基于AutoCAD三維建模在城市軌道交通道床積水方面的應(yīng)用

摘要 為準(zhǔn)確測(cè)算城市軌道交通道床的積水容積，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)單位推算獲得應(yīng)急處置時(shí)長(zhǎng)，文章綜合道床形式、坡度等因素，通過(guò)AutoCAD軟件繪制積水漫過(guò)道床、漫過(guò)軌腰、漫過(guò)軌面等不同影響所對(duì)應(yīng)的三維模型，利用基本數(shù)學(xué)公式推算出某區(qū)間隧道發(fā)生道床積水事故的應(yīng)急處置時(shí)長(zhǎng)，以便于道床積水救援策略的制定及深入研究，為BIM技術(shù)完善運(yùn)維管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 城市軌道交通；道床積水；BIM；模擬計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào) U239 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0022-03

0 引言

鄭州地鐵五號(hào)線“7·21”倒灌事件，為全國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)單位敲響了防汛防洪防內(nèi)澇的警鐘。城市軌道交通隧道進(jìn)水、積水事故并非個(gè)例，廣州、北京等城市軌道交通隧道均發(fā)生過(guò)道床積水影響正常運(yùn)營(yíng)組織的事件。如何準(zhǔn)確測(cè)算道床積水體積，推算出城市軌道交通隧道應(yīng)急抽排積水恢復(fù)運(yùn)營(yíng)的所需時(shí)長(zhǎng)，已成為各城市地鐵運(yùn)營(yíng)單位及城市軌道交通主管行政部門(mén)關(guān)注的問(wèn)題。該文利用AutoCAD軟件準(zhǔn)確測(cè)算不同影響程度的道床積水容積，以利用該容積并結(jié)合區(qū)間廢水泵站的排水能力，推算出應(yīng)急抽排積水時(shí)長(zhǎng)的方法，供各城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位參考。

1 隧道、道床及區(qū)間廢水泵站設(shè)計(jì)

以北京市部分已運(yùn)營(yíng)的地下城市軌道交通線路為例，進(jìn)行隧道、道床及區(qū)間廢水泵站的設(shè)計(jì)分析。

1.1 隧道設(shè)計(jì)

地鐵區(qū)間隧道一般分為三種形式，即圓形隧道、馬蹄形隧道和矩形隧道。

1.2 道床設(shè)計(jì)

地鐵區(qū)間隧道道床一般分為六種形式，即整體道床、梯形道床、浮置板道床、長(zhǎng)軌枕道床、短軌枕道床和碎石道床。上述道床均設(shè)有位于軌道中間的道心排水溝或軌道兩側(cè)排水溝。

隧道內(nèi)的沖洗廢水、消防廢水、結(jié)構(gòu)滲漏水及個(gè)別車(chē)站的空調(diào)冷凝水，沿地鐵區(qū)間隧道道床排水溝以重力流形式自高向低流入?yún)^(qū)間隧道低點(diǎn)的廢水泵站集水池。

道心排水溝即在道床兩軌之間設(shè)置排水溝，設(shè)置斷面尺寸為400 mm×350 mm（寬、高），每股道床設(shè)1處道心排水溝，其坡度與隧道縱曲線坡度保持一致。

排水邊溝即在兩側(cè)軌道外側(cè)，設(shè)置斷面尺寸為200 mm×200 mm（寬、高），每股道床設(shè)2處排水邊溝，其坡度與隧道縱曲線坡度保持一致。

1.3 廢水泵站設(shè)計(jì)

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]，在地鐵線路實(shí)際坡度最低點(diǎn)、地鐵車(chē)站線路的下坡方向設(shè)置區(qū)間廢水泵站，泵站內(nèi)設(shè)有2～3臺(tái)排水泵，平時(shí)1臺(tái)工作、其余備用，必要時(shí)2～3臺(tái)可同時(shí)排水。泵房總排水能力，應(yīng)按照消防總排水量和結(jié)構(gòu)滲漏水之和進(jìn)行計(jì)算。

