高速铁路水下隧道研究与设计PDF电子书下载

1 概述 1

1.1 水下盾构隧道的发展 1

1.1.1 国外水下盾构隧道的发展 1

1.1.2 国内水下盾构隧道的发展 1

1.2 狮子洋隧道概况 1

1.2.1 隧道技术标准与建设规模 1

1.2.2 主要工程特点及设计难点 2

1.3 狮子洋隧道主要专题研究与科研工作 4

1.3.1 主要专题研究与论证工作 4

1.3.2 主要科研工作 4

2 隧道建设环境 5

2.1 地形地貌 5

2.2 港口、锚地、水运与航道情况 5

2.2.1 港口现状及规划 5

2.2.2 航道及规划 5

2.3 工程与水文地质条件 6

2.3.1 工程勘察方案 6

2.3.2 工程地质条件 7

2.3.3 地质构造 9

2.3.4 水文地质条件 9

2.3.5 工程地质性能分析评价 12

2.3.6 不良地质及特珠岩土 14

2.4 场地与地基的地震效应 15

2.4.1 地震动参数 15

2.4.2 砂土液化 15

2.4.3 软土震陷 15

2.4.4 场地稳定性评价 16

2.5 河床演变分析 17

2.5.1 河道历史演变 17

2.5.2 河床近期演变分析 18

2.5.3 工程附近河道冲淤分析 22

2.5.4 人类活动对河道演变的影响 25

2.5.5 河道演变趋势预测 25

2.5.6 河床演变分析结论 26

2.6 河床最低冲刷高程数值模拟计算与河工模型试验 26

2.6.1 工程附近的水动力特性计算分析 26

2.6.2 极限冲刷深度数值模拟计算 29

2.6.3 河床最低冲刷高程的河工模型试验 30

2.7 工程沿线地面及地下建（构）筑物分布 31

2.7.1 沙仔岛码头 31

2.7.2 虎门港沙田港区码头 31

3 隧道工程设计方案 33

3.1 主要技术标准与内净空 33

3.1.1 主要技术标准 33

3.1.2 隧道限界及内净空 33

3.2 前期方案研究与比选 33

3.2.1 桥隧论证概况 33

3.2.2 隧道线路方案研究与比选 35

3.3 隧道总体设计方案研究 40

3.3.1 隧道施工方法研究与比选 40

3.3.2 隧道结构断面方案研究与比选 42

3.3.3 隧道施工组织方案比选 45

3.4 隧道工程总体设计 47

3.4.1 隧道平面设计 47

3.4.2 隧道纵断面设计 47

3.4.3 隧道横断面设计 48

3.4.4 总体布置及建设规模 49

3.5 盾构法隧道段结构设计 49

3.5.1 衬砌管片模板设计 49

3.5.2 管片结构配筋 50

3.5.3 盾构机地中对接设计 51

3.6 明挖法隧道段结构设计 52

3.6.1 明挖围护结构设计 52

3.6.2 明挖主体结构设计 53

3.6.3 抗浮与地基处理 55

3.7 隧道防水设计 55

3.7.1 盾构隧道防水等级 55

3.7.2 盾构隧道接缝防水 55

3.7.3 其他防水措施 56

3.8 洞口缓冲结构设计 56

3.8.1 洞口微压波峰值标准 56

3.8.2 洞口缓冲结构 57

3.9 横通道及海底泵房设计 58

3.9.1 横通道处特殊管片设计 58

3.9.2 横通道结构设计 58

3.9.3 海底泵房设计 59

3.10 隧道内部结构设计 60

3.10.1 隧道内部设施布置 60

3.10.2 内部结构设计 60

3.11 通风与防灾设计 61

3.11.1 防灾疏散及水下疏散救援定点设计 61

3.11.2 通风系统设计 63

3.12 盾构机选型 64

3.12.1 盾构机械选型条件 64

3.12.2 盾构机械选型原则 64

3.12.3 盾构机类型选择 64

