樁埋管地源熱泵系統(tǒng)施工工藝初探

高 鑫 鮑俊安

(1.常州市金壇區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，江蘇 常州 213200； 2.常州市金壇區(qū)建筑科學(xué)研究院，江蘇 常州 213200)

0 引言

隨著我國(guó)建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展，建筑能耗在社會(huì)總能耗中逐步提升，建筑節(jié)能也不斷被關(guān)注[1]。地源熱泵是一種節(jié)能環(huán)保技術(shù)，因其節(jié)能效果顯著、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯等優(yōu)勢(shì)在工程中得到越來越多的應(yīng)用[2]。但是熱泵系統(tǒng)水平和垂直埋管的地下?lián)Q熱方式均受到占用土地面積及埋管初投資過高等因素的影響，或多或少降低了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)適用性[3]。樁埋管是地源熱泵一種新的埋管方式，樁埋管換熱器將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的PE管安裝在建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地埋管換熱器，樁埋管地?zé)釗Q熱器中的灌注樁相當(dāng)于豎直埋管換熱系統(tǒng)中的鉆孔回填材料[4]。由于樁埋管與建筑物的樁基結(jié)合，和打樁過程同步進(jìn)行，這就大大加大了其損壞的幾率，也增加了施工難度，而且一旦發(fā)生故障就很難進(jìn)行補(bǔ)救，所以對(duì)施工工藝的要求就更加嚴(yán)格[5]。

1 樁埋管的主要形式和特點(diǎn)

1.1 主要形式

埋管形式由樁深、樁徑等因素決定，主要有單U型、串聯(lián)雙U型(W型)、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)3U型以及螺旋型。單U型管路施工方便，換熱性能較好，管路接頭少，不易泄漏，但是環(huán)路較短，換熱量不足。與單U型管路相比，并聯(lián)雙U型和并聯(lián)3U型管路增加了循環(huán)管路的長(zhǎng)度，加強(qiáng)了換熱，但是接頭較多，容易產(chǎn)生泄漏。串聯(lián)雙U型(W型)管路同樣增加了循環(huán)管路的長(zhǎng)度，但是容易在管路高端集氣，增大流動(dòng)阻力，降低傳熱性能。對(duì)比以上幾種形式，螺旋型埋管形式大大增加了循環(huán)管路的長(zhǎng)度，增大換熱面積，增加換熱量，而且螺旋型埋管管路接頭少，不易泄漏。在現(xiàn)有樁埋管研究中主要采用W型和U型，但大直徑灌注樁采用螺旋型更為可靠。

1.2 樁埋管特點(diǎn)

樁埋管的回填材料完全是混凝土，混凝土的導(dǎo)熱性能相比于其他材料較好，并且埋管與樁、樁與土壤接觸緊密，減少了熱阻，強(qiáng)化了循環(huán)介質(zhì)與土壤之間傳熱，使得它的換熱效果比起其他回填材料要好。

樁埋管充分利用建筑物的地下面積，省去了地埋管的鉆孔工序，縮短了施工工期，節(jié)約了施工費(fèi)用。

樁與樁之間距離較大，換熱管的相互影響較小，地下?lián)Q熱器的換熱工況更為穩(wěn)定。

2 樁埋管的施工工藝流程

樁埋管是將地源熱泵系統(tǒng)與樁基相結(jié)合從而達(dá)到節(jié)約資源的目的，樁埋管的施工也是和樁的施工過程同步進(jìn)行的。首先，應(yīng)該平整場(chǎng)地，為鉆機(jī)提供穩(wěn)定的作業(yè)平臺(tái)，接著是泥漿的制備和施工，泥漿能夠防止孔壁塌落和地下水的滲入、潤(rùn)滑鉆具、懸浮土渣用于排渣，但泥漿的制作要求較高，其性能因地基條件和施工機(jī)械等不同而有差異，需要現(xiàn)場(chǎng)施工人員注意好各項(xiàng)指標(biāo)。PE管的預(yù)制、試壓可以和鉆孔同步進(jìn)行。成孔后是PE管的下管、鋼筋籠的沉放和混凝土的澆筑，其中有兩種不同的施工工藝：第一種是先下鋼筋籠，再下PE換熱管，然后澆筑混凝土；第二種是將PE換熱管綁扎在鋼筋籠上，隨鋼筋籠一起下井，然后澆筑混凝土。接著是混凝土的截樁、PE管的沖洗試壓、管溝的開挖以及水平管的連接，最后是回填并且連接分集水器。

