超高分子逃生管道

隧道逃生管道的材質(zhì)選取：

 

超高分子聚乙烯隧道逃生管道，是一種由乙 烯、丁二烯單體在催化劑作用下，聚合而成的平均分子量在250萬以上的線型結(jié)構(gòu)熱塑性工程塑料。 世界上最早由 美國Allied Chemical公司于1957年實現(xiàn)工業(yè)化。 此后德國Hoechst公司、德國Her-cules公司、日本三井石油化學(xué)公司等也 投入工業(yè)化生產(chǎn)。我國于1964年最早研制成功并投入工業(yè)生產(chǎn)。 
   超高分子聚乙烯隧道逃生管道具有優(yōu)異的綜合性能，具有其他工程塑料無可比擬的耐沖擊性、抗壓性、耐磨損、抗老化、輕質(zhì)性，且耐化學(xué)腐蝕、衛(wèi)生無毒、不易粘附，在國外被稱為“神奇的塑料”。因此，其在機械、交通運輸、紡織、造紙、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域，具有廣泛的引用前景。 
●重量輕、僅為鋼管重量的1/3左右，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，然后迅速恢復(fù)原來形狀，為公路隧道施工逃生應(yīng)急救援提供了極為安全可靠的保障。
●管道環(huán)剛度高、耐壓性好、不易變形，在公路隧道施工中發(fā)生坍塌時，承壓能力和抗環(huán)境破壞能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般管道。

 

隧道逃生管材性能介紹：

  隧道逃生超高分子量聚乙烯管道具有優(yōu)異的綜合性能，具有其他工程塑料無可比擬的耐沖擊性、抗壓性、耐磨損、抗老化、輕質(zhì)性，且耐化學(xué)腐蝕，在國外被稱為“神奇的塑料”。因此其在機械、交通運輸、紡織、造紙、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域，具有廣泛的引用前景。

1.耐沖擊性。

耐沖擊是逃生管道，超高分子逃生管道的另一重要特性。他的沖擊強度非常高，他比以耐用消費品沖擊著稱的聚碳酸酯的沖擊強度還高3--5倍，其沖擊強度隨分子量的增加提高。當(dāng)分子量達(dá)到150萬時，沖擊強度達(dá)到最高值，以后隨著分子量增加沖擊強度有所降低。

2.沖擊能吸收性。

逃生管道，超高分子逃生管道還具有優(yōu)異的沖擊能吸收性，沖能吸收值在所有塑料中最高，因而，噪音阻尼行很好，具有優(yōu)良的消音效果。

3.優(yōu)良的抗內(nèi)壓強度，逃生管道，超高分子逃生管道耐環(huán)境應(yīng)力開類性，抗快速開裂性。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道材料重量輕，拆裝和搬運方便；超高分子量聚乙烯隧道逃生管道韌性好、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，然后迅速恢復(fù)原來形狀，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道為 公路隧道施工逃生應(yīng)急救援提供了極為安全可靠的保障；管道環(huán)剛度高、耐壓性好、不易變形，在公路隧道施工中發(fā)生坍塌時，承壓能力和抗環(huán)境破壞能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 一般管道。交通部門采用新材料（超高分子量聚乙烯）對公路 隧道施工應(yīng)急救援通道進(jìn)行了設(shè)計。 同時，超高分子量聚乙烯應(yīng)急救援通道的結(jié)構(gòu)尺寸符合人體工 程學(xué)原理，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。 最后，通過對超高分子量聚乙烯逃生管道和鋼管進(jìn)行抗沖擊性對比試驗，驗證了超高分子量聚乙烯逃生管道應(yīng)用于公路隧道施工應(yīng)急救援的可靠性。

隧道逃生管結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計：

針對公路隧道施工坍塌事故多發(fā)的情況，首次采用新材料（超高分子量聚乙烯材料）對公路隧道施工應(yīng)急救援通道進(jìn)行了設(shè)計研究。結(jié)合人體工程學(xué)原理，根據(jù)Hertz接觸力學(xué)理論，采用Thonroton假設(shè)，對超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯逃生管道的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并對通道的連接方式進(jìn)行了設(shè)計。最后，通過抗沖擊性試驗，對超高分子量聚乙烯通道應(yīng)用于公路隧道施工應(yīng)急救援的可靠性進(jìn)行了驗證。試驗結(jié)果表明，超高分子量聚乙烯通道結(jié)構(gòu)尺寸合理，安全可靠，可應(yīng)用于公路隧道施工應(yīng)急救援。

