本发明涉及地基处理技术，尤其涉及一种水下沉管隧道过渡段软土地基及其加固方法，属于桥梁隧道工程建设技术领域。
背景技术：
近年来，交通基础设施建设发展迅速，一大批跨海大桥和通道开始兴建，越来越多的海中隧道、桥梁、人工岛工程建设在复杂的海洋软土地基上。水下沉管隧道自身荷载较小，主要以抗浮力为主，一般情况下不需要进行地基处理，但在水下沉管隧道过渡段，即水下沉管隧道与人工岛的衔接处，沉管隧道由水上逐渐转入水下，软土地基埋深厚度变化较大、物理力学性质较差，如果不经过地基处理沉管隧道很容易发生较大的差异沉降，地基承载力也很难达到设计要求。沉管隧道软土地基的地基处理方法多采用开挖换填法、普通砂井排水固结法、注浆法、桩基法等。
开挖换填法通过挖除、置换基础底面以下的软弱土层，然后以性质较好的材料回填并压实，可形成良好的人工地基。但水下开挖换填不仅工程量大、造价昂贵，而且大量的泥沙泄露将对海洋环境造成巨大的影响。
普通砂井排水固结法一般采用堆载预压，结合普通砂井作为竖向排水通道对软土地基进行改良。通过一定时间的预压，软土强度逐渐增长，预压期内可完成大部分沉降，最终卸载后即可达到设计要求。但排水固结法处理时间长、工效低、工后残余沉降较大。
注浆法通过注浆管对沉管隧道底部基础进行注浆，形成注浆体，适用于软弱地基，可减小沉降、提高地基承载力，还可防止砂土液化。但注浆技术施工难度较大、周期长，并存在环保、施工检测与质量控制问题。
桩基法在西欧国家应用较为普遍，适用于软土地基，但沉管隧道轴线方向基底土软硬不均、桩基为刚性结构，沉管更易发生不均匀沉降的问题。此外，水下桩帽安装施工困难。
水下沉管隧道过渡段下部一般存在厚度变化的淤泥或淤泥质土层，加固该层土是地基处理的关键，如何寻求一种既能经济环保同时又能有效加固软土层的方法至关重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中软土地基处理技术所存在的施工难度大、成本高、工期长、环境影响大等问题或不足，提供一种软土地基加固方法。特别是一种适用于水下沉管隧道过渡段软土地基加固方法。该软土地基加固方法明显地减少水下开挖换填量并降低造价，可有效加固不同埋深的软土层，同时避免桩体龄期问题，是一种经济环保的地基处理方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种水下沉管隧道，包括用挤密砂桩加固的水下软土层，和依次铺设在所述水下软土层上的块石垫层和碎石垫层，在碎石垫层上方铺设的沉管隧道，沉管隧道上方以及两侧是回填块石结构。所述沉管隧道的铺设水平高度低于水下软土层的高度，即水下软土层经过开挖处理，使得挤密砂桩加固的水下软土层以及其上的块石垫层、碎石垫层的总水平高度低于周围的水下软土层的水平高度。所述的用挤密砂桩加固的水下软土层、块石垫层和碎石垫层的横向宽度大于沉管隧道的横向宽度，以实现对于沉管隧道较好的支持作用。最好是碎石垫层、块石垫层和挤密砂桩加固的水下软土层的横向宽度依次增大，实现梯形结构的支撑面，支撑结构的可以更加稳定的承受沉管隧道的压力，使得沉管隧道的稳定性更好。
其中，所述的水下软土层是本领域的常规称呼，主要是指水下地面结构挖开泥浆层以后的软土结构层。所述的回填块石结构对沉管隧道实现除下表面以外的其他各个面的包围保护，特别是对于水下暗流作用下的水流冲刷作用具有良好的抵挡作用，能够很好的保持沉管隧道的长期稳定性。
所述，水下沉管隧道包括沉管隧道及其铺设结构的附属部分，沉管隧道的管体和地基等附属结构构成了稳定的水下隧道。本发明所述的水下沉管隧道是构成沉管隧道的整体铺设结构，是水下隧道的整体概念。
进一步，所述水下挤密砂桩直径1.2~2.0m。挤密砂桩的布设密度适中，布设挤密砂桩的水下软土层结构稳定性最好，挤密砂桩的施工量也最小。优选的，挤密砂桩的置换率为40%-70%。
