本發(fā)明涉及地基處理技術(shù)，尤其涉及一種水下沉管隧道過渡段軟土地基及其加固方法，屬于橋梁隧道工程建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，一大批跨海大橋和通道開始興建，越來越多的海中隧道、橋梁、人工島工程建設(shè)在復(fù)雜的海洋軟土地基上。水下沉管隧道自身荷載較小，主要以抗浮力為主，一般情況下不需要進(jìn)行地基處理，但在水下沉管隧道過渡段，即水下沉管隧道與人工島的銜接處，沉管隧道由水上逐漸轉(zhuǎn)入水下，軟土地基埋深厚度變化較大、物理力學(xué)性質(zhì)較差，如果不經(jīng)過地基處理沉管隧道很容易發(fā)生較大的差異沉降，地基承載力也很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。沉管隧道軟土地基的地基處理方法多采用開挖換填法、普通砂井排水固結(jié)法、注漿法、樁基法等。
開挖換填法通過挖除、置換基礎(chǔ)底面以下的軟弱土層，然后以性質(zhì)較好的材料回填并壓實(shí)，可形成良好的人工地基。但水下開挖換填不僅工程量大、造價(jià)昂貴，而且大量的泥沙泄露將對(duì)海洋環(huán)境造成巨大的影響。
普通砂井排水固結(jié)法一般采用堆載預(yù)壓，結(jié)合普通砂井作為豎向排水通道對(duì)軟土地基進(jìn)行改良。通過一定時(shí)間的預(yù)壓，軟土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，預(yù)壓期內(nèi)可完成大部分沉降，最終卸載后即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但排水固結(jié)法處理時(shí)間長(zhǎng)、工效低、工后殘余沉降較大。
注漿法通過注漿管對(duì)沉管隧道底部基礎(chǔ)進(jìn)行注漿，形成注漿體，適用于軟弱地基，可減小沉降、提高地基承載力，還可防止砂土液化。但注漿技術(shù)施工難度較大、周期長(zhǎng)，并存在環(huán)保、施工檢測(cè)與質(zhì)量控制問題。
樁基法在西歐國(guó)家應(yīng)用較為普遍，適用于軟土地基，但沉管隧道軸線方向基底土軟硬不均、樁基為剛性結(jié)構(gòu)，沉管更易發(fā)生不均勻沉降的問題。此外，水下樁帽安裝施工困難。
水下沉管隧道過渡段下部一般存在厚度變化的淤泥或淤泥質(zhì)土層，加固該層土是地基處理的關(guān)鍵，如何尋求一種既能經(jīng)濟(jì)環(huán)保同時(shí)又能有效加固軟土層的方法至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中軟土地基處理技術(shù)所存在的施工難度大、成本高、工期長(zhǎng)、環(huán)境影響大等問題或不足，提供一種軟土地基加固方法。特別是一種適用于水下沉管隧道過渡段軟土地基加固方法。該軟土地基加固方法明顯地減少水下開挖換填量并降低造價(jià)，可有效加固不同埋深的軟土層，同時(shí)避免樁體齡期問題，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的地基處理方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：
一種水下沉管隧道，包括用擠密砂樁加固的水下軟土層，和依次鋪設(shè)在所述水下軟土層上的塊石墊層和碎石墊層，在碎石墊層上方鋪設(shè)的沉管隧道，沉管隧道上方以及兩側(cè)是回填塊石結(jié)構(gòu)。所述沉管隧道的鋪設(shè)水平高度低于水下軟土層的高度，即水下軟土層經(jīng)過開挖處理，使得擠密砂樁加固的水下軟土層以及其上的塊石墊層、碎石墊層的總水平高度低于周圍的水下軟土層的水平高度。所述的用擠密砂樁加固的水下軟土層、塊石墊層和碎石墊層的橫向?qū)挾却笥诔凉芩淼赖臋M向?qū)挾龋詫?shí)現(xiàn)對(duì)于沉管隧道較好的支持作用。最好是碎石墊層、塊石墊層和擠密砂樁加固的水下軟土層的橫向?qū)挾纫来卧龃?，?shí)現(xiàn)梯形結(jié)構(gòu)的支撐面，支撐結(jié)構(gòu)的可以更加穩(wěn)定的承受沉管隧道的壓力，使得沉管隧道的穩(wěn)定性更好。
