現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁技術(shù)研發(fā)

夏京 胡莊 張皖湘 汪磊 胡俊

摘 要：為充分利用環(huán)境設(shè)施、節(jié)約資源和能量，綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄系統(tǒng)形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)。該技術(shù)是將大直徑管樁運(yùn)用到基坑支護(hù)中，該管樁作為支撐結(jié)構(gòu)可提高基坑安全性能;同時(shí)其空心管狀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)利用地下淺層地溫能對(duì)上部建筑空間進(jìn)行供暖或制冷;另外其空心管狀結(jié)構(gòu)也可儲(chǔ)存雨水，符合海綿城市理念。通過施工工藝介紹和技術(shù)對(duì)比，主要得出：該技術(shù)可大幅提高支護(hù)體抗彎能力，節(jié)約造價(jià)，可利用地下淺層地溫能對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行供暖或制冷，同時(shí)符合海綿城市的理念;以直徑2 000 mm、壁厚200 mm管樁和直徑1 200 mm實(shí)心樁進(jìn)行基坑支護(hù)方案比較，直徑2 000 mm、壁厚200 mm管樁的抗彎剛度（慣性矩）提高了3.6倍，造價(jià)節(jié)省1/3;當(dāng)基坑面積為100 m×100 m時(shí)，降低二氧化碳排放量22.7 t;降溫效果對(duì)比中，加冰情況下，能量交換系統(tǒng)降溫效果與空調(diào)運(yùn)行時(shí)差別不大，但用電量僅為空調(diào)系統(tǒng)的1/6。所得結(jié)果可為今后類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù);地溫交換;海綿城市;大直徑管樁

中圖分類號(hào)：TU46 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）01-0095-10

Abstract：In order to make full use of environmental facilities， save resources and energy， a new technology of large-diameter foundation pit retaining and retaining energy storage pipe pile is formed by comprehensive consideration of foundation pit retaining system， ground temperature exchange system and rainwater storage system. This technology is to apply large-diameter pipe pile to foundation pit retaining. As a supporting structure， the pipe pile can improve the safety performance of foundation pit. At the same time， the hollow tubular structure can make use of underground shallow ground temperature to heat or cool the upper building space. In addition， its hollow tubular structure can also store rainwater， in line with the sponge city concept. Through the introduction of the construction technology and the comparison of the technologies， it is concluded that the technology can greatly improve the bending resistance of the support body， save the cost， and can use the underground shallow ground temperature energy to heat or cool the building （structure）， at the same time in line with the concept of sponge city. Comparing the foundation pit support schemes with pipe piles with a diameter of 2 000mm and a wall thickness of 200mm and solid piles with a diameter of 1 200mm， the bending rigidity （moment of inertia） of pipe piles with a diameter of 2 000mm and a wall thickness of 200mm was increased by 3.6 times and the cost was saved by one third. When the foundation pit area is 100 m×100 m， carbon dioxide emission is reduced by 22.7 t. In the comparison of cooling effect， the cooling effect of the energy exchange system with ice is not different from that of the air conditioning system， but the electricity consumption is only 1/6 of that of the air conditioning system. The results can provide technical reference for similar projects in the future.

Keywords：Foundation pit support; geothermal exchange; sponge city; large diameter pipe pile

0 引言

為充分利用環(huán)境設(shè)施、節(jié)約資源和能量，綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄系統(tǒng)，利用上述3個(gè)系統(tǒng)形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)。

眾所周知，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)一般是在坑底下有一定插入深度的樁、板和墻結(jié)構(gòu)，常用材料為混凝土、鋼筋混凝土及鋼材等，可以是鋼板樁、柱列式灌注樁、水泥土攪拌樁和地下連續(xù)墻等[1-2]。板墻可以懸臂，但更多是單撐和多撐式的（單錨和多錨式）結(jié)構(gòu)[3]。柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)有水泥土攪拌樁（粉噴樁、濕噴樁）、鋼板樁和TRD工法等，其特點(diǎn)為支護(hù)費(fèi)用低，支護(hù)效果弱[4-5]。剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)有鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等，其特點(diǎn)為支護(hù)效果好，支護(hù)費(fèi)用高[6-8]。研究一種具有剛性樁支護(hù)效果、柔性樁支護(hù)費(fèi)用、技術(shù)可靠且經(jīng)濟(jì)合理的新型基坑支護(hù)技術(shù)是目前亟待解決的工程難題。

