地鐵防淹門系統(tǒng)的方案比選和設(shè)計

地鐵防淹門系統(tǒng)的方案比選和設(shè)計倪士浩【摘要】地鐵防淹門系統(tǒng)是一種防災設(shè)備.通過對地鐵防淹門系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析和方案比選，結(jié)合西安地鐵1號線工程設(shè)計，推薦采用液壓防淹門系統(tǒng)的設(shè)計方案.介紹該方案的系統(tǒng)構(gòu)成、性能特點和設(shè)計接口.【期刊名稱】《鐵道標準設(shè)計》【年(卷)，期】2008(000)011【總頁數(shù)】5頁(P118-122)【關(guān)鍵詞】地鐵防淹門系統(tǒng);啟閉設(shè)備;方案比選【作者】倪士浩【作者單位】中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安,710043【正文語種】中文【中圖分類】U2311概述根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157-2003)要求，在穿越河流或湖泊等水域的地鐵工程，應(yīng)在進出水域的兩端適當位置設(shè)置防淹門或采取其他防淹措施。防淹門系統(tǒng)作為一種防災設(shè)備，是在區(qū)間隧道突發(fā)事故時阻止江河水涌入地鐵車站的有效屏障。目前，在我國的上海、廣州、武漢等城市的地鐵工程中，設(shè)置防淹門系統(tǒng)的應(yīng)用實例較多。2國內(nèi)地鐵防淹門系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析調(diào)研資料顯示，目前國內(nèi)地鐵防淹門系統(tǒng)有兩種形式。一種形式為升降式平面鋼制閘門（也稱下落式閘門），啟閉設(shè)備為電動葫蘆。閘門的開啟和閉合是通過電動葫蘆的升降完成閘門上提或下落，閘門在固定門槽內(nèi)垂直運動，依靠自重關(guān)閉。這種形式在國內(nèi)地鐵工程的防淹門系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用最為普遍。其缺點是：在門洞上方需要設(shè)置一個大于門洞尺寸的設(shè)備機房，以便安裝防淹門的閘門及啟閉裝置，由于受電動葫蘆吊鉤尺寸與起升極限制約，機房凈空相對較高；另外，在緊急情況（如無電狀態(tài)）下需要手動控制閘門關(guān)閉時，解鎖復雜，閘門下落無緩沖，容易損傷軌道和道床，造成維修成本增加。另一種形式是平開式平面鋼制閘門，閘門繞門軸旋轉(zhuǎn)，分一扇門（也稱平開式一字門）和兩扇門（也稱平開式人字門）兩種結(jié)構(gòu)，一扇門結(jié)構(gòu)作防淹門時，一般是由人防門兼作防淹門用，啟閉設(shè)備可采用液壓油缸或螺桿傳動啟閉。而兩扇門結(jié)構(gòu)則為防淹門所專用，目前在廣州地鐵1號線的防淹門結(jié)構(gòu)就是采用液壓油缸啟閉的平開式人字閘門。不足之處在于：隧道尺寸相對較大，工程造價高；門體重，要求較大的啟閉持住力；門體結(jié)構(gòu)相對復雜，門周密封性不易保證（尤其是人字門顯得更加突出），止水效果差，若要求系統(tǒng)防水性能好，會提高設(shè)備造價，設(shè)備的檢修和維護成本相應(yīng)增高。鑒于此，筆者根據(jù)地鐵特點，結(jié)合上海、廣州類似地鐵工程的實際運用經(jīng)驗，在西安地鐵1號線的設(shè)計中提出了采用液壓升降式防淹門系統(tǒng)方案。本文將依據(jù)防淹門的功能要求對防淹門系統(tǒng)的設(shè)計作一探討。