公路施工隧道逃生管

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路、鐵路等交通線路經(jīng)過山區(qū)普遍采用隧道穿越，由于地質(zhì)復(fù)雜和施工方式不當(dāng)，隧道施工期間經(jīng)常發(fā)生塌方事故，其中關(guān)門塌方事故的后果較為嚴(yán)重，一旦發(fā)生將嚴(yán)重影響掌子面附近施工人員的生命安全。因此，針對(duì)隧道施工中的塌方事故，進(jìn)行隧道逃生管道的系統(tǒng)研究，顯得非常重要。

在隧道逃生管設(shè)計(jì)中，較早選用的是鋼管，經(jīng)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，施工現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼管存在造價(jià)高、接口多、不密封、耐腐蝕性差等缺點(diǎn)，施工時(shí)經(jīng)常擱置在洞室外，起不到防止關(guān)門塌方時(shí)應(yīng)急逃生的作用，對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)我們提議更換逃生管道材料，把送風(fēng)管與逃生管串連連接使用，洞室外新鮮空氣經(jīng)送風(fēng)管到達(dá)初支與二襯交界處，再經(jīng)新型逃生管道（超高分子量聚乙烯管）輸送到掌子面區(qū)域。

通過以下3種基本方法驗(yàn)證超高分子量聚乙烯管應(yīng)用于隧道的可靠性：

1.結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)  

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(shí)，圓管的zui小直徑為585mm。 因此，公路隧道施工應(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(shí)，考慮到應(yīng)急救援通道的外徑不宜過大，否則對(duì)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(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(shí)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(shí)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。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。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(duì)超高分子量聚乙烯管和鋼管進(jìn)行沖擊，此時(shí)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(shí)、壁厚Ｈ＝24mm時(shí)，800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(shí)、壁厚Ｈ＝24mm時(shí)，凹陷變形值 Δ＝0.038m，變形值更小。壁厚Ｈ＝30mm時(shí)，下落高度ｈ＝7ｍ時(shí)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(shí)逃生管道變形凹陷后，管內(nèi)的通行空間為710mm，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(shí)，變形值增大，可能不安全，當(dāng)壁厚更大時(shí)，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)中取管道壁厚為30mm是適宜的。

3、可靠性驗(yàn)證

檢驗(yàn)要求及方法：

采用尺寸規(guī)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(jìn)行沖擊對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)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(duì)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(shí)，石塊瞬時(shí)速度可由能量守 恒定律求出， Vt=14m/s。同時(shí)，可計(jì)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(jié)果中可以看出，10m高處落下的石塊的沖 擊能非常大。同時(shí)，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(duì)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(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管重量輕拆裝和搬運(yùn)方便；管道韌性好、抗沖擊強(qiáng)度高，受到強(qiáng)外力沖擊時(shí)瞬間變形，吸收大量沖擊能量，然后迅速恢復(fù)原來形狀，為隧道施工救生應(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(shí)，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。