隧道逃生管道

    截至2008年底，我國公路隧道總數(shù)已達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。

    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。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)性和高危險性嚴重威脅著工程安全，甚至給國家與人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。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。

隧道逃生管系統(tǒng)介紹：
    一種隧道施工事故中管道逃生系統(tǒng)，在離施工隧道的開挖掌子面一定距離的位置設(shè)置安全棚架，安全棚架與逃生管道的一端連接；通常距離開挖掌子面不大于26米，臺階法施工時不大于21米。逃生管道的另一端靠近施工隧道的二級襯砌段。本實用新型提供的一種隧道施工事故中管道逃生系統(tǒng)。

隧道逃生管優(yōu)異性 

1、重量輕、同規(guī)格下重量僅為鋼管重量的1/8，拆裝和搬運方便。

2、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。

3、管道環(huán)剛度高、耐壓性好、不易變形，在隧道施工中發(fā)生坍塌時，承壓能力和抗環(huán)境破壞能力遠遠超過一般管道。

通過以下4種基本方法驗證超高分子量聚乙烯管道的可靠性

1.隧道逃生管道（新型材料）結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 

    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 
    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。  
    （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進行計算，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，搬運困難。 因此，設(shè)計中取壁厚為30mm是適宜的。 

3.連接部件設(shè)計 
    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)急救援通道進行了如下結(jié)構(gòu)設(shè)計。 
    主體部分采用超高分子量聚乙烯管道，并在端部設(shè)有加強護層，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.可靠性驗證

試驗?zāi)康?/span> 
    通過將尺寸規(guī)格相近的與鋼管分別進行抗沖擊試驗，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、（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ超高分子量聚乙烯×30mm，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)格相近的鋼管與從距圓管頂部的高度H為10m的地方將重物自由釋放，進行沖擊對比試驗，驗證的可靠性。
 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，分別對和鋼管進行沖擊。實驗結(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)。

認證結(jié)論：

由于（超高分子量聚乙烯）重量輕拆裝和搬運方便；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)境破壞能力遠遠超過一般管道，包括鋼管，那么我們來看看他的*性和應(yīng)用范圍。

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)場實際情況分別進行加工，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，嚴禁一次拆除到位，以隨時確保的效用。 

    ⑥在經(jīng)過掘進臺階時，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。

隧道逃生管工程案例

中鐵十九局云桂項目部（中鐵十九局集團有限公司云桂鐵路YGZQ-4標(biāo)項目部）

云南云嶺高速公路建設(shè)集團有限公司振臨高速公路項目部

云南云嶺高速公路建設(shè)集團有限公司臨滄機場高速公路項目部

中鐵十四局集團有限公司玉臨勘察試驗段土建施工第四合同段項目部

中交第四公路工程局有限公司蒙文硯高速公路項目部二分部

中交隧道工程局有限公司昌贛客專CGZQ-4標(biāo)項目部一分部

中鐵十二局仁博高速公路TJ16合同段（廣東省韶關(guān)市新豐縣）

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