隧道逃生管道

    截至2008年底，我国公路隧道总数已达5426座，共319×104km，然而，我国公路隧道建设起步较晚，与国外发达国家相比，相关技术水平仍较低，加之公路隧道跨度大、施工工艺复杂、地形多变等特点，导致公路隧道建设过程中还存在诸多技术问题。

    在隧道建设中塌方事故却屡屡发生，施工安全问题异常严峻。据2004年～2007年隧道施工事故资料初步统计，我国共发生39起（公路、铁路）隧道施工事故。公路隧道施工事故中，坍塌事故占54％，为主要事故形态，是公路隧道施工的*大敌，其高发性和高危险性严重威胁着工程安全，甚至给国家与人民的生命财产造成重大损失。逃生管道在隧道生产中，占了很大的比重，其质量的好坏，直接影响到隧道工人的生命安全。

隧道逃生管系统介绍：
    一种隧道施工事故中管道逃生系统，在离施工隧道的开挖掌子面一定距离的位置设置安全棚架，安全棚架与逃生管道的一端连接；通常距离开挖掌子面不大于26米，台阶法施工时不大于21米。逃生管道的另一端靠近施工隧道的二级衬砌段。本实用新型提供的一种隧道施工事故中管道逃生系统。

隧道逃生管优异性 

1、重量轻、同规格下重量仅为钢管重量的1/8，拆装和搬运方便。

2、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，为公路隧道施工逃生应急救援提供了极为安全可靠的保障。

3、管道环刚度高、耐压性好、不易变形，在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。

通过以下4种基本方法验证超高分子量聚乙烯管道的可靠性

1.隧道逃生管道（新型材料）结构尺寸设计 

    根据应用人体测量学的美国*专家阿尔文·R·蒂利对人体测量学的研究成果可知，人在爬行移动时，较舒适的情况下爬行高度为超高分子量聚乙烯mm，爬行长度为1520mm，如图2所示。

 图2爬行过程中的人体工程学要求 

 
    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，公路隧道施工新型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，考虑到公路隧道施工现场的实际情况，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道的外径为636mm。

2.新型薄厚径设计 
    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。  
    （分子量约为250万），规格为Φ超高分子量聚乙烯*30mm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　。
    冲击试件为块状花岗岩，初步选定岩块直径为0.67m，岩体参数取值为：弹性模量 E2=40GPa， 泊松比ν2=0.2 ，密度ρ2=2500kg/m3。 岩块重量 W=400kg。 
    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，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。此时，变形凹陷后，管内的通行空间为740mm，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，设计中取壁厚为30mm是适宜的。 

3.连接部件设计 
    用于公路隧道施工中的在符合人体工程学原理、兼顾牢固性的同时，还需满足公路隧道施工应急救援功能性要求，连接方式简单、拆装方便。因此，对应急救援通道进行了如下结构设计。 
    主体部分采用超高分子量聚乙烯管道，并在端部设有加强护层，连接部件有钢丝绳、铁链及其端部挂钩。为了在隧道发生坍塌事故时，相关人员方便在逃生管道中攀爬，在通道周向每隔120°栓系一攀爬绳
    本着拆装方便的原则，公路与管之间的连接方式为抱箍连接。 故在安装施工组织中较为方便，当*安装时，只需将两管对接，用抱箍上紧扣牢，依据抱箍现有的孔，用钻往管管上打孔近穿螺栓即可。其中，钢丝绳端头和铁链端头为挂钩，铁链长度可根据扣紧程度由挂钩扣在铁链圆环上的位置 自由调节。
4.可靠性验证

试验目的 
    通过将尺寸规格相近的与钢管分别进行抗冲击试验，论证超高管应用于公路隧道坍塌逃生应急救援的可行性。

试验材料
1、Q235螺旋缝埋弧焊钢管，规格为Φ620×10。 屈服强度σ1=215GPa，弹性模量弹性模量E1=210MPa；泊松比ν1=0.25。

2、（分子量约为250万），规格为Φ超高分子量聚乙烯×30mm，屈服强度σ1=3.7GPa，弹性模量E1=700MPa；泊松比ν1=0.42。

试验要求及方法 
    采用尺寸规格相近的钢管与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，验证的可靠性。
 1、冲击试件为块状花岗岩，初步选定岩块直径 为0.67m。岩体参数取值为：弹性模量E=40MPa；泊松比：ν1=0.2；%密度ρ1=2500kg/m3 ；岩块重 W=400kg。
 2、圆管垫层为平整放置的砂袋，垫层厚250mm，宽超高分子量聚乙烯mm。
    用于隧道施工逃生的薄壁圆管自由放置于平整垫层上，当受到落石冲击荷载作用时，圆管底部主要受垫层竖向和横向摩擦约束作用。冲击试件离圆管顶部距离主要取决于隧道断 面的开挖高度，本实验取隧道中心顶部到圆管顶部 的高度的极限值 H为10m，将块石自由释放，分别对和钢管进行冲击。实验结果受到冲击后，石块被弹出，管道几乎没有受到损伤，耐冲击性能良好；钢管在受到冲击后，管道被砸扁，发生形变。
    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，可计算出和钢管所受冲击力和变形量如图所示。

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，抗冲击性能*，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，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）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，为公路隧道施工逃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，那么我们来看看他的*性和应用范围。

应用：
    ①所用管材采用φ800mm的超高分子量聚乙烯管道，管节长度为12m，壁厚30mm，管节间可采用直径大于逃生管道直径的金属带孔抱箍连接，22mm宽,采用螺栓临时固定。为保证管道承受坍塌体的压力，对采用的材质管材，必须确保其承压能力和连接头的牢固，并经试验室具体试验后，方可用于隧道中。

    ②施工现场应根据隧道围岩、掘进开挖方式等情况备足管道和连接材料，除整节管道外，应同时备足1米、2米、3米短节管道、转接接头。 

    ③经加工使用，结合材质及现场实际情况分别进行加工，连接简单、牢固、紧密可靠，且在地面做好临时固定措施，施工时管口可加临时封盖，并易于打开和封闭。

    ④采用φ800mm的承插超高分子量聚乙烯管道，设置起点为施作好的二衬端头处，距二衬端头距离不得大于5米，从衬砌工作面布置至距离开挖面20m以内的适当位置，沿着初期支护的一侧向掌子面铺设，管内预留工作绳，方便逃生、抢险、联络和传输各种物品，承插超高分子量聚乙烯管道纵向连接可采用链条等措施，防止坍塌时将超高分子量聚乙烯管道冲脱。 

    ⑤在二衬台车移动就位过程中，临时拆移时应逐节拆除，严禁一次拆除到位，以随时确保的效用。 

    ⑥在经过掘进台阶时，应按顺延台阶布置，安装135°转接接头顺延，其管道架空高度和长度以不影响施工并便于开启逃生窗口为宜。 

    ⑦设置的应平整、干燥、顺畅，不得作应急逃生以外用途。

⑧布设长度为100m。

隧道逃生管工程案例

中铁十九局云桂项目部（中铁十九局集团有限公司云桂铁路YGZQ-4标项目部）

云南云岭高速公路建设集团有限公司振临高速公路项目部

云南云岭高速公路建设集团有限公司临沧机场高速公路项目部

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