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白建国 张庆双
（中铁北京工程局集团第二工程有限公司，湖南 长沙 410007）
受亚热带海洋性季风气候影响，我国南方地区一年中大部分时间雨量充沛，雨季明显。近年来，我国南方地区部分地铁在持续特大暴雨极端天气的影响下，地面积水严重，地铁低洼地带发生了多起洪水倒灌地铁内部的事故，导致站台和轨行区被淹，引发地铁停运、地铁设备设施损毁和人员伤亡等事故，社会影响很大。
地铁被淹问题受到相关部门高度重视，相关部门将地铁防洪作为重点项目，并组织专家和科技人员研究暴雨季节洪水倒灌地铁的问题，分析地铁被淹的成因，提出切实可行的解决方案，防止此类问题的再次发生，保障地铁运营安全。
地铁地面风亭高度普遍设计标高为1m，在正常情况下可防止地面雨水进入地铁，但在极端天气的情况下已不能阻挡洪水倒灌地铁。经研究后提出地铁新线地面矮风亭的标高由原设计标高1m提高到1.5m的解决方案，但该方案需要退让道路红线，增加了地铁在建新线部分站点风亭建设方案的协调与报建难度。因此，在满足地铁规范、城市规划和城市景观的要求下，研发一种机械式防洪装置能有效满足极端天气下城市地铁防洪的需求，保障地铁安全运营。
为了研究地铁风亭机械防洪装置，对现有传统风亭口尺寸进行调查，地铁石壁站矮风亭外形尺寸大约为5600mm×3400mm，混凝土厚度为500mm，高度为1000mm。结合地铁风亭现状，需要设计一种机械装置来替换传统风亭，起到防洪挡水的作用，防止洪水从风亭口部倒灌进入内部。设备平时标高1000mm，工作时设备标高须不小于1500mm。
考虑传统风亭的空间界限要求，结合现实需要，初步拟定升降式、翻转式、浮力式3种方案，来实现工作防洪高度1.5m、平时标高1m的功能要求，并通过使用三维软件对3种方案进行机械结构建模，验证机械结构的可行性。
2.1 升降式结构设计
升降式防洪风亭（装置）在装置内部安装了防洪挡板，平时防洪挡板处于下降状态。工作时，升降机构将防洪挡板提升到预定高度，防洪板上的密封胶条被壳体压缩，可以实现密封。升降式风亭主要由混凝土基座、壳体框架、防洪挡板、升降机构等零部件组成，其工作状态如图1所示。
图1 升降式风亭工作状态图
在电机驱动下，带动连接轴做旋转运动，两端的换向器可将旋转运动中心轴的方向改变90°，进而带动升降机运动，通过其内部蜗轮蜗杆机构传动，使升降机上的T型螺母做上下直线运动。而防洪挡板直接安装在升降机构的T型螺母上，当T型螺母在升降机丝杆上做上下移动时，即可实现带动防洪挡板升降，升降机构驱动防洪挡板升降示意图如图2所示。
图2 升降机构驱动防洪挡板示意图
当防洪挡板升到位后，防洪挡板上的密封胶条和壳体框架上的嵌压条相互挤压，迫使密封胶条压缩，洪水来临时，无法从风亭外部进入风亭孔口内部，可以实现防水密封。
2.2 翻转式结构设计
翻转式防洪风亭（装置）在上表面安装了防洪挡板，平时防洪挡板处于水平状态。工作时，翻转机构将防洪挡板翻转90°，防洪挡板上的密封胶条被壳体压缩，可以实现密封。翻转式风亭主要由混凝土基座、壳体框架、防洪挡板、翻转机构、联动机构等零部件组成，其工作状态如图3所示。
图3 翻转式风亭工作状态图
在电机驱动下，带动连接轴作旋转运动，两端的换向器可将旋转运动中心轴的方向改变方向°，从而带动所有换向器旋转，丝杆螺母部件与换向器输出轴相连，进而丝杆旋转，其上移动螺母做水平方向移动，从而带动连杆3运动，连杆3进而驱动滑块上下运动，进而带动连杆2旋转，进一步带动连杆1旋转，连杆1与防洪挡板直接相连，即可按设计轨迹做90°翻转运动。翻转机构驱动防洪挡板翻转90°示意图如图4所示。
图4 翻转原理示意图
当防洪挡板翻转到位后，两边的防洪挡板相互靠近，挤压侧面的密封胶条，实现侧面密封。壳体框架上沿风亭孔口周向布置一圈密封胶条，防洪挡板下部通过挤压密封胶条，实现底部密封。这两个部位的密封使洪水无法从风亭外部进入风亭孔口内部。
2.3 浮力式结构设计
浮力式防洪风亭（装置）在装置内部安装了防洪挡板，平时防洪挡板处于下降状态，水浮力将防洪挡板提升到预定高度，防洪板上的密封胶条被壳体压缩，可以实现密封。浮力式风亭主要由混凝土基座、壳体框架、防洪挡板、浮力组件等零部件组成，其工作状态如图5所示。
图5 浮力式风亭工作状态图
