详谈超高分子量聚乙烯管道外压问题与国内外技术分析

由于超高分子量聚乙烯管道复合管每层紧密结合无滑移，通过“partion”命令将管道分为四层(内层、外层及两复合层)。由于管道受均匀对称外压，属平面应变问题，同时为了和理论做比较，取管道长度20mm。有限元模型中内层外层和基体层单元类型为C3D8I，该单元很适用于严重扭曲现象，位移计算结果较为精确并且计算成本较小。螺旋线钢丝使用ts单元，单元类型T3D2H，采用“Embedde．mand”命令将钢丝线嵌入基体层内以保证钢丝无滑移。用耦合约束命令将模型左端面与定义的参考点耦合；同时在右端面施加对称边界约束，以实现外压作用下的正确边界条件。对于径厚比较小的复合管道，在外压作用下往往会发生椭圆形失稳变形，因此在管道一端的上下两点约束其水平位移，左右两点约束其竖向位移，以保证管道产生纯椭圆变形。模型中的材料性能与理论相同。 超高分子量聚乙烯管道PSP内外层为高密度聚乙烯，加强层为以一定角度正反错绕成型的钢丝网状骨架与由热塑性材料构成的基体紧密结合构成的复合结构。由于材质原因，PSP管在外压作用下更容易出现屈曲失稳问题。朱彦聪等?依据Donnell的扁壳理论求解PSP管在外压下的弹性屈曲荷载。Adomandi等对管中管结构在静水压力作用下的弹性屈曲进行了理论和有限元研究，在有限元模型中设定层与层的接触为 粘结无滑移，而对于有滑移的非粘结层通过两点约束来实现。他们又通过大量的有限元计算来分析复合管外压的承载能力，并在此基础上提出了适合于复合管在外压作用下的简化公式。BaiYong等基于二维环理论，并考虑剪切变形的影响，研究纤维增强管道管道初始椭圆化对外压失稳的影响。龚顺风等基于非线性环理论，研究了深水管道在外压作用下的失稳屈曲理论。 基于BaiYong等的二维壳模型，考虑超高分子量聚乙烯管道受外压时的剪切变形，并结合Halpin—Tsai模型对加强层进行简化，对管道进行外压力学性能分析，采用ABA建立有限元模型，将计算结果与理论进行分析对比。 通过试验得到压力峰值，并与理论，有限元对比，发现三者吻合良好。

隧道逃生管道工程施工安全要点及救援措施分析

根据近几年来铁路隧道塌方“逃生通道”实施情况来看：利用隧道逃生管道逃生简便、易行，救援时间短，宜优先考虑；人工开挖导坑实施方便灵活、可靠性高，但施工进度一般，救援时间约3~5天；用机械施工管道救援，钻进过程中遇到障碍物处理困难，同时设备调转和施工准备时间较长，对该设备和工艺熟练程度不够，下一阶段仍需技术攻关。 隧道塌方救援过程十分复杂，救援时间也比较长，近几次救援情况看，一般在3~6天，因此，快速打通“生命通道”为被困人员输送空气、食物，进行信息传递以及心理干预都非常必要；“生命通道”能够再次确认坍塌体长度，指导逃生通道的施工。 打通方法：首先利用洞内既有硬质风、水管对被困人员进行通风，如条件成熟可进行输送食物、通话等；再次利用套管跟进钻机在坍塌体上部打通生命通道。 关键技术及组织：科学定位开孔位置，距隧道拱顶约1.0~2.5m，塌体一侧（为机械施工逃生通道预留空间）通道定位准确、方向与隧道轴线平行；“生命通道”直径应在108mm以上。快速打通“生命通道”应采用专业大功率、多功能、套管跟进钻机。钻机应由熟悉机器性能的专业人员操作。 多措并举实施“逃生通道”非常必要：被困人员 终要从“逃生通道”逃生，该工作实施是救援工作中的核心工作，由于塌方极为复杂，坍塌体中可能存在孤石、钢筋，或者坍塌体极为松散、无自稳能力等，救援抢险的过程中随时都可能发生意外，因此，坚持多措并举非常必要。“逃生通道”实施主要有三种：利用隧道既有管道（如隧道安全逃生管道）、人工开挖导坑，机械施工逃生管道。 在隧道施工前期铺设在隧道安全逃生管道，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10m以内的适当位置，管道沿着初期支护的一侧向掌子面铺设，管内预留工作绳，在事故发生后，用来逃生、抢险、联络和传输各种物品。这种方法是以预防为主，紧急情况发生后，被困人员可以利用逃生管道进行自救， 大限度上保证了一线工人的生命财产安全。 利用隧道逃生管道逃生简便、易行，救援时间短，宜优先考虑；根据《隧道施工安全九条规定》第七条，隧道施工时必须按规定设置逃生通道，严禁在安全设施不到位的情况下作业。 人工开挖小导坑 当能够判定一侧初期支护未被塌方破坏、能被利用时可优先选择正面三角形断面形式，导坑开口宜选在低位；当无法判断初期支护是否可能利用、或者能够判断初期支护全部被破坏时可优先选择正面梯形断面形式，导坑开口宜选在高位。 当坍塌体极为松散、自稳能力极差时应优先选择迂回导坑，梯形断面，开口宜选在高位。 三角形断面一般高1.5~1.8m，宽1.5m；梯形断面上宽0.8~1m、下宽1.2m、高1.2~１.５m。导坑支护可采用方木或工字钢，方木规格宜为15×15cm，工字钢宜为I18型；可采用方木密排、间隔立方木并背后铺设3cm厚木板两种方式支护；梯形断面方木接头应采用企口连接并用扒钉扒紧。 开挖中如遇孤石可采用风镐人工处理或者绕避；如遇钢架等可氧气乙炔切割；如坍塌体松散可密排小导管或者注双液将固结；导坑出洞时根据实际情况研究制定可行方案；迂回导坑应加强测量，及时方向校正。 机械施工管道逃生 从成孔方式来看，有逃生管顶进和大口径水平钻机逃生管跟进两种。当坍塌体长度在10米以内且为土质时可考虑逃生管顶进方式；当坍塌体长度大于10时，地质较复杂时可考虑大口径水平钻机套管跟进方式。 可采用挖掘机配合液压顶镐将逃生管顶进坍塌体；用气压顶进机械设备将逃生管坍塌体形成逃生通道。挖掘机配合液压顶镐顶进法边顶进边人工出碴，当坍塌体对管道的握裹力增加，无法继续顶进时可在顶管内再安装一小直径钢管继续顶进。