3 樁埋管施工過程中的注意事項(xiàng)

對(duì)鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況引入到適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)進(jìn)行處理，既提高了泥漿的循環(huán)使用率，節(jié)約了成本，又可以防止對(duì)河流及周圍環(huán)境的污染。同時(shí)鉆孔過程中會(huì)有一部分泥漿和鉆渣沉于孔底，必須將這些沉積物清除干凈，才能使灌注的混凝土與地層或巖層緊密結(jié)合，保證樁的承載能力。

PE管管材的質(zhì)量是埋管換熱系統(tǒng)的重中之重，一旦管材質(zhì)量出現(xiàn)問題如破損等，不僅影響樁埋管換熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且會(huì)對(duì)樁的承載力造成一定的影響。本身埋管的存在降低了鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能，使得鋼筋和混凝土不能較好的協(xié)同工作，鋼筋容易側(cè)向失穩(wěn)。樁埋管和樁混凝土結(jié)合處又比較薄弱，樁身易受到破壞，再加上埋管的破損以及破損后水對(duì)混凝土的侵蝕，使得樁身更容易發(fā)生脆性破壞，從而導(dǎo)致建筑物的安全性能下降。所以對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的埋管及管件應(yīng)逐件進(jìn)行外觀檢查，破損和不合格品嚴(yán)禁使用，不得使用出廠已久的管材，避免管材老化影響施工質(zhì)量和管路的正常運(yùn)行，同時(shí)，埋管管件存放時(shí)，應(yīng)置于陰涼干燥處，搬運(yùn)時(shí)，應(yīng)小心輕放，避免管材的磨損。埋管運(yùn)到工地后，應(yīng)用自來水試壓進(jìn)行檢漏試驗(yàn)。

PE管的連接主要采用熱熔連接。熱熔連接前應(yīng)先將管件以及加熱工具清潔干凈，加熱過程中不要旋轉(zhuǎn)，緩慢移動(dòng)使材料融化充分并且加熱至規(guī)定時(shí)間，加熱完成后應(yīng)立即完成連接，并保持靜止和嚴(yán)格冷卻時(shí)間，不允許用水快速冷卻。管徑不大于D75的管道，應(yīng)采用熱熔承插連接；大于D90的管道，采用熱熔對(duì)接連接，不同種類的塑料或級(jí)別不同的塑料不應(yīng)熔接。管道管件使用前應(yīng)進(jìn)行剖面檢測(cè)來判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從事管道連接的操作工人必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，經(jīng)考試和技術(shù)評(píng)定合格后，方可上崗操作。

對(duì)于先下鋼筋籠再下PE管的施工工藝，灌注樁鋼筋籠和導(dǎo)漿管下井完畢，應(yīng)立即將PE管下井。PE管內(nèi)需充滿水，增加自重，抵消一部分水浮力的影響；同時(shí)水中含有大量泥沙，泥沙沉積會(huì)減少孔洞的有效深度，造成下管困難，因此可以將PE管固定在混凝土導(dǎo)管上，與混凝土導(dǎo)管一起下管。

澆筑混凝土之前應(yīng)先進(jìn)行壓力測(cè)試。在整個(gè)澆灌過程中直至混凝土達(dá)到堅(jiān)固的幾天后，都要保持測(cè)試壓力，防止PE管承受不住澆灌混凝土?xí)r的壓力而被壓扁，從而影響整個(gè)管路的循環(huán)。