3防淹門系統(tǒng)的設(shè)計和方案比選3.1防淹門系統(tǒng)組成及功能（1）防淹門系統(tǒng)組成防淹門系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。防淹門機械系統(tǒng)包括閘門門體、門槽、啟閉設(shè)備及閘門輔助鎖閉裝置等組成。閘門自動輔助鎖閉裝置的作用是：在地鐵平時正常運行狀態(tài)下，防淹閘門處于開啟狀態(tài)，即將閘門鎖定在其機房的檢修平臺上。設(shè)置閘門自動輔助鎖閉裝置的理由：雖然防淹門機械系統(tǒng)具有閘門自鎖功能，但是為了確保自鎖系統(tǒng)失靈時閘門不致下落，應(yīng)增設(shè)閘門自動輔助鎖閉裝置，以確保防淹閘門下部通過列車的運行安全。防淹門控制系統(tǒng)分為水位監(jiān)視系統(tǒng)及水位分析處理報警系統(tǒng)和閘門啟閉控制系統(tǒng)。其中水位監(jiān)視系統(tǒng)為三級設(shè)置，即中央級、車站級和現(xiàn)場級；水位分析處理報警和閘門啟閉為兩級設(shè)置，即車站監(jiān)控室和現(xiàn)場兩級。（2）防淹門系統(tǒng)功能防淹門系統(tǒng)的功能為：當穿越江河、湖泊水域的地下區(qū)間隧道因突發(fā)事故造成隧道破裂后，江（河）水涌進地鐵車站時，能緊急、安全、可靠地關(guān)閉閘門，封閉過江（河）隧道，保護地鐵車站人員和滯留旅客的人身安全，保護地鐵設(shè)施的財產(chǎn)安全。3.2防淹門系統(tǒng)方案的構(gòu)成3.2.1防淹門機械系統(tǒng)方案防淹門機械系統(tǒng)方案包括閘門形式選擇、啟閉設(shè)備選型、門體和門槽的確定和閘門自動輔助鎖閉裝置的設(shè)計等內(nèi)容。（1）防淹閘門形式的方案比選防淹門為平面鋼制閘門（圖1），其結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)品種類較多，按開門形式可分為如下3種。圖1平面鋼制閘門結(jié)構(gòu)示意下落式閘門下落式閘門的開啟和閉合是通過啟閉設(shè)備將閘門上提或放下。防淹門的啟閉過程為垂直運動，在緊急情況下可利用閘門重力強制關(guān)門。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)較簡單，僅由一扇滑動門、門檻、一套啟閉裝置及二個輔助鎖定裝置組成；控制系統(tǒng)相對簡單；與軌道之間的密封，可在防淹門上直接安裝密封止水橡膠達到密封效果；下落式閘門布置緊湊，方便維修和管理。缺點是：在門洞上方需要設(shè)置一個大于門洞尺寸的設(shè)備機房，以便安裝防淹門的閘門及啟閉裝置。橫拉式閘門橫拉式閘門的開啟和閉合依靠閘門左右移動完成。這種門結(jié)構(gòu)簡單，主要設(shè)備布置在隧道一側(cè)，不受隧道高度限制；但其必須在隧道一側(cè)設(shè)置一個大于閘門尺寸的洞室放置閘門和啟閉設(shè)備，而且閘門啟閉時橫向移動，與電纜、消防管道等設(shè)備的布置有沖突，故在越江隧道中不予采用。平開式閘門平開式閘門，可根據(jù)隧道內(nèi)土建結(jié)構(gòu)尺寸做成一扇（也稱一字閘門）或兩扇閘門（也稱人字閘門），門繞門軸旋轉(zhuǎn)。這種門的優(yōu)點是：閘門平時只需放在平行于行車運行方向、隧道兩側(cè)的小洞室即可，啟閉機機房亦可設(shè)在隧道兩側(cè)的空間位置，不受隧道高度的限制；門槽結(jié)構(gòu)簡單。缺點是：隧道尺寸相對較大；門體重，開啟時需要用大型啟閉機構(gòu)；門體結(jié)構(gòu)相對復雜，門周密封性不易保證（尤其是人字門顯得更加突出），止水效果差，若要求操作設(shè)備防水性能好，會提高工程造價，設(shè)備的檢修和維護成本相應(yīng)增高。