CN105840232A - 一种被动式隧道施工救生系统 - Google Patents

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CN105840232A CN201610367009.5A CN201610367009A CN105840232A CN 105840232 A CN105840232 A CN 105840232A CN 201610367009 A CN201610367009 A CN 201610367009A CN 105840232 A CN105840232 A CN 105840232A
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Abstract

本发明属于隧道施工救援配套设备相关领域，并公开了一种被动式隧道施工救生系统，该系统包括设于隧道掌子面后方的舱体、设在舱体底部的框架滑橇，设置在舱体前后端和左右侧的多个门结构，以及设置在舱体内部的供风、供氧、空气净化、环境监测、通讯、供电及生存保障等多个功能组件。此外还重点对上述舱体、门结构的设置方式以及关键功能单元的具体组成结构作出了改进设计。通过本发明，与现有设备相比可进一步确保和改善救生舱舱体结构强度的同时，还能够显著提高逃生及救援的效率，因而适用于各类隧道施工应用场合。

Description

一种被动式隧道施工救生系统
技术领域
本发明属于隧道施工救援配套设备相关领域，更具体地，涉及一种被动式隧道施工救生系统。
背景技术
随着我国交通建设蓬勃发展，越来越多的隧道工程安全问题出现于软弱围岩等不良地层中。在软弱围岩隧道施工中，由于地质条件差、地表覆土浅或隧道下穿(建)构筑物等不利因素，施工中极易发生变形和塌方等灾害。近年来软弱围岩隧道施工事故频发，造成设备、人员损失惨重，社会影响极大。事后调查发现，超过70％的塌方发生在隧道掌子面后方一定距离，塌方发生后掌子面施工人员被“关门”，如果塌方范围波及至掌子面或不及时救援，极易导致被困人员遇难。因此，采用何种设备确保掌子面施工人员安全是暗挖法修建软弱围岩隧道一个需要解决的关键问题。
目前，现有技术中出现了一些关于隧道救生舱的研究方案，例如，CN201510492065.7公开了一种移动隧道救生舱，其包括舱体和履带总成，该救生舱能安全、稳定、多方向移动，适时监测灾后隧道并主动移动救生舱至安全区域；又如，CN 201510166924.3公开了一种隧道救生舱结构，其包括舱体，舱体上铰接有舱门与逃生门，舱体底部连接有履带，舱体内设有供风系统、供氧系统、空气净化系统、环境监控系统、通信系统及生存保障系统，其在事故发生后可为幸存人员提供避难空间，减少人员伤害。
然而，进一步的研究表明，考虑到塌方时救生舱舱体所受的载荷主要为冲击载荷和塌方后的静载荷，因此，为了保证救生舱内被困人员的安全，对于救生舱舱体自身的结构及其强度具有较高的要求，并有必要提出针对 性的重点设计；此外，塌方后为了便于隧道外救援人员及时施救，还必需对救生舱舱门的位置进行准确有效的定位；另一方面，为了更好地满足各类运用场合的复杂需求，还有必要对救生舱内部多个功能组件的具体结构及其集成设置方式作出进一步的改进和完善。相应地，上述现有技术对于上述技术问题均未给出妥善的解决方案，有必要作出进一步的研究和改进。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种被动式隧道施工救生系统，其中通过并对救生舱的整体结构强度设计、舱门和移动部件的结构及其功能，以及内部一些关键功能组件的配置方式等多个方面进行了研究和改进，相应与现有技术相比可获得满足强度要求、移动平稳且功能更为完善的救生舱，给被困人员提供一个安全的避难场所，给抢救时间起到有效缓冲作用。
为实现上述目的，本发明提供了一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，该救生系统包括放置于隧道掌子面后方的舱体，所述舱体整体呈顶部为圆弧形的箱体结构，其外部布置有外壳体钢板，其内部交叉布置加强筋；
所述舱体的底部设置有框架滑橇，该框架滑橇的前后两端呈坡角设计，并焊接固连在所述舱体上与之形成为一体，由此使得整个救生系统的重心得以下降；
所述舱体的前、后端面分别设置有前舱门和后舱门，左、右两侧面分别设置有逃生门；所述前舱门、后舱门、逃生门均设计为外开式结构，并且后舱门通过螺栓固定安装在救生舱的内部，同时该后舱门上还设置有用于对其执行位置定位的定位传感器；
所述舱体的内部被划分为人员区域和设备区域，其中人员区域设置在舱体内部的前侧和中段，并配备有供避险人员使用的座椅和排泄物处理单元；设备区域中设置在舱体内部的后侧，并集成设有供风单元、供氧单元、 空气净化单元以及供电单元，其中供风单元、供氧单元和空气净化单元协同工作，用于为救生舱内部提供供风压力为0.1MPa～0.3MPa，人均供风量不低于0.3m3/min的空气，以及压力为0.1MPa～0.2Mpa、人均供氧量不低于0.5L/min的氧气，并使得救生舱内的空气无粉尘和有毒成分且CO2浓度小于1.0％；此外，所述供电单元由外部交流电源和内部直流电源共同组成，并可切换地用于救生舱内所有用电设备的供电。
作为进一步优选地，所述加强筋优选采用如下方式布置：在所述舱体内部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角钢作为加强筋，在所述舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的底面沿舱体长度方向均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的顶面沿舱体长度方向均匀布置多根T型钢作为加强筋，在舱体内部的纵向上还设置有多圈T型钢作为加强筋，该多圈T型钢沿所述舱体的长度方向均匀分布。
