淺析地源熱泵系統中豎直埋管施工的重難點及對策

摘要：地源熱泵是利用地球表面淺層水源和土壤源中吸收的太陽能和地熱能，并采用熱泵原理，既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現由低品位熱能向高品位熱能轉移。

關鍵詞：地源熱泵、承壓水、孔內壓漿

Abstract： ground source heat pump is the use of the earth's surface shallow water and the soil to absorb solar energy and geothermal energy source， and USES the principle of heat pump， as well as heating and cooling of high efficiency and energy saving air conditioning system. By entering a small amount of high-grade energy （e.g.， electricity）， implemented by low grade heat energy to the high grade heat transfer.

Key words： ground source heat pump， confined water， Hole grouting

1、工程概況

項目位于南京河西某地，地上建筑面積為34950㎡，地下2層，地上19層。該項目空調冷熱源采用豎直地埋管地源熱泵系統，工程設計地下埋管換熱器采用垂直埋管方式，并聯雙U型PE管，設計埋管有效深度為90m，鉆孔深度101.5m。

2、豎直埋管地源熱泵施工

2.1工藝流程

①定位放線——②開孔——③工程鉆孔——④U型PE管下埋（下埋前PE管進行水壓實驗）——⑤灌漿回填——⑥PE管端頭臨時封堵

2.2施工節點控制

2.2.1 定位放線

1、參照甲方提供的基準點和施工圖紙，采用專門的測量儀器全站儀進行測量、放線、定位，測量每口井的井口標高，并在定位處固定木樁，以保證打孔位置準確。

2.2.2 開孔

1、以鉆孔點定位塔架底盤，采用水平尺對底盤橫向、縱向進行找平；

2、底盤定位后，安裝塔架豎桿，利用鉛錘和直尺測量塔架的垂直度，保證塔架豎桿垂直；

3、安裝鉆機頭、鉆機提升裝置和鉆頭充水（泥漿）等附屬裝置，按要求挖好沉淀池及泥水溝，并使其暢通。

4、對鉆機及附屬裝置接電、接水管，對每臺設備進行點試，確定轉向。

5、鉆機運行前的準備工作完成后，一般空載運行不少于5分鐘，經檢查，各運動部件、顯示儀表正常后，才可以正常工作。

2.2.3 工程鉆孔

a）鉆孔操作

①開動鉆機行走到應鉆孔位置，調整鉆機垂直度。

②操縱鉆臂起落及擺角動作，將滑架置于鉆孔位置。

③操縱鉆桿推進到地面鉆井點，調節轉速獲得適當的推進力，開始可以慢速低轉推進，到一定深度可以勻速鉆進。

b）鉆桿接桿

鉆完一根桿后，需要進行接桿操作，其過程如下：

①停止推進，升起旋轉鉆桿至連接外，用鉆機專用扳手卡住鉆桿連接處；

②把旋轉鉆桿與連接鉆桿卸扣分開，移開滑架；

③用纜繩吊起新鉆桿，并與井內連接鉆桿連接；

④取下專用板手，把鉆桿放入井內至上端，在用專用扳手卡住連接處；

⑤移動滑架至井口，連接旋轉鉆桿和連接鉆桿，取下卡鉆桿的專用板手；

c）卸桿操作

①停止回轉，提起旋轉鉆桿；

②用鉆機專用板手卡住孔口第二根鉆桿公接頭卡扁處；

③卸開旋轉鉆桿與連接鉆桿，放下纜繩卸下連接鉆桿；

④用纜繩栓住井內的連接鉆桿，取下扳手，提起鉆桿至連接處，重復○2、○3操作方法，取下第二根桿，直到全部取出。

2.2.4 U型PE管下埋

1、下管安裝要求及重點

下換熱管之前按設計要求進行水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少15min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象。將其密封保持有壓狀態，準備下管。

豎直地埋管換熱器U型管安裝應在鉆孔鉆好且孔壁固化后立即進行。當鉆孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等導致成孔困難時，應設護壁套管。鉆孔完畢后孔洞內有大量積水，由于水的浮力影響，將對放管造成一定的困難；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉積會減少孔洞的有效深度。因此下管過程中，U型管下井操作時管內必須充滿水，保持規定的壓力，杜絕U型管無壓力下井。下管前將U型換熱管與灌漿管捆綁在一起，并采取防止U形管上浮的措施。

