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为隧道施工保驾领航的“神奇的塑料”--超高分子

新闻来源:未知   发布时间:2017-08-01 09:25  点击:
产品简介
 
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;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,超高分子量聚乙烯隧道逃生管道为 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,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。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公路隧道施工应急救援的可靠性。
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道
   针对公路隧道施工坍塌事故多发的情况,首次采用新材料(超高分子量聚乙烯材料)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,对超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯逃生管道的结构尺寸进行了优化,并对通道的连接方式进行了设计。最后,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。 尽管随着我国公路隧道新奥法施工技术的日益成熟,穿越 复杂地质条件隧道的相关设计理论和修筑工艺取得了一定的成果,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,甚至给国家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、高耐压性以及重量轻,搬运方便等优良性能。 
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道
通过对超高分子量聚乙烯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,对超高分子量聚乙烯应急救援通道的结构尺寸进行了优化。
 
产品特性
 
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。 世界上最早由 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年最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。 
●重量轻、仅为钢管重量的1/3左右,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。
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著名专家阿尔文·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。
   超高分子量聚乙烯隧道逃生管道
   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,圆管的最小直径为650mm。 因此,公路隧道施工超高分子量聚乙烯隧道逃生管道,应急救援通道的内径必须≥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,超高分子量聚乙烯隧道逃生管道的外径不宜过大,否则对施工的影响较大,故取超高分子量聚乙烯隧道逃生管道的外径为800mm。
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
   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0.67m,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=611kg。
   超高分子量聚乙烯隧道逃生管道
   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
 
壁厚H/mm 凹陷变形值△/m
H=7m时 H=5m时
20 0.093 0.080
22 0.066 0.054
24 0.048 0.038
26 0.035 0.025
30 0.030 0.021 
   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588mm,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。 
 
性能参数
 
 
 
用于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。 
   如图3所示,超高分子量聚乙烯隧道逃生管道主体部分采用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道,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通道中攀爬,在通道周向每隔120°栓系一根攀爬绳。 

本着拆装方便的原则,公路超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道与管道之间的连接方式为柔性连接。故在安装施工组织中较为方便,当首次安装时,只需将两管对接, 用铁链将两管端头的链条连接并拉紧扣牢即可。其中,链条端配有挂钩,U型卡与链扣相连,链条长度可根据扣紧程度由挂钩扣在U型卡上的位置自由调节。
    超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可靠性验证 
试验目的 
   通过将尺寸规格相近的超高分子量聚乙烯隧道逃生管道与钢管分别进行抗冲击试验,论证这种超高分子量聚乙烯材料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、超高分子量聚乙烯隧道逃生管道(分子量约为250万),规格为Φ636×24 , 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超高分子量聚乙烯隧道逃生管道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隧道逃生管道的可靠性。
   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800mm。
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道压力测试
   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,分别对超高分子量聚乙烯隧道逃生管道和钢管进行冲 击。实验结果超高分子量聚乙烯隧道逃生管道受到冲击后,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,发生永久性形 变。 
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐冲击测试
   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隧道逃生管道和钢管所受冲击力和变形量如表2 所示。
表2  超高分子量聚乙烯隧道逃生管道与钢管受冲击力及变形量对比表
管      材 冲击力/KN 凹陷变形量△/m
超高分子量聚乙烯--隧道逃生管道 4984.776 0.086
钢      管 9484.086 0.382
   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,超高分子量聚乙烯隧道逃生管道抗冲击性能极高,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超高分子量聚乙烯隧道逃生管道,且其在受到石块砸击之后发生永久性形变,难以恢复。 
    超高分子量聚乙烯隧道逃生管道耐压测试结论 
首次采用超高分子量聚乙烯隧道逃生管道对公路隧道施工应急救援通道进行了设计。 同时,超高分子量聚乙烯隧道逃生管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。
 
应用领域
 
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道应用
①超高分子量聚乙烯隧道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3m,壁厚30mm,超高分子量聚乙烯隧道逃生管道可采用环型抱箍连接、钢制搭接锁扣连接,U型卡链扣连接,每端连接10mm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。
    超高分子量聚乙烯隧道逃生管道连接方式--环型抱箍连接
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超高分子量聚乙烯隧道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超高分子量聚乙烯隧道逃生管道采用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,超高分子量聚乙烯隧道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超高分子量聚乙烯隧道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。 
    超高分子量聚乙烯隧道逃生管道连接方式--U型卡链扣连接
⑥超高分子量聚乙烯隧道逃生管道在经过掘进台阶时,应按顺延台阶布置,安装30°钢制过渡弯头顺延,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隧道逃生管道应平整、干燥、顺畅,不得作应急逃生以外用途。
超高分子量聚乙烯隧道逃生管道布设长度为100m。
    超高分子量聚乙烯隧道逃生管道连接方式--钢制搭接锁扣连接
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