地铁防淹门系统的方案比选和设计

地铁防淹门系统的方案比选和设计倪士浩【摘要】地铁防淹门系统是一种防灾设备.通过对地铁防淹门系统的现状分析和方案比选，结合西安地铁1号线工程设计，推荐采用液压防淹门系统的设计方案.介绍该方案的系统构成、性能特点和设计接口.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷)，期】2008(000)011【总页数】5页(P118-122)【关键词】地铁防淹门系统;启闭设备;方案比选【作者】倪士浩【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安,710043【正文语种】中文【中图分类】U2311概述根据《地铁设计规范》(GB50157-2003)要求，在穿越河流或湖泊等水域的地铁工程，应在进出水域的两端适当位置设置防淹门或采取其他防淹措施。防淹门系统作为一种防灾设备，是在区间隧道突发事故时阻止江河水涌入地铁车站的有效屏障。目前，在我国的上海、广州、武汉等城市的地铁工程中，设置防淹门系统的应用实例较多。2国内地铁防淹门系统的现状分析调研资料显示，目前国内地铁防淹门系统有两种形式。一种形式为升降式平面钢制闸门（也称下落式闸门），启闭设备为电动葫芦。闸门的开启和闭合是通过电动葫芦的升降完成闸门上提或下落，闸门在固定门槽内垂直运动，依靠自重关闭。这种形式在国内地铁工程的防淹门系统设计中应用最为普遍。其缺点是：在门洞上方需要设置一个大于门洞尺寸的设备机房，以便安装防淹门的闸门及启闭装置，由于受电动葫芦吊钩尺寸与起升极限制约，机房净空相对较高；另外，在紧急情况（如无电状态）下需要手动控制闸门关闭时，解锁复杂，闸门下落无缓冲，容易损伤轨道和道床，造成维修成本增加。另一种形式是平开式平面钢制闸门，闸门绕门轴旋转，分一扇门（也称平开式一字门）和两扇门（也称平开式人字门）两种结构，一扇门结构作防淹门时，一般是由人防门兼作防淹门用，启闭设备可采用液压油缸或螺杆传动启闭。而两扇门结构则为防淹门所专用，目前在广州地铁1号线的防淹门结构就是采用液压油缸启闭的平开式人字闸门。不足之处在于：隧道尺寸相对较大，工程造价高；门体重，要求较大的启闭持住力；门体结构相对复杂，门周密封性不易保证（尤其是人字门显得更加突出），止水效果差，若要求系统防水性能好，会提高设备造价，设备的检修和维护成本相应增高。鉴于此，笔者根据地铁特点，结合上海、广州类似地铁工程的实际运用经验，在西安地铁1号线的设计中提出了采用液压升降式防淹门系统方案。本文将依据防淹门的功能要求对防淹门系统的设计作一探讨。3防淹门系统的设计和方案比选3.1防淹门系统组成及功能（1）防淹门系统组成防淹门系统由机械系统和控制系统两大部分组成。防淹门机械系统包括闸门门体、门槽、启闭设备及闸门辅助锁闭装置等组成。闸门自动辅助锁闭装置的作用是：在地铁平时正常运行状态下，防淹闸门处于开启状态，即将闸门锁定在其机房的检修平台上。设置闸门自动辅助锁闭装置的理由：虽然防淹门机械系统具有闸门自锁功能，但是为了确保自锁系统失灵时闸门不致下落，应增设闸门自动辅助锁闭装置，以确保防淹闸门下部通过列车的运行安全。防淹门控制系统分为水位监视系统及水位分析处理报警系统和闸门启闭控制系统。其中水位监视系统为三级设置，即中央级、车站级和现场级；水位分析处理报警和闸门启闭为两级设置，即车站监控室和现场两级。（2）防淹门系统功能防淹门系统的功能为：当穿越江河、湖泊水域的地下区间隧道因突发事故造成隧道破裂后，江（河）水涌进地铁车站时，能紧急、安全、可靠地关闭闸门，封闭过江（河）隧道，保护地铁车站人员和滞留旅客的人身安全，保护地铁设施的财产安全。3.2防淹门系统方案的构成3.2.1防淹门机械系统方案防淹门机械系统方案包括闸门形式选择、启闭设备选型、门体和门槽的确定和闸门自动辅助锁闭装置的设计等内容。