4 隧道埋置深度研究 68

4.1 概述 68

4.2 复合地层盾构法水下隧道最小覆盖层厚度计算方法 68

4.2.1 考虑开挖面稳定性的覆盖层厚度 68

4.2.2 考虑隧道抗浮的覆盖层厚度 74

4.2.3 考虑开挖面劈裂的覆盖层厚度 78

4.2.4 河道条件对埋深的影响 80

4.3 不同埋置深度盾构隧道横向计算分析 81

4.3.1 对比分析对象选择 81

4.3.2 荷载—结构模式 81

4.3.3 计算结果及分析 82

4.4 影响岩石地层盾构隧道埋置深度的其他因素 84

4.4.1 进舱作业时的舱内渗水量 84

4.4.2 软弱围岩的形变压力 87

5 隧道净空面积及气动效应与缓解措施研究 88

5.1 概述 88

5.2 隧道长度对瞬变压力的影响规律 89

5.2.1 瞬变压力计算模型和计算方法 89

5.2.2 隧道长度对车外瞬变压力的影响规律 90

5.2.3 长及特长单线隧道中列车内外气压的传递规律 91

5.3 水下隧道净空面积优化研究 93

5.3.1 隧道长度和列车密封性能对瞬变压力的综合影响 93

5.3.2 隧道净空面积优化的可能性 95

5.4 辅助坑道对特长隧道瞬变压力影响分析 96

5.4.1 辅助坑道对瞬变压力影响模型试验 96

5.4.2 基于瞬变压力的辅助坑道设置原则 102

5.4.3 狮子洋水下隧道运营时辅助坑道的开闭 106

5.5 狮子洋隧道微压波问题的基本分析 106

5.5.1 微压波的影响因素 106

5.5.2 微压波的减缓措施 108

5.5.3 狮子洋隧道微压波控制标准和缓解措施 109

5.5.4 狮子洋隧道微压波初步分析 111

5.6 狮子洋隧道微压波与洞口缓冲结构模型试验研究 114

5.6.1 物理模型的建立 114

5.6.2 断面积不变开口型缓冲结构的初步试验 116

5.6.3 狮子洋隧道缓冲结构的模型试验优化 117

5.7 狮子洋隧道微压波与洞口缓冲结构数值计算研究 122

5.7.1 数值计算基本理论 122

5.7.2 数值计算模型 124

5.7.3 狮子洋隧道无缓冲结构时的数值模拟 125

5.7.4 狮子洋隧道开口型缓冲结构数值模拟 127

5.8 压缩波在板式道床长隧道中的变化规律 131

5.8.1 数值计算采用的方法 131

5.8.2 采用板式道床隧道内压缩波的变形 132

6 隧道结构力学特征及关键技术参数研究 137

6.1 衬砌结构选型 137

6.1.1 盾构法隧道衬砌结构类型 137

6.1.2 国内外盾构法隧道衬砌选型实例分析 137

6.1.3 狮子洋隧道衬砌结构选型 138

6.2 复合地层盾构隧道荷载模式 141

6.2.1 考虑盾构隧道开挖效应的连成模式 141

6.2.2 荷载结构模式 143

6.2.3 盾构隧道常用的荷载理论 145

6.2.4 荷载计算模式的拟定 146

6.3 复合地层盾构隧道计算模型 147

6.3.1 常用结构计算模型 147

6.3.2 常用管片衬砌计算模型比较 148

6.3.3 管片结构计算模型的选定 149

6.3.4 双层衬砌计算模型 151

6.4 狮子洋隧道管片衬砌结构设计参数 153

6.4.1 管片的厚度与幅宽 153

6.4.2 管片衬砌环类型与分块方式 153

6.4.3 管片衬砌拼装方式 155

6.4.4 管片接头形式 156

6.4.5 管片衬砌的楔形量 158

6.4.6 管片衬砌结构参数比选 158

6.5 狮子洋隧道管片接缝力学试验 164

6.5.1 接缝力学行为试验 164

6.5.2 接头的数值仿真模拟 172

6.6 狮子洋隧道管片衬砌结构模型试验 179

