樁埋管地源熱泵系統施工工藝初探

高 鑫 鮑俊安

(1.常州市金壇區建設工程質量檢測有限公司，江蘇 常州 213200； 2.常州市金壇區建筑科學研究院，江蘇 常州 213200)

0 引言

隨著我國建筑業的持續發展，建筑能耗在社會總能耗中逐步提升，建筑節能也不斷被關注[1]。地源熱泵是一種節能環保技術，因其節能效果顯著、綠色環保、經濟效應明顯等優勢在工程中得到越來越多的應用[2]。但是熱泵系統水平和垂直埋管的地下換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的經濟適用性[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，使其與建筑結構相結合，代替傳統的地埋管換熱器，樁埋管地熱換熱器中的灌注樁相當于豎直埋管換熱系統中的鉆孔回填材料[4]。由于樁埋管與建筑物的樁基結合，和打樁過程同步進行，這就大大加大了其損壞的幾率，也增加了施工難度，而且一旦發生故障就很難進行補救，所以對施工工藝的要求就更加嚴格[5]。

1 樁埋管的主要形式和特點

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、串聯雙U型(W型)、并聯雙U型、并聯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，但是環路較短，換熱量不足。與單U型管路相比，并聯雙U型和并聯3U型管路增加了循環管路的長度，加強了換熱，但是接頭較多，容易產生泄漏。串聯雙U型(W型)管路同樣增加了循環管路的長度，但是容易在管路高端集氣，增大流動阻力，降低傳熱性能。對比以上幾種形式，螺旋型埋管形式大大增加了循環管路的長度，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

樁埋管的回填材料完全是混凝土，混凝土的導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，強化了循環介質與土壤之間傳熱，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，節約了施工費用。

樁與樁之間距離較大，換熱管的相互影響較小，地下換熱器的換熱工況更為穩定。

2 樁埋管的施工工藝流程

樁埋管是將地源熱泵系統與樁基相結合從而達到節約資源的目的，樁埋管的施工也是和樁的施工過程同步進行的。首先，應該平整場地，為鉆機提供穩定的作業平臺，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械等不同而有差異，需要現場施工人員注意好各項指標。PE管的預制、試壓可以和鉆孔同步進行。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

對鉆孔、清孔、灌注混凝土過程中排出的泥漿，根據現場情況引入到適當地點進行處理，既提高了泥漿的循環使用率，節約了成本，又可以防止對河流及周圍環境的污染。同時鉆孔過程中會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合，保證樁的承載能力。

PE管管材的質量是埋管換熱系統的重中之重，一旦管材質量出現問題如破損等，不僅影響樁埋管換熱系統的正常運行，而且會對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性能，使得鋼筋和混凝土不能較好的協同工作，鋼筋容易側向失穩。樁埋管和樁混凝土結合處又比較薄弱，樁身易受到破壞，再加上埋管的破損以及破損后水對混凝土的侵蝕，使得樁身更容易發生脆性破壞，從而導致建筑物的安全性能下降。所以對進入現場的埋管及管件應逐件進行外觀檢查，破損和不合格品嚴禁使用，不得使用出廠已久的管材，避免管材老化影響施工質量和管路的正常運行，同時，埋管管件存放時，應置于陰涼干燥處，搬運時，應小心輕放，避免管材的磨損。埋管運到工地后，應用自來水試壓進行檢漏試驗。

PE管的連接主要采用熱熔連接。熱熔連接前應先將管件以及加熱工具清潔干凈，加熱過程中不要旋轉，緩慢移動使材料融化充分并且加熱至規定時間，加熱完成后應立即完成連接，并保持靜止和嚴格冷卻時間，不允許用水快速冷卻。管徑不大于D75的管道，應采用熱熔承插連接；大于D90的管道，采用熱熔對接連接，不同種類的塑料或級別不同的塑料不應熔接。管道管件使用前應進行剖面檢測來判斷其是否達到設計要求。從事管道連接的操作工人必須經過專業培訓，經考試和技術評定合格后，方可上崗操作。

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

澆筑混凝土之前應先進行壓力測試。在整個澆灌過程中直至混凝土達到堅固的幾天后，都要保持測試壓力，防止PE管承受不住澆灌混凝土時的壓力而被壓扁，從而影響整個管路的循環。

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，從而使鋼筋籠外側的混凝土能正常澆筑，并與孔壁充分接觸強化換熱，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)來保證保護層厚度，同時能有效防止露筋現象的發生，露筋不但會使鋼筋生銹，也會影響整個建筑基礎的安全。

PE管固定在鋼筋籠的同時，應該對PE管的上部進行套管保護，防止破樁的過程中破壞PE管，待灌注樁強度達到規定強度的70%時可以截樁。

回填料不應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，回填應在管道兩側同步進行，夯實應采用輕夯實，嚴禁壓實機直接作用在管道上，避免管道受損。大面積回填，宜在管道內充滿水至工作壓力的情況下進行。

分集水器要分別設排氣裝置，如果管路中有氣體，會影響循環介質的正常流動，從而影響系統的換熱能力。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 后注漿技術的應用

埋管后會影響基樁的承載力，同時基樁的沉降也會影響樁埋管地源熱泵系統的正常運行，而后注漿技術通過成樁過程中在樁身預置注漿管路，待樁身混凝土達到一定強度后向樁側或樁端注入漿液，從而加固樁端樁側土體，提高樁的承載力、減少沉降量，同時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段的總極限阻力標準值；Qgsk為后注漿豎向增強段的總極限側阻力標準值；Qgpk為后注漿總極限端阻力標準值；u為樁身周長；lj為后注漿豎向增強段第j層土厚度；lgi為后注漿豎向增強段內第i層土厚度；qsjk,qsik,qpk分別為后注漿豎向增強段第i土層初始極限阻力標準值、非豎向增強段第j土層初始極限側阻力標準值、初始極限端阻力標準值；βsi,βp分別為后注漿側阻力、端阻力增強系數，無當地經驗時，可按表1取值。

表1 后注漿側阻力增強系數βsi、端阻力增強系數βp

而大直徑樁單樁極限承載力標準值按式(2)計算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp

(2)

其中，qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值；qpk為樁徑為800 mm的極限端阻力標準值；Ψsi,Ψp為大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數，按表2取值。

表2 大直徑灌注樁側阻尺寸效應系數Ψsi、端阻尺寸效應系數Ψp

通過比較式(1)和式(2)，根據實際工程經驗，在相同的地基條件下，樁長、樁型相同，采用后注漿技術能提高單樁承載力。實際工程中還可以通過高應變等試驗對埋管樁的單樁承載力進行檢測來確定埋管后單樁承載力是否達到設計要求，從而保證施工質量。

5 結語

樁埋管地源熱泵系統形式多樣，具體的選擇還需要結合工程實際，節約資源、提高效率是樁埋管地源熱泵系統的優勢所在，但樁基與地埋管地源熱泵系統的結合在施工過程中還存在很多問題，這些問題會影響整個系統的正常運行以及建筑基礎的穩定，采用后注漿技術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的正常循環和基樁的可靠性，所以施工過程中應嚴格施工工藝、完善施工工藝。在綠色環保受到重視的今天，樁埋管地源熱泵系統將得到更多的應用。