城市地铁智慧防淹系统研究应用

胡圣伟,解 峰,范良凯,安泰丞

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510030; 2.南京军理科技股份有限公司,江苏 南京 210007）

0 引言

近年来极端暴雨频发导致城区内涝积水严重，这对城市地铁是一个相当重要的考验。2019年武汉地铁，2020年长沙地铁、广州地铁、青岛地铁及2021年北京地铁、重庆地铁、太原地铁、郑州地铁等均发生城市暴雨后因严重内涝积水倒灌地铁站内引起封站现象。地铁车站遭受水灾可能会造成地铁运营局部中断，甚至列车停运，造成乘客滞留；短时间内因地铁倒灌造成地铁站内人员恐慌进而引发拥挤踩踏等事故；站内积水不能及时排出，对站内各类电器设备产生极大的影响，进而影响地铁的安全运行，甚至对人们的生命财产安全构成极大威胁。

1 原因分析

1.1 气候异常

近年来极端超标暴雨频发、城市盲目扩张，水面率下降地表径流不断增大[1]，城市排水几乎全部依靠市政排水管网，发生暴雨时瞬时降雨量超过市政排水管网负荷导致内涝事件时有发生。

1.2 规范薄弱

《地铁设计规范》[2]9.5.4要求地下车站出入口、消防专用出入口和无障碍电梯的地面标高，应高出室外地面300～450 mm，并应满足当地防淹要求，当无法满足时，应设防淹闸槽，槽高可根据当地最高积水位确定。如果槽高是最高水位，那么出入口地面应比最高水位低，在周边的建筑中，形成相对低点。在气候变化多端、极端暴雨频现，各地纷纷出现接近或超过历史最高水位，很容易造成水淹车站。

其次涉及防洪涝规范《地铁设计规范》《人民防空地下室设计规范》[3]要求地下建筑入口设置截流沟、工程内设置集水井、增加防淹槽等，这些措施只能应对小雨小涝，难以应对暴雨大涝。并且部分地铁车站开通时周边小区、道路还未建设也无市政排水管网，导致积水无法排放[4-5]。

1.3 设备落后

城市地铁的运营通常在地下隧道内，处于一个相对密闭的空间，与外界的连通主要通过地铁车站的出入口、站内连接通道、风井、连通室外轨行区口部等。因此在发生洪涝灾害时，洪水易通过这些口部倒灌入地铁站内。面对洪涝灾害最有效的措施是把积水挡在地铁站外，现阶段本领域常用的防倒灌措施有应用防汛沙袋、组合式挡水板进行被动防淹处理。但被动防淹往往存在一定的局限性，挡水时机判别较难，无法应对夜间汛情及突发汛情，需有一定的反应时间。防洪设备提前安装影响行人乘客进出（图1），设备延后往往由于未能及时采取措施而造成水淹。且平时堆放易出问题，影响人员通行，也需有专人值守、多人协同，工作效率低。

图1 防洪沙袋

2 智慧防淹措施

应对城市暴雨大涝，防止城市地铁遭受洪水倒灌最有效措施是将雨水挡在工程外。2021年国务院《关于加强城市内涝治理的实施意见》、住建部《关于做好2021年城市排水防涝工作的通知》分别发文要求加强地铁防淹能力“地铁等地下空间出入口采取防倒灌措施”。而沙袋、挡水板显然不能满足防汛的需求。因此，急需可以应对突发汛情和夜间暴雨的自动挡水装置，用于地铁车站的出入口、站内连接通道、风井位置处以降低地铁站遭受雨水倒灌的风险。便于监控管理系统的扩展，通过现代化的管理模式提高险情控制的精准度，降低管理人员的工作难度。

根据国家图集《特种门窗二》（17J610-2）自动防洪闸章节中，全自动防洪闸包含液压翻板式防洪闸、电动升降式防洪闸、电动悬挂式防洪闸、水动力全自动防洪闸等。该次针对全新防淹设施水动力全自动防洪闸进行分析研究。目前此智慧防淹系统可应用于地铁车站的各出入口、站内连接通道、风井等。可有效避免城市因雨水洪灾倒灌导致地铁车站被淹，对保障地下空间安全度汛和发挥工程战备效益也具有重要意义。

2.1 水动力全自动防洪闸

水动力全自动防洪闸是一种新型防水淹挡水设备，改变原有相对单一死板的应急防汛工作模式，建立一套智能化防汛系统，可有效防止城市地铁被水淹。该设施主要由固定在地面上的底座、一端铰接在底座上另一端可转动的挡水面板和连接两侧墙端部的止水橡胶软板组成。无水时，挡水面板盖合在底座上，行人可正常通行。当发生洪水内涝时，由于挡水门扇的比重轻于水，基于水的浮力，挡水门扇随着水位的升高慢慢地向上翻起。水位下降时，挡水门扇随着水位的下降慢慢地降低，直到贴合在地面底框上（图2）。

