隧道逃生管道的材質選擇

隧道逃生管道的材質選取：

超高分子聚乙烯隧道逃生管道，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250萬以上的線型結構熱塑性工程塑料。 世界上最早由 美國Allied Chemical公司於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 投入工業化生產。我國於1964年最早研製成功並投入工業生產。

超高分子聚乙烯隧道逃生管道具有優異的綜合性能，具有其他工程塑料無可比擬的耐衝擊性、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1/3左右，拆裝和搬運方便。

●管道韌性好、抗衝擊強度高，受到強外力衝擊時瞬間變形，吸收大量衝擊能量，然後迅速恢復原來形狀，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。

隧道逃生管材性能介紹：

隧道逃生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擬的耐衝擊性、抗壓性、耐磨損、抗老化、輕質性，且耐化學腐蝕，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。

1.耐衝擊性。

耐衝擊是逃生管道，超高分子逃生管道的另一重要特性。他的衝擊強度非常高，他比以耐用消費品衝擊著稱的聚碳酸酯的衝擊強度還高3--5倍，其衝擊強度隨分子量的增加提高。當分子量達到150萬時，衝擊強度達到最高值，以後隨著分子量增加衝擊強度有所降低。

2.衝擊能吸收性。

逃生管道，超高分子逃生管道還具有優異的衝擊能吸收性，衝能吸收值在所有塑料中最高，因而，噪音阻尼行很好，具有優良的消音效果。

3.優良的抗內壓強度，逃生管道，超高分子逃生管道耐環境應力開類性，抗快速開裂性。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道材料重量輕，拆裝和搬運方便；超高分子量聚乙烯隧道逃生管道韌性好、抗衝擊強度高，受到強外力衝擊時瞬間變形，吸收大量衝擊能量，然後迅速恢復原來形狀，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道為 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。交通部門採用新材料（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，超高分子量聚乙烯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，通過對超高分子量聚乙烯逃生管道和鋼管進行抗衝擊性對比試驗，驗證了超高分子量聚乙烯逃生管道應用於公路隧道施工應急救援的可靠性。

隧道逃生管結構尺寸設計：

針對公路隧道施工坍塌事故多發的情況，首次採用新材料（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，採用Thonroton假設，對超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯逃生管道的結構尺寸進行了優化，並對通道的連接方式進行了設計。最後，通過抗衝擊性試驗，對超高分子量聚乙烯通道應用於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，可應用於公路隧道施工應急救援。

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，較舒適的情況下爬行高度為800mm，爬行長度為1520mm，如圖2所示

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，導致公路隧道建設過程中還存在諸多技術問題。儘管隨著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。

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。由於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巖土工程高且嚴重，事故統計如圖1所示。

從圖1中可以看出，在公路隧道施工事故中，坍塌事故佔54％，為主要事故形態，是公路隧道施工的頭號大敵，其高發性和高危險性嚴重威脅著工程安全，甚至給國家與人民的生命財產造成重大損失。

因此，對公路隧道施工坍塌應急救援技術進行研究，將能有效減少公路隧道施工坍塌事故的人員傷亡和財產損失，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，在公路隧道逃生應急救援管道的 選取方面，管道需要具備高抗衝擊性、高耐壓性以及重量輕，搬運方便等優良性能。

通過對超高分子量聚乙烯逃生管道進行抗衝擊試 驗和耐壓試驗，論證了超高分子量聚乙烯管用於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，對超高分子量聚乙烯應急救援通道的結構尺寸進行了優化。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道薄厚徑設計：

薄壁圓管在受到隧道頂部大能量塊石側向衝擊的過程中，結構下半部分的整體彎曲變形較小，變形以衝擊點局部凹陷為主。

根據Hertxz接觸力學理論，採用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，圓管受到側向衝擊時 局部凹陷值△與側向載荷P之間的關係，則可推出圓管受到側向衝擊時局部凹陷值，為圓管材料的屈服應力；Ｈ為圓管的厚；Ｄ為圓管的直徑。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道（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。衝擊試件為塊狀花崗巖，初步選定巖塊直徑為0.67m，巖體參數取值 為：彈性模量 E2=40GPa， 泊松比ν2=0.2 ，密度ρ2=2500kg/m3。 巖塊重量 W=611kg。

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隧道逃生管道和鋼管進行衝擊，此時可根據能量守恆定 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衝擊變形值得計算結果如表 1 所示。