其中，所述的水下軟土層是本領(lǐng)域的常規(guī)稱呼，主要是指水下地面結(jié)構(gòu)挖開泥漿層以后的軟土結(jié)構(gòu)層。所述的回填塊石結(jié)構(gòu)對(duì)沉管隧道實(shí)現(xiàn)除下表面以外的其他各個(gè)面的包圍保護(hù)，特別是對(duì)于水下暗流作用下的水流沖刷作用具有良好的抵擋作用，能夠很好的保持沉管隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
所述，水下沉管隧道包括沉管隧道及其鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的附屬部分，沉管隧道的管體和地基等附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成了穩(wěn)定的水下隧道。本發(fā)明所述的水下沉管隧道是構(gòu)成沉管隧道的整體鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，是水下隧道的整體概念。
進(jìn)一步，所述水下擠密砂樁直徑1.2~2.0m。擠密砂樁的布設(shè)密度適中，布設(shè)擠密砂樁的水下軟土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好，擠密砂樁的施工量也最小。優(yōu)選的，擠密砂樁的置換率為40%-70%。
進(jìn)一步，所述的塊石墊層是由10~100kg的天然石塊或人造石塊鋪設(shè)而成的。塊石體積和重量均較大，在水下具有良好的穩(wěn)定性，作用封閉軟土地基的石材層。優(yōu)選的，所述的塊石墊層的厚度為1.0~3.0m。
本發(fā)明的另一目的是提供一種上述的水下沉管隧道的軟土地基層加固方法，以解決現(xiàn)有的水下沉管隧道的軟土地基層的施工規(guī)范，以及沉管隧道施工品質(zhì)的保障。
一種水下沉管隧道過渡段軟土地基加固方法，包括以下步驟：
（1）剝離軟土地基（即水下軟土層）表面的泥漿層。
（2）向水下軟土層（即軟土地基）布設(shè)水下擠密砂樁。
（3）對(duì)擠密砂樁加固的水下軟土層進(jìn)行精挖處理，然后在其上鋪設(shè)塊石墊層。在塊石墊層上鋪設(shè)碎石墊層。
本發(fā)明的方法加固處理的軟土地基，首先剝離除去軟土地基表面的泥漿層，使得水下軟土層的表面具有初步的強(qiáng)度，不易在施工過程中出現(xiàn)大范圍的泥漿干擾，以及適宜的地基強(qiáng)度。然后，利用擠密砂樁將水下軟土地基加固，通過高壓沉管灌注砂石使得預(yù)定深度的軟土地基密實(shí)化，形成水下沉管隧道擠密砂樁的復(fù)合地基，防止水下軟土地基的在建設(shè)完成后的數(shù)十年內(nèi)發(fā)生沉降變異。
進(jìn)一步，基于上述的“軟土地基加固方法”衍生的水下沉管隧道鋪設(shè)工法：在步驟（3）加固完成的軟土地基上鋪設(shè)水下沉管隧道即為水下沉管隧道的施工。相應(yīng)的在鋪設(shè)好的沉管隧道的兩側(cè)以及頂部鋪上回填塊石封閉，即可完成水下沉管隧道的鋪設(shè)工作。
本發(fā)明的軟土地基加固方法特別適用于水下沉管隧道過渡段的軟土地基加固處理，能夠有效的減少水下軟土地基加固處理的工作難度，提高加固的效率，并保證加固以后的軟土地基能夠在承載水下隧道沉管后提供足夠的支撐力量，保證隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠性。
經(jīng)過擠密砂樁的處理，水下軟土層密度基本成型，此時(shí)依然保留水下軟土層和砂石樁的易沖擊流動(dòng)性。相應(yīng)的鋪設(shè)上塊石墊層，塊石墊層采用塊石進(jìn)行鋪設(shè)，塊石是10~100kg的天然石塊或人造石塊，塊石體積和重量均較大，在水下具有良好的穩(wěn)定性，作用封閉軟土地基的石材層。然后在塊石墊層之上鋪設(shè)有碎石層，碎石墊層是一些小塊的碎石鋪成的石層，碎碎石可以填滿塊石墊層的孔隙，方便其上鋪設(shè)沉管隧道，固定，以及沉管隧道的位置調(diào)整。
具體來說本發(fā)明的水下軟土地基加固方法鋪設(shè)沉管隧道后，隧道在水下的橫截面形態(tài)示意圖應(yīng)當(dāng)如圖1所示，最下方是擠密砂樁，擠密砂樁之上是水平墊層，水平墊層包括塊石墊層3和塊石層之上的碎石墊層4。最后沉管隧道5（沉管結(jié)構(gòu)）定位鋪設(shè)到水平墊層上，調(diào)整定位后連接多個(gè)沉管隧道段，并在沉管隧道上鋪上回填塊石6，就完成了水下隧道的鋪設(shè)工作了。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
