公路施工隧道逃生管

 

隨著我國經濟的發展，公路、鐵路等交通線路經過山區普遍采用隧道穿越，由于地質復雜和施工方式不當，隧道施工期間經常發生塌方事故，其中關門塌方事故的后果較為嚴重，一旦發生將嚴重影響掌子面附近施工人員的生命安全。因此，針對隧道施工中的塌方事故，進行隧道逃生管道的系統研究，顯得非常重要。

 

在隧道逃生管設計中，較早選用的是鋼管，經長期現場考察發現，施工現場使用的鋼管存在造價高、接口多、不密封、耐腐蝕性差等缺點，施工時經常擱置在洞室外，起不到防止關門塌方時應急逃生的作用，對隧道施工人員生命安全造成極大的安全隱患，因此有必要更新管道選材。在隧道施工設計時我們提議更換逃生管道材料，把送風管與逃生管串連連接使用，洞室外新鮮空氣經送風管到達初支與二襯交界處，再經新型逃生管道（超高分子量聚乙烯管）輸送到掌子面區域。

 

通過以下3種基本方法驗證超高分子量聚乙烯管應用于隧道的可靠性：

1.結構尺寸設計  

 

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，公路隧道施工應急救援通道的內徑必須≥585mm，才能保證人體的正常通過。 同時，考慮到應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的外徑為800mm。

 

2.薄厚徑設計

 

薄壁圓管在受到隧道頂部大能量塊石側向沖擊的過程中，結構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Hertxz接觸力學理論，采用Thornton假設，設材料具有理想彈塑性，則兩接觸物體之間的接觸壓力，在能量分析的基礎上，圓管受到側向沖擊時局部凹陷值△與側向載荷 P之間的關系，則可推出圓管受到側向沖擊時局部凹陷值，為圓管材料的屈服應力；Ｈ為圓管的厚；Ｄ為圓管的直徑。其主要參數取值為：屈服強度σ1=3.7GPa，彈性模量：E1=700MPa；泊松比ν1=0.42； 密度：ρ1=950kg/m3。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管和鋼管進行沖擊，此時可根據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。當塊石下落高度ｈ＝7ｍ時、壁厚Ｈ＝24mm時，800逃生管道的凹陷變形值Δ＝0.048m，約為圓 管直徑的8%；當下落高度h＝5ｍ時、壁厚Ｈ＝24mm時，凹陷變形值 Δ＝0.038m，變形值更小。壁厚Ｈ＝30mm時，下落高度ｈ＝7ｍ時800逃生管道的凹陷變形值Δ＝0.030m。再厚的話，變形值變化不大，故取超高分子量聚乙烯管厚度30mm比較合適。此時逃生管道變形凹陷后，管內的通行空間為710mm，滿足人體工程學要求，人能安全通過應急通道。當壁厚較小時，變形值增大，可能不安全，當壁厚更大時，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，設計中取管道壁厚為30mm是適宜的。

 

3、可靠性驗證

 

檢驗要求及方法：

 

采用尺寸規格相近的鋼管，超高分子量聚乙烯管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，驗證超高分子量聚乙烯管的可靠性。

 

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，可計算出超高分子量聚乙烯管和鋼管所受沖擊力和變形量。

 

從結果中可以看出，10m高處落下的石塊的沖 擊能非常大。同時，超高分子量聚乙烯管抗沖擊性能極高，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逃生管道，且其在受到石塊砸擊之后發生形變，難以恢復。

 

認證結論：

 

由于超高分子量聚乙烯管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，然后迅速恢復原來形狀，為隧道施工救生應急救援提供了極為安全可靠的保障；管道環剛度高、耐壓性好、不易變形，在公路隧道施工中發生坍塌時，承壓能力和抗環境破壞能力遠遠超過一般管道，包括鋼管。