城市轨道交通地下区间水位监测的设计方案研究

武翔宇 周杉杉

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510030）

近年来，随着经济水平增长、城市建设发展，各地城市的轨道交通建设运营规模迅速壮大。考虑到有效节约市区用地空间，大多数城市的轨道交通线路均以地下线路敷设为主。然而由于城市建设的快速发展，城市整体排水设施建设尚未完善，外加近些年异常天气频发，多个城市已发生因暴雨导致的城市内涝，使得轨道交通地下区间积水，影响正常运营，给地铁公司的财产造成损失，市民的出行造成不便[1]。针对地下区间的环境监测也引起地铁公司建设及运营部门的重视，提前做好准确的信息预警监测，能为地铁公司、政府部门制定高效精确的防灾救灾应急预案提供前提条件。国务院安委办在2021 年印发的《城市安全风险综合监测预警平台建设指南（试行）》中也提到对轨道交通车站出入口、出入段线、风井等内涝风险进行监测。针对此问题，本文提出针对城市轨道交通地下区间水位监测系统的设计方案，以实现对区间水位的实时监测。

1 地下区间现状分析

轨道交通地下线路主要由地下区间和地下车站组成，地下车站之间通过区间隧道的方式连接起来。两座相邻地下车站之间的隧道称为地下区间，通常采用盾构法施工，区间断面为圆形。地下区间埋深较深，一般在地下十五米至三十米之间，区间隧道也相对封闭，单个区间长度约为一公里左右，通常仅在车站具有与外界连通条件。在线路纵断面设计过程中，考虑列车运行节能效率，相邻两座车站之间的区间断面为凹型结构，有利于列车出站下坡加速，进站上坡减速。地下区间纵断面示意图如图1 所示。

图1 地下区间纵断面示意图

根据轨道交通相关设计规范要求，在区间线路设计过程中，通常会在区间线路纵断面的最低点位置兼顾设计区间排水泵房，泵房内设置排水泵，利用重力作用使进入区间的废水经过排水沟流入区间排水泵房集水坑，由排水泵排出地下区间。区间废水泵房平面示意图如图2 所示。

图2 区间废水泵房平面图

现阶段方案已保证在正常情况下流入区间的废水通过排水泵排出区间。但面对一些特殊情况，如排水沟堵塞、发生内涝或突发性渗水等情况导致进水量超过排水泵最大设计值，则会造成积水堆积，漫过集水坑，流入区间隧道轨道面。外加区间内视线较差，列车司机不一定能够及时观测到区间溢水情况，列车运行期间工作人员无法进入区间进行现场查看，故设置实时的区间水位监测，能再次加大对地铁运营安全的保障。

2 液位传感器选型分析

液位传感器作为水位监测系统中的关键部件，其设备选型的适当将直接影响到整个系统的准确性和可靠性。根据传感方式可将液位传感器归类为接触式和非接触式。电容式液位传感器、光电液位传感器、水浸式液位传感器等属于接触式液位传感器；超声波液位传感器、雷达液位传感器等属于非接触式液位传感器[2]。以下针对常见液位传感器的原理及优缺点进行分析。

光电液位传感器的原理是根据光在不同的两种介质界面反射折射现象实现的。当液体进入传感器透镜时，光线便可折射到液体中，使接收器仅能接收少量或接收不到光源；当无液体进入传感器透镜时，光线便可直接从液面反射回接收器，从而实现对液位情况的探测。该传感器的优点是结构简单、灵敏度高、精度高，并且耐腐蚀耐高温耐高压。但因检测方式与光线有关，不适应在阳光直射情况下，有水汽、水蒸气等环境下使用，容易造成误报。

电容式液位传感器的原理是根据被测液体中电容的变化值实现的。液位的高低变化会导致探测器覆盖面积的变化，覆盖面积引起电容值发生变化。探头与液体容器组成一个电容，当探测器处于空气中，测量到的是一个初始的电容值；当液体注入容器中时，电容值将随探测器被液体覆盖面积的增加而增大。该传感器的优点是结构简单、价格便宜、温度环境稳定性好，缺点是抗干扰能力差，检测精度低于光电式液位传感器。

水浸式液位传感器的原理是根据液体的导电原理，通过电极探测是否有水的存在来进行液位检测。水浸式液位传感器的优点是设计结构合理、操作安装简单、可靠性高，耐腐蚀效果好，检测快速，响应速度快；缺点是使用场所受限，仅可用于导电液体的检测。

超声波液位传感器的原理是根据超声波的传播特性实现液位检测。超声波传播的时间与波源物体表面的距离成正比。根据波源接收到发出超声波的时间差，即可计算出液位，超声波液位计正是利用超声波的这一特点进行测量。超声波液位传感器的优点是不受被测物体颜色或透明度的影响、不受环境影响；缺点是不适用于真空环境、水下环境，受温度影响较大。