作为进一步优选地，所述外壳体钢板优选采用Q345R，所述舱体的顶面和底面的钢板厚度为6mm～10mm，两侧面和两端面钢板的厚度为3mm～5mm，所述圆弧形顶部的拱高为0.2m～0.25m；在所述舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的底面沿舱体长度方向均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的顶面沿舱体长度方向均匀布置多根T型钢作为加强筋，在舱体内部的纵向上设置有多圈T型钢作为加强筋，并且所述T型钢的腹板高度为80mm～90mm、厚度为8mm～12mm，T型钢的翼板宽度为80mm～90mm、厚度为8mm～12mm。
作为进一步优选地，所述舱体内部还集成设有环境监测单元和通讯单元，其中该环境监测单元包括用于对救生舱内氧气含量执行实时检测的氧气传感器、用于对救生舱内二氧化碳含量执行实时检测的二氧化碳传感器，以及用于实时检测救生舱内温度及湿度的温湿度计；该通讯单元由有线视频通讯模块和无线视频通讯模块共同组成，并配合用于执行救生舱内外的 视频通话。
作为进一步优选地，对于所述供风单元而言，其包括消音箱、多级过滤器和箱体，其中该消音箱设置于所述箱体的外部，其上设置有出风口和进风口，所述进风口通过承压管路与所述多级过滤器相连，该承压管路上设置有球阀和调压阀；所述多级过滤器设置于箱体的内部，其通过供风管路与救生舱侧壁上的供风接口相连，该供风接口则直接与所述施工救生舱外部的空压机相连，并且将空压机所产生的高压空气作为风源。
作为进一步优选地，所述供风单元、供氧单元的连续噪声不大于70dB；所述多级过滤器为三级过滤器，其流量为6m3/min；所述消音箱出风口的噪音声级不大于70dB；所述承压管路在不低于1.5倍使用压力下保压0.5h时无泄漏。
作为进一步优选地，对于所述供氧单元而言，其包括氧气供应单元、氧气汇流单元和氧气控制单元，其中氧气供应单元包括多个压缩氧气瓶，每个压缩氧气瓶上分别设置有气瓶减压器；氧气汇流单元包括汇流排，其分别通过金属软管与每个压缩氧气瓶相连，其上设置有截止阀；氧气控制单元包括氧气控制箱，其通过紫铜管与所述汇流排相连，所述紫铜管上设置有减压阀，所述氧气控制箱上还设置有流量计、压力表和开关。
作为进一步优选地所述空气净化单元包括空气净化箱、空气吸附组件和进排气组件，其中所述空气净化箱包括从上到下依次分布的的排气层、过滤层和进气层，各层之间分别由托架隔开，并且这些托架上分别设置有网格结构的托盘；所述排气层中设置有多个风扇，这些风扇交替使用；所述空气吸附组件包括CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭，其放置于所述托盘上；所述进排气组件包括进气孔和排气孔，并且其中进气孔设置于所述空气净化箱的排气层处，用于将救生舱中的污浊空气吸入空气净化单元；所述排气孔设置于所述空气净化箱的进气层处，并用于将净化后的空气从空气净化单元排出至救生舱中。
作为进一步优选地，对于所述供电单元、通讯单元而言，所述外部交流电源、有线视频通讯模块的电源接口/信号接口被设置为竖直向下，并采用快插接头连接，同时在该快插接头上方设置防护罩。
作为进一步优选地，该隧道施工救生系统的内部设置有吸热内嵌片和抽排风单元，其中该吸热内嵌片彼此间隔地设置在隧道施工救生舱的四周舱壁内侧上，且其内部灌装有潜热型功能流体；该抽排风单元配套安装在所述吸热内嵌片的附近，并用于执行救生舱内、外热量的交换；此外，该隧道施工救生系统的内部还设置有隔离帘和吸声板，其中该隔离帘单层或多层地设置在救生舱内部的设备集中区域与人员集中区域之间，用于隔阻救生舱内部的设备工作噪音；该吸声板则安装在救生舱内部邻近所述设备集中区域的舱壁内侧上，并用于进一步吸收救生舱内部的噪音。
作为进一步优选地，该隧道施工救生系统优选设计为救生舱的形式，并包括小型舱、中型舱、大型舱和特大型舱四种类型，其中：所述小型舱的外形尺寸规格为长2700mm×宽1700×高2200mm或者3000mm×宽1700×高2200mm，额定容纳人数≤7人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述中型舱的外形尺寸规格为长3200mm×宽2000×高2500mm或者3500mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数8～10人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2000×高2500mm或者4400mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数11～15人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述超大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2500×高2500mm或者4400mm×宽2500×高2500mm，额定容纳人数16～20人，额定保障时间为72小时或者120小时。