此外，地源熱泵技術(shù)是利用地下的土壤、地表水和地下水溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的[9]。能量樁是在建筑物建造時(shí)，直接將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的塑料換熱管埋設(shè)在建筑物的混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱器，稱為樁基埋管地?zé)釗Q熱器，也稱作能量樁[10-11]。

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣， 在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水和凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[12-14]。

劉漢龍[15-16]總結(jié)歸納了優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)創(chuàng)新法、逆向思維創(chuàng)新法、組合技術(shù)創(chuàng)新法、希望點(diǎn)列舉創(chuàng)新法、觸類旁通創(chuàng)新法、強(qiáng)制聯(lián)想創(chuàng)新法和擴(kuò)散（發(fā)散）思維創(chuàng)新法等7種創(chuàng)新方法。本文采用組合技術(shù)創(chuàng)新法，綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄與利用系統(tǒng)，形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)，并運(yùn)用觸類旁通創(chuàng)新法對(duì)該技術(shù)的施工工藝進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。

1 大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)

1.1 概況

大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)[17-19]是將大直徑管樁運(yùn)用到基坑支護(hù)中，作為支撐結(jié)構(gòu)，減少了混凝土用量，提高了支護(hù)樁抗彎能力;同時(shí)將其設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區(qū)”的建筑空間進(jìn)行供暖或制冷。另外，空心管狀結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存與利用雨水的空間，符合海綿城市的理念。大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)如圖1所示。

圖中序號(hào)1—13表示見圖注，包括管樁以及地溫交換與蓄水系統(tǒng);管樁1具體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土大直徑管樁（也可是大直徑預(yù)制管樁），是在地下工程主體結(jié)構(gòu)完工前用以保障基坑側(cè)壁穩(wěn)定的圍護(hù)結(jié)構(gòu);地溫交換系統(tǒng)包括進(jìn)水總管2、出水總管3、散熱管6以及風(fēng)扇7，進(jìn)水總管2的進(jìn)水端和出水總管3的出水端分別連接有進(jìn)水支管4和出水支管5，且二者均位于管樁1的內(nèi)部，散熱管6連接于進(jìn)水總管2和出水總管3之間，并形成循環(huán)，散熱管6采用蛇形布置，相鄰的散熱管6之間安裝有的風(fēng)扇7;散熱管6和風(fēng)扇7均安裝于房屋的吊頂上，進(jìn)水總管2上還連接有循環(huán)泵8。

蓄水系統(tǒng)如圖2所示，圖中序號(hào)1—6表示見圖注。包括蓄水井3、設(shè)在蓄水井3中的水泵4，其特征在于：還包括管樁、澆筑在管樁頂部的冠梁6、與各個(gè)管樁1相對(duì)應(yīng)的預(yù)埋管道7和虹吸管2，管樁1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的支護(hù)管樁，預(yù)埋管道7一部分埋設(shè)在冠梁6中，預(yù)埋管道7一端連接到雨水管網(wǎng)，另一端從管樁1端頭伸入到管樁1的中空腔體11中，虹吸管2包括若干進(jìn)水支管和連通各個(gè)進(jìn)水支管的總管，進(jìn)水支管伸入與之對(duì)應(yīng)的中空腔體中，總管具有伸入到蓄水井3底部的出水口，出水口高度低于各個(gè)進(jìn)水支管的進(jìn)水口。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）作為支撐結(jié)構(gòu)，大幅度地提高了支護(hù)體抗彎能力，增加了基坑安全性能，又減少了混凝土用量，大大節(jié)約造價(jià)。

（2）將其設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區(qū)”的建筑空間進(jìn)行供暖或制冷。