綜上所述，根據(jù)地鐵隧道的特點，結(jié)合上海、廣州類似地鐵工程的實際運用經(jīng)驗，推薦選用下落式防淹門用于攔截來自隧道方向的水流。防淹閘門平時停放在洞口上方的設(shè)備機房內(nèi)，自動鎖閉，以確保行車安全。（2）啟閉設(shè)備的方案比選防淹閘門的常用啟閉設(shè)備形式主要有螺桿傳動、固定卷揚機傳動、電動葫蘆傳動和液壓傳動等啟閉類型。選用啟閉設(shè)備時，啟閉力應(yīng)等于或大于計算啟閉力，同時還應(yīng)符合啟閉機系列標準規(guī)定。啟閉設(shè)備考慮方案如下。螺桿啟閉機方案螺桿啟閉機結(jié)構(gòu)簡單，自鎖性能好，可廣泛用于啟閉閘門時需要利用下壓力的地方或采用平開式閘門作為防淹門時選用。鑒于西安地鐵1號線防淹閘門可利用自重關(guān)閉，故不考慮采用此方案。固定卷揚式啟閉機方案固定卷揚式啟閉機適用廣泛，適用于依靠閘門自重或加重關(guān)閉且要求在短時間內(nèi)全部開啟閘門的地方，一般布置為一門一機。啟閉機可采用非標設(shè)計，也可選用標準設(shè)備（如QPQ-2X100型），利用滑輪組與閘門連接，設(shè)備布置相對復雜、不緊湊。選用標準啟閉機設(shè)備時，應(yīng)依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于〃快速閘門下降速度，在接近底檻時，不宜大于5m/min”的要求，只能選定運行速度為v=2.23m/min，與防淹門快速關(guān)門的技術(shù)要求不符，速度略偏低。因此為了保證能夠盡快關(guān)閉防淹閘門，采用非標設(shè)計的卷揚機方案比選用標準設(shè)備的卷揚機方案更能滿足防淹門的技術(shù)要求。綜上，卷揚式啟閉機方案雖然操作維修方便，但是設(shè)備布置較復雜，機房占地面積大，成本較高，不經(jīng)濟，因此不建議采用此方案。雙鉤電動葫蘆方案采用雙鉤電動葫蘆作為啟閉設(shè)備時，一般選用2x80kN雙鉤電動葫蘆，速度為5m/min，起升高度為6.0m，實行一門一機。這種方案實際上是一種固定式電動葫蘆吊，依靠電動葫蘆起升開啟閘門，電動葫蘆下降時依靠閘門自重關(guān)閉閘門。啟閉機可設(shè)啟開程度顯示和行程限位器。在無電源的特殊情況下，可設(shè)手動解鎖裝置，釋放電動葫蘆的鎖定狀態(tài)，使防淹門依靠門體自重完成關(guān)門動作。其特點是：啟閉機為電動葫蘆，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，設(shè)備造價相對較低，能夠滿足工程使用要求；但是，由于電動葫蘆固定懸掛在設(shè)備機房的頂梁上，閘門開啟時又要滿足車輛運營限界，且受電葫蘆的起升極限位置制約，機房凈空要求較高，同時電動葫蘆的維修及手動操作也不方便；另外，由于采用雙鉤電動葫蘆，且閘門的起吊點相距約3m，致使電動葫蘆的卷筒傳動軸較長，需要進行非標設(shè)計，而較長的傳動軸容易造成電動葫蘆各機構(gòu)機械性能的下降，影響機構(gòu)的疲勞強度和使用壽命。更為致命的是，在無電源的特殊情況下需要手動解鎖釋放葫蘆，閘門下落無緩沖，直接砸向道床，勢必會造成軌道與道床產(chǎn)生一定程度的損壞。綜上所述，雙鉤電動葫蘆啟閉機可以滿足防淹閘門啟閉要求，但是由于這種結(jié)構(gòu)自身的缺陷，不推薦采用雙鉤電動葫蘆啟閉機方案。防淹門的液壓啟閉方案液壓啟閉方案設(shè)計液壓啟閉機（圖2）是指利用液體的壓力能來傳遞能量，依靠液壓缸活塞桿的伸縮控制閘門的開啟或關(guān)閉的一種啟閉機。它包括液壓傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。