城市地鐵智慧防淹系統(tǒng)研究應(yīng)用

胡圣偉,解 峰,范良凱,安泰丞

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510030; 2.南京軍理科技股份有限公司,江蘇 南京 210007）

0 引言

近年來極端暴雨頻發(fā)導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)澇積水嚴(yán)重，這對城市地鐵是一個相當(dāng)重要的考驗(yàn)。2019年武漢地鐵，2020年長沙地鐵、廣州地鐵、青島地鐵及2021年北京地鐵、重慶地鐵、太原地鐵、鄭州地鐵等均發(fā)生城市暴雨后因嚴(yán)重內(nèi)澇積水倒灌地鐵站內(nèi)引起封站現(xiàn)象。地鐵車站遭受水災(zāi)可能會造成地鐵運(yùn)營局部中斷，甚至列車停運(yùn)，造成乘客滯留；短時(shí)間內(nèi)因地鐵倒灌造成地鐵站內(nèi)人員恐慌進(jìn)而引發(fā)擁擠踩踏等事故；站內(nèi)積水不能及時(shí)排出，對站內(nèi)各類電器設(shè)備產(chǎn)生極大的影響，進(jìn)而影響地鐵的安全運(yùn)行，甚至對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。

1 原因分析

1.1 氣候異常

近年來極端超標(biāo)暴雨頻發(fā)、城市盲目擴(kuò)張，水面率下降地表徑流不斷增大[1]，城市排水幾乎全部依靠市政排水管網(wǎng)，發(fā)生暴雨時(shí)瞬時(shí)降雨量超過市政排水管網(wǎng)負(fù)荷導(dǎo)致內(nèi)澇事件時(shí)有發(fā)生。

1.2 規(guī)范薄弱

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]9.5.4要求地下車站出入口、消防專用出入口和無障礙電梯的地面標(biāo)高，應(yīng)高出室外地面300～450 mm，并應(yīng)滿足當(dāng)?shù)胤姥鸵?，?dāng)無法滿足時(shí)，應(yīng)設(shè)防淹閘槽，槽高可根據(jù)當(dāng)?shù)刈罡叻e水位確定。如果槽高是最高水位，那么出入口地面應(yīng)比最高水位低，在周邊的建筑中，形成相對低點(diǎn)。在氣候變化多端、極端暴雨頻現(xiàn)，各地紛紛出現(xiàn)接近或超過歷史最高水位，很容易造成水淹車站。

其次涉及防洪澇規(guī)范《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求地下建筑入口設(shè)置截流溝、工程內(nèi)設(shè)置集水井、增加防淹槽等，這些措施只能應(yīng)對小雨小澇，難以應(yīng)對暴雨大澇。并且部分地鐵車站開通時(shí)周邊小區(qū)、道路還未建設(shè)也無市政排水管網(wǎng)，導(dǎo)致積水無法排放[4-5]。

1.3 設(shè)備落后

城市地鐵的運(yùn)營通常在地下隧道內(nèi)，處于一個相對密閉的空間，與外界的連通主要通過地鐵車站的出入口、站內(nèi)連接通道、風(fēng)井、連通室外軌行區(qū)口部等。因此在發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，洪水易通過這些口部倒灌入地鐵站內(nèi)。面對洪澇災(zāi)害最有效的措施是把積水擋在地鐵站外，現(xiàn)階段本領(lǐng)域常用的防倒灌措施有應(yīng)用防汛沙袋、組合式擋水板進(jìn)行被動防淹處理。但被動防淹往往存在一定的局限性，擋水時(shí)機(jī)判別較難，無法應(yīng)對夜間汛情及突發(fā)汛情，需有一定的反應(yīng)時(shí)間。防洪設(shè)備提前安裝影響行人乘客進(jìn)出（圖1），設(shè)備延后往往由于未能及時(shí)采取措施而造成水淹。且平時(shí)堆放易出問題，影響人員通行，也需有專人值守、多人協(xié)同，工作效率低。