北京近年開(kāi)通的地鐵線路，通常將廢水泵站設(shè)計(jì)在線路聯(lián)絡(luò)通道或獨(dú)立的廢水泵房?jī)?nèi)，泵站設(shè)1座集水池，2～3臺(tái)排水量為40 m3/h、揚(yáng)程20～30 m的立式液下排水泵或潛污泵。區(qū)間隧道沿排水溝匯入?yún)^(qū)間廢水泵站集水池，廢水泵加壓后經(jīng)揚(yáng)水管自區(qū)間風(fēng)亭或車(chē)站風(fēng)亭，抽升至室外排水井，最終匯入市政污水管網(wǎng)。

2 運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中道床積水對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響

2.1 道床積水水源

隧道內(nèi)道床排水水源一般包含五種，即消防廢水、道床沖洗水、結(jié)構(gòu)滲漏水、區(qū)間給水管爆裂跑水和客水侵入。

2.2 道床積水對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響

根據(jù)北京市城市軌道交通行業(yè)相關(guān)規(guī)定[2]：“造成軌道交通運(yùn)營(yíng)中斷5 min至4 h以上的運(yùn)營(yíng)事故，扣5～300分。”

根據(jù)北京市城市軌道交通行業(yè)常規(guī)管理策略，道床積水對(duì)電客車(chē)的運(yùn)行影響按照積水對(duì)運(yùn)營(yíng)造成影響的不同程度，大致分為下列5個(gè)深度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)5個(gè)深度）：

積水淹沒(méi)道床（此時(shí)電客車(chē)限速40 km/h）。

積水淹沒(méi)軌腰（此時(shí)電客車(chē)限速25 km/h）。

積水淹沒(méi)鋼軌（此時(shí)電客車(chē)需停運(yùn)）。

積水觸及接觸軌（此時(shí)接觸軌跳閘或停電）。

積水侵入電控柜（需斷電撤離，并組織其他形式應(yīng)急抽水）。

以某線路區(qū)間廢水泵站為例，該廢水泵站兩側(cè)上下行均為圓形隧道、短軌枕道床，軌道超高參數(shù)值為0 mm，接觸網(wǎng)受電，中心排水溝且聯(lián)絡(luò)通道地面與軌面持平。此廢水泵站不同影響淹沒(méi)深度示意圖如圖1所示，上述條件確定后，可得到該位置隧道縱曲線的最低點(diǎn)橫斷面不同影響程度的準(zhǔn)確積水的5個(gè)深度（以下積水深度簡(jiǎn)稱(chēng)h）。

3 影響道床積水容積的3個(gè)維度

經(jīng)過(guò)對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路近百處區(qū)間廢水泵站及其相鄰區(qū)域的軌行區(qū)數(shù)據(jù)的梳理及測(cè)算，可知影響道床積水受納體積的三個(gè)因素如下：

3.1 積水深度維度

根據(jù)前文所述，隧道積水多發(fā)生在隧道的實(shí)際最低點(diǎn)，此處均設(shè)有區(qū)間廢水泵站或輔助泵站。

前文提及的5個(gè)對(duì)運(yùn)營(yíng)造成不同影響的積水深度，與在實(shí)際最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的積水深度一致。下文將以這5個(gè)深度為基準(zhǔn)，對(duì)道床積水體積進(jìn)行模擬和測(cè)算。

3.2 隧道縱曲線維度

從地鐵隧道縱曲線觀察，隧道各區(qū)段最低點(diǎn)及可能積水的區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱(chēng)最低點(diǎn)）與積水水面呈現(xiàn)的頂端，形成圓弧狀的倒三角形，地鐵隧道縱斷面積水示意圖如圖2所示。

