水下隧道设计技术 = Design technology of underwater tunnels

513 Pages·2016·55.126 MB·Chinese

by  肖明清.

DesignTechnologyofUnderwaterTunnels
水下隧道设计技术
肖明清 编著

中 国 铁 道 出 版 社
年 北 京
2016 ·
内 容 简 介
本书系统总结和提炼了中铁第四勘察设计院集团有限公司多年来对我国多座水

下隧道的研究 设计和建设成果 并融入了作者及研究设计团队对大型复杂水下隧道
、 ,
修建技术的认识和体会 也融入了多项专利技术 全书共分九章 内容包括水下隧道
, 。 ,
工程整体耦合设计方法 水下隧道工程整体耦合设计方法的应用 水下隧道多维度结
、 、
构安全保障技术 各种水下隧道 盾构法 沉管法 钻爆法 围堰明挖法 设计技术以及
、 ( 、 、 、 )
水下隧道两岸接线工程设计技术等
。
本书可供从事隧道及地下工程修建的设计 施工 科研技术人员以及高等院校师
、 、
生参考
。
图书在版编目 数据
(CIP)
水下隧道设计技术 肖明清编著 北京 中国铁道出版社
/ .— : ,2016.1
ISBN978-7-113-21271-1
水 肖 水下隧道 隧道工程 设计
Ⅰ.① … Ⅱ.① … Ⅲ.① - - Ⅳ.①U459.5
中国版本图书馆 数据核字 第 号
CIP (2015) 317073
书 名:水下隧道设计技术

作 者:肖明清

策 划:傅希刚

责任编辑:傅希刚 编辑部电话: 电子信箱:
[phone] [email protected]
封面设计:郑春鹏
责任校对:马 丽

责任印制:陆 宁

出版发行:中国铁道出版社 北京市西城区右安门西街 号
(100054, 8 )
网 址:
http://www.tdpress.com
印 刷:北京盛通印刷股份有限公司

版 次: 年 月第 版 年 月第 次印刷
2016 1 1 2016 1 1
开 本: 印张 字数 千
880mm×1230mm 1/16 :32 :995
书 号:
ISBN978-7-113-21271-1
定 价: 元
160.00
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前 言

水下隧道是穿越水域阻隔的重要手段,是人类克服自然障碍、与自然和谐共处的重大技术
发明。水下隧道具有对通航影响小、不受恶劣气候影响可全天候通行、占地拆迁少、维护费用
低、利于战备、不破坏美好的自然景观等优点。
自 世纪中叶以来,世界上已修建各种用途的水下隧道近千座。 世纪初,世界发达国
19 20
家开始修建海峡水下隧道。到目前为止,水下隧道主要分布在美国、英国、日本、法国、澳大利
亚、丹麦、挪威、冰岛等国家。我国水域面积辽阔,具有修建水下隧道的优越条件。近年来,随
着我国城市建设和交通发展,陆续开工和建设了一批大型跨江海水下隧道,这些隧道涵盖了铁
路、公路、地铁、输水管道等使用领域,包括万里长江第一隧———武汉长江隧道、世界上在高水
压强渗透地层修建的直径最大隧道———南京长江隧道、世界上行车速度最高的广深港高铁狮
子洋隧道、世界首座公铁合建盾构隧道———武汉三阳路长江隧道等。据不完全统计,我国已
建、在建和规划的水下隧道逾百座,其中包括琼州海峡隧道、渤海湾隧道、台湾海峡隧道等世界
级水下隧道工程。
然而,水下隧道或位于茫茫大海之中,或位于滔滔江水之下,其修建难度要远大于同规模
的陆域隧道。面临水下复杂地质环境、结构大型化的挑战时,原有隧道设计经验、理论、技术及
方法都呈现出一定的不适应性,也出现了一些争议不休的技术问题,如盾构隧道单层衬砌和双
层衬砌选择问题、横通道设置与否问题、设计方案优选问题、结构安全保障问题,等等。如何完
善水下隧道设计理论和设计方法,保障工程安全、经济、耐久、环保,已成为亟待解决的关键问
题。本书作者结合中铁第四勘察设计院集团有限公司多年来对我国多座水下隧道的研究、设
计及建设成果,对水下隧道的设计理念、设计思路、设计方法、结构安全保障技术、不同修建方
法(盾构法、沉管法、钻爆法、围堰明挖法)的技术难点及创新技术进行了系统总结和提炼,并融
入了作者及研究设计团队多年来对大型复杂水下隧道修建技术的认识和体会,也融入了作者
及研究设计团队所形成的多项专利技术。希望本书的出版能对提高我国水下隧道修建技术水
平有所帮助。
本书包括水下隧道工程整体耦合设计方法、水下隧道工程整体耦合设计方法的应用、水下
隧道多维度结构安全保障技术、各种水下隧道(盾构法、沉管法、钻爆法、围堰明挖法)设计技术
以及水下隧道两岸接线工程设计技术等内容。本书由肖明清主编,参加编写的还有中铁第四
勘察设计院集团有限公司水下隧道研究设计团队和水下隧道技术湖北省工程实验室的部分人
员,具体为:孙文昊(参与第 章第 、 、 、 节和第 章第 节编写)、邓朝辉(参与
5 5.15.35.45.6 9 9.4
第 章第 、 、 节编写)、王克金(参与第 章第 、 节编写)、焦齐柱(参与第 章
5 5.25.55.7 7 7.27.3 6
第 节编写)、张迪(参与第 章第 节编写)、宁茂权(参与第 章第 、 、 节编
6.1 3 3.1 6 6.26.36.4
写)、薛光桥(参与第 章第 、 节编写)、彭长胜(参与第 章第 、 、 和 节编
9 9.19.3 8 8.18.28.3 8.4
2 水下隧道设计技术