（1）防淹闸门形式的方案比选防淹门为平面钢制闸门（图1），其结构形式、产品种类较多，按开门形式可分为如下3种。图1平面钢制闸门结构示意下落式闸门下落式闸门的开启和闭合是通过启闭设备将闸门上提或放下。防淹门的启闭过程为垂直运动，在紧急情况下可利用闸门重力强制关门。其优点是：结构较简单，仅由一扇滑动门、门槛、一套启闭装置及二个辅助锁定装置组成；控制系统相对简单；与轨道之间的密封，可在防淹门上直接安装密封止水橡胶达到密封效果；下落式闸门布置紧凑，方便维修和管理。缺点是：在门洞上方需要设置一个大于门洞尺寸的设备机房，以便安装防淹门的闸门及启闭装置。横拉式闸门横拉式闸门的开启和闭合依靠闸门左右移动完成。这种门结构简单，主要设备布置在隧道一侧，不受隧道高度限制；但其必须在隧道一侧设置一个大于闸门尺寸的洞室放置闸门和启闭设备，而且闸门启闭时横向移动，与电缆、消防管道等设备的布置有冲突，故在越江隧道中不予采用。平开式闸门平开式闸门，可根据隧道内土建结构尺寸做成一扇（也称一字闸门）或两扇闸门（也称人字闸门），门绕门轴旋转。这种门的优点是：闸门平时只需放在平行于行车运行方向、隧道两侧的小洞室即可，启闭机机房亦可设在隧道两侧的空间位置，不受隧道高度的限制；门槽结构简单。缺点是：隧道尺寸相对较大；门体重，开启时需要用大型启闭机构；门体结构相对复杂，门周密封性不易保证（尤其是人字门显得更加突出），止水效果差，若要求操作设备防水性能好，会提高工程造价，设备的检修和维护成本相应增高。综上所述，根据地铁隧道的特点，结合上海、广州类似地铁工程的实际运用经验，推荐选用下落式防淹门用于拦截来自隧道方向的水流。防淹闸门平时停放在洞口上方的设备机房内，自动锁闭，以确保行车安全。（2）启闭设备的方案比选防淹闸门的常用启闭设备形式主要有螺杆传动、固定卷扬机传动、电动葫芦传动和液压传动等启闭类型。选用启闭设备时，启闭力应等于或大于计算启闭力，同时还应符合启闭机系列标准规定。启闭设备考虑方案如下。螺杆启闭机方案螺杆启闭机结构简单，自锁性能好，可广泛用于启闭闸门时需要利用下压力的地方或采用平开式闸门作为防淹门时选用。鉴于西安地铁1号线防淹闸门可利用自重关闭，故不考虑采用此方案。固定卷扬式启闭机方案固定卷扬式启闭机适用广泛，适用于依靠闸门自重或加重关闭且要求在短时间内全部开启闸门的地方，一般布置为一门一机。启闭机可采用非标设计，也可选用标准设备（如QPQ-2X100型），利用滑轮组与闸门连接，设备布置相对复杂、不紧凑。选用标准启闭机设备时，应依据《水利水电工程钢闸门设计规范》中关于〃快速闸门下降速度，在接近底槛时，不宜大于5m/min”的要求，只能选定运行速度为v=2.23m/min，与防淹门快速关门的技术要求不符，速度略偏低。因此为了保证能够尽快关闭防淹闸门，采用非标设计的卷扬机方案比选用标准设备的卷扬机方案更能满足防淹门的技术要求。综上，卷扬式启闭机方案虽然操作维修方便，但是设备布置较复杂，机房占地面积大，成本较高，不经济，因此不建议采用此方案。双钩电动葫芦方案采用双钩电动葫芦作为启闭设备时，一般选用2x80kN双钩电动葫芦，速度为5m/min，起升高度为6.0m，实行一门一机。这种方案实际上是一种固定式电动葫芦吊，依靠电动葫芦起升开启闸门，电动葫芦下降时依靠闸门自重关闭闸门。启闭机可设启开程度显示和行程限位器。在无电源的特殊情况下，可设手动解锁装置，释放电动葫芦的锁定状态，使防淹门依靠门体自重完成关门动作。其特点是：启闭机为电动葫芦，结构简单，尺寸紧凑，设备造价相对较低，能够满足工程使用要求；但是，由于电动葫芦固定悬挂在设备机房的顶梁上，闸门开启时又要满足车辆运营限界，且受电葫芦的起升极限位置制约，机房净空要求较高，同时电动葫芦的维修及手动操作也不方便；另外，由于采用双钩电动葫芦，且闸门的起吊点相距约3m，致使电动葫芦的卷筒传动轴较长，需要进行非标设计，而较长的传动轴容易造成电动葫芦各机构机械性能的下降，影响机构的疲劳强度和使用寿命。