6.6.1 模型试验研究的内容 179

6.6.2 模型试验理论基础及相似原理 179

6.6.3 试验原型管片衬砌 180

6.6.4 模型相似材料与制作 181

6.6.5 水压加载模型 184

6.6.6 内衬试验模型 185

6.6.7 试验测点布置 186

6.6.8 试验联合加载模型 187

6.6.9 模型试验分组 189

6.6.10 模型试验结果分析 192

6.7 狮子洋隧道管片衬砌结构原型试验 197

6.7.1 原型管片结构加载原理 197

6.7.2 原型管片结构加载试验装置及量测系统 198

6.7.3 原型管片单环（通缝）加载试验 202

6.7.4 原型管片组合环（错缝）加载试验 205

6.7.5 原型管片结构加载试验结果分析 205

6.7.6 基于原型管片结构加载试验的结构安全性测评 210

6.8 狮子洋隧道结构受力与变形现场测试 211

6.8.1 现场监测断面总体说明 211

6.8.2 量测项目与测点布置 212

6.8.3 现场试验结果分析 213

6.8.4 狮子洋隧道管片结构安全性综合评价 231

6.9 狮子洋隧道纵向不均匀沉降分析 234

6.9.1 盾构隧道纵向沉降综合分析 234

6.9.2 盾构隧道纵向分析模型 235

6.9.3 梁—弹簧模型及三维有限元的纵向分析 237

6.9.4 盾构隧道纵向模型试验 238

6.9.5 盾构隧道纵向不均匀变形处理措施 244

7 隧道结构动力响应分析 246

7.1 隧道地震响应分析 246

7.1.1 动力响应计算方法及计算参数 246

7.1.2 盾构隧道典型横断面地震响应平面分析 249

7.1.3 典型联络通道与隧道连接处地震响应三维分析 258

7.1.4 竖井与隧道结构连接处地震响应三维分析 261

7.2 狮子洋隧道列车振动响应分析方法 269

7.2.1 无砟轨道列车振动荷载确定方法 269

7.2.2 流固耦合动力分析本构模型及边界条件 275

7.3 均匀地层下盾构隧道列车振动三维动力响应分析 278

7.3.1 模型构建 278

7.3.2 地层位移及速度响应分析 279

7.3.3 动力响应时程分析 283

7.3.4 地层应力及孔隙水压分析 287

7.4 列车振动饱和砂土动力响应及长期振动特性 289

7.4.1 模型构建 289

7.4.2 动力响应时程分析 289

7.4.3 地层应力及孔隙水压分析 296

7.4.4 列车往复作用下动力响应时程分析 299

7.4.5 列车往复作用下地层应力及孔隙压变化规律 303

7.5 盾构隧道设内衬时的列车振动响应三维分析 305

7.5.1 列车振动荷载模型 305

7.5.2 计算模型 306

7.5.3 孔隙水压力变化分析 306

7.6 列车荷载反复作用下地基土累积变形分析 309

7.6.1 反复荷载作用下地基土的累积应变模型 309

7.6.2 计算断面及计算参数 310

7.6.3 计算结果及分析 312

8 隧道火灾排烟与疏散技术 318

8.1 概述 318

8.1.1 国内外铁路隧道火灾概况 318

8.1.2 国内外铁路隧道防灾关键技术研究 320

8.2 狮子洋隧道火灾蔓延规律数值模拟研究 320

8.2.1 隧道火灾蔓延规律数值模拟关键参数选取 320

8.2.2 隧道无通风排烟下隧道火灾蔓延规律数值模拟研究 326

8.2.3 隧道纵向通风排烟下火灾烟气蔓延及控制数值模拟研究 334

8.3 狮子洋隧道火灾排烟模型试验 344

8.3.1 火灾模型试验方案 344

8.3.2 无通风排烟下隧道火灾蔓延规律模型试验研究 346

8.3.3 纵向通风排烟下火灾烟气蔓延及控制模型试验研究 349