作为进一步优选地，所述排泄物处理单元包括设置在舱体内的过渡舱，所述过渡舱上设置有过渡舱舱门，并且该过渡舱舱门的开闭通过阀门控制；在所述过渡舱内部，设置有蓄水池和大便器，其中该大便器的排泄通道入口处设置有用于开启或封闭此排泄通道的两块弹簧板，并且这两块弹簧板 相对的一端搭接在一起，由此在排泄物和水溶生物化粪剂的重力下能向下移动，相应使得所述两块弹簧板相对的一端彼此分开，从而使排泄物排出所述过渡舱。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种整体结构强度设计合理且功能完备、便于隧道施工塌方情况下可及时避难的救生系统，当掌子面后部发生塌方时，通过对舱门的针对性设计，掌子面附近施工人员能在最短的时间内进入救生舱，避免被困人员遇难；
2.本发明中将救生系统的移动部件设置为框架滑橇的形式，这样可与救生舱体合二为一，具备更好的结构强度和刚度，不仅使得整体外形更加紧凑，而且大大降低了救生舱的整体高度，使得重心有效获得降低，运行更为平稳，防颠覆能力更强因而适于隧道内各类复杂的地理环境；此外，该框架滑橇的前后两端为坡角设计，由此可有效避免移动范围内的较大碎石块的阻碍，进一步提高了救生舱整个移动过程中的平稳性和安全性；
3.本发明的救生舱整体结构采用T型材网格式分布的箱体结构设计，箱体结构外部布置外壳体钢板，内部交叉设置加强筋，舱体主体框架、T型材自身筋板、翼板的结构特点和网格式分布组合而成的箱体结构能有效的承载各个方向的作用力，在减轻舱体自重的同时，又能增强舱体的承载能力；舱体顶部为拱形设计，能更好的消化、吸收顶部的冲击载荷，同时能分散竖直方向上的静载荷；加强筋自身具有一定的断面面积，同时其剖面模数值与结构承压强度相匹配，起到了牢固整个结构的作用；
4、由于该救生系统内集成设有通风、供氧、空气净化、环境监测、供电及生存保障等系统，通过这些系统的优化布置，使撤离到救生舱内的被困人员生存空间更大，生存时间更长；此外，救生舱内设有视屏通话系统，在救生舱内能跟外面进行视屏通话，有利于洞外了解救生舱内被困人员的 生存状态，有利于洞外开展救援工作；
5.本发明将现有的防爆型密闭门的内外手轮换成单把手启闭方式，内外手柄同轴设置，前后两段舱门与两侧舱门除外形尺寸，结构及原理完全相同，均可通过手柄转动传递到舱门内部连杆机构，内手柄直接启闭角度最大90度，便于快速开启和关闭；；同时通过在后舱门处设置定位传感器，在发生塌方后，外部救援人员可通过后舱门上的定位传感器，准确获知后舱门位置，直接将救援逃生管道打至后舱门，便于避险人员的顺利逃出；
6.本发明从为救生舱内受困施工人员提供新鲜空气的角度出发，设计了适用于救生系统的专用供风系统，通过多级过滤器可实现空气的过滤，以保证救生舱内空气的质量，具有成本低廉、安全可靠等优点，可有效改善隧道内被困施工人员的生存环境、延长生存时间，大幅提高了隧道坍塌救援的存活率；
7.本发明还对供氧系统进行了针对性设计，其中压缩氧气由压缩氧气瓶流出，经气瓶减压器进行一级减压至0.3～0.4MPa后，由金属软管进入汇流排，并经氧气控制单元中的减压阀进行二级减压至0.1～0.2MPa后，排入隧道施工救生舱内，由此通过分级减压，实现了隧道施工救生舱的密闭空间中的低压供氧，可为救生舱内的避难人员提供呼吸用氧，使避难人员始终保持清醒的头脑和健康的生活状态；
8.本发明的空气净化系统通过设置分层的空气净化箱并结合空气吸附单元和进排气单元，可实现隧道救生舱中空气的分层过滤，不仅能过滤空气中的有毒物质，而且还能稀释空气中的二氧化碳浓度，能有效改善隧道施工救生舱内空气质量；
9.本发明的供电系统同时具备外部电源和内部电源，救生舱内部和外部的供电能自动转换，转换时间不大于1s，外部交流电和内部直流电源通过变压器或逆变器转换为统一电源为系统内部电器设备供电，内部用电系统采用了统一的用电标准，具有成本低廉、安全可靠等优点；
10、按照本发明的被动式隧道施工救生系统整体结构紧凑、强度分布设计合理、重心低移动平稳、功能完善且便于操控，在发生塌方的情况下不仅利于人员第一时间进入到救生系统内部，而且还便于外界救援人员对该系统的定位查找和组织救援，因而尤其适用于各类隧道施工救援场合，并具备广阔的推广前景。
附图说明
图1是本发明的被动式隧道施工救生舱前侧的整体结构示意图；
图2是本发明的被动式隧道施工救生舱后侧的整体结构示意图；
图3是本发明的被动式隧道施工救生舱左端头的整体结构示意图；
图4是本发明的被动式隧道施工救生舱右端头的整体结构示意图；
图5是本发明的被动式隧道施工救生舱的整体结构示意图；
图6是按照本发明优选实施例的舱门的结构示意图；
图7是图6中沿A-A线的剖视图；
图8是本发明优选实施例的供风系统的结构示意图；
图9是本发明优选实施例的供氧系统的结构示意图；
图10是本发明优选实施例的空气净化系统的正面结构示意图；
图11是本发明优选实施例的空气净化系统的背面结构示意图；
图12是本发明优选实施例的空气净化系统的内部空间图；
图13是本发明优选实施例的供电系统的控制过程流程图；
图14是本发明优选实施例的排泄物处理系统的平面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-5所示，本发明实施例提供的一种被动式隧道施工救生系统，该救生舱主要包括设于隧道掌子面后方的舱体1，该舱体1的前后端上分别设有舱门2、左右侧面分别设置有逃生门3，舱体1内部被划分为人员区域和设备区域两大部分，并在其中相应设有供风系统4、供氧系统5、空气净化系统6、环境监测系统7、通讯系统8、供电系统及生存保障系统10等。舱体底部设有框架滑橇12，通过舱体中各个系统的相互配合及合理布置，可为被困人员提供较大的生存空间，较好的生存环境，进一步延长生存时间，防护时间可达72小时，通过在舱体上铰接本发明结构的舱门与逃生门，可以方便被困人员的进出。
下面将分别对各个系统及部件进行详细的说明和描述。