根據(jù)應(yīng)用人體測量學(xué)的先驅(qū)美國著名專家阿爾文·R·蒂利對人體測量學(xué)的研究成果可知，人在爬行移動時，較舒適的情況下爬行高度為800mm，爬行長度為1520mm，如圖2所示

 

 

截至2008年底，我國公路隧道總數(shù)已達(dá)5426座，共319×104km，然而，我國公路隧道建設(shè)起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家相比，相關(guān)技術(shù)水平仍較低， 加之公路隧道跨度大、施工工藝復(fù)雜、地形多變等特點，導(dǎo)致公路隧道建設(shè)過程中還存在諸多技術(shù)問題。 盡管隨著我國公路隧道新奧法施工技術(shù)的日益成熟，穿越 復(fù)雜地質(zhì)條件隧道的相關(guān)設(shè)計理論和修筑工藝取得了一定的成果，但在隧道建設(shè)中塌方事故卻屢屢發(fā)生，施工安全問題異常嚴(yán)峻。

據(jù)2004年～2007年隧道施工事故資料初步統(tǒng)計，我國共發(fā)生39起（公路、鐵路）隧道施工事故。由于地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，公路隧道施工事故發(fā)生率比其他巖土工程高且嚴(yán)重，事故統(tǒng)計如圖1所示。

從圖1中可以看出，在公路隧道施工事故中，坍塌事故占54％，為主要事故形態(tài)，是公路隧道施工的頭號大敵，其高發(fā)性和高危險性嚴(yán)重威脅著工程安全，甚至給國家與人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。

因此，對公路隧道施工坍塌應(yīng)急救援技術(shù)進(jìn)行研究，將能有效減少公路隧道施工坍塌事故的人員傷亡和財產(chǎn)損失，對提高公路隧道建設(shè)的安全性具有重要的現(xiàn)實意 義。然而，現(xiàn)行公路隧道施工中所用的坍塌逃生應(yīng)急救援通道為鋼管，質(zhì)量大，較為笨重，拆裝和搬運不便，使用效率不高。同時，在公路隧道逃生應(yīng)急救援管道的 選取方面，管道需要具備高抗沖擊性、高耐壓性以及重量輕，搬運方便等優(yōu)良性能。

通過對超高分子量聚乙烯逃生管道進(jìn)行抗沖擊試 驗和耐壓試驗，論證了超高分子量聚乙烯管用于公路隧道施工應(yīng)急救援通道的可行性。同時，還從人體工程學(xué)的角度，對超高分子量聚乙烯應(yīng)急救援通道的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道薄厚徑設(shè)計： 
   薄壁圓管在受到隧道頂部大能量塊石側(cè)向沖擊的過程中，結(jié)構(gòu)下半部分的整體彎曲變形較小，變形以沖擊點局部凹陷為主。 
    根據(jù)Hertxz接觸力學(xué)理論，采用Thornton假設(shè)，設(shè)材料具有理想彈塑性，則兩接觸物體之間的接觸壓力，在能量分析的基礎(chǔ)上，圓管受到側(cè)向沖擊時 局部凹陷值△與側(cè)向載荷P之間的關(guān)系，則可推出圓管受到側(cè)向沖擊時局部凹陷值，為圓管材料的屈服應(yīng)力；Ｈ為圓管的厚；Ｄ為圓管的直徑。 

   超高分子量聚乙烯隧道逃生管道（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ800*30其主要參數(shù)取值為：屈服強度σ1=3.7GPa，彈性模 量：E1=700MPa；泊松比ν1=0.42； 密度：ρ1=950kg/m3。沖擊試件為塊狀花崗巖，初步選定巖塊直徑為0.67m，巖體參數(shù)取值 為：彈性模量 E2=40GPa， 泊松比ν2=0.2 ，密度ρ2=2500kg/m3。 巖塊重量 W=611kg。