埋管深度及孔內地下水（或泥漿）水位較淺時，宜采用人工下管。當下管較困難時，可采用機械下管。U形管底部用軟質塑料帶等進行綁扎，使下井的機械叉不直接與U型PE管接觸，防止碰壞U形管，機械下管時宜在孔口設置軟布或橡塑襯墊，將PE管順著井口緩慢下井，機械操作人員要控制鉆桿自重下管，速度不能過快，不可施加外力強制下管。

如果鉆孔深度已經達到設計要求，但是U型管下井時碰到卵石層不能下到孔的底部時，不要把剩余部分剪掉，可通過往鉆孔內灌水或經過下大雨及回填后可能自然下沉達到理想深度，防止預留管沉下去后造成廢井。

地源井有效深度的計算可根據井口標高，筏板標高和下管深度差確定下管的有效深度，確保達到圖紙設計有效深度90米。

2、下管注意事項

1）在下管過程中，應注意保持套管的內外管同軸度和U型管進出水管的距離。對于U型管換熱器，可采用專用的彈簧把U型管的兩個支管撐開，以減小兩支管間的熱量回流。；

2）地源管下管要及時，鉆孔完畢驗收后立即進行下管。

2.2.5 灌漿回填

1、地質水文

該項目位于南京河西地區，開挖深度為9.6m依據工程勘察報告相關數據，潛水層位于粉質粘土、淤泥質粘土層，該層層頂埋深11.0-15.8m，層厚在6.5-13.7m；承壓水層由下部的粉細砂和細砂層組成，層頂埋深20.8-27.4m，層厚2.7-10.2m。

2、孔內壓漿回填

雙U型PE管安裝完畢后應立即用回填材料封孔，回填采用專用的砂漿泵機來進行，圖紙設計回填材料采用水泥加膨潤土、粗砂制作的復合回填料，鉆孔深度101.5m，底板下有效深度90m。鉆孔底部以上70m回填料（60%原漿、30%水泥砂漿和10%膨潤土），底板下20m采用水玻璃混合砂漿（50%原漿、30%水泥砂漿、15%膨潤土、5%水玻璃）回填，上部11.5m采用黃砂回填至地面。

3、孔內壓漿的控制措施

根據地質水文資料，底板下20m回填段基本位于潛水層和承壓水層，因此該段灌漿回填采用何種材料尤為關鍵，回填的效果直接關系到基坑開挖的安全，同時也關系到地源熱泵后續利用地下熱能的效果。依據實驗報告相關數據，底板下20m采用水玻璃混合砂漿（50%原漿、30%水泥砂漿、15%膨潤土、5%水玻璃）完全能夠防止基坑開挖造成承壓水和潛水噴涌現象。灌漿回填過程嚴格按照設計配比，現場稱重攪拌均勻；砂漿機帶壓（2.5mpa）壓漿，充分利用膨潤土吸水后高度膨脹的作用和水玻璃粘結性強的特點，從而保證孔內壓漿的密實度，灌漿的深度通過灌漿量及灌漿拔導管的長度進行雙控制。

2.2.6 PE管封堵

當U型管垂直下到井底達到設計要求深度，且下井后15分鐘以上保持0.5MPa的壓力，即下管成功。完成后即可剪表泄壓。剪標泄壓須做好井口標記標識，為基坑開挖做好成品保護。

3、結語

綜上所述，在同時存在地下潛水和承壓水的地區進行地源熱泵施工，應結合地質水文條件，全面分析施工存在的影響，采取切實可行的封堵地下潛水和承壓水的相關措施，不但能保證基坑的安全，而且同時能為地源熱泵后期可持續施工和使用提供了技術保障。

參考文獻

1、地源熱泵系統工程技術規范GB50366-2005

2、《江蘇省工程建設標準-地源熱泵系統工程技術規程》（DGJ32/TJ89-2009）