)合現(xiàn)實需要，初步擬定升降式、翻轉(zhuǎn)式、浮力式3種方案，來實現(xiàn)工作防洪高度1.5m、平時標高1m的功能要求，并通過使用三維軟件對3種方案進行機械結(jié)構(gòu)建模，驗證機械結(jié)構(gòu)的可行性。

2.1 升降式結(jié)構(gòu)設計

升降式防洪風亭（裝置）在裝置內(nèi)部安裝了防洪擋板，平時防洪擋板處于下降狀態(tài)。工作時，升降機構(gòu)將防洪擋板提升到預定高度，防洪板上的密封膠條被殼體壓縮，可以實現(xiàn)密封。升降式風亭主要由混凝土基座、殼體框架、防洪擋板、升降機構(gòu)等零部件組成，其工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 升降式風亭工作狀態(tài)圖

在電機驅(qū)動下，帶動連接軸做旋轉(zhuǎn)運動，兩端的換向器可將旋轉(zhuǎn)運動中心軸的方向改變90°，進而帶動升降機運動，通過其內(nèi)部蝸輪蝸桿機構(gòu)傳動，使升降機上的T型螺母做上下直線運動。而防洪擋板直接安裝在升降機構(gòu)的T型螺母上，當T型螺母在升降機絲桿上做上下移動時，即可實現(xiàn)帶動防洪擋板升降，升降機構(gòu)驅(qū)動防洪擋板升降示意圖如圖2所示。

圖2 升降機構(gòu)驅(qū)動防洪擋板示意圖

當防洪擋板升到位后，防洪擋板上的密封膠條和殼體框架上的嵌壓條相互擠壓，迫使密封膠條壓縮，洪水來臨時，無法從風亭外部進入風亭孔口內(nèi)部，可以實現(xiàn)防水密封。

2.2 翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)設計

翻轉(zhuǎn)式防洪風亭（裝置）在上表面安裝了防洪擋板，平時防洪擋板處于水平狀態(tài)。工作時，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)將防洪擋板翻轉(zhuǎn)90°，防洪擋板上的密封膠條被殼體壓縮，可以實現(xiàn)密封。翻轉(zhuǎn)式風亭主要由混凝土基座、殼體框架、防洪擋板、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、聯(lián)動機構(gòu)等零部件組成，其工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 翻轉(zhuǎn)式風亭工作狀態(tài)圖

在電機驅(qū)動下，帶動連接軸作旋轉(zhuǎn)運動，兩端的換向器可將旋轉(zhuǎn)運動中心軸的方向改變方向°，從而帶動所有換向器旋轉(zhuǎn)，絲桿螺母部件與換向器輸出軸相連，進而絲桿旋轉(zhuǎn)，其上移動螺母做水平方向移動，從而帶動連桿3運動，連桿3進而驅(qū)動滑塊上下運動，進而帶動連桿2旋轉(zhuǎn)，進一步帶動連桿1旋轉(zhuǎn)，連桿1與防洪擋板直接相連，即可按設計軌跡做90°翻轉(zhuǎn)運動。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動防洪擋板翻轉(zhuǎn)90°示意圖如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)原理示意圖

當防洪擋板翻轉(zhuǎn)到位后，兩邊的防洪擋板相互靠近，擠壓側(cè)面的密封膠條，實現(xiàn)側(cè)面密封。殼體框架上沿風亭孔口周向布置一圈密封膠條，防洪擋板下部通過擠壓密封膠條，實現(xiàn)底部密封。這兩個部位的密封使洪水無法從風亭外部進入風亭孔口內(nèi)部。

2.3 浮力式結(jié)構(gòu)設計

浮力式防洪風亭（裝置）在裝置內(nèi)部安裝了防洪擋板，平時防洪擋板處于下降狀態(tài)，水浮力將防洪擋板提升到預定高度，防洪板上的密封膠條被殼體壓縮，可以實現(xiàn)密封。浮力式風亭主要由混凝土基座、殼體框架、防洪擋板、浮力組件等零部件組成，其工作狀態(tài)如圖5所示。

圖5 浮力式風亭工作狀態(tài)圖

當洪水來臨時，水由混凝土基座上的進水口進入浮力設備內(nèi)部，裝置內(nèi)部的水位持續(xù)上升，當達到臨界水位、浮力裝置提供的水浮力足夠托起整個防洪擋板的質(zhì)量時，浮力裝置開始隨著水位的上升而上升，最終達到預定極限位置，當洪水退去時，由于沒有水浮力作用，防洪擋板自動下降到初始位置，其工作原理如圖6所示。

圖6 防洪裝置某一邊局部剖視圖

當防洪擋板升到位后，防洪擋板上的密封膠條和殼體框架相互擠壓，迫使密封膠條壓縮，當洪水來臨時，無法從風亭外部進入風亭孔口內(nèi)部，可以實現(xiàn)防水密封。