1. 本發(fā)明提供的一種水下沉管隧道過渡段軟土地基加固方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，便于推廣。
2. 本發(fā)明的水下軟土地基加固方法，通過布設(shè)大直徑、高置換率的水下擠密砂樁，置換并擠密軟土層形成復(fù)合地基，使之對(duì)上部荷載的地基承載力增加，工后沉降顯著減小。
3. 本發(fā)明的水下軟土地基加固方法，通過設(shè)置夯平后的塊石墊層，可明顯減小樁土荷載分擔(dān)比，更大程度地發(fā)揮了樁與土各自的受力狀態(tài)。
4. 本發(fā)明方法環(huán)保經(jīng)濟(jì)、施工方便快捷、處理深度大、質(zhì)量可控、造價(jià)較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
附圖說明：
圖1為本發(fā)明水下沉管隧道過渡段軟土地基加固方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1-軟土層，2-擠密砂樁，3-塊石墊層，4-碎石墊層，5-沉管結(jié)構(gòu)，6-鎖定及回填塊石，A1-粗挖面，A2-精挖面。
具體實(shí)施方式
結(jié)合到具體的實(shí)施過程中，本發(fā)明的軟土地基加固方法的說明如下，經(jīng)過加固處理后的地基結(jié)構(gòu)分為：軟土層、擠密砂樁和塊石墊層，以上三者共同形成的擠密砂樁復(fù)合地基。所述軟土層為天然軟弱黏土均勻地基，所述擠密砂樁為沿沉管隧道延伸方向縱橫均勻布設(shè)的水下擠密砂樁，所述塊石墊層為通過水下夯平并置于軟土層和擠密砂樁之上的水平墊層。
進(jìn)一步，所述水下擠密砂樁沿水下沉管鋪設(shè)方向平行布置。顯然本發(fā)明的水下擠密砂樁為多個(gè)，擠密砂樁和對(duì)應(yīng)部分的擠密軟土共同構(gòu)成了擠密軟土層，作為主要的重力承載部分，擠密砂樁沿沉管隧道的鋪設(shè)方向布置，有效的對(duì)沉管隧道提供支撐作用。
進(jìn)一步，所述水下擠密砂樁為沿沉管隧道延伸方向均勻布設(shè)的水下擠密砂樁。最好是縱橫方向上同時(shí)均勻布設(shè)，保證擠密砂樁的均勻性。施工過程中，擠密砂樁一般是早于沉管隧道的鋪設(shè)工作的，一定要注意控制好擠密砂樁的鋪設(shè)方向，使得結(jié)構(gòu)一致性更好。
進(jìn)一步，所述水下擠密砂樁直徑1.2~2.0m，置換率為40%~70%，貫穿軟土層?？刂坪脭D密砂樁的直徑和置換率可以很好的控制好擠密砂樁的密實(shí)度以及擠密砂樁成型后的最終支撐力，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的幫助作用。
本發(fā)明采用擠密砂樁置換、擠密軟土，并設(shè)置水平塊石墊層形成復(fù)合地基，可有效提高地基承載力、減小工后殘余沉降，達(dá)到加固軟土地基的目的，具有地基加固效果好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、處理深度大、施工質(zhì)量易控制的優(yōu)點(diǎn)。
進(jìn)一步，所述擠密砂樁材料宜為中、粗砂，其含泥量應(yīng)等于或小于5%，砂料中可混有少量（等于或小于10%）粒徑5~20mm的礫料。所述擠密砂樁材料宜為中、粗砂，其含泥量≤5%，砂料中粒徑5~20mm的礫料≤10%。
進(jìn)一步，所述軟土層為天然軟弱黏土均勻地基。
進(jìn)一步，步驟（1）中所述剝離軟土地基表面的泥漿層，是第一次開挖基槽，第一次基槽的開挖深度大于3m。剝離軟土地基表面的泥漿層，主要是對(duì)于水下復(fù)雜的軟土地基結(jié)構(gòu)層的表面開挖，清除泥漿層的干擾影響，提高軟土地基層的加固效果。
優(yōu)選的，同時(shí)控制第一次開挖基槽后形成粗挖面在設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以上3.0m。基槽粗挖完成以后，對(duì)軟土地基進(jìn)行擠密砂樁加固處理。然后對(duì)擠密砂樁加固的軟土層進(jìn)行精挖處理（第二次基槽開挖），就構(gòu)成了精挖面，作為設(shè)計(jì)基槽的底面。最后在其上鋪設(shè)相應(yīng)的水平墊層，既塊石墊層和碎石墊層。
