A. 沉管隧道的基本結構
一、沉管隧道的橫斷面結構
1.整體結構
水下沉管隧道的整體結構是由管段基槽、基礎、管段、覆蓋層等組成，整體坐落於河（海）水底，如圖8-3所示。
圖8-3 沉管隧道橫斷面圖
2.沉管隧道的管段斷面結構
沉管隧道管段斷面結構形式按製作材料分主要有鋼殼混凝土管段和鋼筋混凝土管段兩種；按斷面形狀分有圓形、矩形和混合形；按斷面布局分有單孔式和多孔組合式，如圖8-4所示。
圖8-4 沉管隧道的管段斷面結構圖
（1）鋼殼混凝土管段。鋼殼混凝土管段沉管隧道是鋼殼與混凝土的組合結構。鋼殼有單層和雙層兩種，單層鋼殼管段的外層為鋼板，內層為鋼筋混凝土環；雙層鋼殼管段的內層為圓形鋼殼，外層為多邊形鋼殼，內外層之間澆注抗浮混凝土。鋼殼管段的內斷面為圓形，外輪廓有圓形、八角形等多種，一般用於雙車道，若需設4車道，則可採用雙筒雙圓形組合式斷面。
鋼殼管段的優點是：外輪廓斷面為圓形或接近圓形，沉沒完畢後，荷載作用下所產生的彎矩較小，因此在水深較大時，比較經濟；管段的底寬較小，基礎處理的難度不大；管段外殼為鋼板，浮運過程中不易碰損；鋼殼可在造船廠的船台上製作，充分利用船廠設備，工期較短；由於佔大部分重量的混凝土是在管節處於懸浮時澆灌的，故在陸地上時管段比較輕，便於拖運、下水。
缺點是：管段的規模較小，一般為2車道，內徑一般不超過10m，對於多車道隧道則不經濟；圓形斷面的空間利用率低，且由於車道上方必須空出一個限界之外的空間，車道的路面高程不得不相應壓低，使隧道的深度增加，基槽浚挖的量加大；管段耗鋼量大，造價較高；鋼殼存在焊接拼裝的問題，防水質量不能保證，如有滲漏，不易修補；鋼殼本身的防銹問題尚未完全解決。
（2）鋼筋混凝土管段。鋼筋混凝土管段的橫斷面多為矩形，可同時容納2～8個車道，有的還設置有維修、避險、排水設施等的專用管廊。如上海外環路沉管隧道為8車道，設有3個車輛通行孔和2個管廊孔（設於每兩個通行孔之間）。矩形管段一般比圓形管段經濟，故目前國內外多採用矩形沉管。
鋼筋混凝土管段的優點是：隧道橫斷面空間利用率高，建造多車道（4～8車道）隧道時，優勢顯著；車道路面最低點的高程較高，隧道的全長相應較短，所需浚挖的土方量亦較小；不用鋼殼防水，節約大量鋼材；利用管段自身防水的性能，能做到隧道內無滲漏水。
缺點是：需要修建臨時干塢，征地搬遷及施工費用高；製作管段時，對混凝土施工要求嚴格，保證干舷和抗浮安全系數；須另加混凝土防水措施。
二、沉管隧道的縱斷面結構
沉管隧道在縱斷面上一般由敞開段、暗埋段、沉埋段以及岸邊豎井等部分組成，如圖8 5 所示。豎井通常作為沉埋段的起訖點以及通風、供電、排水、運料和監控等的通道，如香港海底隧道（圖8-6）。但是，根據具體的地形、地貌和地質情況，也可將沉埋段和暗埋段直接相連而不設豎井，如廣州珠江沉管隧道（圖8-7）。
水底隧道的縱坡一般最小為 0.3%，最大縱坡可達 6%，廣州珠江沉管隧道最大為4.9%。管段長度一般為 100～150m，同一隧道的管段長度並不均等。隧道沉管段的長度一定時，確定了管段的長度，即可確定出不同的管段數，也就有不同的縱斷面設計。
