新型逃生管道在公路隧道施工中的应用

◎徐智

随着公路隧道施工工艺的不断提升，公路工程线路经过山区时普遍采用隧道的穿越方式。隧道施工中，当地质条件复杂或开挖工法不当时易出现塌方，严重危及现场施工人员的生命安全。发生塌方事故后，逃生通道是被困人员自救以及外部救援的生命通道，因此，在隧道施工中设置逃生管道非常重要。目前，隧道施工逃生管道大部分采用钢质管道，实践表明，钢质管道抗冲击性差，塑性变形大，同时由于管道过重，在运输、安装、移动过程中不便于操作，实用性较差。镂空型复合材料管壁结构逃生管道具有抗冲击能力强、塑性变形小，搬运、拼接方便、可重复使用等优点，在云南省蒙自至文山至砚山段高速公路建设中得到广泛应用。

一、隧道内设置逃生管道的必要性

在隧道施工中遇到塌方，容易造成较大的人员和财产损失。随着经济的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道塌方事故发生的频率逐年增加，此类事故风险威胁越发严重，引起了各级建设主管部门的高度关注。根据以往的经验教训，当隧道掌子面附近发生塌方等事故时，极易出现施工人员被困现象。为保证被困人员安全、快速、有效地得到救援，最大限度降低事故损失，隧道内逃生管道的应用越来越广泛。现阶段，设计单位均已将逃生管道纳入公路、铁路隧道设计范围中。工程建设管理部门联合部分高等院校也组织开展了逃生管道分析研究，并取得了一些重要研究成果，用以指导工程实践。

二、新型管道材料性能特点

结合有限元分析结果对钢管和铝箔-玻璃纤维复合管道的比强度、比重、管道节段连接密封性、抗冲击性及管道弹塑性进行对比试验，根据管道材料的各项指标得到新型管材和钢管性能差异如下：

1.比强度高，新型逃生管道密度为1.5～1.7g/cm3，抗拉强度为1000MPa，比强度为0.65；钢管密度为7.5～8.0g/cm3，抗拉强度为1010MPa，比强度为0.13，新型逃生管道的比强度是钢管的5 倍。

2.新型管道韧性好，塑性变形小，受冲击荷载回弹率高。冲击试验在加工厂内进行，300kg 石头从4m 高砸下，管材有不显著的残余变形，回弹率95%以上。

3.管道重量轻，便于人工搬运，无需其他施工设备。同样内径DN600 逃生管道，新型逃生管延米重量为30kg，单根长3m，重量90kg，人工搬运即可完成拼装。而普通钢管每延米重122kg，单根长12m，重量为1464kg，安装需要人工配合机械完成，操作不便。

4.采用承插式连接，拼接方便，无须焊接。用O 形胶圈柔性连接，密封性好，有良好的抗不均匀沉降性能。

5. 价格较高，新型逃生管道的价格为同尺寸普通钢管的1.46 倍。

三、逃生管道结构选择

依据国家高速公路网G5615、G8013 高速公路云南省蒙自至文山至砚山段高速公路第2 合同段两阶段施工图设计，为保证隧道掌子面塌方后被困人员能够得到快速、有效的救援，最大限度地降低事故损失，在靠近掌子面处设置150m（φ950mm，壁厚10mm）长的钢管作为逃生管。为保证施工安全及现场施工可操作性，结合美国应用人体测量学著名专家阿尔文·R·蒂利对人体测量学中全身进入式通行圆形洞口爬行的研究成果，得出最小管径为0.585m。同时，考虑公路隧道施工现场使用中，逃生管道需要装卸搬运、拼装、移动，为使上述操作能由2～4 名工人在没有机械设备的辅助下完成，拟定使用长度为3m、内径为0.6m、重量为90kg 的新型玻璃钢管作为逃生管道。

四、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ANSYSLS-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ANSYSLS-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Bilinearisotropic 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。

图1 送风管与逃生管串连连接示意

砂垫层采用橡胶非线性弹性模型，密度为1078kg/m3，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并自试件顶部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。考虑到实际中落石质量不相等，试件的受到冲击部位不确定，故采用5 个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。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，还得模拟石块与试件的斜交撞击，故冲击点法线与水平线夹角设置不同的角度，分别为79°、61°、90°、52°。仿真模拟效果见图3～6。

图3 波纹管端部Y 方向应力

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，最大凹陷值均不超过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300kg3 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。

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

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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。考虑现场试验与仿真试验的可比性，仍选用1.1 节仿真试验中的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。

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。

五、逃生管道破坏性试验

1.逃生管道受冲击力学条件拟定条件。

采用大型有限元计算程序模拟落石冲击逃生管的接触过程，落石直径分别取0.5m、0.6m、0.7m，逃生管道直径为640mm，壁厚为20mm，长度为3m。落石采用实体单元模拟，按弹性材料考虑，弹性模量为E=40GPa，泊松比μ=0.2，容量γ=25kN/m3。逃生管采用壳单元进行模拟，选择双线性各向同性硬化模型，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.27，屈服强度σs=235MPa，切线模量G=10GPa，容重γ=25kN/m3。固定钢筋采用梁单元模拟，材料属性同逃生管，沙袋垫层采用橡胶非线性弹性模量，容重γ=17kN/m3，剪切模量G=16.26GPa。

2.试件描述。

圆形玻璃纤维材质隧道逃生管道长度为3m、内径为0.6m、外径为0.64m、管道重量为90kg。生产日期：2014 年5 月28 日，试验日期：2014 年9 月16 日。试验前观察：管道内外壁光滑，无裂隙裂痕，无其他损伤，管道由于日照原因外壁有热感，但不强烈。

在现场选用3 块较大岩石分别从3.5m 高空无速度落下砸击管道的中间部分和端部。试验荷载现场取材，选用变质砂岩，其密度为 2.5～2.8g/cm3，取 2.65g/cm3。选用落石尺寸如下：（1）1#石头估测尺寸：0.8m3，其重量约为2120kg；（2）2#石头估测尺寸：1.6m3，重量约为 4240kg；（3）3#石头估测尺寸：0.8m3，重量约为2120kg。4.3 试验结果根据各试验工况结果可知，管道在受到冲击荷载作用下，虽局部有破损，但破损部位都发生在外结构层，管壁损伤并未贯穿管壁，不影响管道正常使用，管道整体性较为完好，刚度较大，变形恢复能力强，经历现场破坏试验管道仍可重复利用。

结语

当公路隧道施工掌子面发生坍塌事故时，极易出现施工人员被困的情况，逃生管道作为坍塌事故发生后连接掌子面与外界的生命通道，应用越来越广泛。普通钢管重量大，必须使用机械设备方可移动和安装，施工中操作不便。现对公路隧道施工中新型玻璃钢管的性能进行了对比研究，针对存在的问题提出相应的改进措施。通过验证，新型应急逃生管道重量轻、易于移动和拆装、塑性变形小、满足使用的功能性需求，可在今后公路隧道的施工中广泛应用。