基槽施工過程會(huì)形成粗挖面和精挖面，所述粗挖面在設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以上約3.0m，所述精挖面為設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高。結(jié)合到本發(fā)明的實(shí)施例1中，對(duì)應(yīng)附圖可以更容易的理解本技術(shù)要點(diǎn)，其中控制的開挖基槽的粗挖面A1和精挖面A2，分別對(duì)應(yīng)了第一次基槽開挖和第二次基槽開挖。
進(jìn)一步，所述塊石墊層是通過水下夯平并置于軟土層和擠密砂樁之上的水平墊層。即塊石墊層是通過水下夯平并置于擠密砂樁加固的軟土層之上的水平墊層。塊石墊層是主要的封閉結(jié)構(gòu)，經(jīng)過水下夯平處理，塊石墊層的封閉作用更好，更好的保持了擠密砂樁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
進(jìn)一步，所述塊石墊層通過水上拋填并經(jīng)水下夯平形成，厚度1.0~3.0m，置于軟土層和擠密砂樁之上。塊石墊層的厚度控制在1.0~3.0m即可很好地保證塊石墊層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及對(duì)于其下方的擠密砂樁地基結(jié)構(gòu)的封閉作用。
進(jìn)一步，所述塊石墊層使用的塊石材料為單塊質(zhì)量為10~100kg石料，石料在水中浸透后的強(qiáng)度不低于50MPa。塊石墊層是直接封閉在擠密砂樁固化的軟土地基層上的石料，其單塊質(zhì)量以及強(qiáng)度應(yīng)該保持較高，因?yàn)橹蟪惺艿某凉芩淼赖膲毫ο滦枰３制浣Y(jié)構(gòu)的完整性，以實(shí)現(xiàn)沉管隧道的有效支撐作用。
進(jìn)一步，塊石墊層采用液壓振動(dòng)錘水下夯平。液壓振動(dòng)錘水下夯平的力量大，夯平效果好，而且成本極低。
上述的具體實(shí)施方式中的施工工藝參數(shù)也可以直接作為對(duì)于水下沉管隧道鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的限定說明，并不一定限制于上述工法中，因?yàn)槭┕すしㄖ械奶囟▍?shù)本身就會(huì)直接的保留到相應(yīng)的施工結(jié)果當(dāng)中。
下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
如圖1所示，海底沉管隧道的截面示意圖，軟土層1被開挖形成的粗挖面A2，在粗槽面的底部軟土層被擠密砂樁2加固，形成擠密砂樁部。對(duì)擠密砂樁加固的軟土層進(jìn)行精挖處理形成精挖面A1。在擠密砂樁部的上方是塊石墊層3，在塊石墊層3的上方是碎石墊層4。沉管結(jié)構(gòu)5鋪設(shè)在碎石墊層4的上方，并用鎖定及回填塊石6填埋。
軟土層1、擠密砂樁2和塊石墊層3所形成的擠密砂樁復(fù)合地基，所述軟土層1為天然軟弱黏土均勻地基，所述擠密砂樁2為沿沉管隧道延伸方向縱橫均勻布設(shè)的水下擠密砂樁，所述塊石墊層3為通過水下夯平并置于軟土層和擠密砂樁之上的水平墊層。碎石墊層4位于塊石墊層3之上，沉管結(jié)構(gòu)5位于碎石墊層4之上，最后鎖定及回填塊石6位于沉管結(jié)構(gòu)5周圍。既為本發(fā)明的海底沉管隧道的整體結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，結(jié)合具體的施工記錄對(duì)本發(fā)明的施工方法進(jìn)行說明。
水下沉管隧道過渡段軟土地基加固，結(jié)合圖1所示，其具體工作過程為：
S1、沉管隧道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，采用擠密砂樁復(fù)合地基，確定沉管隧道設(shè)計(jì)地基承載力、工后殘余沉降和差異沉降要求，加固范圍、加固深度及置換率（確定樁徑及樁間距）。
S2、沉管隧道基槽粗挖，形成粗挖面A1。
其中，粗挖面A1在設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以上3.0m。
S3、在軟土層1中采用水下擠密砂樁施工工藝形成擠密砂樁2。
