新型隧道逃生管道设计技术

摘 要 本文提出了更新隧道逃生管道选材，把送风管与逃生管串连连接的隧道逃生管道设计技术。分别以钢带PE波纹管和钢管作为逃生管道进行抗冲击试验，经仿真模拟和现场试验，获得了钢带PE波纹管和钢管的最大凹陷变形值，证明了两种材料均能满足应急逃生的需求，但钢带PE波纹管作为隧道逃生管道具有造价低、连接方便等优点，相比更有优势。通过对试件抗冲击试验的系统分析，为隧道逃生管道的安全设计提供理论参考。

关键词隧道塌方；逃生管道；PE波纹管；冲击分析

Key WordsTunnel collapse；Escape pipes；PE corrugated pipe；Impact analysis

中图分类号： U45文献标识码：A 文章编号：

一、概述

随着我国经济的发展，公路、铁路等交通线路经过山区普遍采用隧道穿越，由于地质复杂和施工方式不当，隧道施工期间经常发生塌方事故，其中关门塌方事故的后果最为严重，一旦发生将严重影响掌子面附近施工人员的生命安全。因此，针对隧道施工中的塌方事故，进行隧道逃生管道的系统研究，显得非常重要。

在逃生管道设计中，目前管材选用最常用的是钢管，经长期现场考察发现，施工现场使用的钢管存在造价高、接口多、不密封、耐腐蚀性差等缺点，施工时经常搁置在洞室外，起不到防止关门塌方时应急逃生的作用，对隧道施工人员生命安全造成极大的安全隐患，因此有必要更新逃生管选材。在隧道施工设计时我们提议更换逃生管道材料，把送风管与逃生管串连连接使用，洞室外新鲜空气经送风管到达初支与二衬交界处，再经逃生管道（钢带PE波纹管）输送到掌子面区域。

与钢管相比，钢带PE波纹管具有适当的挠曲度、连接方便、造价低、使用寿命长、耐腐蚀及耐环境应力开裂的优越性。因此，选用钢带PE波纹管作为逃生管，参照规范管内径选用Φ0.8m，须要验证的是钢带PE波纹管的抗冲击能力是否到达要求。

二、逃生管抗冲击分析

当隧道塌方时主要考虑逃生管的抗冲击能力，暨逃生管被砸部位满足人员疏散需求。现就基于横向冲击的平铺圆管试件（钢带PE波纹管和钢管）进行现场试验，分析试件的局部凹陷与冲击能量的关系，从而得出冲击点附近的变形模态，比较端部断面与中间断面的抗冲击能力。在此利用ANSYS LS-DYNA对试验进行仿真模拟（管道变形的时程曲线），再将钢带PE波纹管试验结果与钢管试验结果进行比较。

1、仿真模拟

利用ANSYS LS-DYNA对上述冲击试验进行三维仿真模拟分析，仿真模型由以下三部分构成：落石、试件（分别为钢带PE波纹管和钢管）、砂垫层。落石采用质量分别为90kg、180kg、300kg的球形刚体模型（参数详见表1）；试件和砂垫层采用和试验材料完全一致的几何尺寸，其中钢带PE波纹管屈服模型是Bilinear isotropic 双线性各向同性硬化模型（ID800、SN16、层压壁厚≥12.5,具体参数详见表1），钢管同样采用双线性各向同性硬化模型（ID800、管厚8，具体参数详见表1），共划分2400个4节点壳体单元。

表1 仿真部件参数

砂垫层采用橡胶非线性弹性模型，密度为1078kg/立方米，剪切模量G=16.26MPa，共划分1078个节点实体单位，垫层底面节点定义为固端约束。初始条件为球形落石在试件顶部1m处以初速度10.84m/s自由下落，落石与圆管、圆管与垫层之间接触均为面与面接触。

试验结果详见表2。由表可知，钢带PE波纹管的最大凹陷变形值与钢管的最大凹陷变形值相差不大，最大凹陷值均不招过100mm，两试件的抗冲击能力都能满足应急逃生需求。

2、冲击试验

试验在加工厂内进行，试验试件分别为钢带PE波纹管和钢管，模拟岩块从隧道顶部掉落。钢带PE波纹管试件采用单节长度L为6m、ID800、环刚度SN16；钢管试件采用单节长度L为6m、ID800、壁厚H为10mm，可见两试件尺寸规格基本一致。冲击试件为块状孤石，重量分别为90kg、180kg和300kg三种。试件垫层均为用平整放置的砂袋，垫层厚250mm，宽800mm。冲击试件离圆管顶部距离主要取决于隧道断面的开挖高度，本试验均为7m，石块试件高度由龙门吊进行提升，通过调整龙门吊前后移动来控制落石的冲击部位。除垫层对基底部产生竖向与水平摩擦约束外，试件外部不受其它方向约束。

实验时，将试件平铺于砂垫层上，用龙门吊提升石块试件至相应高度，然后空中释放石块任其自由下落并与试件发生撞击。为比较试件两端和中间断面的抗击能力大小，试验过程分别用300kg落石对两个不同截面进行冲击。由于隧道塌方落石的掉落可能会偏离逃生管纵轴线一定距离，因此，除模拟对顶撞击外，试验还模拟了石块与试件的斜交撞击。

试验结果详见表2。表中分别列出了不同冲击能量的冲击部位、撞击角度以及最大凹陷变形值，从该结果可以看出，两试件的最大凹陷变形值均不招过85mm，均满足应急逃生需求。

表2试验与仿真模拟结果

由仿真模拟与现场实验比较可知，在最大冲击能量（2.06*104J）作用下，数值模拟结果与实验结果基本吻合。撞击发生后，钢管和钢带PE波纹管被撞击部位均产生局部凹陷，而钢带PE波纹管柔性反作用力较强，两试件的局部凹陷均满足应急逃生需求。

3、关门坍塌仿真

模拟发生关门塌方时，钢带PE波纹管中间部位被洞室岩层埋盖，模拟试件采用洞内碎石（密度为2500kg/立方米，弹性模量E=40 GPa，泊松比v=0.2. 试件选用钢带PE波纹管），钢带PE波纹管屈服模型仍然选用Bilinear isotropic 双线性各向同性硬化模型（参数仍选用上述实验参数），垫层不变。初始条件为岩石从6米高处以初速度0m/s自由下落，岩层与管件全面接触，岩层不断堆积直至距垫层7米高为止，模拟效果与关门塌方时类似。

在模拟关门塌方中，堆积的岩石将试件压成椭圆状，但钢带PE波纹管变形不大，能满足应急逃生需求。

结论：

在隧道逃生管道设计时我们提议优化逃生管选材，把送风管与逃生管串连连接使用。作为隧道逃生管道，必须能够承受塌方荷载，从上述抗冲击实验结果可知，钢带PE波纹管与钢管均能满足要求，但两者相比，钢带PE波纹管具有更优异的抗腐蚀性、连接方便、造价低等优点。以上研究为设计隧道逃生管道系统和降低逃生管造价提供了理论参考。

参考文献

[1] 张剑.隧道施工中掌子面后方塌方的预防和处理[J].铁道建筑，2005，(12):36～37

[2] 胡浩军、狄先均等.隧道逃生管道设计中的圆管冲击计算. 现代隧道技术，2008，272～274

[3] 张瑜、丁庆荣等.隧道逃生管道的冲击试验与仿真模拟.华中科技大学学报（城市科学版），2010，87～94