如图1所示，舱体1譬如为箱体结构，其最大能容纳20人，其顶部为圆弧形，其外部布置外壳体钢板，具体譬如可采用Q345R钢板制成，具备抗冲击安全防护功能，具体的，舱体顶面和底面的钢板厚度譬如为8mm，两侧面和两端面钢板的厚度譬如为4mm，圆弧形顶部的拱高譬如为0.25m。
按照本发明的一个优选实施方式，舱体内部交叉布置加强筋，加强筋采用如下方式布置：在所述舱体内部的前后端面分别以水平和垂直的方式布置多根角钢作为加强筋，在所述舱体内部的左右侧面分别水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，具体的，例如可布置三根80mm宽6mm厚的扁钢，在所述舱体内部的底面沿舱体长度方向均匀布置多根扁钢作为加强筋，具体的，譬如布置四根80mm宽6mm厚的扁钢，在所述舱体内部的顶面沿舱体长度方向均匀布置多根T型钢作为加强筋，具体譬如为四根，在舱体内部的纵向上还设置有多圈T型钢作为加强筋，具体譬如为8圈，该8圈T型钢沿所述舱体的长度方向均匀分布。具体的，所述T型钢的腹板高度譬如为80mm、厚度譬如为8mm，T型钢的翼板宽度譬如为80mm、厚度譬如为8mm。具有上述结构的本发明救生系统，较多的实际测试表明，其舱体顶部抵抗土石掩埋静压力可达380kPa以上，两侧抵抗土石掩埋静压力可达190kPa以上， 顶部能够抵抗由于隧道坍方所产生的冲击载荷可达200kN以，因而具备令人满足的整体结构强度。
框架滑橇通过螺栓连接在救生舱舱体的底部，安装、维护简单。滑靴式底座与救生舱箱体框架结构合二为一，具有更佳的结构强度和刚度。滑靴式底座代替了移动履带，使得救生舱整体结构外形更加紧凑，大大降低了救生舱的整体高度，使得救生舱的重心也得到降低，救生舱被动式运行更加平稳，防倾覆能力更强，配合隧道内施工设备的使用，使得移动方式灵活多变。
与此同时，被动式救生舱较之移动式救生舱而言取消了需要提供外部电源作为动力源的履带，在移动过程中因外部因素带来的影响更小。框架滑橇两端设置有挂拖，其可在其它动力牵引下，实现舱体在隧道内的自由移动。滑靴式底座整体为矩形钢材钢结构焊接，配以耐磨钢板作为底板，可有效延长滑靴式底座的使用寿命，减小对底座的磨损。滑靴式结构设计，可适应隧道内施工环境的复杂路况，滑靴前后两端坡角设计，可有效避免移动范围内的较大碎石块的阻碍，使得救生舱在被动式移动过程中运行更加平稳。
该被动式隧道施工救生系统优选设计为救生舱的形式，并包括小型舱、中型舱、大型舱和特大型舱四种类型，其中：所述小型舱的外形尺寸规格为长2700mm×宽1700×高2200mm或者3000mm×宽1700×高2200mm，额定容纳人数≤7人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述中型舱的外形尺寸规格为长3200mm×宽2000×高2500mm或者3500mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数8～10人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2000×高2500mm或者4400mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数11～15人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述超大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2500×高2500mm或者4400mm×宽2500×高2500mm，额定容纳人数16～20人，额定 保障时间为72小时或者120小时。
如图5所示，譬如为方形的舱门2设于舱体1的前后端面(前舱门、后舱门)，逃生门3(左舱门、右舱门)对称设于舱体1的左右侧面。前舱门作为主要的避险用舱门，左右两侧舱门作为辅助的避险用舱门，两种舱门均为外开式，方便避险人员在紧急情况下开启，即发生塌方时，来不及逃生的遇险人员可从靠近掌子面的前舱门进入救生舱内避险，同时左右两侧舱门亦可作为分散避险人流的避险用舱门；后舱门主要作用是在救生舱生产制造过程中，为设备舱(靠近后舱门)中设备的安装提供便利；最主要作用为方便救援逃生。
其中，前舱门和左、右舱门的结构相同，尺寸略有区别，具体的，前舱门(左、右舱门)可设计为长方形结构，如图6-7所示，其包括舱门板主体21、转轴22、传动杆23和门闩24，舱门板主体21通过铰链铰接在救生舱的侧壁上，转轴22贯穿舱门板主体，并且其位于救生舱外部的一端固定连接外把手25，其位于救生舱内部的一端固定连接内把手26，转轴22上还固定连接传动杆23并且传动杆位于救生舱内；传动杆23上固定连接有连接支架，连接支架上水平设置有销轴27；门闩24铰接在舱门板主体上，其包括第一杆部和第二杆部，第一杆部的一端与第二杆部的一端固定连接在一起，从而使门闩整体呈V形，第一杆部上设置有长条孔，连接支架上的销轴伸入第一杆部的长条孔内并能在长条孔内滑动。具体的，开设在舱体前端面的前舱门的尺寸为1400mm高×600mm宽×R100mm(四个角的倒角半径)，门板厚度8mm，开设在舱体左、右侧面的左、右舱门的尺寸800mm高×600mm宽×R1000mm(四个角的倒角半径)，门板厚度8mm。
而后舱门则是结构较为简单的门，其由钢板制成，其上设置有筋板，并设有螺纹连接孔，其通过螺栓连接安装在救生舱的内部即可，同时后舱门上设有定位传感器，在发生塌方后，外部救援人员可通过后舱门上的定位传感器，准确获知后舱门位置，外部救援人员可采用打入救援逃生管道 的方法，将救援逃生管道直接打至后舱门处，此时，救生舱内避险人员可用舱内工具直接松开螺栓，即可将后舱门轻松拆下，进而避险人员可直接从救援逃生管道中逃出。