雷达液位传感器的原理是根据雷达电磁波经过液面的反射，从而实现液位测量的。当电磁波发出后经过液面反射回来，传感器检测到发射波和反射波的时差，从而计算得出液位高度。被测介质的导电性越好，反射信号的反射效果越好，测量精度越准确。雷达液位传感器的优点是适用于各种恶劣环境，尤其是易爆、易燃、高温、强腐蚀性、粘稠等恶劣测量条件下；缺点为成本较高，安装要求较高。

根据上述液位传感器原理的描述和分析，总结各液位传感器优缺点表如表1 所示。

表1 常用液位传感器对比表

经上述不同类型液位传感器的比选分析，考虑地下区间环境情况及工程环境的实际需求。本次水位监测设计方案主要目的为进行区间水位测量，正常地铁运营情况下区间本身就存在渗水情况，部分自然渗水可通过区间既有的排水沟流入集水坑，无需进行实时监测，仅需考虑漫出轨道面及铁轨面情况下的水位信息。鉴于为固定高度点的水位监测，本次设计方案考虑采用水浸式液位传感器，在节约成本方便实施的前提下，以满足本应用条件的使用需求。

3 水位监测系统设计方案研究

结合区间水位情况分析可知，如水位漫过道床面，则说明此时进水流量已大于区间废水泵房水泵排水量，废水无法及时排出；如高于轨道面，则说明水位漫过轨道面，会与行驶列车的轮轨接触，存在行车安全隐患；如高于轨道面8～10cm，则说明水位会漫过行驶列车转向架走行部，按照轨道交通相关运营要求禁止行车。通过上述分析，考虑在上述三个高度位置设置液位传感器，实现本站调度员对本站区间、线路调度员对全线区间的区间水位实时监测报警功能，液位传感器安装断面示意图如图3 所示。

图3 液位传感器安装断面示意图

城市轨道交通均设置有环境与设备监控系统（简称BAS），用于实现对机电设备（如通风空调、动力照明、给排水、自动扶梯、电梯等）正常运营时的实时监控，并可在火灾时实现火灾联动控制的自动化系统。BAS 系统网络采用分层分布式结构，由PLC 控制设备、各类输入输出模块、现场传感器等设备组成。通常区间最低点废水泵房附近均设置有BAS 模块箱，用于对区间废水泵、区间联络通道门的监控。本次设计考虑新增的液位传感器也设置于区间废水泵附近，仅由BAS 模块箱敷设控制线缆接入水位传感器终端盒即可。接入BAS 系统构成图如图4 所示。

图4 液位传感器安装断面示意图

通过BAS 系统，即可将区间水位信息状态上传至车站/控制中心工作站，一旦传感器探测到水位信息即可通过BAS 报警至调度工作站，运营调度人员可实时掌握报警信息，根据水位高度进行列车调度管理，从而确保行车安全、乘客安全。

为验证上述方案实用性与可靠性，选取某区间安装液位传感器之后进行现场测试，分别上述三个高度位置（高度一：道床面、高度二：轨平面、高度三：高于轨平面10cm）进行模拟实验，测试实验结果数据如表2 所示。

表2 水位监测模拟实验测试数据表

通过上述测试结果表明，上述方案能够准确测出对应高度的水位情况。

4 水位监测系统展望

根据上一节结论，设置液位传感器并接入既有BAS系统后，可实现在远端控制室对于区间水位状态的实时监控，初步实现地下区间的水位监测功能。为确保针对地下区间水位监测的准确性、实时性、可靠性，提出以下几点展望，作为后续的研究方向：

随着物联网、5G 技术的飞速发展，在下一阶段考虑利用新技术提升液位传感器的精确性、可靠性、实用性。研制专用于轨道交通地下区间的液位传感器，考虑到区间内列车运行伴随着剧烈震动，该液位传感器需具备较强的抗震抗干扰性。考虑液位传感器具备无线信息传输等功能，减少区间内通信线缆的敷设，方便施工。

除此之外，考虑从其他途径获取地下区间环境信息。如针对列车新增水位监测功能，研究车头或轮轨加装相关检测设备的可行性，从而实现水位检测。如针对积水漫过轨道面与铁轨接触之后，牵引供电回流情况的影响变化等，研究实现水位检测。如在地下区间废水泵房处安装摄像机，利用人工智能、图像处理技术实现水位识别检测等功能。

除此之外，在整个轨道交通系统设计建设过程中，针对城市内涝导致轨道交通进水的出入段线、车站出入口等位置在前期设计阶段需提升防洪设计标准，加装防淹装置等，从而源头杜绝内涝情况，降低地下区间进水可能。

5 结论

针对城市轨道交通地下区间水位监测设计方案研究，论述上述方案的可行性，能够实现对地下区间水位的实时精准监测，对于城市轨道交通的安全运行具有极其重要的意义。但考虑到地下区间实际环境、列车行驶状况、既有传感器的测量精度、误报率、使用环境等因素，单一的措施并不能完全确保区间水位的精准监测。根据既有条件和技术，提出部分研究思路和展望，建议根据轨道交通既有的自动化系统，结合视频监控技术、传感器技术、列车自动监测技术等综合考虑，提高对整个地下区间的各项环境条件的实时监测，以确保行车安全，提高轨道交通的运营服务质量。