1.选题背景
众所周知，海底隧道的建设与发展对人类社会的发展有着重要的意义。它有利于人们更好地对海洋能源的开发，有利于发展全球化经济。而且隧道结构在很多方面都有应用，比如江底隧道、公路隧道、铁路隧道等。
公路隧道的应用也很广泛，很多公路和高速路上都能见到隧道。铁路隧道一般只有一条轨道，隧道空间狭窄，如果发生意外情况，隧道内部无法逃生。
以武汉长江隧道为例，其管径有11 米左右高，上面2/3 行车，下面预留着1/3 的空间作为逃生道，如图6-4 所示。人可将隧道两侧的逃生门打开，滑到逃生道，在江中圆形盾构隧道段中采取的是纵向逃生法。这种向下逃生的方法，如果透水的话人是逃不出去的，因为人逃跑的速度比不过透水的速度。
图6-4 隧道内逃生示意
也有的一些其他的逃生方法，但目前主要还是采用向下进入逃生通道逃生的方式。
在水底隧道中最容易发生的事故是车难、火灾，后果最严重的事故是透水塌方。如果采用现有的技术很难做到快速安全逃生，在发生透水事故时向下逃生更无异于自杀。
而且隧道都采用圆形结构，上方的受力全部聚集在圆的顶部，压力过大会造成顶部的过压变形，最终导致塌方。如何实现在地底隧道快速安全地逃生，也成了一个世界性难题。
2.方案设计
针对上述隧道存在的逃生方式的不足及隧道圆形结构存在受力支撑不够科学的问题，我们提出了横向逃生的概念。
（1）方案一。
本实用新型提出一种用于在海底隧道运行过程中出现异常事故后拯救遇险人员的紧急逃生舱。该逃生舱的设置将有利于突破现有隧道建设的固化模式，进一步提高海底隧道的安全性。
在两条相邻隧道之间每隔一定合适的距离设计一个逃生舱，如图6-5 所示。其中，逃生舱由螺旋门、救生梯、人造生存空间、通信装置等构成。
图6-5 海底隧道紧急逃生舱示意
当出现紧急事故时，逃生舱螺旋门6 开启，救生梯5 放下，求救人员进入舱内，随后救生梯5 收回，螺旋门6 关闭，人员处于舱内的人造生存空间。舱内设置有淡水、空气再生装置、应急食品、保暖服、照明和通信装置等，人可以在此舱内生存一段时间，并有充足的时间通过通信装置向控制中心发出求救信号。控制中心收到信号后，立即派出舰艇或潜艇实施救援行动，定位并寻找鱼脊式海底隧道逃生舱，最后将其吊出海面，最终实现对受险人员的安全救援。
（2）方案二。
一种鱼脊式安全逃生舱，其结构分布示意图如图6-6 所示。在江底（海底、河底、湖底）设有主隧道1，它和支隧道2 通过通道5 相连。为了安全，特别设置有排水沟3、电缆沟4、通气管道6、解决废气的排气舱7，以及用于隧道内照明的线路8，还有照明灯具9、遇险逃生的通道中的台阶10、用于监控隧道实情的摄像头及温控传感器11。通气管道的结构示意图如图6-7 所示。
图6-6 一种鱼脊式安全逃生舱的结构分布示意
图6-7 一种鱼脊式安全逃生舱的通气管道的结构示意
当隧道遇险（如地震）漏水时，水会从隧道的下方从下至上“行走”。这时机动车中的人员会逃出车辆从水泥台阶向上逃生。
舱内设置有淡水、空气再生装置、应急食品、保暖服、照明和通信装置等，还有灭火消防设备，以及消防用具用品、医疗救生用具和药品。通过摄像头、传感器对隧道实行24 小时不间断监控值班，并与公安、消防、市政联动，形成一条安全保障系统，达到统一管理、调配、控制，保证隧道通行的安全使用。
（3）方案比较。
原有方案和方案一、方案二的比较如表6-2 所示。
表6-2 原有方案和方案一、方案二的比较
在发生灾难时，由于前两种方案很难保证逃生人员的安全，所以方案二最佳，可以到达安全避难的效果。
3.设计原理
（1）鱼脊式安全逃生舱的结构分析。
鱼脊式几何形状是鱼类进化的结果，选用鱼脊之形来造就隧道也就是最佳选择。在力学上，正圆受力最好，但并非最佳，人类还未从鱼类进化方面索取灵感。
①从力学结构而言，圆是最佳受力结构，但圆的大小是由直径决定的。当圆的直径大于3 米时，圆的上端受力随着圆的直径增大而降低，如图6-8 所示。
②当采用鱼脊式建筑结构时，受力面会随之发生改变。当来自上端的压力增大时，鱼脊式支撑会将受力分布于支撑左右而分解其压力。
③鱼脊式对圆顶受力面的水泥支撑板起到加厚加固的双重作用，从而降低了隧道受损的风险，在受力上比圆形隧道更加可靠。
图6-8 圆形结构隧道的受力示意
（2）安全门的设计及安装。
安全门的设计是本项目的一个重点，安全门要达到密封的效果，有效防止透水和火灾的影响。我们采用的是上下两道安全门的“双保险”，这样可以更有效地保证逃生人员的安全。
设计时借鉴了太空舱门、潜水艇舱门及消毒密封门等，提出以下两种方案。
方案一：借鉴太空门和潜艇门，运用螺纹密封，如图6-9 所示。(www.xing528.com)