写)、何应道(参与第 章第 节和第 章第 节编写)、姚捷(参与第 章第 节编写)。
5 5.5 9 9.2 5 5.7
本书在编写过程中引用了科研合作单位的部分研究成果,参考了国内外部分技术资料和
文献。特别感谢西南交通大学何川教授、高波教授、晏启祥教授、封坤副教授,同济大学朱合华
教授、廖少明教授、蔡永昌教授、刘学增教授,中南大学徐志胜教授、冷伍明教授,北京交通大学
张顶立教授、袁大军教授,东南大学钱春香教授等为本书编写提供的协助及指导,也诚挚感谢
中国工程院王梦恕院士、钱七虎院士、梁文灏院士、周丰峻院士、何华武院士,中国铁路总公司
教授级高级工程师赵勇、田四明、唐国荣、倪光斌、林传年,中国铁建股份有限公司夏国斌副
总裁、韩风险总工程师、教授级高级工程师王清明、沙明元,中铁第四勘察设计院集团有限公司
总工程师朱丹、教授级高级工程师韩向阳、资谊等,以及各项目业主和施工单位在多座水下隧
道设计及施工过程中提供的指导和宝贵意见。
由于作者水平有限,书中难免有差错和不足之处,敬请专家和读者不吝赐教,多提批评指
导意见,以利改正。
作 者

年 月
2015 11
目 录

1 概 述 ………………………………………………………………………………………………………
1
水下隧道修建方法 ………………………………………………………………………………………
1.1 1
盾 构 法 ……………………………………………………………………………………………
1.1.1 1
沉 管 法 ……………………………………………………………………………………………
1.1.2 1
钻 爆 法 ……………………………………………………………………………………………
1.1.3 2
围堰明挖法 …………………………………………………………………………………………
1.1.4 3
悬浮隧道法 …………………………………………………………………………………………
1.1.5 3
伏贴式隧道法 ………………………………………………………………………………………
1.1.6 3
水下隧道发展历史 ………………………………………………………………………………………
1.2 3
盾 构 法 ……………………………………………………………………………………………
1.2.1 3
沉 管 法 ……………………………………………………………………………………………
1.2.2 6
钻 爆 法 ……………………………………………………………………………………………
1.2.3 8
围堰明挖法 ………………………………………………………………………………………
1.2.4 11
水下隧道技术展望 ……………………………………………………………………………………
1.3 11
在建和拟建代表性工程概况 ……………………………………………………………………
1.3.1 11
技术发展趋势 ……………………………………………………………………………………
1.3.2 20
2 水下隧道工程整体耦合设计方法 …………………………………………………………………………
22
水下隧道的特点及设计中存在的问题 ………………………………………………………………
2.1 22
水下隧道的特点 …………………………………………………………………………………
2.1.1 22
水下隧道设计中存在的问题 ……………………………………………………………………
2.1.2 22
整体耦合设计方法概述 ………………………………………………………………………………
2.2 25
工程整体耦合设计概念 …………………………………………………………………………
2.2.1 25
工程整体耦合设计架构 …………………………………………………………………………
2.2.2 25
工程整体耦合设计原则及系统考量 ……………………………………………………………
2.2.3 29
水下隧道工程整体耦合设计中若干关键问题分析 …………………………………………………
2.3 33
双管隧道合理净距 ………………………………………………………………………………
2.3.1 33
隧道施工对邻近建(构)筑物的影响 ……………………………………………………………
2.3.2 40
水下段合理埋置深度 ……………………………………………………………………………
2.3.3 44
隧道横断面合理布置 ……………………………………………………………………………
2.3.4 57
衬砌结构类型选择 ………………………………………………………………………………
2.3.5 65
火灾规模和防火保护措施的选择 ………………………………………………………………
2.3.6 72
水下隧道疏散救援方式选择 ……………………………………………………………………
2.3.7 79
水下隧道防灾设施及救灾对策 …………………………………………………………………
2.3.8 91
水下隧道施工组织方案 …………………………………………………………………………
2.3.9 94
2 水下隧道设计技术

