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逃生管道
新型隧道逃生管道

     新型隧道逃生管道材料重量輕,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,然後迅速恢複原來形狀,為公路隧道施工逃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。交通部門采用新材料(超高分子量聚乙烯)對公路 隧道施工應急救援通道進行了設計。同時,新型應急救援通道的結構尺寸符合人體工程學原理,結構 簡單,拆裝方便。 最後,通過對隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道和鋼管進行抗沖擊性對比試驗,驗證了隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道應用于公路隧道施工應急救援的可靠性。
 

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       針對公路隧道施工坍塌事故多發的情況,首次采用新材料(超高分子量聚乙烯材料)對公路隧道施工應急救援通道進行了設計研究。結合人體工程學原理,根據Hertz接觸力學理論,采用Thonroton假設,對新型隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道的結構尺寸進行了優化,并對通道的連接方式進行了設計。最後,通過抗沖擊性試驗,對超高分子量聚乙烯通道應用于公路隧道施工應急救援的可靠性進行了驗證。試驗結果表明,超高分子量聚乙烯通道結構尺寸合理,安全可靠,可應用于公路隧道施工應急救援。
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道工程逃生通道應急救援演練
 
    截至2008年底,我國公路隧道總數已達5426座,共319×104km,然而,我國公路隧道建設起步較晚,與國外發達國家相比,相關技術水平仍較低,加之公路隧道跨度大、施工工藝複雜、地形多變等特點,導緻公路隧道建設過程中還存在諸多技術問題。 盡管随着我國公路隧道新奧法施工技術的日益成熟,穿越複雜地質條件隧道的相關設計理論和修築工藝取得了一定的成果,但在隧道建設中塌方事故卻屢屢發生,施工安全問題異常嚴峻。 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道

       據2004年~2007年隧道施工事故資料初步統計,我國共發生39起(公路、鐵路)隧道施工事故。由于地質條件的多樣性和複雜性,公路隧道施工事故發生率比其他岩土工程高且嚴重,事故統計如圖1所示:
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公路、鐵路隧道施工事故統計(2004~2007年)
 
       從上圖中可以看出,在公路隧道施工事故中,坍塌事故占54%,為主要事故形态,是公路隧道施工的頭号大敵,其高發性和高危險性嚴重威脅着工程安全,甚至給國家與人民的生命财産造成重大損失 。
 
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隧道施工逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
       因此,對公路隧道施工坍塌應急救援技術進行研究,将能有效減少公路隧道施工坍塌事故的人員傷亡和财産損失,對提高公路隧道建設的安全性具 有重要的現實意義。 然而,現行公路隧道施工中所用的坍塌逃生應急救援通道為鋼管,質量大,較為笨重,拆裝和搬運不便,使用效率不高。同時,在公路隧道逃生管道應急救援管道的選取方面,管道需要具備高抗沖擊性、高耐壓性以及高耐磨性等優良性能。 
       通過對隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道進行抗沖擊試 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急救援通道的可行性。 同時,還從人體工程學的角度,對新型應急救援通道的結構尺寸進行了優化。
 
                                               
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中鐵十二局隧道逃生管道
 
       隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道,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150萬以上的線型結構熱塑性工程塑料。 世界上最早由美國Allied Chemical公司于1957年實現工業化。 此後德國Hoechst公司、德國Her-cules公司、日本三井石油化學公司等也投入工業化生産。我國于1964年最早研制成功并投入工業生産。 
隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道優異性
       隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道具有優異的綜合性能,具有 其他工程塑料無可比拟的耐沖擊性、抗壓性、耐磨損、抗老化、輕質性,且耐化學腐蝕、衛生無毒、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、農業、化工等領域,具有廣泛的引用前景。 
●重量輕、僅為鋼管重量的1/8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,然後迅速恢複原來形狀,為公路隧道施工逃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。

隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道結構尺寸設計 

       根據應用人體測量學的先驅美國著名專家阿爾文·R·蒂利對人體測量學的研究成果可知,人在爬行移動時,較舒适的情況下爬行高度為800mm,爬行長度為1520mm,如圖2所示:
 
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圖2、爬行過程中的人體工程學要求

       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,圓管的最小直徑為585mm。 因此,公路隧道施工新型應急救援通道的内徑必須≥585mm,才能保證人體的正常通過。 
       同時,考慮到公路隧道施工現場的實際情況,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道的外徑為800mm。
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道


新型隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道薄厚徑設計 

       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。 

 
 
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
        隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道(分子量約為250萬),規格為Φ800*30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 。
      沖擊試件為塊狀花崗岩,初步選定岩塊直徑為0.67m,岩體參數取值為:彈性模量 E2=40GPa, 泊松比ν2=0.2 ,密度ρ2=2500kg/m3。 岩塊重量 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,将塊石自由釋放,分别對隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道和鋼管進行沖擊,此時可根據能量守恒定律計算出岩塊下落速度,分别為v1=11.7m/s和v1=9.9m/s。 取不同圓管壁厚H進行計算,不同壁厚尺寸的圓管沖擊變形值得計算結果如表1 所示。
 
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       從表1中可以看出,随着圓管壁厚的增加,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,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道的凹陷變形值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。此時,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道變形凹陷後,管内的通行空間為740mm,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 也随之增加,緻使成本上升,搬運困難。 因此,設計中取隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道壁厚為26mm是适宜的。 
 
隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道論證參數
 
項目 單位 試驗方法 超高分子材料型号 其它工程塑料
SLL-2 SLL-3 尼龍66 聚碳酸酯 聚甲醛 聚四氟乙烯
密度 g/cm³ ASTM D1505 0.935 0.930 1.14 1.2 1.4 2.16
平均分子量 GB/T1841-1980 粘度法 250萬 300萬 - - - -
屈服點應力 Kg/cm² ASTM D638 220 220 - - - -
抗張強度 Kg/cm² ASTM D638 400 500 750 640 700 200
斷裂伸長率 % ASTM D638 350 300 200 110 75 300
抗沖擊強度(無缺口) Kg.cm/cm ASTMD256/td> 破壞不了 破壞不了 11 80 10 16
抗沖擊強度(缺口) Kg.cm/cm ASTMD256 110 105 - - - -
布氏硬度 D ASTMD2240 40 40 100 118 120 -
動摩擦系數 Kg/cm².m/s 三井汕化 0.2 0.2 0.4 - 0.4 0.2
磨損率(砂磨法) mg 三井汕化 20 15 - - 170 225
熔點 ASTMD2117 136 136 255 240 166 -
維卡軟化點 ASTMD1525 134 134 - - - -
熱變形溫度 ASTM D648 85 80 200 138 170 121
膨脹系數 10-4/℃ ASTMD696 1.5/td> 1.5 0.8 0.66 0.81 1.0
導熱系數 10-cal/cm.s.℃ ASTMD177 8.5 8.5 5.85 4.6 5.5 6.0
吸水率 % ASTMD570 0.01 0.01 1.5 0.15 0.25 0.02
 
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                                                                                      隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道

 
隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道連接部件設計
       用于公路隧道施工中的隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道在符合人體工程學原理、兼顧牢固性的同時,還需滿足公路隧道施工應急救援功能性要求,連接方式簡單、拆裝方便。因此,對應急救援通道進行了如下結構設計。 
       如圖3所示,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道主體部分采用隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道,并在端部設有加強護層,連接部件有鋼絲繩、鐵鍊及其端部挂鈎。為了在隧道發生坍塌事故時,相關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。
 
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       本着拆裝方便的原則,公路隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道與管之間的連接方式為柔性連接。故在安裝施工組織中較為方便,當首次安裝時,隻需将兩管對接,用鐵鍊将兩管端頭的鋼絲繩連接并拉緊扣牢即可。其中,鋼絲繩端頭和鐵鍊端頭為挂鈎,鐵鍊長度可根據扣緊程度由挂鈎扣在鐵鍊圓環上的位置自由調節。

隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道可靠性驗證 
試驗目的 
       通過将尺寸規格相近的隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道與鋼管分别進行抗沖擊試驗,論證超高管應用于公路隧道坍塌逃生應急救援的可行性。
 
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                                                                                     隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道

 
試驗材料
       1、Q235螺旋縫埋弧焊鋼管,規格為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、隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道(分子量約為250萬),規格為Φ800×30mm,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 
       采用尺寸規格相近的鋼管與隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道從距圓管頂部的高度H為10m的地方将重物自由釋放,進行沖擊對比試驗,驗證隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道的可靠性。
       1、沖擊試件為塊狀花崗岩,初步選定岩塊直徑 為0.67m。岩體參數取值為:彈性模量E=40MPa;泊松比:ν1=0.2;%密度ρ1=2500kg/m3 ;岩塊重 W=400kg。
 
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                                                                                             隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道

2、圓管墊層為平整放置的砂袋,墊層厚250mm,寬800mm。
       用于隧道施工逃生的薄壁圓管自由放置于平整墊層上,當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,将塊石自由釋放,分别對隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道和鋼管進行沖擊。實驗結果隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道受到沖擊後,石塊被彈出,管道幾乎沒有受到損傷,耐沖擊性能良好;鋼管在受到沖擊後,管道被砸扁,發生永久性形變。

 
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                                                                                                 隧道逃生管道抗沖擊測試
 
   為了明确沖擊能量的大小,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,可計算出隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道和鋼管所受沖擊力和變形量如表2 所示。

 
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       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,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯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隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道,且其在受到石塊砸擊之後發生永久性形變,難以恢複。
 
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隧道逃生管道-鋼管
 
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逃生管道-  超高分子量聚乙烯管道
 
結論 
       隧道施工采用超高分子量聚乙烯管道鋪設公路隧道施工應急救援通道進行了設計。 同時,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道的結構尺寸符合人體工程學原理,結構 簡單,拆裝方便。 最後,通過對隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道和鋼管進行抗沖擊性對比試驗,驗證了隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道應用于公路隧道施工應急救援的可靠性。
隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道應用:

 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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隧道逃生管道-超高分子量聚乙烯管道
 
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     ①隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道所用管材采用φ800mm的超高分子量聚乙烯管道,管節長度為12m,壁厚30mm,管節間可采用直徑大于逃生管道直徑的抱箍連接,每端連接10mm固定。抱箍為保證管道承受坍塌體的壓力,對采用的材質管材,必須确保其承壓能力和連接頭的牢固,并經試驗室具體試驗後,方可用于隧道中。
     ②施工現場應根據隧道圍岩、掘進開挖方式等情況備足管道和連接材料,除整節管道外,應同時備足1米、2米、3米短節管道、轉接接頭。 
     ③隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道經加工使用,結合材質及現場實際情況分别進行加工,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。
 
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    ④隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道采用φ800mm的承插超高分子量聚乙烯管道,設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以内的适當位置,隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道沿着初期支護的一側向掌子面鋪設,管内預留工作繩,方便逃生、搶險、聯絡和傳輸各種物品,承插超高分子量聚乙烯管道縱向連接可采用鍊條等措施,防止坍塌時将超高分子量聚乙烯管道沖脫。 

 
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隧道施工通風管道
 
     ⑤隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道在二襯台車移動就位過程中,臨時拆移時應逐節拆除,嚴禁一次拆除到位,以随時确保逃生管道的效用。 
     ⑥隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道在經過掘進台階時,應按順延台階布置,安裝135°轉接接頭順延,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設置的隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道應平整、幹燥、順暢,不得作應急逃生以外用途。
     ⑧隧道逃生管道超高分子量聚乙烯管道布設長度為100m。
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