进一步，所述的块石垫层是由10~100kg的天然石块或人造石块铺设而成的。块石体积和重量均较大，在水下具有良好的稳定性，作用封闭软土地基的石材层。优选的，所述的块石垫层的厚度为1.0~3.0m。
本发明的另一目的是提供一种上述的水下沉管隧道的软土地基层加固方法，以解决现有的水下沉管隧道的软土地基层的施工规范，以及沉管隧道施工品质的保障。
一种水下沉管隧道过渡段软土地基加固方法，包括以下步骤：
（1）剥离软土地基（即水下软土层）表面的泥浆层。
（2）向水下软土层（即软土地基）布设水下挤密砂桩。
（3）对挤密砂桩加固的水下软土层进行精挖处理，然后在其上铺设块石垫层。在块石垫层上铺设碎石垫层。
本发明的方法加固处理的软土地基，首先剥离除去软土地基表面的泥浆层，使得水下软土层的表面具有初步的强度，不易在施工过程中出现大范围的泥浆干扰，以及适宜的地基强度。然后，利用挤密砂桩将水下软土地基加固，通过高压沉管灌注砂石使得预定深度的软土地基密实化，形成水下沉管隧道挤密砂桩的复合地基，防止水下软土地基的在建设完成后的数十年内发生沉降变异。
进一步，基于上述的“软土地基加固方法”衍生的水下沉管隧道铺设工法：在步骤（3）加固完成的软土地基上铺设水下沉管隧道即为水下沉管隧道的施工。相应的在铺设好的沉管隧道的两侧以及顶部铺上回填块石封闭，即可完成水下沉管隧道的铺设工作。
本发明的软土地基加固方法特别适用于水下沉管隧道过渡段的软土地基加固处理，能够有效的减少水下软土地基加固处理的工作难度，提高加固的效率，并保证加固以后的软土地基能够在承载水下隧道沉管后提供足够的支撑力量，保证隧道的长期稳定可靠性。
经过挤密砂桩的处理，水下软土层密度基本成型，此时依然保留水下软土层和砂石桩的易冲击流动性。相应的铺设上块石垫层，块石垫层采用块石进行铺设，块石是10~100kg的天然石块或人造石块，块石体积和重量均较大，在水下具有良好的稳定性，作用封闭软土地基的石材层。然后在块石垫层之上铺设有碎石层，碎石垫层是一些小块的碎石铺成的石层，碎碎石可以填满块石垫层的孔隙，方便其上铺设沉管隧道，固定，以及沉管隧道的位置调整。
具体来说本发明的水下软土地基加固方法铺设沉管隧道后，隧道在水下的横截面形态示意图应当如图1所示，最下方是挤密砂桩，挤密砂桩之上是水平垫层，水平垫层包括块石垫层3和块石层之上的碎石垫层4。最后沉管隧道5（沉管结构）定位铺设到水平垫层上，调整定位后连接多个沉管隧道段，并在沉管隧道上铺上回填块石6，就完成了水下隧道的铺设工作了。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1. 本发明提供的一种水下沉管隧道过渡段软土地基加固方法，结构简单，设计合理，便于推广。
2. 本发明的水下软土地基加固方法，通过布设大直径、高置换率的水下挤密砂桩，置换并挤密软土层形成复合地基，使之对上部荷载的地基承载力增加，工后沉降显著减小。
3. 本发明的水下软土地基加固方法，通过设置夯平后的块石垫层，可明显减小桩土荷载分担比，更大程度地发挥了桩与土各自的受力状态。
4. 本发明方法环保经济、施工方便快捷、处理深度大、质量可控、造价较低，具有良好的经济和社会效益。
附图说明：
图1为本发明水下沉管隧道过渡段软土地基加固方法的结构示意图。
图中：1-软土层，2-挤密砂桩，3-块石垫层，4-碎石垫层，5-沉管结构，6-锁定及回填块石，A1-粗挖面，A2-精挖面。
具体实施方式
结合到具体的实施过程中，本发明的软土地基加固方法的说明如下，经过加固处理后的地基结构分为：软土层、挤密砂桩和块石垫层，以上三者共同形成的挤密砂桩复合地基。所述软土层为天然软弱黏土均匀地基，所述挤密砂桩为沿沉管隧道延伸方向纵横均匀布设的水下挤密砂桩，所述块石垫层为通过水下夯平并置于软土层和挤密砂桩之上的水平垫层。