当洪水来临时，水由混凝土基座上的进水口进入浮力设备内部，装置内部的水位持续上升，当达到临界水位、浮力装置提供的水浮力足够托起整个防洪挡板的质量时，浮力装置开始随着水位的上升而上升，最终达到预定极限位置，当洪水退去时，由于没有水浮力作用，防洪挡板自动下降到初始位置，其工作原理如图6所示。
图6 防洪装置某一边局部剖视图
当防洪挡板升到位后，防洪挡板上的密封胶条和壳体框架相互挤压，迫使密封胶条压缩，当洪水来临时，无法从风亭外部进入风亭孔口内部，可以实现防水密封。
机械式防洪风亭在实际工作中会承受静水压力和水流冲击的作用，形成结构静强度和结构动强度，其壳体框架以及防洪挡板是整个机械结构中主要的受力部件。因此在计算分析时，针对升降式、翻转式、浮力式3种方案的关键结构静强度、动强度的壳体框架和防洪挡板进行受力分析。
3.1 升降式强度分析
对升降式防洪风亭来说，壳体框架的外表面和防洪挡板的外表面直接与水接触或承受水流冲击，它们是主要的受力结构，其受力模型如图7所示。
图7 升降式防洪风亭单侧强度受力模型图（单位：mm）
升降式防洪风亭的壳体框架 一 般 处 于500mm～1300mm的水深度区间，框架底部与混凝土基座固连。而防洪挡板则处于0mm～500mm的水深度区间，下端和升降机构固连，简化为接触位置固定。壳体框架和防洪挡板的强度分析结果见表1。
表1 升降式防洪风亭壳体框架和防洪挡板的强度分析结果
3.2 翻转式强度分析
对翻转式防洪风亭来说，壳体框架外表面由于两侧均受到静水压力作用，可以不考虑其强度。壳体框架的内表面和防洪挡板的外表面直接与水接触或承受水流冲击，它们是主要的受力结构，其受力模型如图8所示。
图8 翻转式防洪风亭单侧受力模型图（单位：mm）
翻转式防洪风亭的壳体框架一般处于500mm～1000mm的水深度区间，框架底部与混凝土基座固连。而防洪挡板则处于0mm～500mm的水深度区间，下端为铰链连接状态，因此可将铰接处边界条件设置为只允许做旋转运动，四边翻转接触后，相互支持，可视为一个整体。壳体框架和防洪挡板的强度分析结果见表2。
表2 翻转式防洪风亭壳体框架和防洪挡板的强度分析结果
3.3 浮力式强度分析
对浮式防洪风亭来说，壳体框架外表面由于两侧均受到静水压力作用，可以不考虑其强度。壳体框架的内表面和防洪挡板的外表面直接与水接触或承受水流冲击，它们是主要的受力结构，其受力模型如图9所示。
图9 浮力式防洪风亭单侧受力模型图（单位：mm）
浮力式防洪风亭的壳体框架一般处500mm～1300mm的水深度区间，框架底部与混凝土基座固连。而防洪挡板则处于0mm～500mm的水深度区间，下端可在导轨滑动上限制接触位置水平方向位移。壳体框架和防洪挡板的强度分析结果见表3。
表3 浮力式防洪风亭壳体框架和防洪挡板的强度分析结果
在地铁防洪风亭机械结构的基础上，建立了一套集状态监测、智慧决策、智能控制的信息化系统，从而实现风亭防洪装置由传统的控制模式转变为智能管控模式，助力地铁运维的数字化升级。智能监控系统如图10所示。
由图10可知，水位监测系统由多组并列水位传感器组成，可以实时采集水位信息；
动力系统设置了并列的位置传感器，可以实时采集防洪挡板位置信息。现场控制系统将可接收到的信号传送给车站级综合监控系统，中央监控系统与车站级监控系统相互通信，用于监测车站及现场情况，IBP盘可以实现对风亭的远程控制。
图10 智能监控系统示意图
该文对地铁风亭机械式防洪装置进行了机械结构设计、结构强度分析、智能监控系统设计，总结如下：1）提出了地铁风亭机械式防洪升降式、翻转式、浮力式3种防洪方案，并通过三维建模软件对3种方式的机械结构进行了详细设计，阐述了相关的升降原理以及密封原理。2）根据工况特点，选定了地铁风亭机械式防洪装置的主要零部件材料；
通过有限元分析软件计算得出，3种风亭主要零部件在静水结构强度中均满足要求，升降式、浮力式在水流速度不大于3m/s时，满足强度要求，翻转式在水流速度不大于4m/s时，满足强度要求。3）设计了地铁智能防洪风亭的智能监控系统，介绍了其工作原理。以升降式为例叙述了监控系统的工作流程，可以实现风亭状态现场、车站、中央级智能监控，并可以通过手动或自动控制，完成风亭的升降操作。4）地铁智能防洪风亭是防止洪涝风险管控的有效手段，可以显著提高轨道交通安全性，达到了地铁风亭通风换气兼顾韧性防洪的目的，兼具社会效益和经济效益。