由圖2可知，隧道縱曲線和積水水面的夾角與基本坡度一致，即兩側(cè)坡度越大，或縱向轉(zhuǎn)彎半徑越小，則積水水平距離L越短，積水容積V越小。以上同理反之。

3.3 隧道橫斷面維度

確定5個(gè)深度后，可以結(jié)合該斷面的隧道斷面圖，得到該斷面位置5個(gè)深度分別對(duì)應(yīng)積水的斷面面積。

由于隧道橫斷面對(duì)積水容積的影響因素包括隧道形式（矩形隧道、圓形隧道等）、道床形式（碎石道床、浮置板道床等）、排水溝形式（道心排水溝、軌旁排水溝等）、受電形式（接觸軌、接觸網(wǎng)）、軌道超高（0～120 mm）、管線及電氣設(shè)備分布情況等，不同橫斷面道床積水示意圖如圖3所示。

上述6個(gè)因素導(dǎo)致每個(gè)隧道最低點(diǎn)的斷面均不同，為較準(zhǔn)確地計(jì)算積水體積，需要對(duì)每個(gè)隧道最低點(diǎn)位置的斷面進(jìn)行獨(dú)立建模，并繪制出不同積水深度所對(duì)應(yīng)的積水?dāng)嗝婷娣eS。

綜上，梳理隧道內(nèi)各低洼位置的橫斷面，可以得到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置不同影響積水深度的積水?dāng)嗝鎴D，得到積水深度h。此處積水深度h最大值對(duì)應(yīng)前文所提及的5個(gè)對(duì)運(yùn)營(yíng)不同影響的積水深度，篩出5個(gè)對(duì)運(yùn)營(yíng)造成不同影響的積水深度相對(duì)應(yīng)的截面積，在隧道縱曲線維度（起始百米標(biāo)a，終止百米標(biāo)b）進(jìn)行積分，即可得到該位置對(duì)應(yīng)影響程度的積水體積。此過(guò)程，可以通過(guò)AutoCAD模擬和測(cè)算出對(duì)應(yīng)的體積。

4 基于AutoCAD三維積水模型

使用AutoCAD創(chuàng)建道床三維積水模型，梳理出3個(gè)維度數(shù)據(jù)即可，以某個(gè)區(qū)間廢水泵站為例：

經(jīng)過(guò)梳理計(jì)算得到道床積水容積所需的隧道橫斷面、隧道兩個(gè)方向的縱曲線夾角、轉(zhuǎn)彎半徑及長(zhǎng)度，指定5個(gè)影響運(yùn)營(yíng)積水深度之一的h。

利用AutoCAD在該泵站隧道橫斷面繪制高度為h的直線，并用直線將h上頂點(diǎn)與水平面所圍出的面積編輯為“面”，此時(shí)得到對(duì)應(yīng)斷面的面積S。

然后在z軸繪制隧道縱曲線，起始百米標(biāo)a，終止百米標(biāo)b，將面積為S的截面在隧道縱曲線在a、b范圍內(nèi)進(jìn)行掃掠或延伸，可得到對(duì)應(yīng)的積水實(shí)體，最后對(duì)水平面進(jìn)行修正，即得到該區(qū)域積水的實(shí)體模型，利用積查詢(xún)指令測(cè)量模型，可得到影響深度h的該泵站位置道床的積水容積。

5 積水模型應(yīng)用前景

5.1 掌握道床積水容積，提升運(yùn)營(yíng)處置效率

以區(qū)間消防水管跑水為例，其引起的道床積水響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)遵循圖4所示的道床積水容積計(jì)算邏輯測(cè)算示意圖，即可得到區(qū)間消防水管脫開(kāi)跑水時(shí)，某一區(qū)間接到超高液位報(bào)警后的應(yīng)急處置時(shí)長(zhǎng)（T）。