液壓啟閉機由液壓泵站、液壓缸、電器控制系統(tǒng)三大部分組成，其中液壓泵站由液壓泵、液壓閥組、油箱及管路附件等組成，電器控制系統(tǒng)由電氣控制柜和操作臺等組成，可與現(xiàn)場水位監(jiān)視系統(tǒng)和水位監(jiān)測分析報警系統(tǒng)共柜。圖2液壓啟閉機安裝布置示意液壓啟閉機的工作原理是：液壓泵把原動機輸出的機械能變?yōu)橐后w壓力能，經(jīng)過液壓管道、液壓閥進入液壓缸，通過液壓缸及活塞桿把液體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳈C的機械能，從而驅(qū)使閘門完成開啟或關(guān)閉等動作。液壓啟閉機可采用頂升式和倒掛式。由于啟閉機布置在站廳層端頭，受站廳結(jié)構(gòu)高度限制，倒掛式液壓缸的布置方案被排除，因此宜采用頂升式液壓缸的布置方案（圖3）:液壓缸對稱布置在防淹閘門兩側(cè)（門槽外），為滿足站廳層結(jié)構(gòu)高度要求，液壓缸的活塞桿上部可以考慮采用滑輪組（動、定滑輪組結(jié)合）連接，這樣可以減小液壓缸行程（行程為閘門提升高度的1/2），以便選擇較短行程的液壓缸，從而大大降低設(shè)備成本。液壓啟閉方案特點液壓啟閉機與卷揚式啟閉機和電動葫蘆啟閉機相比較，有著如下明顯的優(yōu)點：液壓啟閉機有較高的功率質(zhì)量比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧簡單，布置緊湊，體積小，質(zhì)量?。怀休d能力大，可實行一站多門，能夠遠距離傳遞動力；緩沖性能好，傳動平穩(wěn)，調(diào)速和換向方便；有著優(yōu)異的控制性能和穩(wěn)定可靠的持住力，液壓傳動與電氣控制相結(jié)合，便于實現(xiàn)自動化；有利于實現(xiàn)閘門的遠方集控和自動化控制；液壓元件已經(jīng)系列化、標準化，設(shè)計簡單，制造周期短；液壓元件可以自行潤滑，經(jīng)久耐用，使用壽命長；液壓系統(tǒng)易實現(xiàn)同步自糾偏功能；易于防止過載，工作安全可靠；機房占地面積小，易于布置。圖3液壓啟閉防淹門系統(tǒng)方案示意液壓防淹門方案的確定根據(jù)防淹門系統(tǒng)的設(shè)計思路，宜采用主機集中控制、防淹門啟閉單獨動作的設(shè)計方案。目前國內(nèi)地鐵工程中設(shè)置的防淹門均采用獨立控制，這主要是因為：既有防淹門的啟閉驅(qū)動為電動葫蘆，只能實現(xiàn)一機一門的緣故。而液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)一機多門驅(qū)動的功能。由于地鐵線路穿越河流段地下區(qū)間較長，若采用一機四門，需要敷設(shè)長油管，無疑會加大投資；考慮到防淹門屬于特發(fā)事件時的應(yīng)急設(shè)備，使用頻率低，若采用一機兩門（即一套液壓站控制左右線兩門），能夠節(jié)約投資。鑒于此，在地鐵的防淹門設(shè)計方案中，宜推薦采用一機兩門的方案。（3）防淹門門體和門槽防淹門門體為平面多主梁焊接結(jié)構(gòu)，采用鋼基銅塑復合材料作為滑動支承塊（具有自潤滑性），P形橡膠止水密封，上游止水，要求每扇防淹門的漏水量不得大于225L/min。防淹門關(guān)閉時，門體底檻與軌道接觸處局部特殊處理，軌翼兩側(cè)密貼固定的密封橡膠墊防止漏水。閘門自重約100kN，可依靠自重在3m水深條件下動水關(guān)閉。門葉上設(shè)置兩個手動閘閥用于排水。防淹門門體應(yīng)采用合適的防腐工藝，以達到地鐵設(shè)計壽命，減少設(shè)備維護工作量。