进一步，所述水下挤密砂桩沿水下沉管铺设方向平行布置。显然本发明的水下挤密砂桩为多个，挤密砂桩和对应部分的挤密软土共同构成了挤密软土层，作为主要的重力承载部分，挤密砂桩沿沉管隧道的铺设方向布置，有效的对沉管隧道提供支撑作用。
进一步，所述水下挤密砂桩为沿沉管隧道延伸方向均匀布设的水下挤密砂桩。最好是纵横方向上同时均匀布设，保证挤密砂桩的均匀性。施工过程中，挤密砂桩一般是早于沉管隧道的铺设工作的，一定要注意控制好挤密砂桩的铺设方向，使得结构一致性更好。
进一步，所述水下挤密砂桩直径1.2~2.0m，置换率为40%~70%，贯穿软土层。控制好挤密砂桩的直径和置换率可以很好的控制好挤密砂桩的密实度以及挤密砂桩成型后的最终支撑力，保证结构的稳定性具有重要的帮助作用。
本发明采用挤密砂桩置换、挤密软土，并设置水平块石垫层形成复合地基，可有效提高地基承载力、减小工后残余沉降，达到加固软土地基的目的，具有地基加固效果好、经济环保、处理深度大、施工质量易控制的优点。
进一步，所述挤密砂桩材料宜为中、粗砂，其含泥量应等于或小于5%，砂料中可混有少量（等于或小于10%）粒径5~20mm的砾料。所述挤密砂桩材料宜为中、粗砂，其含泥量≤5%，砂料中粒径5~20mm的砾料≤10%。
进一步，所述软土层为天然软弱黏土均匀地基。
进一步，步骤（1）中所述剥离软土地基表面的泥浆层，是第一次开挖基槽，第一次基槽的开挖深度大于3m。剥离软土地基表面的泥浆层，主要是对于水下复杂的软土地基结构层的表面开挖，清除泥浆层的干扰影响，提高软土地基层的加固效果。
优选的，同时控制第一次开挖基槽后形成粗挖面在设计基槽底标高以上3.0m。基槽粗挖完成以后，对软土地基进行挤密砂桩加固处理。然后对挤密砂桩加固的软土层进行精挖处理（第二次基槽开挖），就构成了精挖面，作为设计基槽的底面。最后在其上铺设相应的水平垫层，既块石垫层和碎石垫层。
基槽施工过程会形成粗挖面和精挖面，所述粗挖面在设计基槽底标高以上约3.0m，所述精挖面为设计基槽底标高。结合到本发明的实施例1中，对应附图可以更容易的理解本技术要点，其中控制的开挖基槽的粗挖面A1和精挖面A2，分别对应了第一次基槽开挖和第二次基槽开挖。
进一步，所述块石垫层是通过水下夯平并置于软土层和挤密砂桩之上的水平垫层。即块石垫层是通过水下夯平并置于挤密砂桩加固的软土层之上的水平垫层。块石垫层是主要的封闭结构，经过水下夯平处理，块石垫层的封闭作用更好，更好的保持了挤密砂桩的结构稳定性。
进一步，所述块石垫层通过水上抛填并经水下夯平形成，厚度1.0~3.0m，置于软土层和挤密砂桩之上。块石垫层的厚度控制在1.0~3.0m即可很好地保证块石垫层的结构稳定性以及对于其下方的挤密砂桩地基结构的封闭作用。
进一步，所述块石垫层使用的块石材料为单块质量为10~100kg石料，石料在水中浸透后的强度不低于50MPa。块石垫层是直接封闭在挤密砂桩固化的软土地基层上的石料，其单块质量以及强度应该保持较高，因为之后承受的沉管隧道的压力下需要保持其结构的完整性，以实现沉管隧道的有效支撑作用。
进一步，块石垫层采用液压振动锤水下夯平。液压振动锤水下夯平的力量大，夯平效果好，而且成本极低。
上述的具体实施方式中的施工工艺参数也可以直接作为对于水下沉管隧道铺设结构的限定说明，并不一定限制于上述工法中，因为施工工法中的特定参数本身就会直接的保留到相应的施工结果当中。