优选地，舱门板主体21上设置有观察窗28，通过观察窗可以了解舱体外的情况，所述舱门板主体8上设置有门围栏29。另外，舱门板主体21上设置有筋板30，以提高舱门板主体的强度。
每扇舱门包括一块舱门板主体21，舱门板主体21的内外侧分别设置内外把手。内外把手均为L型结构，且同轴连接。转轴上固设有传动杆23，传动杆通过固定在舱门板主体上的连杆带动门闩开启和闭合，每扇门内侧分别设有连接支架，连接支架包括四根连杆31，并且这四根连杆呈矩形布置，左右连杆分别控制三个门闩24，而上下连杆分别控制一个门闩，连杆之间通过传动杆连接实现同步。这样，转动外把手或内把手，则动力依次经传动杆、传动杆传动给连杆，连杆传动给门闩，使传动杆上下移动，进而带动锁紧门闩转动，即可实现舱门的快速启、闭。此外，门围栏7和舱门板主体之间设置有密封条32，在舱门板主体的四周设有密封条，多个锁紧门闩的设置可确保舱门板主体关闭时密封条与门围栏紧密贴合，确保门的密闭性良好。另外，门闩的数量可以设置多个，这样连接支架的移动可以带动这些门闩同时转动。
如图8所示，供风系统4包括箱体41、消音箱42和多级过滤器43，其中，消音箱42用于消除空气动力性噪声，其设置于箱体41的外部，其和多级过滤器43通过承压管路相连，并且承压管路上设置有球阀44和调压阀45，该球阀用于调节管路的开关，调压阀用于调节管路中的压力；此外，消音箱通过管理附件48与承压管路相连，以保证消音箱的可靠固定。
多级过滤器43用于实现空气的过滤，设置于箱体41的内部，其通过供风管路46设于救生舱的侧壁49上，以将供风系统进行固定，供风管路与侧壁上的供风接口相连，该供风接口与救生舱外部的空压机相连。优选 地，多级过滤器采用三级过滤器，通过三级的过滤，可实现空气的分级多次过滤，提高空气质量，并且三级过滤器的流量为6m3/min。
为了防止隧道内的瓦斯侵入救生舱内而影响人员安全，在箱体41上还设置有瓦斯检测仪47，具体设置于箱体1的上表面，以此使得该供风系统能对逃生舱内的空气中的瓦斯含量进行实时监测，并且逃生舱内的被困人员可根据监测的瓦斯浓度按照箱体上的操作说明通过调压阀调整风量的大小，以防止瓦斯侵入舱内而影响人员安全。
由于设于救生舱侧壁上的供风接口需要与隧道现有风源(空压机)的管路相连接，考虑到塌方时所产生的碎石、土块可能会对接口处有冲击，故将供风接口与空压机的连接设置为竖直向下的连接方式，即在供风接口处连接一竖直布置的连接管，该连接管上设有快插接头，由此可方便配合隧道施工工序拆装，该快插接头可实现与空压机的快速对接，具体的快插接头通过钢丝软管与空压机相连。为了进一步保护连接管及接头，在连接管外部以及接头连接处的上方设置有钢结构防护罩，由此可防止塌方产生的冲击对连接管及接头产生破坏，导致连接管及接头漏气或失效。
使用时，供风系统通过供风管路46与坍塌体外部的隧道新风系统相连，通过隧道新风系统给救生舱内提供所需的空气，促进舱体内空气的流通，其中新风出口压力在0.1MPa～0.3MPa之间，新风量不低于0.3m3/min·人，连续噪声不大于70dB(A)。
为了保证安全，防止泄露，承压管路以及供风管路在不低于1.5倍使用压力下保压0.5h时无泄漏，压力无明显下降(压力表读数下降不应超过5％)。
如图9所示，供氧系统5，其设于救生舱内，靠近舱门位置处，其包括氧气供应单元、氧气汇流单元和氧气控制单元。当供风管路46损坏的情况下，可通过压缩氧气瓶给舱体内提氧气供给气，有效保障舱体内人员安全。
氧气供应单元包括多个压缩氧气瓶51，该压缩氧气瓶中装有压缩氧气， 为整个供氧系统提供氧气源，每个压缩氧气瓶的体积容量为40L，压力为15Mpa，每个压缩氧气瓶51上均设置有气瓶减压器52，该气瓶减压器52用于实现氧气的减压，此为一级减压。具体的，气瓶减压器52首先将氧气减压至0.3MPa～0.4Mpa，以实现氧气的一级减压。
氧气汇流单元包括汇流排53，汇流排53为线型结构，其用于对输送的氧气进行汇流，其分别通过金属软管54与每个压缩氧气瓶51相连，各个压缩氧气瓶中的氧气分别通过金属软管54以支流的方式送入汇流排53中进行汇流。
为了便于将氧气流进行分流，在汇流排3上设置有截止阀55。具体的，截止阀5设于汇流排3的中部，如此可将汇流排3中的氧气流分为两路。
氧气控制单元，其用于实现氧气的流量控制，并向隧道施工救生舱中输送合适的氧气，其包括氧气控制箱58，氧气控制箱58通过紫铜管57与汇流排53相连。氧气控制箱58上设置有流量计59、压力表510和开关511，该流量计59用于显示并控制供氧系统中氧气的供应流量，被困人员可以根据避难人数，通过旋转流量计上的手柄来调节氧气的流量。该压力表510用于显示供氧系统中氧气的压力，该开关511用于实现供氧系统的开关。
具体的，当截止阀设于汇流排的中部时，紫铜管为两根，其分别与汇流排的左侧和右侧相连，由此将两路的氧气送入氧气控制箱中。
由于供氧系统放置于救生舱中，而救生舱为密闭空间，其空间有限，为了使氧气瓶的尺寸与救生舱的尺寸相适应，节约现有空间，并保证每个人的最低供氧需求，本发明具体设置了7个压缩氧气瓶，并且以3+4两行排列形式进行排列，以此保证隧道施工救生舱中人均供氧量不低于0.5L/min，供氧流速不超过30m/s。
为了进一步的降低氧气的压力，保证供氧系统的供氧力及供氧持久性，在紫铜管上设置有减压阀56，以实现氧气的二级减压。具体的，减压阀56将氧气的压力减压至0.1MPa～0.2Mpa。
该供氧系统的具体使用过程如下，首先打开氧气瓶进行供氧，然后打开汇流排上的截止阀，以使汇流排中的氧气分为两路，再打开气瓶减压器，调节汇流排中氧气的压力至0.3～0.4Mpa，实现氧气的一级减压；再打开截止阀后的减压阀，调节氧气的压力至0.1～0.2MPa，实现氧气的二级减压；最后，打开氧气控制箱上的开关，实现对隧道施工救生舱中的被困人员的供氧。被困人员可根据避难人数，通过流量计来调节氧气的流量，保证人均供氧量不低于0.5L/min。