   取隧道中心及邊頂部到圓管頂部的高度的極限值H為7m和5m,將塊石自由釋放，分別對超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管進(jìn)行沖擊，此時可根據(jù)能量守恒定 律計算出巖塊下落速度，分別為v1=11.7m/s和v1=9.9m/s。 取不同圓管壁厚H進(jìn)行計算，不同壁厚尺寸的圓管沖擊變形值得計算結(jié)果如表 1 所示。

表1不同壁厚尺寸的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道沖擊變形值

  從表1中可以看出，隨著圓管壁厚的增加，塊石下落引起的圓管凹陷變形值越來越小。當(dāng)塊石下落高度ｈ＝7ｍ時、壁厚Ｈ＝24mm時，超高分子量聚乙烯隧道逃 生管道的凹陷變形值Δ＝0.048m，約為圓 管直徑的8%；當(dāng)下落高度h＝5ｍ時、壁厚Ｈ＝24mm時，凹陷變形值 Δ＝0.038m，變形值更小。此 時，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道變形凹陷后，管內(nèi)的通行 空間為588mm，滿足人體工程學(xué)要求，人能安全通過應(yīng)急通道。當(dāng)壁厚較小時，變形值增大，可 能不安全%當(dāng)壁厚更大時，盡管安全性增加，但管材重量 也隨之增加，致使成本上升，搬運困難。 因此，設(shè)計中取超高分子量聚乙烯隧道逃生管道壁厚為 30mm是適宜的。

性能表：

 

 

 

用于公路隧道施工中的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在符合人體工程學(xué)原理、兼顧牢固性的同時，還需滿足公路隧道施工應(yīng)急救援功能性要求，連接方式簡單、拆裝方便。因此，對應(yīng)急救援通道進(jìn)行了如下結(jié)構(gòu)設(shè)計。

 
    如圖3所示，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道主體部分采用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道，并在端部設(shè)有加強護(hù)層，連接部件有鋼絲繩、鐵鏈及其端部掛鉤。為了在隧道發(fā)生坍塌事故時，相關(guān)人員方便在逃生通道中攀爬，在通道周向每隔120°栓系一根攀爬繩。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可靠性驗證： 
試驗?zāi)康?nbsp;
    通過將尺寸規(guī)格相近的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道與鋼管分別進(jìn)行抗沖擊試驗，論證這種超高分子量聚乙烯材料應(yīng)用于公路隧道坍塌逃生應(yīng)急救援的可行性。
試驗材料
    1、Q235螺旋縫埋弧焊鋼管，規(guī)格為Φ620×10。 屈服強度σ1=215GPa，彈性模量彈性模量E1=210MPa；泊松比ν1=0.25。
    2、超高分子量聚乙烯隧道逃生管道（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ636×24 , 屈服強度σ1=3.7GPa，彈性模量E1=700MPa；泊松比ν1=0.42。
試驗要求及方法
    采用尺寸規(guī)格相近的鋼管與超高分子量聚乙烯隧道逃生管道從距圓管頂部的高度H為10m的地方將重物自由釋放，進(jìn)行沖擊對比試驗，驗證超高分子量聚乙烯隧道逃生管道的可靠性。
    1、沖擊試件為塊狀花崗巖，初步選定巖塊直徑 為0.67m。巖體參數(shù)取值為：彈性模量E=40MPa；泊松比：ν1=0.2；%密度ρ1=2500kg/m3 ；巖塊重 W=400kg。
    2、圓管墊層為平整放置的砂袋，墊層厚250mm，寬800mm。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道壓力測試

    用 于隧道施工逃生的薄壁圓管自由放置于平整墊層上，當(dāng)受到落石沖擊荷載作用時，圓管底部主要受墊層豎向和橫向摩擦約束作用。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，本實驗取隧道中心頂部到圓管頂部的高度的極限值 H為10m，將塊石自由釋放，分別對超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管進(jìn)行沖 擊。實驗結(jié)果超高分子量聚乙烯隧道逃生管道受到?jīng)_擊后，石塊被彈出，管道幾乎沒有受到損傷，耐沖擊性能良好；鋼管在受到?jīng)_擊后，管道被砸扁，發(fā)生永久性形 變。 