（3）空心管狀結(jié)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存雨水的空間，符合海綿城市的理念。

1.3 施工工藝

大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→現(xiàn)澆管樁機(jī)就位（也可使用預(yù)制管樁）→振動(dòng)沉管→安放鋼筋籠→灌注混凝土→振動(dòng)上拔成樁→開挖樁頭及樁芯土→檢測(cè)樁身質(zhì)量→預(yù)埋PE給水管→支模澆筑冠梁→待正負(fù)零以上施工時(shí)，布設(shè)進(jìn)出水總管、吊頂熱傳遞水管及風(fēng)扇等熱交換設(shè)備。該技術(shù)施工現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁單根管樁的施工工藝流程如下：進(jìn)行施工準(zhǔn)備→旋挖樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)在設(shè)定位置旋挖成孔→綁扎鋼筋籠并連接到波紋管上→組裝澆筑輔助裝置→將綁扎后的鋼筋籠、波紋管和澆筑輔助裝置吊裝到樁孔中→從導(dǎo)管澆筑混凝土成型→合攏澆筑輔助裝置，將澆筑輔助裝置取出→上拔成樁。現(xiàn)場(chǎng)澆筑的大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁如圖4所示（內(nèi)徑1.0 m，外徑1.5 m）。

2 大直徑管樁基坑支護(hù)方案與鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案對(duì)比

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

將鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案與大直徑管樁基坑支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，如圖5所示。分別設(shè)計(jì)計(jì)算了直徑為1 000 mm、間距為1 400 mm、長度為11 500 mm實(shí)心樁和直徑為1 000 mm、壁厚為200 mm、間距1 400 mm、長度為11 500 mm的空心樁這兩種樁型情況，對(duì)兩種樁設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行變形、整體穩(wěn)定性和抗傾覆比較，兩種情況驗(yàn)算均滿足要求，并做了對(duì)比分析。以直徑2 000 mm，壁厚200 mm的管樁和直徑1 200 mm的實(shí)心樁進(jìn)行比較，混凝土用量一樣，但前者抗彎剛度（慣性矩）比后者提高了3.6倍。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)兩種方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，見表1，由表1可知，同等條件下，大直徑管樁基坑支護(hù)方案比鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案節(jié)省1/3的造價(jià)。

3 能量交換系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)降溫效果實(shí)測(cè)對(duì)比

3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

3.1.1 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)布置如圖6所示，測(cè)量土體溫度的測(cè)點(diǎn)以及測(cè)量深度分別為1號(hào)點(diǎn)地下3 m、3號(hào)點(diǎn)地下4.5 m、5號(hào)點(diǎn)6 m、7號(hào)點(diǎn)7.5 m，測(cè)量現(xiàn)澆管樁溫度的測(cè)點(diǎn)以及測(cè)量深度分別為2號(hào)點(diǎn)地下3 m、4號(hào)點(diǎn)地下4.5 m、6號(hào)點(diǎn)6 m、8號(hào)點(diǎn)7.5 m，14號(hào)點(diǎn)測(cè)量室外環(huán)境溫度，其余測(cè)點(diǎn)均勻分布在集裝箱內(nèi)。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施如圖7所示，能量交換系統(tǒng)中，管樁內(nèi)盤管高為1 m，放置于管樁內(nèi)水底，即地表以下9 m處。空調(diào)型號(hào)為美的省電星變頻空調(diào)，輸入功率1 080 W;風(fēng)機(jī)型號(hào)為HFCS04，輸入功率53 W;并采用SH-X多路溫度記錄儀記錄現(xiàn)場(chǎng)溫度變化情況、單相電子式電能表記錄耗電量。所有檢測(cè)儀器分別放置于集裝箱內(nèi)。

3.2 溫度測(cè)量

3.2.1 用電量計(jì)數(shù)

圖8為開始、1 h后和2 h后用電量統(tǒng)計(jì)情況，用電量記錄方式是由手機(jī)不間斷拍攝，后期截取有代表性的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的用電由此計(jì)算出數(shù)值差即為耗電量。