⑷閘門輔助鎖閉裝置采用下落式防淹門，閘門懸掛安裝在接觸網(wǎng)的上部空間，其下有列車通過，每扇防淹門設(shè)置兩臺輔助鎖閉裝置，輔助鎖閉裝置安裝在液壓缸固定架上，自動伸縮，以防止閘門意外落下而造成事故。經(jīng)運營管理部門確認水淹災害發(fā)生或其他原因需關(guān)門時，鎖閉裝置拉開鎖銷，防淹閘門才能下落關(guān)閉。自動鎖閉裝置附設(shè)有手動機構(gòu)，發(fā)生停電或故障時，可人工手動拉開鎖銷。3.2.2防淹門控制系統(tǒng)方案控制系統(tǒng)的組成及功能控制系統(tǒng)的組成防淹門控制系統(tǒng)設(shè)中央、車站和現(xiàn)場三級監(jiān)視和車站、現(xiàn)場二級控制?？刂葡到y(tǒng)以每扇門為相對獨立的子系統(tǒng)進行設(shè)計，即每扇防淹門的啟閉相互獨立。中央級、車站級的監(jiān)視和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)，現(xiàn)場設(shè)備主要包括防淹門PLC控制器、區(qū)間水位探測器、UPS電源設(shè)備、控制按鈕、指示燈、警笛警鈴等組成?？刂葡到y(tǒng)的功能防淹門控制系統(tǒng)功能為：采集區(qū)間水位信息，實現(xiàn)區(qū)間水位預報警、危險水位報警和區(qū)間水位上漲速度報警；實現(xiàn)門體控制和狀態(tài)顯示；進行防淹門系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的信號傳送和接收。水位自動檢測分析報警目前國內(nèi)地鐵工程中的水位檢測分析報警存在兩種方式。一種方式，即防淹門設(shè)置位置的區(qū)間隧道水位檢測、分析、報警由防淹門系統(tǒng)負責，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后上傳至車站控制室和中央控制室(車站級和中央級模擬監(jiān)視)，由中央控制下達指令控制防淹門的啟閉。另一種方式，防淹門系統(tǒng)只負責其現(xiàn)場設(shè)置區(qū)間隧道水位檢測，系統(tǒng)無權(quán)分析所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，需立即上傳至車站控制室和中央控制室，BAS系統(tǒng)負責分析處理數(shù)據(jù)，提供報警指示，由信號系統(tǒng)下達啟閉指令。對BAS系統(tǒng)的水位分析報警要求BAS系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)區(qū)間隧道水位監(jiān)測及報警。區(qū)間水位可按四級監(jiān)視、兩級報警設(shè)置：區(qū)間最低處鋼軌底面以下40mm處為一級水位（此水位將危及信號系統(tǒng)的正常工作），區(qū)間最低處鋼軌頂面以上400mm處為四級水位（此水位將危及機車的正常工作）。一級與四級水位之間，水位差為616mm（40mm+鋼軌高度176mm+400mm）。一級、二級、三級水位間水位差為+200mm、三級與四級水位間水位差為216mm。區(qū)間水位達一級水位時，預報系統(tǒng)應(yīng)自動向車站控制室和OCC發(fā)出一級報警信號；區(qū)間水位達四級水位或區(qū)間水位在一級與四級水位之間，但水位上漲速度大于等于系統(tǒng)設(shè)定的某一值時，預報系統(tǒng)應(yīng)自動向車控室和OCC發(fā)出二級報警信號。水位上漲速度可僅監(jiān)測一、二級水位間和二、三級水位間的平均水位上漲速度。