公路施工隧道逃生管

随着我国经济的发展，公路、铁路等交通线路经过山区普遍采用隧道穿越，由于地质复杂和施工方式不当，隧道施工期间经常发生塌方事故，其中关门塌方事故的后果较为严重，一旦发生将严重影响掌子面附近施工人员的生命安全。因此，针对隧道施工中的塌方事故，进行隧道逃生管道的系统研究，显得非常重要。

在隧道逃生管设计中，较早选用的是钢管，经长期现场考察发现，施工现场使用的钢管存在造价高、接口多、不密封、耐腐蚀性差等缺点，施工时经常搁置在洞室外，起不到防止关门塌方时应急逃生的作用，对隧道施工人员生命安全造成极大的安全隐患，因此有必要更新管道选材。在隧道施工设计时我们提议更换逃生管道材料，把送风管与逃生管串连连接使用，洞室外新鲜空气经送风管到达初支与二衬交界处，再经新型逃生管道（超高分子量聚乙烯管）输送到掌子面区域。

通过以下3种基本方法验证超高分子量聚乙烯管应用于隧道的可靠性：

1.结构尺寸设计  

阿尔文·R·蒂利指出，在全身进入式上下通行的圆形洞口底部出入口爬行通过时，圆管的zui小直径为585mm。 因此，公路隧道施工应急救援通道的内径必须≥585mm，才能保证人体的正常通过。 同时，考虑到应急救援通道的外径不宜过大，否则对施工的影响较大，故取超高分子量聚乙烯管的外径为800mm。

2.薄厚径设计

薄壁圆管在受到隧道顶部大能量块石侧向冲击的过程中，结构下半部分的整体弯曲变形较小，变形以冲击点局部凹陷为主。根据Hertxz接触力学理论，采用Thornton假设，设材料具有理想弹塑性，则两接触物体之间的接触压力，在能量分析的基础上，圆管受到侧向冲击时局部凹陷值△与侧向载荷 P之间的关系，则可推出圆管受到侧向冲击时局部凹陷值，为圆管材料的屈服应力；Ｈ为圆管的厚；Ｄ为圆管的直径。其主要参数取值为：屈服强度σ1=3.7GPa，弹性模量：E1=700MPa；泊松比ν1=0.42； 密度：ρ1=950kg/m3。取隧道中心及边顶部到圆管顶部的高度的极限值H为7m和5m,将块石自由释放，分别对超高分子量聚乙烯管和钢管进行冲击，此时可根据能量守恒定律计算出岩块下落速度，分别为v1=11.7m/s和v1=9.9m/s。 取不同圆管壁厚H进行计算，随着圆管壁厚的增加，块石下落引起的圆管凹陷变形值越来越小。当块石下落高度ｈ＝7ｍ时、壁厚Ｈ＝24mm时，800逃生管道的凹陷变形值Δ＝0.048m，约为圆 管直径的8%；当下落高度h＝5ｍ时、壁厚Ｈ＝24mm时，凹陷变形值 Δ＝0.038m，变形值更小。壁厚Ｈ＝30mm时，下落高度ｈ＝7ｍ时800逃生管道的凹陷变形值Δ＝0.030m。再厚的话，变形值变化不大，故取超高分子量聚乙烯管厚度30mm比较合适。此时逃生管道变形凹陷后，管内的通行空间为710mm，满足人体工程学要求，人能安全通过应急通道。当壁厚较小时，变形值增大，可能不安全，当壁厚更大时，尽管安全性增加，但管材重量 也随之增加，致使成本上升，搬运困难。 因此，设计中取管道壁厚为30mm是适宜的。

3、可靠性验证

检验要求及方法：

采用尺寸规格相近的钢管，超高分子量聚乙烯管从距圆管顶部的高度H为10m的地方将重物自由释放，进行冲击对比试验，验证超高分子量聚乙烯管的可靠性。

为了明确冲击能量的大小，对石块从10m高处自由落下的冲击力及圆管形变量进行计算。在石块自由下落时，石块瞬时速度可由能量守 恒定律求出， Vt=14m/s。同时，可计算出超高分子量聚乙烯管和钢管所受冲击力和变形量。

从结果中可以看出，10m高处落下的石块的冲 击能非常大。同时，超高分子量聚乙烯管抗冲击性能极高，外力冲击不能使其破裂。而且，其具有很好的韧性和吸收冲击能的性能，受到大石块冲击的过程中，能够吸收大部分的冲击能，减少对管道的破坏。钢管抗冲击性能不如逃生管道，且其在受到石块砸击之后发生形变，难以恢复。

认证结论：

由于超高分子量聚乙烯管重量轻拆装和搬运方便；管道韧性好、抗冲击强度高，受到强外力冲击时瞬间变形，吸收大量冲击能量，然后迅速恢复原来形状，为隧道施工救生应急救援提供了极为安全可靠的保障；管道环刚度高、耐压性好、不易变形，在公路隧道施工中发生坍塌时，承压能力和抗环境破坏能力远远超过一般管道，包括钢管。