表1不同壁厚尺寸的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道衝擊變形值

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，超高分子量聚乙烯隧道逃 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。此 時，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道變形凹陷後，管內的通行 空間為588mm，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，儘管安全性增加，但管材重量 也隨之增加，致使成本上升，搬運困難。 因此，設計中取超高分子量聚乙烯隧道逃生管道壁厚為 30mm是適宜的。

性能表：

用於公路隧道施工中的超高分子量聚乙烯隧道逃生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，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道主體部分採用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道，並在端部設有加強護層，連接部件有鋼絲繩、鐵鏈及其端部掛鈎。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。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可靠性驗證：

試驗目的

通過將尺寸規格相近的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道與鋼管分別進行抗衝擊試驗，論證這種超高分子量聚乙烯材料應用於公路隧道坍塌逃生應急救援的可行性。

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、超高分子量聚乙烯隧道逃生管道（分子量約為250萬），規格為Φ636×24 , 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

採用尺寸規格相近的鋼管與超高分子量聚乙烯隧道逃生管道從距圓管頂部的高度H為10m的地方將重物自由釋放，進行衝擊對比試驗，驗證超高分子量聚乙烯隧道逃生管道的可靠性。

1、衝擊試件為塊狀花崗巖，初步選定巖塊直徑 為0.67m。巖體參數取值為：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。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道壓力測試

用 於隧道施工逃生的薄壁圓管自由放置於平整墊層上，當受到落石衝擊荷載作用時，圓管底部主要受墊層豎向和橫向摩擦約束作用。衝擊試件離圓管頂部距離主要取決 於隧道斷 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，分別對超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管進行衝 擊。實驗結果超高分子量聚乙烯隧道逃生管道受到衝擊後，石塊被彈出，管道幾乎沒有受到損傷，耐衝擊性能良好；鋼管在受到衝擊後，管道被砸扁，發生永久性形 變。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐衝擊測試

為了明確衝擊能量的大小，對石塊從10m高處自由落下的衝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 恆定律求出， Vt=14m/s。同時，可計算出超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管所受衝擊力和變形量如表2 所示。

表2 超高分子量聚乙烯隧道逃生管道與鋼管受衝擊力及變形量對比表

從結果中可以看出，10m高處落下的石塊的衝擊能非常大。同時，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道抗衝擊性能極高，外力衝擊不能使其破裂。而且，其具有很好的韌性和吸收衝擊能的性能，受到大石塊衝擊的過程中，能夠吸收大部分的衝擊能，減少對管道的破壞。鋼管抗衝擊性能不如超高分子量聚乙烯隧道逃生管道，且其在受到石塊砸擊之後發生永久性形變，難以恢復。

.超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐壓測試

首次採用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道對公路隧道施工應急救援通道進行了設計。 同時，超高分子量聚乙烯隧道逃生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，通過對超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和鋼管進行抗衝擊性對比試驗，驗證了超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應用於公路隧道施工應急救援的可靠性。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應用

1、超高分子量聚乙烯隧道逃生管道所用管材採用Φ800mm的超高分子量聚乙烯管道，管節長度為3m，壁厚30mm，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可採用環型抱箍連接、鋼製搭接鎖扣連接，U型卡鏈扣連接，每端連接10mm固定。為保證管道承受坍塌體的壓力，對採用的材質管材，必須確保其承壓能力和連接頭的牢固，並經試驗室具體試驗後，方可用於隧道中。

、施工現場應根據隧道圍巖、掘進開挖方式等情況備足管道和連接材料，除整節管道外，應同時備足1米、2米、3米短節管道、轉接接頭。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道經加工使用，結合材質及現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，並易於打開和封閉。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道採用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於5米，從襯砌工 作面布置至距離開挖面20m以內的適當位置，超高分子量聚乙烯隧道逃生管道沿著初期支護的一側向掌子面鋪設，管內預留工作繩，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採用鏈條等措施，防止坍塌時將超高分子量聚乙烯管道衝脫。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在二襯臺車移動就位過程中，臨時拆移時應逐節拆除，嚴禁一次拆除到位，以隨時確保逃生管道的效用。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在經過掘進臺階時，應按順延臺階布置，安裝30°鋼製過渡彎頭順延，其管道架空高度和長度以不影響施工並便於開啟逃生窗口為宜。

設置的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道應平整、乾燥、順暢，不得作應急逃生以外用途。

超高分子量聚乙烯隧道逃生管道布設長度為100m。

逃生管道連接方式：