图2 工作示意图

2.2 风井防淹装置

为实现地下建筑与地面的通风换气，坑道、隧道、地下通道及地下室、防空洞等地下空间，通常设置连通地下空间与地面的通风井，简称风井。风井也可用于逃生与消防。包括自然通风井和机械辅助通风井。

风井通常包括埋设下地面以下的地下部分和伸出于地面的井道围墙。井道围墙顶部设有与空气相通的通风窗口。通风窗口可以是井道围墙顶端的水平敞口，也可以是井道围墙顶部四周设置的竖向窗口，竖向窗口顶部再设置水平或倾斜的遮蔽物。风井伸出于地面的井道围墙可以防止低于井道围墙高度的地面少量积水进入通风井内。由于环境限制，特别是在城市中，风井井道围墙高度不能太高。当地面突然出现大量积水，导致积水深度超过井道围墙高度时，则会出现地面积水沿风井倒灌进入地下空间的情况。而现有风井的结构均无法防止高位水流倒灌。低风井水动力全自动防洪防淹装置可有效防止地面水流倒灌，确保地下空间安全。

该装置由底座及四块水动力防洪挡板所组成，围绕着风井的四周形成一个整体。平时，该装置贴合在风井上。当发生洪水内涝时围挡装置基于水浮力的影响进行上浮，围挡的高度随着水位的升高而升高，直到高水位时围挡完全上浮（图3），避免洪水通过风井处倒灌地铁车站内。

图3 风井防淹示意图

2.3 智能互联

采用便于扩展的管理手段，可建立一套智慧防汛云平台接入地铁车站系统（图4），形成集智能挡水、水位监测、应急警报、排水监测、信息管理等功能为一体的智慧防淹系统。发生内涝时在移动端及云平台可收到突发内涝的告警，积水监测实时监测内涝水位情况及水位上升曲线，图像采集实时监控口部内涝信息，便于管理人员更直观了解及处理突发内涝事件。对面临的风险可能进行识别控制，防患于未然，发生漏水时能及时报警，方便运维人员及时处理。提高应急能力，有效应对处置，以最恶劣的气象条件、最不利的运行工况、最困难的处置环境来预防水灾事故。

图4 智慧防淹系统

（1）智能挡水。水动力全自动防洪闸利用水浮力原理实现自动启闭挡水，无需电力驱动、无需人员值守，满足建筑口部防淹的需求。

（2）状态监测。地铁车站口部安装积水监测终端电子水尺及图像采集终端，将积水内涝信息及图像采集信息实时上传到监控中心。水位与图像监控主要是对设备运行状态和内涝信息的直观确认，为水动力全自动防洪闸的安全运行提供更高层次的安全保障。

（3）应急警报。当发生内涝后，通过LED屏和喇叭实现积水预警和告知，通过移动终端可下发防淹信息和告知，尽可能使信息传达的延迟降到最低。

（4）排水控制。伴随内涝发生后，排水智能控制箱定时轮巡启动排水泵，对排水泵进行状态分析和监测，确保排水泵处于完好的状态。

（5）信息管理。智能终端实时监测的数据、巡检信息、设备运维信息等上报到云系统进行统计汇总，优化防汛方案，提高防汛资源及人员管理协作能力。

3 应用

目前设备已在广州地铁2号线海珠广场站A口进行安装使用（图5）。安装后模拟发生洪水内涝进行试水试验，当发生内涝时，洪水沿进水处流入防洪挡板下方。随着水位越来越高，防洪挡板感受到水浮力开始工作慢慢地翻起，挡板随着水位的升高慢慢升高，直到该挡板的挡水最高度600 mm。现阶段的挡水高度有600 mm、900 mm、1 200 mm、1 500 mm，可针对不同的洪涝风险选择不同挡水高度。该智慧防淹系统已应用于地铁车站的各出入口、站内连接通道、风井等，可有效避免城市因雨水洪灾倒灌导致城市地铁被水淹，降低列车停运、电路短路、停电等风险。

图5 海珠广场

4 结语

仅仅依靠设备的提升来应对洪涝灾害是远远不够的，在设计时还需加强对地铁车站可能发生的洪涝灾害的风险评估，建立洪涝灾害的预警监测以及快速应急反应机制。随着城市地铁在城市功能中发挥着越来越大的作用，城市地铁的安全也越来越被各方所重视，洪涝灾害等问题也会得到圆满解决。