圖8-5 沉管隧道縱斷面一般結構示意圖
圖8-6 香港海底沉管隧道縱剖面圖
圖8-7 廣州珠江沉管隧道縱剖面圖
B. 水下樁基施工的方法有哪些
水下樁基礎施工的方法有:
1、灌注樁施工：
直接在樁位上就地成孔，然後在孔內安放鋼筋籠灌注混凝土而成。灌注樁能適應各種地層，無需接樁，施工時無振動、無擠土、噪音小，宜在建築物密集地區使用。但其操作要求嚴格，施工後需較長的養護期方可承受荷載，成孔時有大量土渣或泥漿排出。
根據成孔工藝不同，分為干作業成孔的灌注樁、泥漿護壁成孔的灌注樁、套管成孔的灌注樁和爆擴成孔的灌注樁等。灌注樁施工工藝近年來發展很快，還出現夯擴沉管灌注樁、鑽孔壓漿成樁等一些新工藝。
2、螺旋鑽機
螺旋鑽孔機是利用動力旋轉鑽桿，使鑽頭的螺旋葉片旋轉削土，土塊沿螺旋葉片上升排出孔外。
鑽孔機由主機、滑輪組、螺旋鑽桿、鑽頭、滑動支架、出土裝置等組成，用於地下水位以上的粘土、粉土、中密以上的砂土或人工填土土層的成孔，成孔孔徑為300mm～600mm，鑽孔深度8—12m。配有多種鑽頭，以適應不同的土層。
3、泥漿護壁成孔灌注樁施工
泥漿護壁成孔灌注樁是利用泥漿護壁，鑽孔時通過循環泥漿將鑽頭切削下的土渣排出孔外而成孔，而後吊放鋼筋籠，水下灌注混凝土而成樁。成孔方式有正(反)循環回轉鑽成孔、正(反）循環潛水鑽成孔、沖擊鑽成孔、沖抓錐成孔、鑽斗鑽成孔等。
(2)沉管下水的基礎施工有哪些擴展閱讀
施工要求
1、灌注水下混凝土前，應檢測孔底泥漿沉澱厚度，如大於規范規定的清孔要求，應再次清孔。
2、混凝土拌和物運至灌注地點時，應檢查其均勻性和坍落度，如不符合規范規定的要求，應進行第二次拌和，二次拌和仍達不到要求，不得使用。
3、灌注水下混凝土的攪拌機能力，應能滿足樁孔在規定時間內灌注完畢。灌注時間不得長於首批混凝土初凝時間。若估計灌注時間長於首批混凝土初凝時間，則應摻入緩凝劑。
4、孔身及孔底檢查值得到監理工程師認可和鋼筋骨架安放後，應立即開始灌注混凝土，並應連續進行，不得中斷。當氣溫低於0℃時，灌注混凝土應採取保溫措施。強度未達到設計等級50%的樁頂混凝土不得受凍。
5、灌注混凝土時，溢出的泥漿應引流至適當地點處理，以防止污染環境或堵塞河道和交通。
6、處於地面或樁頂以下的井口整體或剛性護筒，應在灌注混凝土後立即撥出；處於地面以上能拆除的護筒部分，須待混凝土抗壓強度達到5MPA後拆除。當使用合護筒灌注混凝土時，應逐步提升護筒，護筒底面應保持在混凝土頂面以下1～2M。
C. 沉管基礎處理與覆土回填
盡管沉管隧道基礎所承受的荷載通常較低，對地質條件的適應性比較強，但由於在基槽開挖過程中，不論使用哪一種挖槽方法，槽底表面都不會太平整，槽底表面與沉管底面之間必將存在很多不規則的空隙，導致地基土受力不均勻而局部破壞，從而引起不均勻沉降，使沉管結構受到局部應力而開裂，故必須進行基礎處理（基礎填平）。
沉管隧道基礎處理的方法很多，主要分先鋪法和後填法兩大類。在管段沉放前進行的處理方法稱先鋪法，又叫刮鋪法，包括刮砂法和刮石法；後填法是先將管段沉沒在溝槽底的臨時支座上，隨後再補填墊實，它包括噴砂法、灌砂法、灌囊法、壓砂法、壓漿法等。
