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

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 - -

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

2. 冲击试验

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

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

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。