超高分子聚乙烯隧道逃生管道

超高分子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。
隧道逃生管（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=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，分别对隧道逃生管和钢管进行冲击，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。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，分别对隧道逃生管和钢管进行冲击，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。
 
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，隧道逃生管的凹陷变形值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，隧道逃生管变形凹陷后，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，设计中取隧道逃生管壁厚为24mm是适宜的。
超高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隧道逃生管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?0。 屈服强度σ1=215GPa，弹性模量弹性模量E1=210MPa；泊松比ν1=0.25。
2、隧道逃生管（分子量约为250万），规格为Φ800?0 , 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，验证隧道逃生管的可靠性。
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。
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，分别对隧道逃生管和钢管进行冲击。实验结果隧道逃生管受到冲击后，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。　
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，可计算出隧道逃生管和钢管所受冲击力和变形量如表2 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，隧道逃生管抗冲击性能极高，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隧道逃生管，且其在受到石块砸击之后发生永久性形变，难以恢复。 
结论
首次采用超高分子隧道逃生管道对隧道施工应急救援通道进行了设计。 同时，隧道逃生管的结构尺寸符合人体工程学原理，结构 简单，拆装方便。 最后，通过对隧道逃生管和钢管进行抗冲击性对比试验，验证了超高分子隧道逃生管道应用于公路隧道施工应急救援的可靠性。