新型隧道逃生管道設計技術

 DN800隧道逃生管道----（超高分子量聚乙烯），我公司生產的隧道逃生管是采用新型材料超高分子量聚乙烯，而且管道顏色是更為醒目的橘黃色管道，在隧道里面更為醒目，此材料重量輕拆裝和搬運方便；管道韌性好、抗沖擊強度高，受到強外力沖擊時瞬間變形，吸收大量沖擊能量，能迅速恢復原形，不會斷裂，是國家大力推薦新型隧道施工逃生管道的材料，淘汰了以往的鋼管，這種新型的隧道逃生管比以往鋼管管壁更光滑，摩擦系數僅為新鋼管的6分之1，大大提高了效率、縮短救援時間  。隧道逃生管咨詢熱線185-3958-1508

本文提出了更新隧道逃生管道選材，把送風管與逃生管串連連接的隧道逃生管道設計技術。分別以超高分子量聚乙烯管和鋼管作為逃生管道進行抗沖擊試驗，經仿真模擬和現場試驗，獲得了超高分子量聚乙烯管和鋼管的大凹陷變形值，證明了兩種材料均能滿足應急逃生的需求，但超高分子量聚乙烯管作為隧道逃生管道具有造價低、連接方便等優點，相比更有優勢。通過對試件抗沖擊試驗的系統分析，為隧道逃生管道的安全設計提供理論參考。

關鍵詞隧道塌方；逃生管道；超高分子量聚乙烯管；沖擊分析

一、概述

隨著我國經濟的發展，公路、鐵路等交通線路經過山區普遍采用隧道穿越，由于地質復雜和施工方式不當，隧道施工期間經常發生塌方事故，其中關門塌方事故的后果為嚴重，一旦發生將嚴重影響掌子面附近施工人員的生命安全。因此，針對隧道施工中的塌方事故，進行隧道逃生管道的系統研究，顯得非常重要。

在逃生管道設計中，目前管材選用常用的是鋼管，經長期現場考察發現，施工現場使用的鋼管存在造價高、接口多、不密封、耐腐蝕性差等缺點，施工時經常擱置在洞室外，起不到防止關門塌方時應急逃生的作用，對隧道施工人員生命安全造成極大的安全隱患，

因此有必要更新逃生管選材。在隧道施工設計時我們提議更換逃生管道材料，把送風管與逃生管串連連接使用，洞室外新鮮空氣經送風管到達初支與二襯交界處，再經逃生管道（超高分子量聚乙烯管）輸送到掌子面區域。

與鋼管相比，超高分子量聚乙烯管具有適當的撓曲度、連接方便、造價低、使用壽命長、耐腐蝕及耐環境應力開裂的優越性。因此，選用超高分子量聚乙烯管作為逃生管，參照規范管內徑選，須要驗證的是超高分子量聚乙烯管的抗沖擊能力是否到達要求。

二、逃生管抗沖擊分析

當隧道塌方時主要考慮逃生管的抗沖擊能力，暨逃生管被砸部位滿足人員疏散需求。現就基于橫向沖擊的平鋪圓管試件（超高分子量聚乙烯管和鋼管）進行現場試驗，分析試件的局部凹陷與沖擊能量的關系，從而得出沖擊點附近的變形模態，比較端部斷面與中間斷面的抗沖擊能力。在此利用對試驗進行仿真模擬（管道變形的時程曲線），再將超高分子量聚乙烯管試驗結果與鋼管試驗結果進行比較。

1、仿真模擬

上述沖擊試驗進行三維仿真模擬分析，仿真模型由以下三部分構成：落石、試件（分別為超高分子量聚乙烯管和鋼管）、砂墊層。落石采用質量分別為90kg、180kg、300kg的球形剛體模型；試件和砂墊層采用和試驗材料完全一致的幾何尺寸，其中超高分子量聚乙烯管屈服模型是bilinear isotropic 雙

