超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道

     由于超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道材料重量轻，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；超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道环刚度高、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。交通部门采用新材料（超高分子量聚乙烯）对公路隧道施工应急救援通道进行了设计。 同时，超高分子量聚乙烯应急救援通道的结构尺寸符合人体工程学原理，结构简单，拆装方便。 后，通过对超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道和钢管进行抗冲击性对比试验，验证了超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道应用于公路隧道施工应急救援的可靠性。

 针对公路隧道施工坍塌事故多发的情况，***采用新材料（超高分子量聚乙烯）对公路隧道施工应急救援通道进行了设计研究。结合人体工程学原理，根据Hertz接触力学理论，采用Thonroton假设，对新型超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道的结构尺寸进行了优化，并对超高分子量聚乙烯隧道逃生通道的连接方式进行了设计。后，通过抗冲击性试验，对超高分子量聚乙烯通道应用于公路隧道施工应急救援的可靠性进行了验证。试验结果表明，超高分子量聚乙烯通道结构尺寸合理，安全可靠，可应用于公路隧道施工应急救援。

    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***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。 尽管随着我国公路隧道新奥法施工技术的日益成熟，复杂地质条件隧道的相关设计理论和修筑工艺取得一定的成果，但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。由于地质条件的多样性和复杂性，公路隧道施工事故发生率比其他岩土工程高且严重，事故统计如图1所示

     从图1中可以看出，在公路隧道施工事故中，坍塌事故占54％，为主要事故形态，是公路隧道施工的头号大敌，其高发性和高危险性严重威胁着工程安全，甚至给***与人民的生命财产造成重大损失 。 

     因此，对公路隧道施工坍塌应急救援技术进行研究，将能有效减少公路隧道施工坍塌事故的人员伤亡和财产损失，对提高公路隧道建设的安全性具 有重要的现实意义。 然而，现行公路隧道施工中所用的坍塌逃生应急救援通道为钢管，质量大，较为笨重，拆装和搬运不便，使用效率不高。同时，在公路隧道逃生管道应急救援管道的选取方面，管道需要具备高抗冲击性、高耐压性以及高耐磨性等优良性能。 

     通过对超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道进行抗冲击试 验和耐压试验，论证了超高分子量聚乙烯管用于公路隧道施工应急救援通道的可行性。 同时，还从人体工程学的角度，对新型应急救援通道的结构尺寸进行了优化。 

超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道性能

超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道，是一种由乙 烯、丁二烯单体在催化剂作用下，聚合而成的平均分子量在250万以上的线型结构热塑性工程塑料。 世界上早由美国Allied Chemical公司于1957年实现工业化。 此后德国Hoechst公司、德国Her-cules公司、日本三井石油化学公司等也投入工业化生产。我国于1964年早研制成功并投入工业生产。 

超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道优异性
     超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道具有优异的综合性能，具有 其他工程塑料无可比拟的耐冲击性、抗压性、耐磨损、抗老化、轻质性，且耐化学腐蚀、卫生***、不易 粘附，在国外被称为“神奇的塑料”。因此，其在机械、交通运输、纺织、造纸、矿业、农业、化工等领域，具有广泛的引用前景。 
1、超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道重量轻，仅为钢管重量的1/8左右，拆装和搬运方便。
2、超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道韧性好，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、超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道环刚度高、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。
超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道结构尺寸设计 
     根据应用人体测量学的先驱美国***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800mm，爬行长度为1520mm，如图2所示。

    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，圆管的小直径为650mm。 因此，公路隧道施工新型应急救援通道的内径***≥650mm，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800mm。

新型超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道薄厚径设计 
     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。 
     超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道（分子量约为250万），规格为Φ800*30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0.87m，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=611kg。 

     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--隧道逃生管道和钢管进行冲击，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，不同壁厚尺寸的圆管冲击变形值得计算结果如表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冲击变形值

    从表1中可以看出，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，超高分子量聚乙烯--隧道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。此时，超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道变形凹陷后，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，设计中取超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道壁厚为30mm是适宜的。 

超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道论证参数

超高分子聚乙烯隧道逃生管道检测数据