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公路隧道施工中发生坍塌救生应急逃生管道详解

作者:admin    来源:未知    发布时间:   浏览量:
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;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,新型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。最后,通过对超高分子量聚乙烯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逃生管道应用于隧道施工应急救援的可靠性。
1、仿真模拟
        利用ANSYS LS-DYNA对上述冲击试验进行三维仿真模拟分析,仿真模型由以下三部分构成:落石、试件(分别为钢带PE波纹管和钢管)、砂垫层。落石采用质量分别为90kg、180kg、300kg的球形刚体模型(参数详见表1);试件和砂垫层采用和试验材料完全一致的几何尺寸,其中钢带PE波纹管屈服模型是Bilinear isotropic 双线性各向同性硬化模型(ID800、SN16、层压壁厚≥12.5,具体参数详见表1),钢管同样采用双线性各向同性硬化模型(ID800、管厚8,具体参数详见表1),共划分2400个4节点壳体单元。
        表1 仿真部件参数
        砂垫层采用橡胶非线性弹性模型,密度为1078kg/立方米,剪切模量G=16.26MPa,共划分1078个节点实体单位,垫层底面节点定义为固端约束。初始条件为球形落石在试件顶部1m处以初速度10.84m/s自由下落,落石与圆管、圆管与垫层之间接触均为面与面接触。
        试验结果详见表2。由表可知,钢带PE波纹管的最大凹陷变形值与钢管的最大凹陷变形值相差不大,最大凹陷值均不招过100mm,两试件的抗冲击能力都能满足应急逃生需求。
        2、冲击试验
        试验在加工厂内进行,试验试件分别为钢带PE波纹管和钢管,模拟岩块从隧道顶部掉落。钢带PE波纹管试件采用单节长度L为6m、ID800、环刚度SN16;钢管试件采用单节长度L为6m、ID800、壁厚H为10mm,可见两试件尺寸规格基本一致。冲击试件为块状孤石,重量分别为90kg、180kg和300kg三种。试件垫层均为用平整放置的砂袋,垫层厚250mm,宽800mm。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,本试验均为7m,石块试件高度由龙门吊进行提升,通过调整龙门吊前后移动来控制落石的冲击部位。除垫层对基底部产生竖向与水平摩擦约束外,试件外部不受其它方向约束。
        实验时,将试件平铺于砂垫层上,用龙门吊提升石块试件至相应高度,然后空中释放石块任其自由下落并与试件发生撞击。为比较试件两端和中间断面的抗击能力大小,试验过程分别用300kg落石对两个不同截面进行冲击。由于隧道塌方落石的掉落可能会偏离逃生管纵轴线一定距离,因此,除模拟对顶撞击外,试验还模拟了石块与试件的斜交撞击。
        试验结果详见表2。表中分别列出了不同冲击能量的冲击部位、撞击角度以及最大凹陷变形值,从该结果可以看出,两试件的最大凹陷变形值均不招过85mm,均满足应急逃生需求。
        表2试验与仿真模拟结果
        由仿真模拟与现场实验比较可知,在最大冲击能量(2.06*104J)作用下,数值模拟结果与实验结果基本吻合。撞击发生后,钢管和钢带PE波纹管被撞击部位均产生局部凹陷,而钢带PE波纹管柔性反作用力较强,两试件的局部凹陷均满足应急逃生需求。
        3、关门坍塌仿真
        模拟发生关门塌方时,钢带PE波纹管中间部位被洞室岩层埋盖,模拟试件采用洞内碎石(密度为2500kg/立方米,弹性模量E=40 GPa,泊松比v=0.2. 试件选用钢带PE波纹管),钢带PE波纹管屈服模型仍然选用Bilinear isotropic 双线性各向同性硬化模型(参数仍选用上述实验参数),垫层不变。初始条件为岩石从6米高处以初速度0m/s自由下落,岩层与管件全面接触,岩层不断堆积直至距垫层7米高为止,模拟效果与关门塌方时类似。
        在模拟关门塌方中,堆积的岩石将试件压成椭圆状,但钢带PE波纹管变形不大,能满足应急逃生需求。 
   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、卫生无毒、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 超高分子量聚乙烯逃生管道所用管材采用φ800mm的超高分子量聚乙烯管道,管节长度为15m,壁厚30mm,管节间可采用直径大于逃生管道直径的套管连 接,每端连接1m,采用橡胶圈或木楔临时固定。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超高分子量聚乙烯逃生管道经加工使用,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 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,设置起点为最新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,超高分子量聚乙烯逃生管道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超高分子量聚乙烯逃生管道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,以随时确保逃生管道的效用。 
    ⑥超高分子量聚乙烯逃生管道在经过掘进台阶时,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设置的超高分子量聚乙烯逃生管道应平整、干燥、顺畅,不得作应急逃生以外用途。

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