如图10-12所示，空气净化系统6包括空气净化箱、空气吸附单元和进排气单元，其中空气净化箱为隧道施工救生舱中污浊空气的处理提供净化场所与空间，其可以为长方体、正方体等一切可以实现上述功能的形状，其主要包括排气层61、过滤层62和进气层63，如图11所示，排气层61、过滤层62和进气层63由上至下依次分布，各层之间分别由托架64隔开，即排气层61和过滤层62之间设置有托架，过滤层62和进气层63之间设置有托架，托架上设置有网状结构的托盘，一方面通过放入或取出托盘，即可将托盘上的CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭一次性放入或取出，便于实际操作，另一方便可便于各层的空气流通。该空气净化系统可保证标准大气压下在额定保障时间内二氧化碳<1.0％，处理CO2的能力不低于0.5L/min·人。
其中，进气层用于容纳从救生舱中吸入进来的未净化处理的空气，过滤层用于过滤从进气层过来的未净化处理的空气，排气层用于进一步过滤从过滤层过来的已部分净化处理的空气，并且用于容纳已净化处理的空气，同时排气层还为风扇提供安装场所。该风扇用于将道施工救生舱中的污浊空气吸入空气净化箱的底层(即进气层)，然后使空气从下往上流通，依次经过过滤层和排气层，使得污浊空气经过层层过滤，进而获得无污浊、适于被困人员生存的净化空气。具体的，风扇为涡轮风扇，其设有两个，两个风扇交替使用，可实现在额定防护时间内不间断工作，保证空气质量 净化需要。两个风扇分别由电机65驱动旋转，风扇和电机通过开孔隔板安装在排气层中。此外，空气净化箱的箱体上设置有控制电机开启与关闭的旋转开关69。
空气吸附单元用于对污浊空气中的二氧化碳、水蒸气、恶臭气以及隧道爆破开挖产生的有毒气体和粉尘进行有效过滤和处理，其包括CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭，其放置于托盘上。其中，CO2吸附剂用于吸附救生舱空气中的被困人员呼吸产生的二氧化碳，吸湿剂用于吸附空气中的水分，以调节空气的湿度，活性炭用于吸附空气中的恶臭气以及隧道爆破开挖产生的有毒气体，同时通过设置用于隔层的托架，并将CO2吸附剂、吸湿剂和活性放置于托架的托盘上，空气中的粉尘难以随空气往上流通，其被托架、CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭阻挡并过滤，由此通过托盘和CO2吸附剂、吸湿剂及活性的配合，实现了空气中粉尘的处理。具体的，为了便于CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭的保存，CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭均采用真空包装，使用过程中产生粉尘率不大于2％。
具体的，CO2吸附剂具体选用以氢氧化锂为主料的吸附剂作为二氧化碳吸附剂，其较之氢氧化钙吸附剂等有如下优势：氢氧化锂吸附剂吸附效率约65％，高于氢氧化钙吸附剂吸附效率20％；由于氢氧化锂吸附效率高，在用量上可以大大减少。由于救生舱的舱内空间有限，故选用吸附效率高，用量少的氢氧化锂吸附剂更适用于救生舱的使用情况，实际应用时，氢氧化锂吸附剂在为使用前显示为粉红色球状颗粒，发生反映后(用完失效后)变为白色，便于区分和观察吸附剂使用情况，且氢氧化锂粉尘率低于2％。
进排气单元用于将救生舱中的污浊空气吸入，以及将净化后的空气排出，为空气的流动和循环提供的动力，其包括进气孔66和排气孔67，进气孔67用于将救生舱中的污浊空气吸入空气净化系统，排气孔67用于将净化后的空气从空气净化系统排出至救生舱中。
具体的，进气孔设于空气净化箱背面的下方(即设于进气层处)，排 气孔设于空气净化箱正面的上方(即设于排气层处)。更进一步的，进气孔设有一个，其采用百叶状风口，便于空气的送入；排气孔设有两个，其排气流量由排气阀调节。
为了增强空气的过滤及处理效果，可在进气层中也放置CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭，使得进入空气净化箱的空气在进气层中就可实现一次过滤，然后通过过滤层实现二次过滤，再通过排气层实现三次过滤，由此实现三级过滤，可进一步提高空气的质量。此外，为了保护空气净化箱内的各个部件不被污浊与侵蚀，在空气净化箱上设置一箱门610。
上述空气净化系统的具体工作过程如下：打开空气净化箱的箱门将二氧化碳吸附剂、吸湿剂及活性炭的真空包装拆封并放置于两个托盘上，关闭箱门后开启电机开关带动涡轮风扇将救生舱内污浊空气由进气层向上经过滤层净化，滤出有毒粉尘、高浓度的二氧化碳、水蒸气及恶臭气，然后循环至上层的排气层将净化后的新鲜空气由排气孔排入救生舱内。当吸附剂逐渐失效出现明显的颜色变化时，将托盘上失效的吸附剂取出，并重新换上新拆封的吸附剂。
如图2所示，环境监测系统7包括氧气传感器71、二氧化碳传感器72和温湿度计73，氧气传感器71用于监测救生舱内氧气的含量，二氧化碳传感器72用于监测救生舱内二氧化碳的含量，温湿度计73用于监测救生舱内的温度和湿度，氧气传感器71和二氧化碳传感器72上均设有声波报警器，舱内声波报警器的声级不大于50dB(A)。采用这样的设置便于舱体内人员实时监控舱体内环境，当舱体内氧气、二氧化碳浓度超出标准范围值时，声波报警器可以提醒舱体内人员进行其他操作。