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐沖擊測試

    為了明確沖擊能量的大小，對石塊從10m高處自由落下的沖擊力及圓管形變量進(jìn)行計算。在石塊自由下落時，石塊瞬時速度可由能量守 恒定律求出， Vt=14m/s。同時，可計算出超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管所受沖擊力和變形量如表2 所示。

表2  超高分子量聚乙烯隧道逃生管道與鋼管受沖擊力及變形量對比表

管      材	沖擊力/KN	凹陷變形量△/m
超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道	4984.776	0.086
鋼      管	9484.086	0.382

 從結(jié)果中可以看出，10m高處落下的石塊的沖擊能非常大。同時，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道抗沖擊性能極高，外力沖擊不能使其破裂。而且，其具有很好的韌性和吸收沖擊能的性能，受到大石塊沖擊的過程中，能夠吸收大部分的沖擊能，減少對管道的破壞。鋼管抗沖擊性能不如超高分子量聚乙烯隧道逃生管道，且其在受到石塊砸擊之后發(fā)生永久性形變，難以恢復(fù)。 
.超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐壓測試

首次采用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道對公路隧道施工應(yīng)急救援通道進(jìn)行了設(shè)計。 同時，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道的結(jié)構(gòu)尺寸符合人體工程學(xué)原理，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。 最后，通過對超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管進(jìn)行抗沖擊性對比試驗，驗證了超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應(yīng)用于公路隧道施工應(yīng)急救援的可靠性。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應(yīng)用

    1、超高分子量聚乙烯隧道逃生管道所用管材采用Φ800mm的超高分子量聚乙烯管道，管節(jié)長度為3m，壁厚30mm，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可采用環(huán)型抱箍連接、鋼制搭接鎖扣連接，U型卡鏈扣連接，每端連接10mm固定。為保證管道承受坍塌體的壓力，對采用的材質(zhì)管材，必須確保其承壓能力和連接頭的牢固，并經(jīng)試驗室具體試驗后，方可用于隧道中。

    ②、施工現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)隧道圍巖、掘進(jìn)開挖方式等情況備足管道和連接材料，除整節(jié)管道外，應(yīng)同時備足1米、2米、3米短節(jié)管道、轉(zhuǎn)接接頭。

    ③超高分子量聚乙烯隧道逃生管道經(jīng)加工使用，結(jié)合材質(zhì)及現(xiàn)場實際情況分別進(jìn)行加工，連接簡單、牢固、緊密可靠，且在地面做好臨時固定措施，施工時管口可加臨時封蓋，并易于打開和封閉。

    ④超高分子量聚乙烯隧道逃生管道采用φ800mm的承插超高分子量聚乙烯管道，設(shè)置起點為最新施作好的二襯端頭處，距二襯端頭距離不得大于5米，從襯砌工 作面布置至距離開挖面20m以內(nèi)的適當(dāng)位置，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道沿著初期支護(hù)的一側(cè)向掌子面鋪設(shè)，管內(nèi)預(yù)留工作繩，方便逃生、搶險、聯(lián)絡(luò)和傳輸 各種物品，承插超高分子量聚乙烯管道縱向連接可采用鏈條等措施，防止坍塌時將超高分子量聚乙烯管道沖脫。

    ⑤超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在二襯臺車移動就位過程中，臨時拆移時應(yīng)逐節(jié)拆除，嚴(yán)禁一次拆除到位，以隨時確保逃生管道的效用。

⑥超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在經(jīng)過掘進(jìn)臺階時，應(yīng)按順延臺階布置，安裝30°鋼制過渡彎頭順延，其管道架空高度和長度以不影響施工并便于開啟逃生窗口為宜。

 ⑦設(shè)置的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應(yīng)平整、干燥、順暢，不得作應(yīng)急逃生以外用途。

⑧超高分子量聚乙烯隧道逃生管道布設(shè)長度為100m。
逃生管道連接方式：