為提高區(qū)間水情監(jiān)測的可靠性，減少水情誤報，對應(yīng)每一道防淹門，應(yīng)從區(qū)間的3個不同點采集水位信息，按三取二的方式確認水情。對BAS系統(tǒng)所發(fā)布的水淹災害監(jiān)測、預報信息，運營管理部門應(yīng)制定各種水淹災害情況的應(yīng)對措施，編制防淹門關(guān)閉的管理操作程序及實施細則，并規(guī)定在何種水情災害狀況關(guān)閉防淹門，確保地鐵及行車安全。車站控制室監(jiān)控界面BAS系統(tǒng)在車站控制室設(shè)置防淹門監(jiān)視界面，通過監(jiān)視界面實現(xiàn)對防淹門的車站級監(jiān)視；防淹門有關(guān)監(jiān)視數(shù)據(jù)通過BAS系統(tǒng)上傳到OCC，實現(xiàn)中央級監(jiān)視功能。管理人員通過車站控制室的防淹門IBP盤控制防淹門的開啟、關(guān)閉、停止實現(xiàn)防淹門的車站級控制?，F(xiàn)場控制設(shè)備防淹門現(xiàn)場控制設(shè)備由現(xiàn)場控制柜、門體位置行程開關(guān)、啟閉機手動釋放裝置、鎖定裝置等組成。防淹門的現(xiàn)場級監(jiān)控具有門體狀態(tài)監(jiān)視、門體開關(guān)門控制、系統(tǒng)模擬運行等功能。防淹門控制系統(tǒng)與水位自動檢測分析報警系統(tǒng)可以共柜。⑷結(jié)論基于以上分析，推薦采用水位自動分析檢測報警裝置由BAS系統(tǒng)負責。水位分析報警只提供監(jiān)視和報警功能，不與防淹門啟閉控制關(guān)聯(lián)。3.2.3防淹門系統(tǒng)方案比選結(jié)論防淹門機械系統(tǒng)選擇采用液壓啟閉機控制平面鋼制閘門，車站左右線為一套主機系統(tǒng)，即一機控制兩門啟閉，每門兩側(cè)液壓缸行程為門體啟閉高度行程一半，輔有動定滑輪組。防淹門控制系統(tǒng)設(shè)三級監(jiān)視、二級控制。水位檢測數(shù)據(jù)分析處理及報警由BAS系統(tǒng)負責，防淹門的啟閉操作可在車站和防淹門機房進行，防淹門機房輔有手動操作控制閘門關(guān)閉功能。4防淹門系統(tǒng)與其他相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)之間的接口關(guān)系防淹門系統(tǒng)與綜合監(jiān)控、低壓配電、信號、土建、軌道、接觸網(wǎng)、限界等存在設(shè)計接口，具體情況如下。與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的接口防淹門現(xiàn)場控制器(PLC機)的光纖通信接口通過光纖與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機進行接口，實現(xiàn)在車站級與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的集成。接口位置在綜合監(jiān)控系統(tǒng)交換機的端口上，該部分通信光纜由防淹門控制系統(tǒng)提供。與低壓配電系統(tǒng)的接口與低壓配電系統(tǒng)的接口在防淹門控制室的動力配電箱上。動力配電箱及箱內(nèi)設(shè)備由低壓系統(tǒng)提供，包括斷路器、接觸器等設(shè)備的選型。低壓配電系統(tǒng)給防淹門系統(tǒng)提供AC380V動力電源和AC220V控制電源，負荷等級一級，饋電回路和回路容量滿足防淹門系統(tǒng)要求。配電箱回路開關(guān)以下配電電纜由防淹門系統(tǒng)提供。⑶與信號系統(tǒng)的接口防淹門