3 水下隧道工程整体耦合设计方法的应用 …………………………………………………………………
103
盾构法水下隧道应用案例 ……………………………………………………………………………
3.1 103
武汉长江隧道 ……………………………………………………………………………………
3.1.1 103
武汉三阳路公铁两用长江隧道 …………………………………………………………………
3.1.2 107
南京长江隧道 ……………………………………………………………………………………
3.1.3 111
南京纬三路长江隧道方案 ………………………………………………………………………
3.1.4 115
广深港高铁狮子洋隧道 …………………………………………………………………………
3.1.5 119
沪通铁路长江隧道方案 …………………………………………………………………………
3.1.6 126
佛莞城际铁路狮子洋隧道 ………………………………………………………………………
3.1.7 130
扬州瘦西湖隧道 …………………………………………………………………………………
3.1.8 133
杭州环城北路地下快速路隧道 …………………………………………………………………
3.1.9 135
厦门地铁 号线跨海隧道 ……………………………………………………………………
3.1.10 2 139
常德沅江隧道 …………………………………………………………………………………
3.1.11 143
钻爆法水下隧道应用案例 ……………………………………………………………………………
3.2 146
武广高铁浏阳河隧道 ……………………………………………………………………………
3.2.1 146
长沙市湘江大道浏阳河隧道 ……………………………………………………………………
3.2.2 149
沉管法及围堰明挖法水下隧道应用案例 ……………………………………………………………
3.3 153
舟山沈家门港海底隧道 …………………………………………………………………………
3.3.1 153
澳门大学横琴校区海底隧道 ……………………………………………………………………
3.3.2 159
整体耦合设计方法在盾构隧道衬砌结构设计中的应用 ……………………………………………
3.4 163
模糊综合评价模型的建立 ………………………………………………………………………
3.4.1 163
结构整体耦合设计的模糊综合评判 ……………………………………………………………
3.4.2 164
综合分析及建议 …………………………………………………………………………………
3.4.3 171
4 水下隧道多维度结构安全保障技术 ………………………………………………………………………
172
水下隧道结构安全保障的目标及方法 ………………………………………………………………
4.1 172
水下隧道结构安全保障的目标 …………………………………………………………………
4.1.1 172
水下隧道结构安全保障的方法 …………………………………………………………………
4.1.2 173
结构设计计算中的安全保障 …………………………………………………………………………
4.2 174
结构安全保障设计的主要内容 …………………………………………………………………
4.2.1 174
结构工作环境和荷载分析 ………………………………………………………………………
4.2.2 174
计算模型选择 ……………………………………………………………………………………
4.2.3 174
模型计算参数选择 ………………………………………………………………………………
4.2.4 176
安全性校核方法 …………………………………………………………………………………
4.2.5 180
其他影响因素分析 ………………………………………………………………………………
4.2.6 181
结构耐久性安全保障 …………………………………………………………………………………
4.3 181
隧道结构耐久性基本要求 ………………………………………………………………………
4.3.1 181
水下隧道混凝土抗渗性和防水耐久性预测 ……………………………………………………
4.3.2 183
拉应力对混凝土抗碳化性能的影响 ……………………………………………………………
4.3.3 184
目 录 3