後填法的優點是在處理過程中基本上不幹擾航運，不需特殊的專用設備，不受氣象條件的影響，不需大量潛水作業，便於日夜連續施工，操作簡易，省工省費用，全過程進行信息化控制。所以，目前大型沉管隧道的基礎處理多用後填法，如噴砂法、壓砂法、壓漿法。
如沉管管段的地基土特別軟弱時，僅靠上述「墊平」處理是不夠的，還需進行特別處理。處理方法有置換法（以粗砂置換軟弱土層，但地震時有液化危險，不安全）、打砂樁並載入預壓法（需花費大量時間等待固結，影響工程進度，一般不用）、樁基法等。另外也可採用減輕管段的重量的辦法，但效果不大。
基礎處理結束後，還要對管段兩側和頂部進行覆土回填，以確保隧道的永久穩定。回填材料為級配良好的砂、石。為了使回填材料緊密地包裹在沉管管段上面和側面不致散落，需要在回填材料上面再覆蓋石塊、混凝土塊。全面回填工作須在相鄰的管段沉放完後進行，採用噴砂法進行基礎處理或採用臨時支座時，則要等到管段基礎處理完，落到基床上再回填。採用壓注法處理時，先對管段兩側回填，但要防止過多的岩碴存落管段頂部。回填覆蓋採用「沉放一段，覆蓋一段」的施工方法，在低平潮或流速較小時進行。管段兩側應對稱回填，回填應均勻，不要出現堆積和空洞現象。
一、先鋪法（刮鋪法）施工工藝
1.基本工序（圖8-23，圖8-24）
（1）在浚挖溝槽時先超挖0.6～0.8 m；
（2）沿溝槽底面二側打數排短樁，安設導軌以便在刮鋪時控制高程和坡度；
（3）用抓鬥或通過刮鋪機的喂料管，其寬度為管節底寬加 1.5～2m，長度為一節管節長度的范圍內，投放鋪墊材料。
（4）按導軌所規定的厚度、高程以及坡度，用刮鋪機將鋪墊材料刮平；
圖8-23 先鋪法基本工序圖
圖8-24 先鋪法
1—碎石墊層；2—駁船組；3—車架；4—桁架及軌道；5—刮板；6—錨塊
（5）在管節里灌足壓載水，有時再壓砂石料，使其產生超載，而使墊層壓緊密貼；若鋪墊材料為碎石，通過管節底面上預埋的壓漿孔，向墊層里壓注水泥膨潤土斑脫土混合砂漿。
2.先鋪法的缺點
（1）需要特製的專用刮鋪設備；
（2）作業時間長，干擾航道；
（3）刮鋪完後需經常清除回淤土或坍坡的泥土；
（4）當管節底寬較大，超過 1 5 m時，施工較困難。
二、後填法施工工藝
1.後填法施工的類型
後填法施工的類型主要有：①噴砂法；②灌囊法；③壓漿法；④壓砂法；⑤樁基法。
2.後填法的基本工序
後填法的基本工序如圖8-25 所示。
圖8-25 後填法的基本工序圖
（1）浚挖溝槽時，先超挖 1m左右；
（2）在溝底安設臨時支座（此項工作是後填法中的一項比較主要的工序）：
①水底臨時支座，多數是用道碴堆成；②道碴堆的常用尺度為7m×7m×（0.5～1.0）m；③擱在臨時支座上的支承板通常隨管節一起澆制，一起沉埋，其尺寸一般為2m×2m×0.5m；④支承板由設在與管節底面之間的液壓千斤頂實現調整定位。
（3）管節沉埋完畢（在臨時支座上擱妥）後，往管底空間回填墊料。
3.噴砂法
（1）此法主要是從水面上用砂泵將砂、水混合料通過伸入管節底下的噴管向管底噴注，填滿空隙。噴填的砂墊層厚度一般為 1m。
