新型逃生管道在公路隧道施工中的應(yīng)用

◎徐智

隨著公路隧道施工工藝的不斷提升，公路工程線路經(jīng)過山區(qū)時普遍采用隧道的穿越方式。隧道施工中，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜或開挖工法不當(dāng)時易出現(xiàn)塌方，嚴(yán)重危及現(xiàn)場施工人員的生命安全。發(fā)生塌方事故后，逃生通道是被困人員自救以及外部救援的生命通道，因此，在隧道施工中設(shè)置逃生管道非常重要。目前，隧道施工逃生管道大部分采用鋼質(zhì)管道，實(shí)踐表明，鋼質(zhì)管道抗沖擊性差，塑性變形大，同時由于管道過重，在運(yùn)輸、安裝、移動過程中不便于操作，實(shí)用性較差。鏤空型復(fù)合材料管壁結(jié)構(gòu)逃生管道具有抗沖擊能力強(qiáng)、塑性變形小，搬運(yùn)、拼接方便、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，在云南省蒙自至文山至硯山段高速公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

一、隧道內(nèi)設(shè)置逃生管道的必要性

在隧道施工中遇到塌方，容易造成較大的人員和財產(chǎn)損失。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，隧道塌方事故發(fā)生的頻率逐年增加，此類事故風(fēng)險威脅越發(fā)嚴(yán)重，引起了各級建設(shè)主管部門的高度關(guān)注。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，當(dāng)隧道掌子面附近發(fā)生塌方等事故時，極易出現(xiàn)施工人員被困現(xiàn)象。為保證被困人員安全、快速、有效地得到救援，最大限度降低事故損失，隧道內(nèi)逃生管道的應(yīng)用越來越廣泛。現(xiàn)階段，設(shè)計單位均已將逃生管道納入公路、鐵路隧道設(shè)計范圍中。工程建設(shè)管理部門聯(lián)合部分高等院校也組織開展了逃生管道分析研究，并取得了一些重要研究成果，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

二、新型管道材料性能特點(diǎn)

結(jié)合有限元分析結(jié)果對鋼管和鋁箔-玻璃纖維復(fù)合管道的比強(qiáng)度、比重、管道節(jié)段連接密封性、抗沖擊性及管道彈塑性進(jìn)行對比試驗(yàn)，根據(jù)管道材料的各項(xiàng)指標(biāo)得到新型管材和鋼管性能差異如下：

1.比強(qiáng)度高，新型逃生管道密度為1.5～1.7g/cm3，抗拉強(qiáng)度為1000MPa，比強(qiáng)度為0.65；鋼管密度為7.5～8.0g/cm3，抗拉強(qiáng)度為1010MPa，比強(qiáng)度為0.13，新型逃生管道的比強(qiáng)度是鋼管的5 倍。

2.新型管道韌性好，塑性變形小，受沖擊荷載回彈率高。沖擊試驗(yàn)在加工廠內(nèi)進(jìn)行，300kg 石頭從4m 高砸下，管材有不顯著的殘余變形，回彈率95%以上。

3.管道重量輕，便于人工搬運(yùn)，無需其他施工設(shè)備。同樣內(nèi)徑DN600 逃生管道，新型逃生管延米重量為30kg，單根長3m，重量90kg，人工搬運(yùn)即可完成拼裝。而普通鋼管每延米重122kg，單根長12m，重量為1464kg，安裝需要人工配合機(jī)械完成，操作不便。

4.采用承插式連接，拼接方便，無須焊接。用O 形膠圈柔性連接，密封性好，有良好的抗不均勻沉降性能。

5. 價格較高，新型逃生管道的價格為同尺寸普通鋼管的1.46 倍。

三、逃生管道結(jié)構(gòu)選擇

依據(jù)國家高速公路網(wǎng)G5615、G8013 高速公路云南省蒙自至文山至硯山段高速公路第2 合同段兩階段施工圖設(shè)計，為保證隧道掌子面塌方后被困人員能夠得到快速、有效的救援，最大限度地降低事故損失，在靠近掌子面處設(shè)置150m（φ950mm，壁厚10mm）長的鋼管作為逃生管。為保證施工安全及現(xiàn)場施工可操作性，結(jié)合美國應(yīng)用人體測量學(xué)著名專家阿爾文·R·蒂利對人體測量學(xué)中全身進(jìn)入式通行圓形洞口爬行的研究成果，得出最小管徑為0.585m。同時，考慮公路隧道施工現(xiàn)場使用中，逃生管道需要裝卸搬運(yùn)、拼裝、移動，為使上述操作能由2～4 名工人在沒有機(jī)械設(shè)備的輔助下完成，擬定使用長度為3m、內(nèi)徑為0.6m、重量為90kg 的新型玻璃鋼管作為逃生管道。

