800隧道逃生管道

    前提

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(diǎn)，導(dǎo)致公路隧道建設(shè)過程中還存在諸多技術(shù)問題。

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(jì)，我國共發(fā)生39起（公路、鐵路）隧道施工事故。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*大敵，其高發(fā)性和高危險(xiǎn)性嚴(yán)重威脅著工程安全，甚至給國家與人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。逃生管道在隧道生產(chǎn)中，占了很大的比重，其質(zhì)量的好壞，直接影響到隧道工人的生命安全。
    針對公路隧道施工坍塌事故多發(fā)的情況，*采用新材料（超高分子量聚乙烯材料，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200萬以上的線型結(jié)構(gòu)熱塑性工程塑料。）對公路隧道施工應(yīng)急救援通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)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)，對新型800隧道逃生管道的結(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(jì)。通過抗沖擊性試驗(yàn)，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)行驗(yàn)證。

通過以下4種基本方法驗(yàn)證超高分子量聚乙烯管道的可靠性

1.（新型材料）結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 

      根據(jù)應(yīng)用人體測量學(xué)的美國*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超高分子量聚乙烯mm，爬行長度為1520mm，如圖2所示。

 圖2爬行過程中的人體工程學(xué)要求 

 
        阿爾文·R·蒂利指出，在全身進(jìn)入式上下通行的圓形洞口底部出入口爬行通過時，圓管的zui小直徑為585mm。 因此，公路隧道施工新型應(yīng)急救援通道的內(nèi)徑必須≥585mm，才能保證人體的正常 通過。 
        同時，考慮到公路隧道施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，應(yīng)急救援通道的外徑不宜過大，否則對施工的影響較大，故取超高分子量聚乙烯管道的外徑為636mm。

2.新型薄厚徑設(shè)計(jì) 
        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(diǎn)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。  
        （分子量約為250萬），規(guī)格為Φ超高分子量聚乙烯*30mm其主要參數(shù)取值為：屈服強(qiáng)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=400kg。 
        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，分別對和鋼管進(jìn)行沖擊，此時可根據(jù)能量守恒定律計(jì)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(jì)算，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，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，變形凹陷后，管內(nèi)的通行空間為740mm，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(yùn)困難。 因此，設(shè)計(jì)中取壁厚為30mm是適宜的。 

3.連接部件設(shè)計(jì) 
   用于公路隧道施工中的在符合人體工程學(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(jì)。 
  主體部分采用超高分子量聚乙烯管道，并在端部設(shè)有加強(qiáng)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)人員方便在逃生管道中攀爬，在通道周向每隔120°栓系一攀爬繩
   本著拆裝方便的原則，公路與管之間的連接方式為抱箍連接。 故在安裝施工組織中較為方便，當(dāng)*安裝時，只需將兩管對接，用抱箍上緊扣牢，依據(jù)抱箍現(xiàn)有的孔，用鉆往管管上打孔近穿螺栓即可。其中，鋼絲繩端頭和鐵鏈端頭為掛鉤，鐵鏈長度可根據(jù)扣緊程度由掛鉤扣在鐵鏈圓環(huán)上的位置 自由調(diào)節(jié)。
4.可靠性驗(yàn)證

試驗(yàn)?zāi)康?/span> 
    通過將尺寸規(guī)格相近的與鋼管分別進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，論證超高管應(yīng)用于公路隧道坍塌逃生應(yīng)急救援的可行性。

試驗(yàn)材料
1、Q235螺旋縫埋弧焊鋼管，規(guī)格為Φ620×10。 屈服強(qiáng)度σ1=215GPa，彈性模量彈性模量E1=210MPa；泊松比ν1=0.25。

2、（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ超高分子量聚乙烯×30mm，屈服強(qiáng)度σ1=3.7GPa，彈性模量E1=700MPa；泊松比ν1=0.42。

試驗(yàn)要求及方法 
    采用尺寸規(guī)格相近的鋼管與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(yàn)，驗(yàn)證的可靠性。
 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，寬超高分子量聚乙烯mm。
    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(shí)驗(yàn)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，分別對和鋼管進(jìn)行沖擊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到?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)生形變。
    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(jì)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(jì)算出和鋼管所受沖擊力和變形量如圖所示。

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，抗沖擊性能*，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，且其在受到石塊砸擊之后發(fā)生形變，難以恢復(fù)。

認(rèn)證結(jié)論：

由于（超高分子量聚乙烯）重量輕拆裝和搬運(yùn)方便；管道韌性好、抗沖擊強(qiáng)度高，受到強(qiáng)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，包括鋼管，那么我們來看看他的*性和應(yīng)用范圍。

隧道道逃生管道優(yōu)異性
       具有優(yōu)異的綜合性能，具有 其他工程塑料*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(jī)械、交通運(yùn)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(yùn)方便。
●管道韌性好、抗沖擊強(qiáng)度高，受到強(qiáng)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。
應(yīng)用：
    ①所用管材采用φ800mm的超高分子量聚乙烯管道，管節(jié)長度為12m，壁厚30mm，管節(jié)間可采用直徑大于逃生管道直徑的金屬帶孔抱箍連接，22mm寬,采用螺栓臨時固定。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(yàn)室具體試驗(yàn)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經(jīng)加工使用，結(jié)合材質(zhì)及現(xiàn)場實(shí)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采用φ800mm的承插超高分子量聚乙烯管道，設(shè)置起點(diǎn)為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，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(xiǎn)、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，以隨時確保的效用。 

    ⑥在經(jīng)過掘進(jìn)臺階時，應(yīng)按順延臺階布置，安裝135°轉(zhuǎn)接接頭順延，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)置的應(yīng)平整、干燥、順暢，不得作應(yīng)急逃生以外用途。

⑧布設(shè)長度為100m。

案例：

目前在建的大理至麗江高速公路中，*在施工中使用了（超高分子量聚乙烯管道），為隧道施工者增加了安全防護(hù)措施。請聽云南臺記者章婷、通訊員周鳳榮的報(bào)道：

在云南修公路，橋隧比例高，地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜，隧道施工是安全生產(chǎn)的重中之重。但是，和以往的施工相比，大麗高速公路的隧道施工者們卻多了一層安全防護(hù)。工人趙師傅告訴記者：，這是個好辦法，如果塌方，埋了，人就可以順著這個管子走。

 采用特殊工程塑料制成，內(nèi)孔直徑為外徑為超高分子量聚乙烯mm，能承受2000多公斤的壓力，*夠一個成年人從中爬行。設(shè)置在連接掌子面到二次襯砌的位置，隨著隧道的掘進(jìn)，逃生管道也在不斷的向前移動。一旦施工中出現(xiàn)坍塌，工人便可從逃生管道中安全離開。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用，能將隧道施工人員傷亡降到zui低。省公路開發(fā)投資公司董事長 孫喬寶： 一般容易出問題的就是掘進(jìn)和二層之間，我們在招標(biāo)時就要求，準(zhǔn)備60米長的管道，一旦從掌子面發(fā)生坍塌，埋下來，工作人員通過管道就可以出來。

zui后我由衷的希望，每一個隧道工程都能安全的進(jìn)行，使我們國家更加繁榮昌盛。另外想要了解此類管道的朋友，我們以zui大的熱忱歡迎各界朋友來我們公司參觀，指導(dǎo)

洛陽國潤新材料科技股份有限公司專業(yè)生產(chǎn)-（超高分子量聚乙烯材料）

   劉