（2）噴砂作業需一套專用的台架，台架頂部突出在水面上，可沿鋪設在管節頂面上的軌道作縱向前後移動（圖8-26）。
（3）在台架的外側，懸掛著一組（三根）伸入管節底部的 L 形鋼管。中間一根為噴管，直徑為 100cm，旁邊兩根為吸管，直徑為80mm。
（4）作業時將砂、水混合料經噴管噴入管節底下空隙中，噴射管作扇形旋移前進。在噴砂進行的同時，經兩根吸管抽吸回水。從回水的含砂量中可以測定砂墊的密實程度。
（5）噴砂時從管節的前端開始，噴到後端時，用浮吊將台架吊移到管節的另一側，再從後端向前端噴填，如圖8-27 所示。
圖8-26 噴砂法原理
1—噴砂管；2—回吸管
圖8-27 噴砂台架
1—噴砂台支架；2—噴管及吸管；3—臨時支撐；4—噴入砂墊
（6）噴砂作業的施工進度約為200m3/h。當管節底面積為 3000～4000m2時，噴砂作業的實際時間僅 15～20h，大約兩天便可完成。
（7）噴砂完畢後，隨即松卸臨時支座上的定位千斤頂，使管節的全部（包括壓載物）重量壓到砂墊層上去進行壓密。這時產生的沉降量，一般在 5mm 以下。通車以後的最終沉降量，一般都在 15mm以內。
噴砂法的優缺點與適用性：
（1）優點：在清除基槽底的回淤土時十分方便，可在噴砂作業前，利用噴砂設備逆向作業系統進行。
（2）缺點：噴砂台架體積龐大，佔用航道影響通航；設備費用昂貴；對砂子的粒徑要求較嚴，因而增加了噴砂法的費用。
（3）適用性：適用於寬度較大的沉管隧道。
4.灌囊法
（1）首先在開挖好的基槽底面先鋪一層砂、石墊層，然後於管節沉放前在管節底面下事先系扣上空囊袋一並下沉，先鋪墊層與管節底面之間留出 15～20cm的空間。
（2）待管節沉放完畢後，從工程船上向囊袋內灌注由黏土、水泥和黃砂配置成的混合砂漿，直至管節底面以下的空隙全部填滿為止，如圖8-28 所示。
圖8-28 灌囊法
（3）囊袋的尺寸按一次灌注量而定，一般不宜過大，以能容納 5～6 m3為度。製造囊袋的材料要有一定牢度，並有較好的透水性和透氣性，以便灌注砂漿時順利地排出囊袋中的水和空氣。
（4）混合砂漿的強度（標號）要求不高，只需略高於基槽原狀土即可，但其流動性應較大。
（5）灌漿時，從水面通過 1m 直徑的消防軟管，靠砂漿自重自行灌注，而不加壓。灌注時須採取適當措施防止管節頂起，除密切觀測外，還可採取間隔（跳擋）輪灌等措施。
5.壓漿法
（1）這是一種在灌囊法的基礎上進一步改進和發展而來的處理方法，可省去較貴的囊袋，繁復的安裝工藝、水上作業和潛水作業。
（2）在浚挖溝槽時，也是先超挖 1m 左右，然後攤鋪一層厚約 0.4～0.6m 的碎石，但不必刮平，只要大致整平即可。再堆設臨時支座所需的道碴堆，完成後即可沉埋管節。
（3）在管節沉埋結束後，沿著管節二側邊及後端底邊拋堆砂、石封閉欄至管底以上1m左右，以封閉管底周邊。
（4）然後從隧道內部，用壓漿設備，通過預埋在管節底板上的Φ80mm 壓漿孔，向管底空隙壓注混合砂漿（圖8-29）。
圖8-29 壓漿法
1—碎石墊層；2—砂；3—石封閉欄；4—壓入砂漿