公路隧道内酸性气体条件下混凝土中性化试验 ………………………………………………
4.3.4 185
聚丙烯纤维对管片混凝土耐久性的影响 ………………………………………………………
4.3.5 186
考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法探讨 ………………………………………………
4.3.6 188
水下隧道主要耐久性措施 ………………………………………………………………………
4.3.7 191
结构抗灾性分析 ………………………………………………………………………………………
4.4 192
隧道地震响应分析和抗减震措施 ………………………………………………………………
4.4.1 192
火灾对隧道结构的影响及灾后承载能力分析 …………………………………………………
4.4.2 203
列车脱轨撞击对结构安全性的影响分析 ………………………………………………………
4.4.3 215
爆炸事故对隧道结构的影响分析 ………………………………………………………………
4.4.4 221
基于结构安全保障的防排水技术 ……………………………………………………………………
4.5 223
防排水对水下隧道结构安全的影响 ……………………………………………………………
4.5.1 223
隧道防排水标准及要求 …………………………………………………………………………
4.5.2 225
隧道防排水类型选择 ……………………………………………………………………………
4.5.3 227
隧道防排水措施 …………………………………………………………………………………
4.5.4 229
施工中的结构安全保障 ………………………………………………………………………………
4.6 234
施工对盾构法隧道结构安全的影响及控制 ……………………………………………………
4.6.1 234
施工对沉管法隧道结构安全的影响及控制 ……………………………………………………
4.6.2 260
施工对钻爆法隧道结构安全的影响及控制 ……………………………………………………
4.6.3 264
运营中的安全保障 ……………………………………………………………………………………
4.7 271
结构健康监测技术 ………………………………………………………………………………
4.7.1 271
运营维护技术 ……………………………………………………………………………………
4.7.2 279
5 盾构法水下隧道设计技术 …………………………………………………………………………………
287
盾构法隧道主要设计内容及方法 ……………………………………………………………………
5.1 287
管片结构设计 ……………………………………………………………………………………
5.1.1 287
防水设计 …………………………………………………………………………………………
5.1.2 290
盾构始发及到达加固设计 ………………………………………………………………………
5.1.3 292
监控量测 …………………………………………………………………………………………
5.1.4 294
施工筹划 …………………………………………………………………………………………
5.1.5 295
岩石地层盾构隧道围岩压力 …………………………………………………………………………
5.2 295
围岩压力计算模型 ………………………………………………………………………………
5.2.1 295
岩石地层盾构法隧道围岩压力计算 ……………………………………………………………
5.2.2 298
岩石地层盾构法隧道围岩压力现场测试 ………………………………………………………
5.2.3 299
结构计算方法 …………………………………………………………………………………………
5.3 317
盾构法隧道结构计算理论发展过程 ……………………………………………………………
5.3.1 317
荷载结构模型 ……………………………………………………………………………………
5.3.2 317
连续介质模型 ……………………………………………………………………………………
5.3.3 321
结构安全可靠性检算方法探讨 …………………………………………………………………
5.3.4 324
隧道纵向计算 ……………………………………………………………………………………
5.3.5 326
接缝设计 ………………………………………………………………………………………………
5.4 334
纵缝设计 …………………………………………………………………………………………
5.4.1 334
4 水下隧道设计技术

环缝设计 …………………………………………………………………………………………
5.4.2 334
结构空间化设计 ………………………………………………………………………………………
5.5 336
狮子洋隧道减振空间化设计 ……………………………………………………………………
5.5.1 337
常德沅江隧道抗浮空间化设计 …………………………………………………………………
5.5.2 341
盾构始发和到达 ………………………………………………………………………………………
5.6 343
双道围护结构的始发和到达技术 ………………………………………………………………
5.6.1 343
泥水平衡盾构水中到达技术 ……………………………………………………………………
5.6.2 344
特殊地层段的处理 ……………………………………………………………………………………
5.7 346
软土地层列车振动响应和沉降处理 ……………………………………………………………
5.7.1 346
上软下硬地层处理 ………………………………………………………………………………
5.7.2 349
溶洞处理 …………………………………………………………………………………………
5.7.3 352
孤石处理 …………………………………………………………………………………………
5.7.4 354
6 沉管法水下隧道设计技术 …………………………………………………………………………………
357
沉管法隧道主要设计内容及方法 ……………………………………………………………………
6.1 357
沉管法隧道总体设计注意事项 …………………………………………………………………
6.1.1 357
沉管隧道段设计 …………………………………………………………………………………
6.1.2 357
附属工程设计 ……………………………………………………………………………………
6.1.3 368
不均匀沉降对沉管接头设计方案影响分析 …………………………………………………………
6.2 368
管节沉降分析 ……………………………………………………………………………………
6.2.1 369
橡胶止水带选型计算 ……………………………………………………………………
6.2.2 GINA 370
岸边止水井合龙接头技术 ……………………………………………………………………………
6.3 372
合龙接头位置及方式选择 ………………………………………………………………………
6.3.1 372
合龙接头止推承台设计 …………………………………………………………………………
6.3.2 372
合龙接头止水井设计 ……………………………………………………………………………
6.3.3 372
新型护岸结构 …………………………………………………………………………………………
6.4 373
沉管施工期临时护岸结构 ………………………………………………………………………
6.4.1 373
隧道出入口兼做永久护岸结构 …………………………………………………………………
6.4.2 383
7 钻爆法水下隧道设计技术 …………………………………………………………………………………
387
钻爆法水下隧道主要设计内容及方法 ………………………………………………………………
7.1 387
支护结构设计 ……………………………………………………………………………………
7.1.1 387
防排水设计 ………………………………………………………………………………………
7.1.2 392
超前支护设计 ……………………………………………………………………………………
7.1.3 397
开挖方法设计 ……………………………………………………………………………………
7.1.4 399
辅助坑道设计 ……………………………………………………………………………………
7.1.5 400
超前地质预报设计 ………………………………………………………………………………
7.1.6 401
监控量测设计 ……………………………………………………………………………………
7.1.7 402
防水型隧道衬砌结构及防水设计方法 ………………………………………………………………
7.2 402
支护结构设计原则 ………………………………………………………………………………
7.2.1 402
二次衬砌结构计算方法 …………………………………………………………………………
7.2.2 403
目 录 5