四、逃生管抗沖擊分析

隧道塌方時，主要考慮逃生管的抗沖擊能力，即逃生管被砸部位需滿足人員疏散需求?，F(xiàn)就基于橫向沖擊的平鋪圓管試件（鋼帶PE 波紋管和鋼管）進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以分析試件局部凹陷與沖擊能量的關(guān)系，得出沖擊點(diǎn)附近的變形模態(tài)，從而比較端部斷面與中間斷面的抗沖擊能力。本文利用ANSYSLS-DYNA進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，并將鋼帶PE 波紋管試驗(yàn)結(jié)果與鋼管試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。PE 波紋管仿真模型見圖2。

圖2 PE 波紋管仿真模型

1.仿真模擬。

利用ANSYSLS-DYNA 對沖擊試驗(yàn)進(jìn)行三維仿真模擬分析，仿真模型由3 部分構(gòu)成：落石、試件（分別為鋼帶PE 波紋管和鋼管）、砂墊層。落石采用質(zhì)量分別為90、180、300kg，半徑分別為0.205、0.258、0.305m 的球形剛體模型。試件和砂墊層采用和試驗(yàn)材料完全一致的幾何尺寸，其中鋼帶PE 波紋管屈服模型是Bilinearisotropic 雙線性各向同性硬化模型（ID800，SN16，層壓壁厚28mm，螺紋間距4cm）；鋼管同樣采用雙線性各向同性硬化模型（ID800，管厚8mm），共劃分2400 個4 節(jié)點(diǎn)殼體單元。仿真模型部件參數(shù)見表1。

圖1 送風(fēng)管與逃生管串連連接示意

砂墊層采用橡膠非線性彈性模型，密度為1078kg/m3，剪切模量G=16.26MPa，共劃分1078 個節(jié)點(diǎn)，墊層底面節(jié)點(diǎn)定義為固端約束。為模擬隧道塌方時對逃生管道的最大沖擊勢能，選擇初始條件為球形落石并自試件頂部7m 處自由下落，沖擊位置為管道端部0.1m 及管道中部2.5m 處。為節(jié)省計算時間，模擬中球體在管道上方1m 處以10.84m/s 的初速度自由下落。

試驗(yàn)過程中，落石與圓管、圓管與墊層之間接觸均為面與面接觸?？紤]到實(shí)際中落石質(zhì)量不相等，試件的受到?jīng)_擊部位不確定，故采用5 個具有代表性的工況進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，選擇3種沖擊能量分別為6174、12348 和20580J 的球形剛體（質(zhì)量分別為90、180、300kg），試件受沖擊部位選擇端部和中部。由于隧道塌方落石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，還得模擬石塊與試件的斜交撞擊，故沖擊點(diǎn)法線與水平線夾角設(shè)置不同的角度，分別為79°、61°、90°、52°。仿真模擬效果見圖3～6。

圖3 波紋管端部Y 方向應(yīng)力

試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2 可知，鋼帶PE 波紋管的最大凹陷變形值與鋼管的最大凹陷變形值相差不大，最大凹陷值均不超過100mm，2 個試件的抗沖擊能力都能滿足應(yīng)急逃生需求。

2.沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)在加工廠內(nèi)進(jìn)行，試件分別為鋼帶PE 波紋管和鋼管，模擬巖塊從隧道頂部掉落。鋼帶PE 波紋管試件單節(jié)長度為6m、管內(nèi)徑為0.8m、環(huán)剛度SN16、層壓壁厚28mm、螺紋間距4cm；鋼管試件單節(jié)長度為6m、管內(nèi)徑為0.8m、壁厚8mm。2 個試件外形規(guī)格基本一致。沖擊試件為塊狀孤石，重量分別為90、180 和300kg3 種。試件墊層均為平整放置的砂袋，墊層厚250mm，寬800mm。通常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(yàn)均為7m。石塊高度由龍門吊提升，通過調(diào)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(chǎn)生豎向與水平摩擦約束外，試件外部不受其它方向約束。

