茅洲河发源于深圳市宝安区的最高峰羊台山, 流经石岩、公明、光明、松岗4镇, 在沙井镇注入珠江口伶仃洋, 全长41.6km, 是深圳市境内最长的河流^[1], 属珠江水系, 流域面积约388.2km²。同时, 茅洲河也是珠三角污染最严重的河流^[2], 其受到沿岸电镀、线路板、印染等企业工业废水和居民区生活污水等排放的多重影响, 水质经常劣于V类^[3]。面对污染严重、急需治理的现状, 2016年2月3日, 茅洲河流域 (宝安片区) 水环境综合整治项目 (以下简称“茅洲河工程”) 正式签约, 标志着茅洲河全流域水环境综合整治攻坚战全面打响。随着我国生态文明建设步伐的加快, 国家对城市安全文明施工的要求越来越高, 静压植桩技术作为一种绿色施工技术也被越来越多地应用到桥梁、围堰等基础工程中。但目前尚未发现该技术在城市水环境治理领域中的应用, 本文结合茅洲河工程实例, 探讨静压植桩技术在雨污分流管网改造中的应用。

茅洲河工程是广东省政府挂牌督办的十大重点环境工程之一, 涉及河道整治、片区排涝、雨污分流、生态修复、补水、景观提升等六大工程, 共46子项。工程区域主要位于老城区, 施工空间狭窄, 路面等基础设施老旧, 且钢板桩施工段大都位于靠近房屋、居民区等特殊区域。普通打桩设备噪声大、振动强, 对周边建筑物及居民正常生活影响较大, 不能满足城市安全文明施工的要求, 严重制约工程进度。同时在施工过程中发现, 普通打桩设备施工精度差, 钢板桩咬合度低^[4], 致使其闭水效果不佳, 增加抽排水工程量;部分施工区域地质情况复杂、地层坚硬, 常规打桩设备难以钻进, 无法正常施工。

雨污分流管网改造工程是治理过程中“控源截污”的关键一环^[5], 而钢板桩施工是雨污分流管网改造工程中的重要内容。因此, 本文选取项目松岗街道潭头工业区、沙浦围社区等2个区域作为典型研究区, 采用了静压植桩施工技术, 有效解决了上述工程难题, 使得项目得以顺利推进。

1) 周边环境

该区位于西部工业园区主干道, 施工现场道路宽度22.5m, 道路北侧8m为6层居民楼, 1楼为店铺, 2~5楼为居民住房, 南侧为空旷厂区, 完成施工工程量42m。

2) 地质情况

根据地质钻探资料分析, 该段主要地质从上到下依次为素填土、淤泥、粉质黏土、砂质黏土, 部分土层中含有零星孤石。地下水稳定水位1.500~1.600m。各地层性质自上而下分述如下: (1) 素填土揭露于研究区所有地段, 主要由黏性土、碎石、砾砂组成, 碎石等硬质杂质含量<15%, 块径2~5cm, 结构松散~稍密, 层厚3.1~4.1m, 平均厚度3.4m, 顶端0.3m左右为混凝土路面。 (2) 淤泥质土层揭露于研究区所有地段, 可见贝壳, 具腥臭味, 含水饱和, 呈流塑、软塑状, 层厚0.6~0.8m, 平均厚度0.7m。 (3) 粉质黏土揭露于研究区部分地段, 可塑, 有光泽, 摇振反应无, 干强度高, 韧性高, 含细砂, 层厚0.2~3.1m, 平均厚度2.3m。 (4) 砂质黏土

揭露于研究区部分地段, 由下伏基岩风化残积而成, 原岩结构可辨, 呈可塑、硬塑状, 稍有光泽, 摇振无反应, 干强度中等, 韧性中等, 层厚4.3~7.1m, 平均厚度5.2m。