線性各向同性硬化模型（id800、sn16、層壓壁厚≥12.5,具體參數詳見表1），鋼管同樣采用雙線性各向同性硬化模型（id800、管厚8，），共劃分2400個4節點殼體單元。

表1 仿真部件參數

砂墊層采用橡膠非線性彈性模型，密度為1078kg/立方米，剪切模量g=16.26mpa，共劃分1078個節點實體單位，墊層底面節點定義為固端約束。初始條件為球形落石在試件頂部1m處以初速度

10.84m/s自由下落，落石與圓管、圓管與墊層之間接觸均為面與面接觸。

由表可知，超高分子量聚乙烯管的大凹陷變形值與鋼管的大凹陷變形值相差不大，大凹陷值均不招過100mm，兩試件的抗沖擊能力都能滿足應急逃生需求。

2、沖擊試驗

試驗在加工廠內進行，試驗試件分別為超高分子量聚乙烯管和鋼管，模擬巖塊從隧道頂部掉落。超高分子量聚乙烯管試件采用單節長度l為6m、id800、環剛度sn16；鋼管試件采用單節長度l為6m、id800、壁厚h為10mm，可見兩試件尺寸規格基本一致。沖擊試件為塊狀孤石，重量分別為90kg、180kg和300kg三種。試件墊層均為用平整放置的砂袋，墊層厚250mm，寬800mm。沖擊試件離圓管頂部距離主要取決于隧道斷面的開挖高度，本試驗均為7m，石塊試件高度由龍門吊進行提升，通過調整龍門吊前后移動來控制落石的沖擊部位。除墊層對基底部產生豎向與水平摩擦約束外，試件外部不受其它方向約束。

實驗時，將試件平鋪于砂墊層上，用龍門吊提升石塊試件至相應高度，然后空中釋放石塊任其自由下落并與試件發生撞擊。為比較試件兩端和中間斷面的抗擊能力大小，試驗過程分別用300kg落石對兩個不同截面進行沖擊。由于隧道塌方落石的掉落可能會偏離逃生管縱軸線一定距離，因此，除模擬對頂撞擊外，試驗還模擬了石塊與試件的斜交撞擊。

表中分別列出了不同沖擊能量的沖擊部位、撞擊角度以及大凹陷變形值，從該結果可以看出，兩試件的大凹陷變形值均不招過85mm，均滿足應急逃生需求。

仿真模擬結果

由仿真模擬與現場實驗比較可知，在大沖擊能量（2.06*104j）作用下，數值模擬結果與實驗結果基本吻合。撞擊發生后，鋼管和超高分子量聚乙烯管被撞擊部位均產生局部凹陷，而超高分子量聚乙烯管柔性反作用力較強，兩試件的局部凹陷均滿足應急逃生需求。

3、關門坍塌仿真

模擬發生關門塌方時，超高分子量聚乙烯管中間部位被洞室巖層埋蓋，模擬試件采用洞內碎石（密度為2500kg/立方米，彈性模量e=40 gpa，泊松比v=0.2. 試件選用超高分子量聚乙烯管），超高分子量聚乙烯管屈服模型仍然選用bilinear isotropic 雙線性各向同性硬化模型（參

數仍選用上述實驗參數），墊層不變。初始條件為巖石從6米高處以初速度0m/s自由下落，巖層與管件全面接觸，巖層不斷堆積直至距墊層7米高為止，模擬效果與關門塌方時類似。

在模擬關門塌方中，堆積的巖石將試件壓成橢圓狀，但超高分子量聚乙烯管變形不大，能滿足應急逃生需求。

結論：

在隧道逃生管道設計時我們提議優化逃生管選材，把送風管與逃生管串連連接使用。作為隧道逃生管道，必須能夠承受塌方荷載，從上述抗沖擊實驗結果可知，超高分子量聚乙烯管與鋼管均能滿足要求，但兩者相比，超高分子量聚乙烯管具有更優異的抗腐蝕性、連接方便、造價低等優點。

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