圖1 防洪沙袋

2 智慧防淹措施

應(yīng)對城市暴雨大澇，防止城市地鐵遭受洪水倒灌最有效措施是將雨水擋在工程外。2021年國務(wù)院《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見》、住建部《關(guān)于做好2021年城市排水防澇工作的通知》分別發(fā)文要求加強(qiáng)地鐵防淹能力“地鐵等地下空間出入口采取防倒灌措施”。而沙袋、擋水板顯然不能滿足防汛的需求。因此，急需可以應(yīng)對突發(fā)汛情和夜間暴雨的自動擋水裝置，用于地鐵車站的出入口、站內(nèi)連接通道、風(fēng)井位置處以降低地鐵站遭受雨水倒灌的風(fēng)險(xiǎn)。便于監(jiān)控管理系統(tǒng)的擴(kuò)展，通過現(xiàn)代化的管理模式提高險(xiǎn)情控制的精準(zhǔn)度，降低管理人員的工作難度。

根據(jù)國家圖集《特種門窗二》（17J610-2）自動防洪閘章節(jié)中，全自動防洪閘包含液壓翻板式防洪閘、電動升降式防洪閘、電動懸掛式防洪閘、水動力全自動防洪閘等。該次針對全新防淹設(shè)施水動力全自動防洪閘進(jìn)行分析研究。目前此智慧防淹系統(tǒng)可應(yīng)用于地鐵車站的各出入口、站內(nèi)連接通道、風(fēng)井等?？捎行П苊獬鞘幸蛴晁闉?zāi)倒灌導(dǎo)致地鐵車站被淹，對保障地下空間安全度汛和發(fā)揮工程戰(zhàn)備效益也具有重要意義。

2.1 水動力全自動防洪閘

水動力全自動防洪閘是一種新型防水淹擋水設(shè)備，改變原有相對單一死板的應(yīng)急防汛工作模式，建立一套智能化防汛系統(tǒng)，可有效防止城市地鐵被水淹。該設(shè)施主要由固定在地面上的底座、一端鉸接在底座上另一端可轉(zhuǎn)動的擋水面板和連接兩側(cè)墻端部的止水橡膠軟板組成。無水時(shí)，擋水面板蓋合在底座上，行人可正常通行。當(dāng)發(fā)生洪水內(nèi)澇時(shí)，由于擋水門扇的比重輕于水，基于水的浮力，擋水門扇隨著水位的升高慢慢地向上翻起。水位下降時(shí)，擋水門扇隨著水位的下降慢慢地降低，直到貼合在地面底框上（圖2）。

圖2 工作示意圖

2.2 風(fēng)井防淹裝置

為實(shí)現(xiàn)地下建筑與地面的通風(fēng)換氣，坑道、隧道、地下通道及地下室、防空洞等地下空間，通常設(shè)置連通地下空間與地面的通風(fēng)井，簡稱風(fēng)井。風(fēng)井也可用于逃生與消防。包括自然通風(fēng)井和機(jī)械輔助通風(fēng)井。

風(fēng)井通常包括埋設(shè)下地面以下的地下部分和伸出于地面的井道圍墻。井道圍墻頂部設(shè)有與空氣相通的通風(fēng)窗口。通風(fēng)窗口可以是井道圍墻頂端的水平敞口，也可以是井道圍墻頂部四周設(shè)置的豎向窗口，豎向窗口頂部再設(shè)置水平或傾斜的遮蔽物。風(fēng)井伸出于地面的井道圍墻可以防止低于井道圍墻高度的地面少量積水進(jìn)入通風(fēng)井內(nèi)。由于環(huán)境限制，特別是在城市中，風(fēng)井井道圍墻高度不能太高。當(dāng)?shù)孛嫱蝗怀霈F(xiàn)大量積水，導(dǎo)致積水深度超過井道圍墻高度時(shí)，則會出現(xiàn)地面積水沿風(fēng)井倒灌進(jìn)入地下空間的情況。而現(xiàn)有風(fēng)井的結(jié)構(gòu)均無法防止高位水流倒灌。低風(fēng)井水動力全自動防洪防淹裝置可有效防止地面水流倒灌，確保地下空間安全。

該裝置由底座及四塊水動力防洪擋板所組成，圍繞著風(fēng)井的四周形成一個整體。平時(shí)，該裝置貼合在風(fēng)井上。當(dāng)發(fā)生洪水內(nèi)澇時(shí)圍擋裝置基于水浮力的影響進(jìn)行上浮，圍擋的高度隨著水位的升高而升高，直到高水位時(shí)圍擋完全上?。▓D3），避免洪水通過風(fēng)井處倒灌地鐵車站內(nèi)。