3.2.2 溫度測(cè)量

圖9（a）為空調(diào)運(yùn)行時(shí)室內(nèi)溫度變化圖，測(cè)量開始時(shí)間為2020年8月3日9：30，此時(shí)還沒有能量交換系統(tǒng)，因此沒有布設(shè)1～8號(hào)通道。紅色曲線為14號(hào)測(cè)量室外環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)，可以看出室外溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)降溫過程在11：30時(shí)趨于穩(wěn)定，歷時(shí)2 h，溫度平均下降了11 ℃。由圖8（a）可看出全程用電量為2.3 kW·h（2 h后的11.4 kW·h-開始時(shí)的9.1 kW·h=2.3 kW·h）。

圖9（b）為能量交換系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度變化圖，降溫過程在最開始15 min比較明顯，室內(nèi)平均溫度下降了4 ℃，然后趨于穩(wěn)定不再下降。圖8（b）可看出2 h用電量僅為0.4 ?kW·h（2 h后的24.7 kW·h-開始時(shí)的24.3 kW·h=0.4 kW·h），耗電量約為空調(diào)運(yùn)行時(shí)的1/6，降溫效率（溫度下降量）為空調(diào)運(yùn)行時(shí)的1/3。風(fēng)機(jī)運(yùn)行前由6、8號(hào)通道測(cè)點(diǎn)溫度可知，盤管所處位置初始溫度為21 ℃。

圖9（c）為加冰情況下能量交換系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫度變化圖，能量交換系統(tǒng)風(fēng)機(jī)于13：10左右打開，可以看到，10號(hào)和11號(hào)通道在很短時(shí)間內(nèi)溫度下降了約15 ℃，這是由于這兩個(gè)通道測(cè)點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)口。由其余室內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度曲線可知整個(gè)降溫過程在15：00后趨于平緩，后面的溫度下降受環(huán)境溫度下降影響，不予研究。4、6、8號(hào)通道測(cè)點(diǎn)溫度顯示，加冰的情況下，盤管所處溫度為17 ℃。降溫過程歷時(shí)2 h，室內(nèi)溫度下降了10 ℃，耗電量為0.4 kW·h。 由此可知，相同時(shí)間內(nèi)，能量交換系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行的耗電量與盤管所處溫度無關(guān)。能量交換系統(tǒng)能極大節(jié)省用電量。

特別說明：圖9（a）和圖9（c）在結(jié)尾時(shí)刻溫度曲線有明顯上升，這是因?yàn)楣ぷ魅藛T打開了集裝箱門進(jìn)入記錄數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄與利用系統(tǒng)，形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的施工工藝和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并將其與鉆孔灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比，主要得出如下結(jié)果。

（1）大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)大幅提高了支護(hù)體抗彎能力，節(jié)約造價(jià);利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)建（構(gòu)）筑物進(jìn)行供暖或制冷;同時(shí)符合海綿城市的理念。

（2）以直徑2 000 mm，壁厚200 mm的管樁和直徑1 200 mm的實(shí)心樁進(jìn)行基坑支護(hù)方案比較，混凝土用量一樣，但前者抗彎剛度（慣性矩）比后者提高了3.6倍。

（3）同等條件下，大直徑管樁基坑支護(hù)方案比鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案節(jié)省1/3的造價(jià)。

（4）當(dāng)基坑面積為100 m×100 m時(shí)，大直徑管樁基坑支護(hù)方案比鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案降低二氧化碳排放量22.7 t。

（5）降溫效果對(duì)比中，不加冰時(shí)（即盤管所處水位溫度為21 ℃）能量交換降溫效果為空調(diào)的1/3，后者耗電量為前者1/6。加冰（即降低盤管所處水位溫度至17 ℃）情況下，能量交換系統(tǒng)降溫效果與空調(diào)運(yùn)行時(shí)差別不大，用電量同樣僅為其1/6。相同時(shí)間內(nèi)，能量交換系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行的耗電量與盤管所處溫度無關(guān)。能量交換系統(tǒng)能極大節(jié)省用電量。

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