（5）混合砂漿由水泥、膨潤土、黃砂和緩凝劑配成。強度應低於原地基強度。壓漿材料也可用低標號、高流動性的細石子混凝土。壓漿的壓力不必太大，一般比水壓大0.1～0.2MPa。壓漿時同樣對壓力要慎加控制，以防頂起管節。
（6）壓漿法可解決地震區軟弱地基的液化問題（如我國寧波甬江水底隧道就是採用此種基礎處理方法）。
6.壓砂法
（1）此法與壓漿法很相似，但壓入的不是水泥砂漿，而是砂、水混合料。所用砂的粒徑為0.15～0.27mm，注砂壓力比靜水壓力大 50～140kPa。
（2）壓砂法具體做法是：
在管節內沿軸向鋪設Φ200mm 輸料鋼管，接至岸邊或水上砂源，通過泵砂裝置及吸料管將砂水混合料泵送（流速約為3 m/s）到已接好的壓砂孔，打開單向球閥，混合料壓入管底空隙。
停止壓砂後，在水壓作用下球閥自動關閉。每次只連接三個壓砂孔，當一個壓砂孔灌注范圍填滿砂子後，返回重壓先前的孔，其目的是填滿某些小的空隙。
完成一段後再連接另外的孔，進行下一段壓砂作業。壓砂順序是從岸邊注向中間，這樣可避免淤泥聚積在隧道兩端。待整個管節基礎壓砂完成後，再用焊接鋼板封閉壓砂孔。
（3）壓砂法的優缺點（我國廣州珠江沉管隧道也成功地採用壓砂基礎）：
優點。設備簡單，工藝容易掌握，施工方便；對航道干擾小，受氣候影響小。
缺點。在管底預留壓砂孔時，要認真施工和處理，否則容易造成滲漏，危及隧道安全。此外，在砂基經壓載後會有少量沉降。
7.樁基法
（1）當沉管隧道下的地基特別軟弱時，其容許承載力很小，僅作「墊平」處理是不夠的。採用樁基礎支撐沉管，承載力和沉降都能滿足要求，抗震能力也較強，樁較短，費用較小。
（2）沉管隧道採用水底樁基礎後，由於施工中樁頂標高不可能達到齊平，為使各樁能均勻受力，必須在樁頂採取一些措施。這些措施大體有以下三種：
水下混凝土傳力法。基樁打設好後，在樁群頂灌注水下混凝土，並在其上鋪一層砂石墊層，使沉管荷載經砂石墊層和水下混凝土層均勻傳遞到樁基上，如圖8-30 所示。
灌囊傳力法。在管節底面與樁群之間，用灌囊法填實。
活動樁頂法。在所有的基樁上設一小段預制混凝土活動樁頂。活動樁頂與預制混凝土之間，留有一空腔。管節沉埋完畢後，向空腔中灌築水泥砂漿，將活動樁頂頂升至與管底密貼接觸（圖8-31）。待砂漿強度達到要求後，卸除千斤頂，管節荷載便能均勻地傳到樁群上。活動樁頂可用鋼樁製作，在基樁頂部與活動樁頂之間，用軟墊層墊實，墊層厚度按預計沉降來確定。管節沉放完畢後，再於管節底部與活動樁頂之間，灌注水泥砂漿填實。
圖8-30 水下混凝土傳力法
1—基樁；2—碎石；3—水下混凝土；4—砂石墊層
圖8-31 活動樁頂法
1—活動樁頂；2—尼龍布套；3—壓漿孔
三、覆土回填工藝
（1）回填工作是沉管隧道施工的最終工序，回填工作包括沉管側面回填和管頂壓石回填。
（2）沉管外側下半段，一般採用砂礫、碎石、礦碴等材料回填，上半段則可用普通土砂回填。
（3）頂部回填處理分四層進行（圖8-32），即：①頂部片石保護層；②碎石反濾層；③一般回填材料；④經挑選過的回填材料。
圖8-32 沉管隧道回填處理實例