圖3 風(fēng)井防淹示意圖

2.3 智能互聯(lián)

采用便于擴(kuò)展的管理手段，可建立一套智慧防汛云平臺接入地鐵車站系統(tǒng)（圖4），形成集智能擋水、水位監(jiān)測、應(yīng)急警報(bào)、排水監(jiān)測、信息管理等功能為一體的智慧防淹系統(tǒng)。發(fā)生內(nèi)澇時(shí)在移動端及云平臺可收到突發(fā)內(nèi)澇的告警，積水監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)澇水位情況及水位上升曲線，圖像采集實(shí)時(shí)監(jiān)控口部內(nèi)澇信息，便于管理人員更直觀了解及處理突發(fā)內(nèi)澇事件。對面臨的風(fēng)險(xiǎn)可能進(jìn)行識別控制，防患于未然，發(fā)生漏水時(shí)能及時(shí)報(bào)警，方便運(yùn)維人員及時(shí)處理。提高應(yīng)急能力，有效應(yīng)對處置，以最惡劣的氣象條件、最不利的運(yùn)行工況、最困難的處置環(huán)境來預(yù)防水災(zāi)事故。

圖4 智慧防淹系統(tǒng)

（1）智能擋水。水動力全自動防洪閘利用水浮力原理實(shí)現(xiàn)自動啟閉擋水，無需電力驅(qū)動、無需人員值守，滿足建筑口部防淹的需求。

（2）狀態(tài)監(jiān)測。地鐵車站口部安裝積水監(jiān)測終端電子水尺及圖像采集終端，將積水內(nèi)澇信息及圖像采集信息實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心。水位與圖像監(jiān)控主要是對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和內(nèi)澇信息的直觀確認(rèn)，為水動力全自動防洪閘的安全運(yùn)行提供更高層次的安全保障。

（3）應(yīng)急警報(bào)。當(dāng)發(fā)生內(nèi)澇后，通過LED屏和喇叭實(shí)現(xiàn)積水預(yù)警和告知，通過移動終端可下發(fā)防淹信息和告知，盡可能使信息傳達(dá)的延遲降到最低。

（4）排水控制。伴隨內(nèi)澇發(fā)生后，排水智能控制箱定時(shí)輪巡啟動排水泵，對排水泵進(jìn)行狀態(tài)分析和監(jiān)測，確保排水泵處于完好的狀態(tài)。

（5）信息管理。智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)、巡檢信息、設(shè)備運(yùn)維信息等上報(bào)到云系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，優(yōu)化防汛方案，提高防汛資源及人員管理協(xié)作能力。

3 應(yīng)用

目前設(shè)備已在廣州地鐵2號線海珠廣場站A口進(jìn)行安裝使用（圖5）。安裝后模擬發(fā)生洪水內(nèi)澇進(jìn)行試水試驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生內(nèi)澇時(shí)，洪水沿進(jìn)水處流入防洪擋板下方。隨著水位越來越高，防洪擋板感受到水浮力開始工作慢慢地翻起，擋板隨著水位的升高慢慢升高，直到該擋板的擋水最高度600 mm?，F(xiàn)階段的擋水高度有600 mm、900 mm、1 200 mm、1 500 mm，可針對不同的洪澇風(fēng)險(xiǎn)選擇不同擋水高度。該智慧防淹系統(tǒng)已應(yīng)用于地鐵車站的各出入口、站內(nèi)連接通道、風(fēng)井等，可有效避免城市因雨水洪災(zāi)倒灌導(dǎo)致城市地鐵被水淹，降低列車停運(yùn)、電路短路、停電等風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 海珠廣場

4 結(jié)語

僅僅依靠設(shè)備的提升來應(yīng)對洪澇災(zāi)害是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在設(shè)計(jì)時(shí)還需加強(qiáng)對地鐵車站可能發(fā)生的洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估，建立洪澇災(zāi)害的預(yù)警監(jiān)測以及快速應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制。隨著城市地鐵在城市功能中發(fā)揮著越來越大的作用，城市地鐵的安全也越來越被各方所重視，洪澇災(zāi)害等問題也會得到圓滿解決。