3 地鐵風亭機械結(jié)構(gòu)強度分析

機械式防洪風亭在實際工作中會承受靜水壓力和水流沖擊的作用，形成結(jié)構(gòu)靜強度和結(jié)構(gòu)動強度，其殼體框架以及防洪擋板是整個機械結(jié)構(gòu)中主要的受力部件。因此在計算分析時，針對升降式、翻轉(zhuǎn)式、浮力式3種方案的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)靜強度、動強度的殼體框架和防洪擋板進行受力分析。

3.1 升降式強度分析

對升降式防洪風亭來說，殼體框架的外表面和防洪擋板的外表面直接與水接觸或承受水流沖擊，它們是主要的受力結(jié)構(gòu)，其受力模型如圖7所示。

圖7 升降式防洪風亭單側(cè)強度受力模型圖（單位：mm）

升降式防洪風亭的殼體框架 一 般 處 于500mm～1300mm的水深度區(qū)間，框架底部與混凝土基座固連。而防洪擋板則處于0mm～500mm的水深度區(qū)間，下端和升降機構(gòu)固連，簡化為接觸位置固定。殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果見表1。

表1 升降式防洪風亭殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果

3.2 翻轉(zhuǎn)式強度分析

對翻轉(zhuǎn)式防洪風亭來說，殼體框架外表面由于兩側(cè)均受到靜水壓力作用，可以不考慮其強度。殼體框架的內(nèi)表面和防洪擋板的外表面直接與水接觸或承受水流沖擊，它們是主要的受力結(jié)構(gòu)，其受力模型如圖8所示。

圖8 翻轉(zhuǎn)式防洪風亭單側(cè)受力模型圖（單位：mm）

翻轉(zhuǎn)式防洪風亭的殼體框架一般處于500mm～1000mm的水深度區(qū)間，框架底部與混凝土基座固連。而防洪擋板則處于0mm～500mm的水深度區(qū)間，下端為鉸鏈連接狀態(tài)，因此可將鉸接處邊界條件設置為只允許做旋轉(zhuǎn)運動，四邊翻轉(zhuǎn)接觸后，相互支持，可視為一個整體。殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果見表2。

表2 翻轉(zhuǎn)式防洪風亭殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果

3.3 浮力式強度分析

對浮式防洪風亭來說，殼體框架外表面由于兩側(cè)均受到靜水壓力作用，可以不考慮其強度。殼體框架的內(nèi)表面和防洪擋板的外表面直接與水接觸或承受水流沖擊，它們是主要的受力結(jié)構(gòu)，其受力模型如圖9所示。

圖9 浮力式防洪風亭單側(cè)受力模型圖（單位：mm）

浮力式防洪風亭的殼體框架一般處500mm～1300mm的水深度區(qū)間，框架底部與混凝土基座固連。而防洪擋板則處于0mm～500mm的水深度區(qū)間，下端可在導軌滑動上限制接觸位置水平方向位移。殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果見表3。

表3 浮力式防洪風亭殼體框架和防洪擋板的強度分析結(jié)果

4 機械式防洪智能監(jiān)控系統(tǒng)

在地鐵防洪風亭機械結(jié)構(gòu)的基礎上，建立了一套集狀態(tài)監(jiān)測、智慧決策、智能控制的信息化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)風亭防洪裝置由傳統(tǒng)的控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芸啬Ｊ?，助力地鐵運維的數(shù)字化升級。智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示。

由圖10可知，水位監(jiān)測系統(tǒng)由多組并列水位傳感器組成，可以實時采集水位信息；動力系統(tǒng)設置了并列的位置傳感器，可以實時采集防洪擋板位置信息?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)將可接收到的信號傳送給車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)，中央監(jiān)控系統(tǒng)與車站級監(jiān)控系統(tǒng)相互通信，用于監(jiān)測車站及現(xiàn)場情況，IBP盤可以實現(xiàn)對風亭的遠程控制。

圖10 智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

該文對地鐵風亭機械式防洪裝置進行了機械結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)強度分析、智能監(jiān)控系統(tǒng)設計，總結(jié)如下：1）提出了地鐵風亭機械式防洪升降式、翻轉(zhuǎn)式、浮力式3種防洪方案，并通過三維建模軟件對3種方式的機械結(jié)構(gòu)進行了詳細設計，闡述了相關(guān)的升降原理以及密封原理。2）根據(jù)工況特點，選定了地鐵風亭機械式防洪裝置的主要零部件材料；通過有限元分析軟件計算得出，3種風亭主要零部件在靜水結(jié)構(gòu)強度中均滿足要求，升降式、浮力式在水流速度不大于3m/s時，滿足強度要求，翻轉(zhuǎn)式在水流速度不大于4m/s時，滿足強度要求。3）設計了地鐵智能防洪風亭的智能監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了其工作原理。以升降式為例敘述了監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程，可以實現(xiàn)風亭狀態(tài)現(xiàn)場、車站、中央級智能監(jiān)控，并可以通過手動或自動控制，完成風亭的升降操作。4）地鐵智能防洪風亭是防止洪澇風險管控的有效手段，可以顯著提高軌道交通安全性，達到了地鐵風亭通風換氣兼顧韌性防洪的目的，兼具社會效益和經(jīng)濟效益。