基于AutoCAD三維建模在城市軌道交通道床積水方面的應用

摘要 為準確測算城市軌道交通道床的積水容積，指導運營單位推算獲得應急處置時長，文章綜合道床形式、坡度等因素，通過AutoCAD軟件繪制積水漫過道床、漫過軌腰、漫過軌面等不同影響所對應的三維模型，利用基本數學公式推算出某區間隧道發生道床積水事故的應急處置時長，以便于道床積水救援策略的制定及深入研究，為BIM技術完善運維管理系統提供數據支持。

關鍵詞 城市軌道交通；道床積水；BIM；模擬計算

中圖分類號 U239 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0022-03

0 引言

鄭州地鐵五號線“7·21”倒灌事件，為全國軌道交通運營單位敲響了防汛防洪防內澇的警鐘。城市軌道交通隧道進水、積水事故并非個例，廣州、北京等城市軌道交通隧道均發生過道床積水影響正常運營組織的事件。如何準確測算道床積水體積，推算出城市軌道交通隧道應急抽排積水恢復運營的所需時長，已成為各城市地鐵運營單位及城市軌道交通主管行政部門關注的問題。該文利用AutoCAD軟件準確測算不同影響程度的道床積水容積，以利用該容積并結合區間廢水泵站的排水能力，推算出應急抽排積水時長的方法，供各城市軌道交通運營單位參考。

1 隧道、道床及區間廢水泵站設計

以北京市部分已運營的地下城市軌道交通線路為例，進行隧道、道床及區間廢水泵站的設計分析。

1.1 隧道設計

地鐵區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 道床設計

地鐵區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、長軌枕道床、短軌枕道床和碎石道床。上述道床均設有位于軌道中間的道心排水溝或軌道兩側排水溝。

隧道內的沖洗廢水、消防廢水、結構滲漏水及個別車站的空調冷凝水，沿地鐵區間隧道道床排水溝以重力流形式自高向低流入區間隧道低點的廢水泵站集水池。

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

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

1.3 廢水泵站設計

根據地鐵設計標準[1]，在地鐵線路實際坡度最低點、地鐵車站線路的下坡方向設置區間廢水泵站，泵站內設有2～3臺排水泵，平時1臺工作、其余備用，必要時2～3臺可同時排水。泵房總排水能力，應按照消防總排水量和結構滲漏水之和進行計算。

北京近年開通的地鐵線路，通常將廢水泵站設計在線路聯絡通道或獨立的廢水泵房內，泵站設1座集水池，2～3臺排水量為40 m3/h、揚程20～30 m的立式液下排水泵或潛污泵。區間隧道沿排水溝匯入區間廢水泵站集水池，廢水泵加壓后經揚水管自區間風亭或車站風亭，抽升至室外排水井，最終匯入市政污水管網。

2 運營管理過程中道床積水對運營的影響

2.1 道床積水水源

隧道內道床排水水源一般包含五種，即消防廢水、道床沖洗水、結構滲漏水、區間給水管爆裂跑水和客水侵入。

2.2 道床積水對運營的影響

根據北京市城市軌道交通行業相關規定[2]：“造成軌道交通運營中斷5 min至4 h以上的運營事故，扣5～300分。”

根據北京市城市軌道交通行業常規管理策略，道床積水對電客車的運行影響按照積水對運營造成影響的不同程度，大致分為下列5個深度（以下簡稱5個深度）：

積水淹沒道床（此時電客車限速40 km/h）。

積水淹沒軌腰（此時電客車限速25 km/h）。

積水淹沒鋼軌（此時電客車需停運）。

積水觸及接觸軌（此時接觸軌跳閘或停電）。

積水侵入電控柜（需斷電撤離，并組織其他形式應急抽水）。

以某線路區間廢水泵站為例，該廢水泵站兩側上下行均為圓形隧道、短軌枕道床，軌道超高參數值為0 mm，接觸網受電，中心排水溝且聯絡通道地面與軌面持平。此廢水泵站不同影響淹沒深度示意圖如圖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橫斷面不同影響程度的準確積水的5個深度（以下積水深度簡稱h）。

3 影響道床積水容積的3個維度

經過對已運營線路近百處區間廢水泵站及其相鄰區域的軌行區數據的梳理及測算，可知影響道床積水受納體積的三個因素如下：

3.1 積水深度維度

根據前文所述，隧道積水多發生在隧道的實際最低點，此處均設有區間廢水泵站或輔助泵站。

前文提及的5個對運營造成不同影響的積水深度，與在實際最低點所對應的積水深度一致。下文將以這5個深度為基準，對道床積水體積進行模擬和測算。

3.2 隧道縱曲線維度

從地鐵隧道縱曲線觀察，隧道各區段最低點及可能積水的區域（以下簡稱最低點）與積水水面呈現的頂端，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，即兩側坡度越大，或縱向轉彎半徑越小，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個深度后，可以結合該斷面的隧道斷面圖，得到該斷面位置5個深度分別對應積水的斷面面積。