圖4 20580J 沖擊能量下波紋管中部等效應(yīng)力

圖5 20580J 沖擊能量下波紋管中部變形

圖6 20580J 沖擊能量下波紋管中部最大變形時

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試驗(yàn)時，將試件平鋪于砂墊層上，用龍門吊提升石塊至相應(yīng)高度，然后空中釋放石塊任其自由下落并與試件發(fā)生撞擊。為比較試件兩端和中間斷面的抗擊能力，試驗(yàn)過程中分別用300kg 落石對2 個不同截面進(jìn)行沖擊。考慮現(xiàn)場試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的可比性，仍選用1.1 節(jié)仿真試驗(yàn)中的5 個工況。

由表2 數(shù)據(jù)可以看出，2 個試件的最大凹陷變形值均不招過90mm，均滿足應(yīng)急逃生需求。

由仿真模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)比較可知，在最大沖擊能量（2.06×104J）作用下，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。撞擊發(fā)生后，鋼管和鋼帶PE 波紋管被撞擊部位均產(chǎn)生局部凹陷，而鋼帶PE 波紋管柔性反作用力較強(qiáng)，2 個試件的局部凹陷均滿足應(yīng)急逃生需求。

五、逃生管道破壞性試驗(yàn)

1.逃生管道受沖擊力學(xué)條件擬定條件。

采用大型有限元計算程序模擬落石沖擊逃生管的接觸過程，落石直徑分別取0.5m、0.6m、0.7m，逃生管道直徑為640mm，壁厚為20mm，長度為3m。落石采用實(shí)體單元模擬，按彈性材料考慮，彈性模量為E=40GPa，泊松比μ=0.2，容量γ=25kN/m3。逃生管采用殼單元進(jìn)行模擬，選擇雙線性各向同性硬化模型，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.27，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，切線模量G=10GPa，容重γ=25kN/m3。固定鋼筋采用梁單元模擬，材料屬性同逃生管，沙袋墊層采用橡膠非線性彈性模量，容重γ=17kN/m3，剪切模量G=16.26GPa。

2.試件描述。

圓形玻璃纖維材質(zhì)隧道逃生管道長度為3m、內(nèi)徑為0.6m、外徑為0.64m、管道重量為90kg。生產(chǎn)日期：2014 年5 月28 日，試驗(yàn)日期：2014 年9 月16 日。試驗(yàn)前觀察：管道內(nèi)外壁光滑，無裂隙裂痕，無其他損傷，管道由于日照原因外壁有熱感，但不強(qiáng)烈。

在現(xiàn)場選用3 塊較大巖石分別從3.5m 高空無速度落下砸擊管道的中間部分和端部。試驗(yàn)荷載現(xiàn)場取材，選用變質(zhì)砂巖，其密度為 2.5～2.8g/cm3，取 2.65g/cm3。選用落石尺寸如下：（1）1#石頭估測尺寸：0.8m3，其重量約為2120kg；（2）2#石頭估測尺寸：1.6m3，重量約為 4240kg；（3）3#石頭估測尺寸：0.8m3，重量約為2120kg。4.3 試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)各試驗(yàn)工況結(jié)果可知，管道在受到?jīng)_擊荷載作用下，雖局部有破損，但破損部位都發(fā)生在外結(jié)構(gòu)層，管壁損傷并未貫穿管壁，不影響管道正常使用，管道整體性較為完好，剛度較大，變形恢復(fù)能力強(qiáng)，經(jīng)歷現(xiàn)場破壞試驗(yàn)管道仍可重復(fù)利用。

結(jié)語

當(dāng)公路隧道施工掌子面發(fā)生坍塌事故時，極易出現(xiàn)施工人員被困的情況，逃生管道作為坍塌事故發(fā)生后連接掌子面與外界的生命通道，應(yīng)用越來越廣泛。普通鋼管重量大，必須使用機(jī)械設(shè)備方可移動和安裝，施工中操作不便?，F(xiàn)對公路隧道施工中新型玻璃鋼管的性能進(jìn)行了對比研究，針對存在的問題提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過驗(yàn)證，新型應(yīng)急逃生管道重量輕、易于移動和拆裝、塑性變形小、滿足使用的功能性需求，可在今后公路隧道的施工中廣泛應(yīng)用。