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，海底沉管隧道的截面示意图，软土层1被开挖形成的粗挖面A2，在粗槽面的底部软土层被挤密砂桩2加固，形成挤密砂桩部。对挤密砂桩加固的软土层进行精挖处理形成精挖面A1。在挤密砂桩部的上方是块石垫层3，在块石垫层3的上方是碎石垫层4。沉管结构5铺设在碎石垫层4的上方，并用锁定及回填块石6填埋。
软土层1、挤密砂桩2和块石垫层3所形成的挤密砂桩复合地基，所述软土层1为天然软弱黏土均匀地基，所述挤密砂桩2为沿沉管隧道延伸方向纵横均匀布设的水下挤密砂桩，所述块石垫层3为通过水下夯平并置于软土层和挤密砂桩之上的水平垫层。碎石垫层4位于块石垫层3之上，沉管结构5位于碎石垫层4之上，最后锁定及回填块石6位于沉管结构5周围。既为本发明的海底沉管隧道的整体结构。
进一步，结合具体的施工记录对本发明的施工方法进行说明。
水下沉管隧道过渡段软土地基加固，结合图1所示，其具体工作过程为：
S1、沉管隧道基础设计，采用挤密砂桩复合地基，确定沉管隧道设计地基承载力、工后残余沉降和差异沉降要求，加固范围、加固深度及置换率（确定桩径及桩间距）。
S2、沉管隧道基槽粗挖，形成粗挖面A1。
其中，粗挖面A1在设计基槽底标高以上3.0m。
S3、在软土层1中采用水下挤密砂桩施工工艺形成挤密砂桩2。
其中，挤密砂桩2桩径1.2~2.0m，置换率为40%~70%，大置换率挤密砂桩复合地基可满足沉管隧道地基承载力、残余沉降和差异沉降的设计要求；挤密砂桩2的桩顶标高应不低于设计基槽底标高以上一倍的挤密砂桩桩径处；挤密砂桩2的桩底标高宜穿透软土层1，并进入下卧一定深度的硬土层；当桩底标高达到设计桩底标高时，如果砂桩套管的贯入速率出现持续10s不大于1.0m/min，且砂桩套管底标高与设计桩底标高差值不大于3.0m时，可停止砂桩套管贯入并以此作为桩底标高。
S4、沉管隧道基槽精挖，形成精挖面A2。
其中，精挖面A2为设计基槽底标高；基槽精挖应清除水下挤密砂桩施工过程中拱起的淤泥，确保后续块石垫层3下不含淤泥夹层。
S5、抛填块石并进行水下夯平，形成块石垫层3。
其中，抛填1.0~3.0m厚10~100kg块石，应根据设计要求、施工能力、潮位和波浪影响，确定分层和分段施工顺序；水下夯平后的块石垫层应满足相关质量验收标准及规范要求。
本发明实施例步骤S3之后步骤S4之前还包括：
步骤S3'、挤密砂桩施工完成后应进行桩体密实度检测，以确定或重新调整设计基槽底标高；当检测到设计基槽底标高以下桩体的标贯击数小于标准值（平均标贯击数不小于20击，桩顶2.0m范围内平均标贯击数不小于12击）时，应补充打设挤密砂桩；当检测到设计基槽底标高以下桩体的标贯击数大于或等于标准值（平均标贯击数不小于20击，桩顶2.0m范围内平均标贯击数不小于12击）时进行步骤S4。
结合图1对本发明的实施例进行说明，其中第一次开挖的表面到达A1面，将软土地基上的泥浆层给剥离，使得水下的泥浆干扰排出，因为泥浆无定型也无法加固定性，所以直接将其剥离露出软土地基层。A1面之下全是软土地基层，此时对A1面的软土地基层打入水下挤密砂桩，即可实现对于以后铺设沉管隧道的底部的基础的固化。经过挤密砂桩的固化水下沉管隧道的软土层地基得到了充分的固化，然后再对软土地基精挖达到A2面。精挖处理主要是因为挤密砂桩在施工中软土地基表面部分的挤密砂桩的密实度较低，精挖除去软土地基表面的部分，进一步的提高挤密砂桩处理的软土地基层的实际密实度。此时在A2面上一次铺设上块石垫层和碎石垫层作为封闭，使得沉管隧道铺设的基础稳定可靠。如图1所示，在沉管隧道铺设好了以后，将沉管隧道5加以封闭，形成的沉管隧道截面结构显示，沉管隧道的各个部分都封闭良好，属于半埋藏式的结构，对于水下的洋流冲刷抵抗力良好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。