8.4 火灾蔓延规律数值模拟及模型试验对比分析 356

8.4.1 数值模拟及模型试验结果对比 356

8.4.2 隧道拱顶最高温度 357

8.4.3 隧道火灾临界风速 359

8.5 狮子洋隧道人员疏散数值模拟研究 361

8.5.1 人员疏散数值模拟研究方法 361

8.5.2 车厢内人员疏散数值模拟 361

8.5.3 隧道内整体人员全程疏散数值模拟 366

8.5.4 人员疏散数值模拟结果分析 376

8.6 狮子洋隧道人员疏散试验研究 382

8.6.1 火车站问卷调查分析 382

8.6.2 动车组人员逃生疏散试验方案 385

8.6.3 普通列车人员逃生疏散试验方案 386

8.6.4 隧道横通道人员通过能力试验方案 387

8.6.5 人员疏散试验结果分析 389

8.7 人员疏散数值分析及试验结果对比分析 404

8.7.1 普通列车车厢人员疏散时间分析 404

8.7.2 动车组车厢人员疏散时间分析 404

8.7.3 横通道人员疏散时间分析 405

8.7.4 列车隧道全程安全疏散时间关系式 405

8.7.5 数值分析及试验分析结果比较 406

9 隧道结构抗灾性能分析 407

9.1 火灾对隧道结构的影响及灾后承载能力分析 407

9.1.1 火灾场景设计 407

9.1.2 火灾影响的研究方法概况 408

9.1.3 温度—荷载耦合作用下隧道结构力学行为分析 411

9.1.4 火灾后隧道结构承载能力分析 420

9.1.5 火灾对隧道结构影响分析主要结论 428

9.2 列车脱轨撞击对结构安全性的影响分析 429

9.2.1 列车脱轨事故分析 429

9.2.2 列车—刚性墙撞击仿真分析 430

9.2.3 撞击作用下管片衬砌动力响应分析的数值模型 432

9.2.4 不同衬砌形式下的列车撞击管片动力响应分析 434

9.2.5 列车撞击对结构安全性影响分析的结论 439

9.3 客车爆炸事故对隧道结构的影响分析 440

9.3.1 铁路列车爆炸事故案例 440

9.3.2 爆炸类型选择 440

9.3.3 炸药爆炸对隧道结构影响分析 441

10 隧道施工概况及主要材料消耗 444

10.1 隧道施工组织设计方案 444

10.1.1 工程规模 444

10.1.2 工程地质概况 444

10.2 狮子洋隧道施工概况 445

10.2.1 施工总体布置及施工组织 445

10.2.2 盾构机械性能及主要技术参数 447

10.3 泥水盾构在狮子洋隧道复合地层中施工适应性及难点分析 456

10.3.1 泥水盾构在狮子洋隧道的地质适应性 456

10.3.2 狮子洋隧道盾构施工的难点分析及对策 460

10.4 复合地层中泥水盾构施工造价影响因素及材料消耗分析方法 462

10.4.1 盾构隧道断面大小对工程造价影响分析 462

10.4.2 地质条件对盾构隧道工程造价影响分析 465

10.4.3 水土压力对盾构隧道工程造价的影响 474

10.4.4 掘进长度对盾构隧道工程造价的影响 475

10.4.5 盾构机刀盘修复对工程造价的影响 477

10.4.6 盾尾刷更换对工程造价的影响 483

10.4.7 带压进仓作业对工程造价的影响 488

10.5 狮子洋隧道盾构掘进主要材料及能量消耗 490

10.5.1 盾构掘进进度概况 490

10.5.2 耗电量计算 490

10.5.3 刀盘焊接次数 491

10.5.4 送排浆泵数量计算 491

10.5.5 泥浆管道及排浆泵磨损 491

10.5.6 刀具消耗 492

10.5.7 盾尾密封油脂消耗 492

10.5.8 盾构隧道掘进主要能源及材料消耗 492

参考文献 495