灌注混凝土前一定要用清水稀釋泥漿，并將沉積于孔底的泥漿和鉆渣清除干凈，從而使鋼筋籠外側(cè)的混凝土能正常澆筑，并與孔壁充分接觸強(qiáng)化換熱，有可能的話，鋼筋籠制作過程中可以通過在螺旋筋上穿入中心開孔一定厚度的水泥砂漿墊塊(橫向圓周不少于四個(gè))來保證保護(hù)層厚度，同時(shí)能有效防止露筋現(xiàn)象的發(fā)生，露筋不但會(huì)使鋼筋生銹，也會(huì)影響整個(gè)建筑基礎(chǔ)的安全。

PE管固定在鋼筋籠的同時(shí)，應(yīng)該對(duì)PE管的上部進(jìn)行套管保護(hù)，防止破樁的過程中破壞PE管，待灌注樁強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度的70%時(shí)可以截樁。

回填料不應(yīng)含有尖利的巖石塊和其他碎石。為保證回填均勻且回填料與管道緊密接觸，回填應(yīng)在管道兩側(cè)同步進(jìn)行，夯實(shí)應(yīng)采用輕夯實(shí)，嚴(yán)禁壓實(shí)機(jī)直接作用在管道上，避免管道受損。大面積回填，宜在管道內(nèi)充滿水至工作壓力的情況下進(jìn)行。

分集水器要分別設(shè)排氣裝置，如果管路中有氣體，會(huì)影響循環(huán)介質(zhì)的正常流動(dòng)，從而影響系統(tǒng)的換熱能力。在水平管路的施工過程中，可以使管路有一定向上傾斜的坡度，有利于排氣。

4 后注漿技術(shù)的應(yīng)用

埋管后會(huì)影響基樁的承載力，同時(shí)基樁的沉降也會(huì)影響樁埋管地源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而后注漿技術(shù)通過成樁過程中在樁身預(yù)置注漿管路，待樁身混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后向樁側(cè)或樁端注入漿液，從而加固樁端樁側(cè)土體，提高樁的承載力、減少沉降量，同時(shí)也消除了灌注樁樁底沉渣和樁周泥膜等隱患。后注漿單樁極限承載力可按式(1)估算：

Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk=u∑qsjklj+u∑βsiqsiklgi+βpqpkAp

(1)

其中，Qsk為后注漿非豎向增強(qiáng)段的總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qgsk為后注漿豎向增強(qiáng)段的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qgpk為后注漿總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長(zhǎng)；lj為后注漿豎向增強(qiáng)段第j層土厚度；lgi為后注漿豎向增強(qiáng)段內(nèi)第i層土厚度；qsjk,qsik,qpk分別為后注漿豎向增強(qiáng)段第i土層初始極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值、非豎向增強(qiáng)段第j土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；βsi,βp分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強(qiáng)系數(shù)，無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按表1取值。

表1 后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi、端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp

而大直徑樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按式(2)計(jì)算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp

(2)

其中，qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為樁徑為800 mm的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ψsi,Ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，按表2取值。

表2 大直徑灌注樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)Ψsi、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)Ψp

通過比較式(1)和式(2)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在相同的地基條件下，樁長(zhǎng)、樁型相同，采用后注漿技術(shù)能提高單樁承載力。實(shí)際工程中還可以通過高應(yīng)變等試驗(yàn)對(duì)埋管樁的單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)來確定埋管后單樁承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而保證施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

樁埋管地源熱泵系統(tǒng)形式多樣，具體的選擇還需要結(jié)合工程實(shí)際，節(jié)約資源、提高效率是樁埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在，但樁基與地埋管地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)合在施工過程中還存在很多問題，這些問題會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定，采用后注漿技術(shù)能有效提高基樁承載力、控制沉降從而保證樁埋管地源熱泵系統(tǒng)的正常循環(huán)和基樁的可靠性，所以施工過程中應(yīng)嚴(yán)格施工工藝、完善施工工藝。在綠色環(huán)保受到重視的今天，樁埋管地源熱泵系統(tǒng)將得到更多的應(yīng)用。