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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