更为致命的是，在无电源的特殊情况下需要手动解锁释放葫芦，闸门下落无缓冲，直接砸向道床，势必会造成轨道与道床产生一定程度的损坏。综上所述，双钩电动葫芦启闭机可以满足防淹闸门启闭要求，但是由于这种结构自身的缺陷，不推荐采用双钩电动葫芦启闭机方案。防淹门的液压启闭方案液压启闭方案设计液压启闭机（图2）是指利用液体的压力能来传递能量，依靠液压缸活塞杆的伸缩控制闸门的开启或关闭的一种启闭机。它包括液压传动系统和电气控制系统。液压启闭机由液压泵站、液压缸、电器控制系统三大部分组成，其中液压泵站由液压泵、液压阀组、油箱及管路附件等组成，电器控制系统由电气控制柜和操作台等组成，可与现场水位监视系统和水位监测分析报警系统共柜。图2液压启闭机安装布置示意液压启闭机的工作原理是：液压泵把原动机输出的机械能变为液体压力能，经过液压管道、液压阀进入液压缸，通过液压缸及活塞杆把液体的压力能转变为工作机的机械能，从而驱使闸门完成开启或关闭等动作。液压启闭机可采用顶升式和倒挂式。由于启闭机布置在站厅层端头，受站厅结构高度限制，倒挂式液压缸的布置方案被排除，因此宜采用顶升式液压缸的布置方案（图3）:液压缸对称布置在防淹闸门两侧（门槽外），为满足站厅层结构高度要求，液压缸的活塞杆上部可以考虑采用滑轮组（动、定滑轮组结合）连接，这样可以减小液压缸行程（行程为闸门提升高度的1/2），以便选择较短行程的液压缸，从而大大降低设备成本。液压启闭方案特点液压启闭机与卷扬式启闭机和电动葫芦启闭机相比较，有着如下明显的优点：液压启闭机有较高的功率质量比，系统结构轻巧简单，布置紧凑，体积小，质量小；承载能力大，可实行一站多门，能够远距离传递动力；缓冲性能好，传动平稳，调速和换向方便；有着优异的控制性能和稳定可靠的持住力，液压传动与电气控制相结合，便于实现自动化；有利于实现闸门的远方集控和自动化控制；液压元件已经系列化、标准化，设计简单，制造周期短；液压元件可以自行润滑，经久耐用，使用寿命长；液压系统易实现同步自纠偏功能；易于防止过载，工作安全可靠；机房占地面积小，易于布置。图3液压启闭防淹门系统方案示意液压防淹门方案的确定根据防淹门系统的设计思路，宜采用主机集中控制、防淹门启闭单独动作的设计方案。目前国内地铁工程中设置的防淹门均采用独立控制，这主要是因为：既有防淹门的启闭驱动为电动葫芦，只能实现一机一门的缘故。而液压驱动可以实现一机多门驱动的功能。由于地铁线路穿越河流段地下区间较长，若采用一机四门，需要敷设长油管，无疑会加大投资；考虑到防淹门属于特发事件时的应急设备，使用频率低，若采用一机两门（即一套液压站控制左右线两门），能够节约投资。鉴于此，在地铁的防淹门设计方案中，宜推荐采用一机两门的方案。（3）防淹门门体和门槽防淹门门体为平面多主梁焊接结构，采用钢基铜塑复合材料作为滑动支承块（具有自润滑性），P形橡胶止水密封，上游止水，要求每扇防淹门的漏水量不得大于225L/min。防淹门关闭时，门体底槛与轨道接触处局部特殊处理，轨翼两侧密贴固定的密封橡胶垫防止漏水。闸门自重约100kN，可依靠自重在3m水深条件下动水关闭。门叶上设置两个手动闸阀用于排水。防淹门门体应采用合适的防腐工艺，以达到地铁设计寿命，减少设备维护工作量。⑷闸门辅助锁闭装置采用下落式防淹门，闸门悬挂安装在接触网的上部空间，其下有列车通过，每扇防淹门设置两台辅助锁闭装置，辅助锁闭装置安装在液压缸固定架上，自动伸缩，以防止闸门意外落下而造成事故。经运营管理部门确认水淹灾害发生或其他原因需关门时，锁闭装置拉开锁销，防淹闸门才能下落关闭。自动锁闭装置附设有手动机构，发生停电或故障时，可人工手动拉开锁销。3.2.2防淹门控制系统方案控制系统的组成及功能控制系统的组成防淹门控制系统设中央、车站和现场三级监视和车站、现场二级控制。控制系统以每扇门为相对独立的子系统进行设计，即每扇防淹门的启闭相互独立。中央级、车站级的监视和数据传输网络设备由综合监控系统实现，现场设备主要包括防淹门PLC控制器、区间水位探测器、UPS电源设备、控制按钮、指示灯、警笛警铃等组成。