1) 周边环境

该区位于沙浦围社区十巷, 施工现场道路宽度约15m。道路南侧为5层居民楼, 1楼为店铺, 2~5楼为居民住房, 北侧为空旷厂区, 完成施工工程量60m。

2) 地质情况

根据地质钻探资料分析, 该段主要地质从上到下依次为素填土、黏土、中粗砂、淤泥质、粗砾砂、砂质黏土, 部分土层中含有卵石及零星孤石。地下水稳定水位1.3m。各地层性质自上而下分述如下: (1) 素填土揭露于研究区所有地段, 稍湿~湿, 主要成分为搬运而来的黏性土及砂砾等组成, 结构松散, 层厚3.3~3.5m, 平均厚度3.4m, 顶端0.2m左右为混凝土路面。 (2) 黏土揭露于研究区所有地段, 湿, 呈可塑状态, 局部相变为粉质黏土或中细砂。层厚2.0~2.3m, 平均厚度2.1m。 (3) 中粗砂揭露于研究区所有地段等, 含水饱和, 结构松散、稍密, 局部黏粒含量较高。层厚1.2~1.4m, 平均厚度1.3m, 可塑, 有光泽, 摇振反应无, 干强度高, 韧性高, 含细砂, 层厚0.2~3.1m, 平均厚度2.3m。 (4) 淤泥质揭露于研究区所有地段, 含水饱和, 呈流塑、软塑状, 含腐烂木屑及有机质, 具腥臭味, 局部含炭化木, 层厚3.3~3.5m, 平均厚度3.4m。 (5) 粗砾砂层揭露于研究区所有地段, 含水饱和, 结构稍密, 粉黏粒含量不均匀, 砂粒成分为石英质, 呈次圆状, 分选性差, 局部相变为粉细砂或砾砂, 局部地段底部含少量小卵石, 层厚3.0~6.8m, 平均厚度4.2m。 (6) 砂质黏土层揭露于研究区所有地段, 湿, 呈可塑~硬塑状, 主要由混合花岗岩风化残积而成, 除石英外其余矿物已风化为黏土, 岩芯呈土柱状。层厚2.6~3.0m, 平均厚度2.7m。

静压植桩机的桩基贯入机理与其他各类传统型打桩机完全不同^[6]。它通过夹住数根已打入土体的钢板桩 (即完成桩, 初期靠反作用力基座进行完成桩压入) , 将已打入土中的桩产生的拔出抵抗力作为反力 (包括压入桩表面与土体间的表面摩擦抵抗力、锁口间抵抗力等) , 利用静载荷将下一根桩压入地面。钢板桩由起重机插入压桩夹头, 压桩夹头起导向作用, 静压植桩机由液压缸将钢板桩依次压至设计高程。工艺原理如图1所示。

静压植桩机施工工艺流程如图2所示。

基于研究区地质情况、工程需求及施工成本考虑, 本工程选用的是日本株式会社技研制作所生产的SA100静压植桩机, 其规格、构造如图3所示。

本次应用研究采用6m长Ⅳ型拉森钢板桩。

1) 环保性

为评估静压施工对周边居民生活的影响, 现场按相关规程对设备噪声进行了测定, 噪声为70~80d B, 3m外不影响人与人之间的正常谈话, 不高于周边车辆噪声。同时对地面振动情况进行了测试, 施工过程中放置在垂直距静压机0.5~1m地面处1元硬币无位移, 且在施工设备5m范围内人体几乎感觉不到振动, 因此不会对附近的建筑物 (特别是老旧房屋) 及地下管线造成影响。同时, 其动力单元采用最新型的环保型设备, 实现了清洁排放, 所采用生态液压油能够进行自然降解, 即使在施工过程中流入水中或者土壤也不会给生态环境带来影响。振动锤打桩机与静压植桩机工作噪声值对比如表1所示。

2) 安全性

静压植桩机是嵌住已经完成压入的钢板桩, 牢牢抓住, 施工作业靠液压力转化为动力, 能较好地避免机械伤害, 由于其打桩过程中是环抱 (套索) 式, 能减少常规打桩过程中夹头处滑脱导致桩坠落等的可能。

3) 经济性

为评估静压植桩机施工经济性, 施工过程中对其单位时间耗油量及人员配备情况等做了记录, 并与目前茅洲河工程中主流振动锤打桩机的对应指标做了对比, 如表2所示。

结果表明, 静压植桩机单位时间耗油量要明显少于振动锤打桩机, 从侧面也反映出静压植桩机较高的环保性。

4) 施工精度

静压植桩机施工过程中在轴线方向采用桩用镭射校准仪 (红外线) 导向, 轴线偏差能够很好地控制, 轴线偏差一般能控制在±3cm之内;在垂线方向, 通过降低夹点, 并利用水平尺测定钢板桩及设备的倾斜度, 实时对设备进行调整来保证垂直度。其较高的植入精度能够延长钢板桩的使用寿命并提高钢板桩支护的闭水性。

5) 跨管性能

为充分评估静压植桩机在实际工作中的性能, 在潭头工业区施工过程中对其遇到管线时跨越施工性能进行了测试。此次跳跃管线宽度约为500mm, 通过钢板桩压入前跨越宽度计算、制定跨越方案、压入辅助桩、跨管压入等一系列过程, 成功跨越管沟。

本次应用研究表明, 与振动锤打桩机施工相比, 静压植桩技术环保性、安全性、经济性等方面表现出明显的优越性, 能够有效解决目前城市特别是临近房屋、居民集中区等特殊区域钢板桩施工中存在的噪声、振动等特殊问题, 该技术的推广对于降低施工造成的生态环境污染, 实现城市绿色环保施工及推动行业发展具有十分重要的意义。