通讯系统8设于救生舱内，便于内部被困人员与外界指挥部取得联系，从而快速展开营救，其优选同时包括有有线通讯单元和无线通讯单元，其中有线通讯单元通过光缆与外部信号端相连，无线通讯单元通过各类适当的无线方式与外部信号端相连，由此共同提供救生舱内、外之间的视频通 讯，这两个通信单元之间还可配备有切换单元，该切换单元分别与所述有线通讯单元、无线通讯单元信号相连，并用于在其中一个通讯单元发生故障时或无法使用时切换至另外一个通讯单元；此外，所述有线通讯单元具有与所述光缆相连的多个线路接口，这些线路接口被设置为竖直向下，并采用快插接头连接，同时在该快插接头上方设置有防护罩。以此方式，不仅可以有效克服常规救生设备中仅仅有简单的通讯功能，尚无视频通讯功能的缺陷，相应可有利于救援人员及时了解舱内人员的身心状况，便于救援工作的组织开展；而且本发明中通过采用有线和无线的结合和切换，可以确保视频通讯功能的完善，譬如以有线通讯为主、无线通讯为辅，两者互为补充，为视频传输提供双保险。
对于供电系统而言，其包括外部交流电源、内部直流电源和电源转换单元，其中外部交流电源设于隧道施工救生舱的外部，并配备有变压器转换为统一电源；内部直流电源譬如为锂蓄电池，它设于隧道施工救生舱的内部，并配备有逆变器转换为统一电源；所述电源转换单元用于执行所述变压器或者逆变器的切换，由此确保为救生舱内部所有用电单元的正常供电；此外，外部交流电源的电源接口被设置为竖直向下，并采用快插接头连接，同时在该快插接头上方设置防护罩。为了保证供电安全，外部电源及电源接口设有完善的安全保护装置，保证在意外情况下的供电安全及灾变条件下外部电源中断时救生舱内部的供电安全。
在使用时，首先根据直流电源是否供电或充电，来决定其他用电设备是否开启，若直流电源没有供电或充电时，被困人员手动开启其他用电设备；若直流电源在供电或充电，则根据救生舱内是否有人，来决定其他用电设备是否开启；若救生舱内有人，则自动开启其他用电设备，若没有人，则不开启其他用电设备。按照本发明的一个优选实施例，譬如可采用热传感器识别技术，实现救生舱内是否有人的判断。热传感器具体设于隧道施工救生舱的顶部，其优选为三个，其中两个设于底部长边的两端，另一个 设于另一长边的中间。供电系统具体控制过程如图13所示。
舱内还设置有固定照明设备、临时应急照明设备及设于舱体两端头的信号灯。固定照明设备保证额定工况下的照明需要，临时应急照明设备配备手电或便携式LED灯等。舱体两端头上设有信号灯，便于观察舱体外的情况，引导外界人员前来救援，同时也可用于救生舱在备用状态下警示来往的车辆。
如图5所示，所述生存保障系统10包括座椅101、食品102、饮用水103、医疗用品104、急救用品105及消防用品106。生存保障系统直接影响着舱体内人员的生命安全，因此，舱体内提供人体正常生理活动所需要的基本条件和必要的生存必需品，有助于被因人员避险和逃生。
如图14所示，救生舱还包括设于舱体内部的排泄物处理系统11，该系统包括设置在舱体1内的过渡舱111，过渡舱111上设置有舱门112，舱门112的开闭通过阀门控制，过渡舱111内设置有蓄水池113和大便器114，大便器114的排泄通道的入口处设置有用于开启或封闭排泄通道的两块弹簧板，每块弹簧板均水平设置，并且这两块弹簧板相对的一端抵接在一起，以用于封闭排泄通道，两块弹簧板在排泄物和水溶生物化粪剂的重力下向下移动，从而使二者相对的一端分开，进而使排泄物排出过渡舱111。
按照本发明的一个优选实施例，大便器为蹲式大便器或坐式大便器，过渡舱内铰接有盖板，所述盖板用于遮盖蹲式大便器，两块弹簧板包括为第一平板和第二平板，第一平板和第二平板的厚度相等，并且第一平板上表面的面积大于第二平板上表面的面积，弹簧板一长一短，提高过渡舱密封性，有效的阻止室外有害气体进入舱内。未使用时，弹簧板处于水平状态，使用时，排泄物和少许水溶生物化粪剂的重力使弹簧板向下打开，使排泄物排出舱外。所述水溶生物化粪剂能够有效降解粪便等生活污物，液化有机质，疏通管道，生活垃圾等也可通过相同方法排出过渡舱。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，该救生系统包括放置于隧道掌子面后方的舱体(1)，所述舱体(1)整体呈顶部为圆弧形的箱体结构，其外部布置有外壳体钢板，其内部交叉布置加强筋；
所述舱体的底部设置有框架滑橇(12)，该框架滑橇(12)的前后两端呈坡角设计，并焊接固连在所述舱体上与之形成为一体，由此使得整个救生系统的重心得以下降；
所述舱体(1)的前、后端面分别设置有前舱门和后舱门，左、右两侧面分别设置有逃生门；所述前舱门、后舱门、逃生门均设计为外开式结构，并且后舱门通过螺栓固定安装在救生舱的内部，同时该后舱门上还设置有用于对其执行位置定位的定位传感器；
所述舱体(1)的内部被划分为人员区域和设备区域，其中人员区域设置在舱体内部的前侧和中段，并配备有供避险人员使用的座椅和排泄物处理单元；设备区域中设置在舱体内部的后侧，并集成设有供风单元(4)、供氧单元(5)、空气净化单元(6)以及供电单元，其中供风单元、供氧单元和空气净化单元协同工作，用于为救生舱内部提供供风压力为0.1MPa～0.3MPa，人均供风量不低于0.3m3/min的空气，以及压力为0.1MPa～0.2Mpa、人均供氧量不低于0.5L/min的氧气，并使得救生舱内的空气无粉尘和有毒成分且CO2浓度小于1.0％；此外，所述供电单元由外部交流电源和内部直流电源共同组成，并可切换地用于救生舱内所有用电设备的供电。
2.如权利要求1所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，所述加强筋优选采用如下方式布置：在所述舱体内部的前后端面以水平和垂直的方式布置多根角钢作为加强筋，在所述舱体内部的左右侧面水平均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的底面沿舱体长度方向均匀布置多根扁钢作为加强筋，在所述舱体内部的顶面沿舱体长度方向均匀布置多根T型钢作为加强筋，在舱体内部的纵向上还设置有多圈T型钢作为加强筋，该多圈T型钢沿所述舱体的长度方向均匀分布。