图6-9 一种鱼脊式安全逃生舱的螺旋密封门的结构示意
方案二：借鉴医院消毒门，运用杠杆原理，如图6-10 所示。
图6-10 一种鱼脊式安全逃生舱支杆式密封门的示意
两种方案的比较如表6-3 所示。
表6-3 安全门两种方案的比较
续表
通过以上比较，综合考虑，选用方案一。
安全门的设计采用螺纹密封，整体的设计布局如图6-11 所示。
图6-11 一种鱼脊式安全逃生舱的逃生门的结构示意
（3）逃生梯的设计。
逃生梯的设计主要考虑逃生人员的快速逃离和空间的利用，我们采用以下两种方案。
方案一如图6-12 所示。此方案的主要特点是斜向折叠，梯子在不使用时折叠靠着墙壁，可以节省空间，而且结构简单，受力合理，在遇到特殊情况时可以及时打开使用，为遇险人员的快速逃生提供便利。
图6-12 方案一逃生梯折叠和打开后的效果图
方案二如图6-13 所示。此方案的特点是可折叠，节约空间，而且也方便人员的逃生；不足为折叠时不方便打开，如果遇到折叠点卡死，对逃生会有一定的影响。
图6-13 方案二逃生梯折叠和展开后的效果图
综上所述，采用第一种方案。
4.设计创新点及应用前景
（1）鱼脊式逃生舱的创新点。
①本发明采用鱼脊结构，结构合理，通过脊背转化正中压力，是创新的难得之处。采用向上逃生的方式，加大了逃生的安全性和可靠性，为人们建造更好、更安全、更合理、更价廉、更实用的建筑作品找到了一条径道。鱼脊式逃生舱不但是工程力学结构的创新，同时也是人类仿生学领域发明作品中的代表。
②本发明的设计创新点源于机械原理中的螺栓配合原理，螺栓与螺母的配合（逃生舱门与逃生舱门框的配合）具有结构严紧、受力均衡、自锁性好的优点，可广泛运用于封水、封气、连接和紧固，还可以利用螺纹旋转递进开启密封门（潜艇、飞船太空舱）等技术领域。因此，它具有结构牢固、成本低廉、操作方便、维护较少的优点。
③舱内采用管道集中供氧，舱内地板也有供氧板，保证逃生人员的安全。逃生舱内有有线电话、电视，逃生人员可通过有线电话、电视与外界联系。舱内设置有生活必需品，如饮用水、食品、桌椅、药品、五金工具等。
（2）鱼脊式逃生舱的应用前景及二次开发
①本发明的方案也适合煤矿、铜矿、铁矿的生产安全配套，为矿山生产、公路和铁路隧道建设和使用开辟了一套新技术方案。
②当发生战争时，逃生舱可作为人防工事；银行金库也可采用此方案作为备用金库。
③本发明鱼脊式结构也可用于深海输油管道，这样可以降低管道的受压，保证输油管道的安全。
④本发明的鱼脊结构逃生舱也可以做成漂浮舱，与主管道连接，漂浮在海底，当发生险情时方便救援人进入逃生舱，利用潜水艇与逃生舱救出被困人员；也可以直接把逃生舱与连接管道分离，使逃生舱漂浮在海面上，利用GPS 定位系统打捞逃生舱。
点评：鱼脊式逃生舱是在水底隧道的基础上增加逃生舱，在紧急事故发生时，给人们提供一个紧急避难的地方，安全等待救援人员。该逃生舱运用仿生学原理将逃生舱和隧道都改成鱼脊式，逃生舱通过管道连接在隧道上，并配以螺旋门、通信天线、照明及供氧保温等装置，为救援人员提供了更多时间。
★链 接
上海长江隧道设计了8 个逃生连接通道
2009 年10 月，上海长江隧桥工程建成通车。该工程耗时5 年建成，取得了60多项具有中国自主知识产权的核心技术和成果。直径达15.43 米的长江隧道，是当时世界最大直径隧道。
上海长江隧道是按双向六车道高速公路标准设计，并预留4.15 米×3.7 米轨道交通空间，设计行车速度为每小时80 千米，车道净宽为12.5 米，通行净高为5.2 米，单项三车道中间一个车道的净通行净高不小于5.5 米，汽车荷载为公路一级，路面采用阻燃改性沥青混合料，抗震设防烈度为7 级，隧道结构设计使用年限100 年。
上海城建集团隧道设计院在设计上海长江隧道时，建立隧道内综合人防+机防的防灾系统，由有水消防系统、火灾报警系统、交通监控系统、事故通风和排烟系统、人员逃生疏散设施和建筑防火组成。
火灾时，人员疏散采用连接通道+楼梯疏散智能疏散设计，隧道内设计了8 个逃生连接通道，54 个逃生楼梯，可根据中控室统一指挥疏散，智能型双向箭头逃生指示标志，通过控制在烟雾和低照度的环境下，绿色指示标志能指示逃生最佳方向。逃生通道门框上，采用一组发出绿光的LED 灯，开启后比较醒目，能让逃生人员快速辨认出逃生通道，由逃生通道门进入逃生连接通道，可迅速撤离到另一条隧道内。
逃生人员还可以自行开启疏散门，逃生疏散门长2.7 米，宽1.05 米，设置在道路一侧。450 千克的铸铁疏散门设计了打开机械锁紧机构，只要旋转拉手，普通人都能旋转把手打开。
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