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超高聚乙烯隧道逃生管

    由于超高分子聚乙烯隧道逃生管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，然后迅速恢復原來形狀，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。*門采用新材料（超高分子分子量聚乙烯）對公路 隧道施工應(yīng)急救援通道進行了設(shè)計。 同時，新型應(yīng)急救援通道的結(jié)構(gòu)尺寸符合人體工程學原理，結(jié)構(gòu) 簡單，拆裝方便。 zui后，通過對超高分子量聚乙烯逃生管道和鋼管進行抗沖擊性對比試驗，驗證了超高分子量聚乙烯逃生管道應(yīng)用于隧道施工應(yīng)急救援的可靠性。：

超高聚乙烯隧道逃生管優(yōu)異性

    超高分子聚乙烯隧道逃生管具有優(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，其在機械、交通運輸、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。

超高分子聚乙烯隧道逃生管結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 

    根據(jù)應(yīng)用人體測量學的美國*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，較舒適的情況下爬行高度為800mm，爬行長度為1520mm，如圖2所示。

 
      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800mm。

新型超高分子聚乙烯隧道逃生管薄厚徑設(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。 
 

        超高聚乙烯隧道逃生管（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ800*30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，分別對超高分子聚乙烯隧道逃生管和鋼管進行沖擊，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，不同壁厚尺寸的圓管沖擊變形值得計算結(jié)果如表1 所示。

       從表1中可以看出，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，超高分子聚乙烯隧道逃生管的凹陷變形值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，超高分子聚乙烯隧道逃生管變形凹陷后，管內(nèi)的通行 空間為588mm，滿足人體工程學要求，人能安全通過應(yīng)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(shè)計中取超高分子聚乙烯隧道逃生管壁厚為30mm是適宜的。 

超高分子聚乙烯隧道逃生管可靠性驗證

 
試驗目的 
    通過將尺寸規(guī)格相近的超高分子聚乙烯隧道逃生管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、超高分子聚乙烯隧道逃生管（分子量約為250萬），規(guī)格為Φ800×30 , 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)格相近的鋼管與超高分子聚乙烯隧道逃生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，驗證超高聚乙烯隧道逃生管的可靠性。
 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，將塊石自由釋放，分別對超高分子聚乙烯隧道逃生管和鋼管進行沖擊。實驗結(jié)果超高分子聚乙烯隧道逃生管受到?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*性形變。 
 

    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，可計算出超高分子聚乙烯隧道逃生管和鋼管所受沖擊力和變形量如表2 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，超高分子聚乙烯隧道逃生管抗沖擊性能*，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超高分子聚乙烯隧道逃生管，且其在受到石塊砸擊之后發(fā)生*性形變，難以恢復。 
 
結(jié)論 
    *采用超高分子聚乙烯隧道逃生管對公路隧道施工應(yīng)急救援通道進行了設(shè)計。 同時，超高聚乙烯隧道逃生管的結(jié)構(gòu)尺寸符合人體工程學原理，結(jié)構(gòu) 簡單，拆裝方便。 zui后，通過對超高分子聚乙烯隧道逃生管和鋼管進行抗沖擊性對比試驗，驗證了超高分子聚乙烯隧道逃生管應(yīng)用于公路隧道施工應(yīng)急救援的可靠性。

超高分子聚乙烯隧道逃生管應(yīng)用：

    ①超高分子量聚乙烯逃生管道所用管材采用φ800mm的超高分子量聚乙烯管道，管節(jié)長度為15m，壁厚30mm，管節(jié)間可采用直徑大于逃生管道直徑的套管連接，每端連接1m,采用橡膠圈或木楔臨時固定。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超高分子量聚乙烯逃生管道經(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超高分子量聚乙烯逃生管道采用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)的適當位置，超高分子量聚乙烯逃生管道沿著初期支護的一側(cè)向掌子面鋪設(shè)，管內(nèi)預留工作繩，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超高分子量聚乙烯逃生管道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，以隨時確保逃生管道的效用。 

    ⑥超高分子量聚乙烯逃生管道在經(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)置的超高分子量聚乙烯逃生管道應(yīng)平整、干燥、順暢，不得作應(yīng)急逃生以外用途。

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