防水型复合式衬砌隧道防排水设计 ……………………………………………………………
7.2.3 404
隧道开挖技术 …………………………………………………………………………………………
7.3 408
控制爆破 …………………………………………………………………………………………
7.3.1 408
铣挖法开挖 ………………………………………………………………………………………
7.3.2 409
水下浅埋暗挖隧道现场测试 …………………………………………………………………………
7.4 411
测试断面布置 ……………………………………………………………………………………
7.4.1 411
现场测试成果 ……………………………………………………………………………………
7.4.2 412
8 围堰明挖法水下隧道设计技术 ……………………………………………………………………………
420
围堰明挖法隧道主要设计内容及方法 ………………………………………………………………
8.1 420
围堰特点及要求 …………………………………………………………………………………
8.1.1 420
围堰设计内容及方法 ……………………………………………………………………………
8.1.2 420
软土地层深水围堰设计 ………………………………………………………………………………
8.2 422
围堰设计基本资料 ………………………………………………………………………………
8.2.1 422
设计标准 …………………………………………………………………………………………
8.2.2 423
围堰形式的选择及确定 …………………………………………………………………………
8.2.3 423
围堰布置 …………………………………………………………………………………………
8.2.4 424
围堰结构设计 ……………………………………………………………………………………
8.2.5 425
围堰基础处理 ……………………………………………………………………………………
8.2.6 427
围堰监测 …………………………………………………………………………………………
8.2.7 427
围堰拆除设计 ……………………………………………………………………………………
8.2.8 427
海中软土地层围护结构反演分析 ……………………………………………………………………
8.3 428
有限元二维分析计算原理及模型参数 …………………………………………………………
8.3.1 428
反分析计算 ………………………………………………………………………………………
8.3.2 433
大覆土明挖隧道沉降控制技术 ………………………………………………………………………
8.4 439
明挖隧道地基沉降原因及处理方法 ……………………………………………………………
8.4.1 440
地基沉降理论分析及经验计算 …………………………………………………………………
8.4.2 441
明挖隧道沉降二维有限元分析 …………………………………………………………………
8.4.3 448
明挖隧道沉降三维有限元分析 …………………………………………………………………
8.4.4 453
明挖隧道沉降计算方法对比 ……………………………………………………………………
8.4.5 455
9 水下隧道两岸接线工程设计技术 …………………………………………………………………………
457
接线工程主要设计内容及方法 ………………………………………………………………………
9.1 457
接线工程结构分段 ………………………………………………………………………………
9.1.1 457
明挖法接线工程设计总体要求 …………………………………………………………………
9.1.2 457
明挖法接线工程基坑设计 ………………………………………………………………………
9.1.3 458
明挖法接线工程主体结构设计 …………………………………………………………………
9.1.4 463
高承压水超强渗透性地层基坑设计 …………………………………………………………………
9.2 466
基坑工程概况 ……………………………………………………………………………………
9.2.1 466
基坑围护形式选择 ………………………………………………………………………………
9.2.2 468
基坑防水 …………………………………………………………………………………………
9.2.3 468