控制系统的功能防淹门控制系统功能为：采集区间水位信息，实现区间水位预报警、危险水位报警和区间水位上涨速度报警；实现门体控制和状态显示；进行防淹门系统与相关系统的信号传送和接收。水位自动检测分析报警目前国内地铁工程中的水位检测分析报警存在两种方式。一种方式，即防淹门设置位置的区间隧道水位检测、分析、报警由防淹门系统负责，采集到的数据经分析处理后上传至车站控制室和中央控制室(车站级和中央级模拟监视)，由中央控制下达指令控制防淹门的启闭。另一种方式，防淹门系统只负责其现场设置区间隧道水位检测，系统无权分析所监测到的数据，需立即上传至车站控制室和中央控制室，BAS系统负责分析处理数据，提供报警指示，由信号系统下达启闭指令。对BAS系统的水位分析报警要求BAS系统应实现区间隧道水位监测及报警。区间水位可按四级监视、两级报警设置：区间最低处钢轨底面以下40mm处为一级水位（此水位将危及信号系统的正常工作），区间最低处钢轨顶面以上400mm处为四级水位（此水位将危及机车的正常工作）。一级与四级水位之间，水位差为616mm（40mm+钢轨高度176mm+400mm）。一级、二级、三级水位间水位差为+200mm、三级与四级水位间水位差为216mm。区间水位达一级水位时，预报系统应自动向车站控制室和OCC发出一级报警信号；区间水位达四级水位或区间水位在一级与四级水位之间，但水位上涨速度大于等于系统设定的某一值时，预报系统应自动向车控室和OCC发出二级报警信号。水位上涨速度可仅监测一、二级水位间和二、三级水位间的平均水位上涨速度。为提高区间水情监测的可靠性，减少水情误报，对应每一道防淹门，应从区间的3个不同点采集水位信息，按三取二的方式确认水情。对BAS系统所发布的水淹灾害监测、预报信息，运营管理部门应制定各种水淹灾害情况的应对措施，编制防淹门关闭的管理操作程序及实施细则，并规定在何种水情灾害状况关闭防淹门，确保地铁及行车安全。车站控制室监控界面BAS系统在车站控制室设置防淹门监视界面，通过监视界面实现对防淹门的车站级监视；防淹门有关监视数据通过BAS系统上传到OCC，实现中央级监视功能。管理人员通过车站控制室的防淹门IBP盘控制防淹门的开启、关闭、停止实现防淹门的车站级控制。现场控制设备防淹门现场控制设备由现场控制柜、门体位置行程开关、启闭机手动释放装置、锁定装置等组成。防淹门的现场级监控具有门体状态监视、门体开关门控制、系统模拟运行等功能。防淹门控制系统与水位自动检测分析报警系统可以共柜。⑷结论基于以上分析，推荐采用水位自动分析检测报警装置由BAS系统负责。水位分析报警只提供监视和报警功能，不与防淹门启闭控制关联。3.2.3防淹门系统方案比选结论防淹门机械系统选择采用液压启闭机控制平面钢制闸门，车站左右线为一套主机系统，即一机控制两门启闭，每门两侧液压缸行程为门体启闭高度行程一半，辅有动定滑轮组。防淹门控制系统设三级监视、二级控制。水位检测数据分析处理及报警由BAS系统负责，防淹门的启闭操作可在车站和防淹门机房进行，防淹门机房辅有手动操作控制闸门关闭功能。4防淹门系统与其他相关专业系统之间的接口关系防淹门系统与综合监控、低压配电、信号、土建、轨道、接触网、限界等存在设计接口，具体情况如下。与综合监控系统的接口防淹门现场控制器(PLC机)的光纤通信接口通过光纤与综合监控系统交换机进行接口，实现在车站级与综合监控系统的集成。接口位置在综合监控系统交换机的端口上，该部分通信光缆由防淹门控制系统提供。与低压配电系统的接口与低压配电系统的接口在防淹门控制室的动力配电箱上。动力配电箱及箱内设备由低压系统提供，包括断路器、接触器等设备的选型。低压配电系统给防淹门系统提供AC380V动力电源和AC220V控制电源，负荷等级一级，馈电回路和回路容量满足防淹门系统要求。配电箱回路开关以下配电电缆由防淹门系统提供。⑶与信号系统的接口防淹门