由于隧道橫斷面對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）、軌道超高（0～120 mm）、管線及電氣設備分布情況等，不同橫斷面道床積水示意圖如圖3所示。

上述6個因素導致每個隧道最低點的斷面均不同，為較準確地計算積水體積，需要對每個隧道最低點位置的斷面進行獨立建模，并繪制出不同積水深度所對應的積水斷面面積S。

綜上，梳理隧道內各低洼位置的橫斷面，可以得到對應節點位置不同影響積水深度的積水斷面圖，得到積水深度h。此處積水深度h最大值對應前文所提及的5個對運營不同影響的積水深度，篩出5個對運營造成不同影響的積水深度相對應的截面積，在隧道縱曲線維度（起始百米標a，終止百米標b）進行積分，即可得到該位置對應影響程度的積水體積。此過程，可以通過AutoCAD模擬和測算出對應的體積。

4 基于AutoCAD三維積水模型

使用AutoCAD創建道床三維積水模型，梳理出3個維度數據即可，以某個區間廢水泵站為例：

經過梳理計算得到道床積水容積所需的隧道橫斷面、隧道兩個方向的縱曲線夾角、轉彎半徑及長度，指定5個影響運營積水深度之一的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上頂點與水平面所圍出的面積編輯為“面”，此時得到對應斷面的面積S。

然后在z軸繪制隧道縱曲線，起始百米標a，終止百米標b，將面積為S的截面在隧道縱曲線在a、b范圍內進行掃掠或延伸，可得到對應的積水實體，最后對水平面進行修正，即得到該區域積水的實體模型，利用積查詢指令測量模型，可得到影響深度h的該泵站位置道床的積水容積。

5 積水模型應用前景

5.1 掌握道床積水容積，提升運營處置效率

以區間消防水管跑水為例，其引起的道床積水響應時長應遵循圖4所示的道床積水容積計算邏輯測算示意圖，即可得到區間消防水管脫開跑水時，某一區間接到超高液位報警后的應急處置時長（T）。

式中，T——應急處置時長（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——計算消防水管的脫開跑水流速（m3/h）；Qp——計算或測試獲得區間廢水泵站的排水流速（m3/h）。

5.2 合理部署人員應急指揮調度，提升運營處置效率

掌握各區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，有利于運營單位提前有針對性地投入應急搶險力量，縮短逐級匯報、逐級求援的時間。計算得到各泵站積水容積，可以根據電客車運營計劃、各班組演練數據得到各泵站應急處置所需的具體時長，可以通過采取優化內部應急響應分工、優化維修人員部署位置等策略減少應急響應時長，降低積水對運營的影響。

（1）重大災害、事故態勢的預判，積水影響范圍模擬

準確的道床積水容積，可以直觀、便捷地預判出“客水入侵”“排水故障”等事件的影響風險，為后續的客運組織提供技術支持。

（2）通過前期合理設置隧道、軌道參數，降低積水風險或延長應急處置時間

通過梳理既有線路數據，目前個別區間坡度較大，且泵站集水池有效容積較小，同時使用機械法下沉泵站施工工藝，導致該泵站積水應急處置時間非常短，極易因結構滲漏水、管道跑水等原因導致道床積水影響運營的事件發生。此情況宜在設計階段，通過隧道、道床、泵站的選型、匹配關系等角度進行優化，降低運營風險。

（3）與BIM技術結合，布設水淹預警系統傳感器

通過道床積水數據，獲得準確的積水淹沒位置的特征數據，可通過標尺、提示牌提示司機，或通過設置積水傳感器、優化視頻智能算法等方式，將報警信息上傳至BAS/ISCS系統，向綜控、OCC、維修人員提供預警信息。

此數據也可結合BIM技術，在建設期將不同影響的積水事件，統籌至BIM成果文件中，一并移交給運營單位[3]。

6 總結

綜上所述，基于AutoCAD測算道床積水容積，可進一步提升運營單位對道床積水風險的管控水平，同時也可通過技術手段向各級單位發布預警信息，有利于運營單位及時掌握道床積水的危害程度，便于其有針對性地應對如雨水倒灌、管道跑水、排水系統故障等事故誘發的道床積水事件。

參考文獻

[1]地鐵設計規范：GB 50157—2013[S].北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[2]北京市交通委員會.北京市城市軌道交通安全服務千分制評價管理辦法[R].北京：北京市交通委員會， 2021.

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