式中，T——應(yīng)急處置時(shí)長(zhǎng)（h）；Vg——道床有效容積三維模型（m3）；Vb——廢水泵集水池超高液位以上的有效容積模型（m3）；Qx——計(jì)算消防水管的脫開(kāi)跑水流速（m3/h）；Qp——計(jì)算或測(cè)試獲得區(qū)間廢水泵站的排水流速（m3/h）。

5.2 合理部署人員應(yīng)急指揮調(diào)度，提升運(yùn)營(yíng)處置效率

掌握各區(qū)間不同位置廢水泵站、隧道洞口雨水泵站所影響的道床積水容積，有利于運(yùn)營(yíng)單位提前有針對(duì)性地投入應(yīng)急搶險(xiǎn)力量，縮短逐級(jí)匯報(bào)、逐級(jí)求援的時(shí)間。計(jì)算得到各泵站積水容積，可以根據(jù)電客車(chē)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃、各班組演練數(shù)據(jù)得到各泵站應(yīng)急處置所需的具體時(shí)長(zhǎng)，可以通過(guò)采取優(yōu)化內(nèi)部應(yīng)急響應(yīng)分工、優(yōu)化維修人員部署位置等策略減少應(yīng)急響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，降低積水對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

（1）重大災(zāi)害、事故態(tài)勢(shì)的預(yù)判，積水影響范圍模擬

準(zhǔn)確的道床積水容積，可以直觀、便捷地預(yù)判出“客水入侵”“排水故障”等事件的影響風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)的客運(yùn)組織提供技術(shù)支持。

（2）通過(guò)前期合理設(shè)置隧道、軌道參數(shù)，降低積水風(fēng)險(xiǎn)或延長(zhǎng)應(yīng)急處置時(shí)間

通過(guò)梳理既有線路數(shù)據(jù)，目前個(gè)別區(qū)間坡度較大，且泵站集水池有效容積較小，同時(shí)使用機(jī)械法下沉泵站施工工藝，導(dǎo)致該泵站積水應(yīng)急處置時(shí)間非常短，極易因結(jié)構(gòu)滲漏水、管道跑水等原因?qū)е碌来卜e水影響運(yùn)營(yíng)的事件發(fā)生。此情況宜在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)隧道、道床、泵站的選型、匹配關(guān)系等角度進(jìn)行優(yōu)化，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）與BIM技術(shù)結(jié)合，布設(shè)水淹預(yù)警系統(tǒng)傳感器

通過(guò)道床積水?dāng)?shù)據(jù)，獲得準(zhǔn)確的積水淹沒(méi)位置的特征數(shù)據(jù)，可通過(guò)標(biāo)尺、提示牌提示司機(jī)，或通過(guò)設(shè)置積水傳感器、優(yōu)化視頻智能算法等方式，將報(bào)警信息上傳至BAS/ISCS系統(tǒng)，向綜控、OCC、維修人員提供預(yù)警信息。

此數(shù)據(jù)也可結(jié)合BIM技術(shù)，在建設(shè)期將不同影響的積水事件，統(tǒng)籌至BIM成果文件中，一并移交給運(yùn)營(yíng)單位[3]。

6 總結(jié)

綜上所述，基于AutoCAD測(cè)算道床積水容積，可進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)單位對(duì)道床積水風(fēng)險(xiǎn)的管控水平，同時(shí)也可通過(guò)技術(shù)手段向各級(jí)單位發(fā)布預(yù)警信息，有利于運(yùn)營(yíng)單位及時(shí)掌握道床積水的危害程度，便于其有針對(duì)性地應(yīng)對(duì)如雨水倒灌、管道跑水、排水系統(tǒng)故障等事故誘發(fā)的道床積水事件。

參考文獻(xiàn)

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[2]北京市交通委員會(huì).北京市城市軌道交通安全服務(wù)千分制評(píng)價(jià)管理辦法[R].北京：北京市交通委員會(huì)， 2021.

[3]張楠，周君，王保.城市軌道交通BIM一體化管理模式及應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通， 2023（12）：34-40.