新型隧道逃生管道安全性研究

【摘 要】 提出更新隧道逃生管道选材，把送风管与逃生管串连的隧道逃生管道安全设计技术。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，经仿真模拟和现场安全试验，获得钢带PE波纹管和钢管的最大凹陷变形值，试验结果表明，2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。分析结果可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 安全试验

随着我国经济的发展，公路、铁路等交通线路经过山区时普遍采用隧道穿越。由于地质复杂、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，一旦发生将严重威胁掌子面附近施工人员的生命安全。为此，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。

目前在逃生管道设计中，最常选用的管材是钢管。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，关门塌方时不能起到应急逃生的作用，成为极大的安全隐患，因此有必要更新逃生管材。笔者建议隧道施工设计时更换逃生管道材料，把送风管与逃生管串连使用，以便洞室外新鲜空气经送风管到达初期支护与二次衬砌交界处，再经逃生管道（钢带PE波纹管）输送到掌子面区域。送风管与逃生管串连连接示意见图1。

图1 送风管与逃生管串连连接示意

与钢管相比，钢带PE波纹管具有挠曲度适当、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波纹管作为逃生管时，参照标准化规定管内径选用0.8m，但必须验证其抗冲击能力是否达到要求。

一、逃生管抗冲击分析

隧道塌方时，主要考虑逃生管的抗冲击能力，即逃生管被砸部位需满足人员疏散需求。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，以分析试件局部凹陷与冲击能量的关系，得出冲击点附近的变形模态，从而比较端部断面与中间断面的抗冲击能力。本文利用ANSYS LS-DYNA进行仿真模拟试验，并将钢带PE波纹管试验结果与钢管试验结果进行比较。PE波纹管仿真模型见图2。

图2 PE波纹管仿真模型

1. 仿真模拟

利用ANSYS LS-DYNA对冲击试验进行三维仿真模拟分析，仿真模型由3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90、180、300kg，半径分别为0.205、0.258、0.305m的球形刚体模型。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28mm，螺纹间距4cm），钢管同样采用双线性各向同性硬化模型（ID800，管厚8mm），共划分2400个4节点壳体单元。仿真模型部件参数见表1.

表1 仿真模型部件参数

模型部件 密度/（kg・m-3） 弹性模量/MPa 泊松比 屈服强度/MPa 切线模量/MPa

落石（球形刚体） 2500 0.4e5 0.2 - -

试件1（钢管） 7800 2.1e5 0.25 2.35e2 10.0e3

试件2（钢带PE波纹管） 950 1.3e4 0.4 0.42e2 6.64e2

砂垫层采用橡胶非线性弹性模型，密度为1078kg/m?，剪切模量G=16.26MPa，共划分1078个节点，垫层底面节点定义为固端约束。为模拟隧道塌方时对逃生管道的最大冲击势能，选择初始条件为球形落石在试件顶部7m处自由下落，冲击位置为管道端部0.1m及管道中部2.5m处。为节省计算时间，模拟中球体在管道上方1m处以10.84m/s的初速度自由下落。

试验过程中，落石与圆管、圆管与垫层之间接触均为面与面接触。考虑到实际当中落石质量不相同，试件的任何部位和任何角度均可能受到冲击。故采用5项具有代表性的工况进行冲击试验，选择3种冲击能量分别为6174、12348和20580J的球形刚体（质量分别为90、180、300kg），试件受冲击部位选择端部和中部，冲击点法线与水平线夹角设置为79、61、90、52度。仿真模拟效果见图3～6。

（a） 6174J冲击能量 （b） 12348J冲击能量

图3波纹管端部Y方向应力

图4 20580J冲击能量下波纹管中部等效应力 图5 20580J冲击能量下波纹管中部变形

图6 20580J冲击能量下波纹管中部最大变形时程曲线

试验结果见表2。由表2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，2个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波纹管试件单节长度为6m、管内径为0.8m、环刚度SN16、层压壁厚28mm、螺纹间距4cm，钢管试件单节长度为6m、管内径为0.8m、壁厚8mm，2个试件外形规格基本一致。冲击试件为块状孤石，重量分别为90、180和300kg 3种。试件垫层均为平整放置的砂袋，垫层厚250mm，宽800mm。通常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。石块高度由龙门吊提升，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。

试验时，将试件平铺于砂垫层上，用龙门吊提升石块至相应高度，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，试验过程中分别用300kg落石对2个不同截面进行冲击。由于隧道塌方落石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，还模拟了石块与试件的斜交撞击。考虑现场试验与仿真试验的可比性，仍选用1.1节试验中的5个工况。

由表2数据可以看出，2个试件的最大凹陷变形值均不招过90mm，均满足应急逃生需求。

表2 试验与仿真模拟结果

工况 冲击能量/J 冲击断面 冲击点法线与水平线夹角/（°） 钢管最大凹陷变形值/mm PE波纹管最大凹陷变形值/mm

现场试验 仿真试验 现场试验 仿真试验

1 6174 端部 79 15 32 17 35

2 12348 端部 61 50 58 52 59

3 20580 端部 90 80 92 88 100

4 20580 中间 90 50 54 56 63

5 20580 中间 52 45 49 53 60

由仿真模拟试验与现场试验比较可知，在最大冲击能量（2.06×104J）作用下，数值模拟结果与现场试验结果基本吻合。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，2个试件的局部凹陷均满足应急逃生需求。

二、关门坍塌仿真

进行关门塌方模拟试验时，本文仅选用钢带PE波纹管进行试验，落石采用洞内岩石为试块（密度为2500kg/m?，弹性模量40 GPa，泊松比0.2），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（仍选用1.1节的试验参数），垫层不变。初始条件为岩石从6m高处以初速度0m/s自由下落，岩石与波纹管全面接触，岩层不断堆积直至距垫层7m高为止，模拟效果与关门塌方时类似。试验过程见图7、图8.

图7 波纹管被岩层堆积7m后效果 图8波纹管被岩层堆积后截面最大变形

由图7、图8可清晰地看到，在模拟关门塌方试验中，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。

三、结语

设计隧道逃生管道时，建议选用钢带PE波纹管，把送风管与逃生管串连使用。本文抗冲击试验结果表明，钢带PE波纹管与钢管均能满足要求，但两者相比，钢带PE波纹管抗腐蚀性更好、连接更方便。

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，李家泰，等.隧道逃生管道设计中的圆管冲击计算[J].现代隧道技术，2008（S1）：272-274.

[3]张瑜，丁庆荣，狄先均，等.隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟[J].华中科技大学学报：城市科学版，2010，87-94.

[4]张善元，路国运，程国强，等.圆管段内充压力介质管道撞击大变形与破坏[J].力学进展，2004，34（1）：23-31.

[5]路国运，雷建平，武勇忠，等. 多跨薄壁压力管道侧向冲击破坏的实验研究[J].爆炸与冲击，2003，23（5）：454-459.

[6]Ellinas C P， Walker A C. Damage no offshore tubular bracing members[C]//IABSE collisions with bridges and offshore structures. Copenhagen， 1983：253-261.