3.如权利要求1或2所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，所述舱体(1)的设备区域中还集成设有环境监测单元(7)和通讯单元(8)，其中该环境监测单元(7)包括用于对救生舱内氧气含量执行实时检测的氧气传感器(71)、用于对救生舱内二氧化碳含量执行实时检测的二氧化碳传感器(72)，以及用于实时检测救生舱内温度及湿度的温湿度计(73)；该通讯单元(8)由有线视频通讯模块和无线视频通讯模块共同组成，并配合用于执行救生舱内外的视频通话。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，对于所述供风单元(4)而言，其包括消音箱(42)、多级过滤器(43)和箱体(41)，其中该消音箱(42)设置于所述箱体(41)的外部，其上设置有出风口和进风口，所述进风口通过承压管路与所述多级过滤器(43)相连，该承压管路上设置有球阀(44)和调压阀(45)；所述多级过滤器(43)设置于箱体(41)的内部，其通过供风管路(46)与救生舱侧壁上的供风接口相连，该供风接口则直接与所述施工救生舱外部的空压机相连，并且将空压机所产生的高压空气作为风源。
5.如权利要求4所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，对于所述供氧单元而言，其包括氧气供应单元、氧气汇流单元和氧气控制单元，其中氧气供应单元包括多个压缩氧气瓶，每个压缩氧气瓶上分别设置有气瓶减压器；氧气汇流单元包括汇流排，其分别通过金属软管与每个压缩氧气瓶相连，其上设置有截止阀；氧气控制单元包括氧气控制箱，其通过紫铜管与所述汇流排相连，所述紫铜管上设置有减压阀，所述氧气控制箱上还设置有流量计、压力表和开关。
6.如权利要求4或5所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，所述空气净化单元(6)包括空气净化箱、空气吸附组件和进排气组件，其中所述空气净化箱包括从上到下依次分布的的排气层(61)、过滤层(62)和进气层(63)，各层之间分别由托架(64)隔开，并且这些托架上分别设置有网格结构的托盘；所述排气层(61)中设置有多个风扇，这些风扇交替使用；所述空气吸附组件包括CO2吸附剂、吸湿剂和活性炭，其放置于所述托盘上；所述进排气组件包括进气孔(65)和排气孔(66)，并且其中进气孔(65)设置于所述空气净化箱的排气层(61)处，用于将救生舱中的污浊空气吸入空气净化单元；所述排气孔(66)设置于所述空气净化箱的进气层(63)处，并用于将净化后的空气从空气净化单元排出至救生舱中。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，对于所述供电单元而言，所述外部交流电源的电源接口被设置为竖直向下，并采用快插接头连接，同时在该快插接头上方设置防护罩。
8.对于权利要求3所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，对于所述通讯单元而言，所述视频通讯模块的信号接口被设置为竖直向下，并采用快插接头连接，同时在该快插接头上方设置防护罩。
9.如权利要求1-8任意一项所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，该被动式隧道施工救生系统的内部设置有吸热内嵌片和抽排风单元，其中该吸热内嵌片彼此间隔地设置在隧道施工救生舱的四周舱壁内侧上，且其内部灌装有潜热型功能流体；该抽排风单元配套安装在所述吸热内嵌片的附近，并用于执行救生舱内、外热量的交换；此外，该隧道施工救生系统的内部还设置有隔离帘和吸声板，其中该隔离帘单层或多层地设置在救生舱内部的设备集中区域与人员集中区域之间，用于隔阻救生舱内部的设备工作噪音；该吸声板则安装在救生舱内部邻近所述设备集中区域的舱壁内侧上，并用于进一步吸收救生舱内部的噪音。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种被动式隧道施工救生系统，其特征在于，该被动式隧道施工救生系统优选设计为救生舱的形式，并包括小型舱、中型舱、大型舱和特大型舱四种类型，其中：所述小型舱的外形尺寸规格为长2700mm×宽1700×高2200mm或者3000mm×宽1700×高2200mm，额定容纳人数≤7人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述中型舱的外形尺寸规格为长3200mm×宽2000×高2500mm或者3500mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数8～10人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2000×高2500mm或者4400mm×宽2000×高2500mm，额定容纳人数11～15人，额定保障时间为72小时或者120小时；所述超大型舱的外形尺寸规格为长4000mm×宽2500×高2500mm或者4400mm×宽2500×高2500mm，额定容纳人数16～20人，额定保障时间为72小时或者120小时。
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