其中，擠密砂樁2樁徑1.2~2.0m，置換率為40%~70%，大置換率擠密砂樁復(fù)合地基可滿足沉管隧道地基承載力、殘余沉降和差異沉降的設(shè)計(jì)要求；擠密砂樁2的樁頂標(biāo)高應(yīng)不低于設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以上一倍的擠密砂樁樁徑處；擠密砂樁2的樁底標(biāo)高宜穿透軟土層1，并進(jìn)入下臥一定深度的硬土層；當(dāng)樁底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高時(shí)，如果砂樁套管的貫入速率出現(xiàn)持續(xù)10s不大于1.0m/min，且砂樁套管底標(biāo)高與設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高差值不大于3.0m時(shí)，可停止砂樁套管貫入并以此作為樁底標(biāo)高。
S4、沉管隧道基槽精挖，形成精挖面A2。
其中，精挖面A2為設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高；基槽精挖應(yīng)清除水下擠密砂樁施工過程中拱起的淤泥，確保后續(xù)塊石墊層3下不含淤泥夾層。
S5、拋填塊石并進(jìn)行水下夯平，形成塊石墊層3。
其中，拋填1.0~3.0m厚10~100kg塊石，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、施工能力、潮位和波浪影響，確定分層和分段施工順序；水下夯平后的塊石墊層應(yīng)滿足相關(guān)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求。
本發(fā)明實(shí)施例步驟S3之后步驟S4之前還包括：
步驟S3'、擠密砂樁施工完成后應(yīng)進(jìn)行樁體密實(shí)度檢測(cè)，以確定或重新調(diào)整設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高；當(dāng)檢測(cè)到設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以下樁體的標(biāo)貫擊數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)值（平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于20擊，樁頂2.0m范圍內(nèi)平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于12擊）時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充打設(shè)擠密砂樁；當(dāng)檢測(cè)到設(shè)計(jì)基槽底標(biāo)高以下樁體的標(biāo)貫擊數(shù)大于或等于標(biāo)準(zhǔn)值（平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于20擊，樁頂2.0m范圍內(nèi)平均標(biāo)貫擊數(shù)不小于12擊）時(shí)進(jìn)行步驟S4。
結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明，其中第一次開挖的表面到達(dá)A1面，將軟土地基上的泥漿層給剝離，使得水下的泥漿干擾排出，因?yàn)槟酀{無定型也無法加固定性，所以直接將其剝離露出軟土地基層。A1面之下全是軟土地基層，此時(shí)對(duì)A1面的軟土地基層打入水下擠密砂樁，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于以后鋪設(shè)沉管隧道的底部的基礎(chǔ)的固化。經(jīng)過擠密砂樁的固化水下沉管隧道的軟土層地基得到了充分的固化，然后再對(duì)軟土地基精挖達(dá)到A2面。精挖處理主要是因?yàn)閿D密砂樁在施工中軟土地基表面部分的擠密砂樁的密實(shí)度較低，精挖除去軟土地基表面的部分，進(jìn)一步的提高擠密砂樁處理的軟土地基層的實(shí)際密實(shí)度。此時(shí)在A2面上一次鋪設(shè)上塊石墊層和碎石墊層作為封閉，使得沉管隧道鋪設(shè)的基礎(chǔ)穩(wěn)定可靠。如圖1所示，在沉管隧道鋪設(shè)好了以后，將沉管隧道5加以封閉，形成的沉管隧道截面結(jié)構(gòu)顯示，沉管隧道的各個(gè)部分都封閉良好，屬于半埋藏式的結(jié)構(gòu)，對(duì)于水下的洋流沖刷抵抗力良好。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。