建筑基础下地埋管钻孔设计施工探析

高 鹏 刁乃仁 石 磊



建筑基础下地埋管钻孔设计施工探析

高 鹏1,2刁乃仁1石 磊3

（1.山东建筑大学热能工程学院 济南 250101；2.山东亚特尔集团股份有限公司 济南 250014；3.济宁市建筑设计研究院 济宁 272000）

简要介绍建筑基础的类型，针对建筑规模大的地源热泵应用工程，提出在建筑基础下钻孔施工的工艺方法，并根据工程实例详细说明建筑基础下钻孔的可行性，从而为解决建筑规模大、钻孔区域面积不足的地源热泵工程提供一种可行性方案。

建筑基础；地源热泵；钻孔施工；管路安装

0 引言

根据地源热泵换热系统的不同，可分为地埋管、地下水、地表水三种形式[1]。地埋管换热系统尤其是竖直地埋管换热系统，由于其占地少，换热量大，尤其适合我国地少人多的国情，是国内应用浅层地热能的一种主要形式。目前大型浅层地热能资源开发利用工程规模很多（10～20万m2），而且建设规模有越来越大的趋势[2]。工程规模越大对地下环境的要求越高，对钻孔区域的地下空间要求越大，尤其是大量地埋管换热器集中在一个地块，需要更大面积的地下空间。但不是任一个地源热泵工程，都能提供出足够的可使用钻孔区域，这也成为制约建筑密集度大的城市发展地源热泵的原因，因此需要考虑换热量更大的埋管方式或将钻孔设置到其他空间。目前采用的补充地埋管钻孔的方式有很多，比如在桩基中埋管。桩基埋管的方式有串联双U型（W型）、单U型、并联双U型、并联三U型和螺旋式等[3]。将地埋管埋设在桩基中，易受埋地桩的数量和深度的限制，对于小型工程可以起到一定的补充作用，如果工程规模庞大，如大型住宅小区地源热泵工程，桩基埋管也不能从根本上解决钻孔区域不足的问题，本文将根据工程实际，分析探讨建筑基础下钻孔施工的工艺方法。

1 建筑基础的分类

建筑基础指建筑底部与地基接触的承重构件，作用是把建筑上部的荷载传给地基[4]。

按基础构造形式可分为条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础，满堂基础又分为筏板基础和箱形基础，按受力性能可分为刚性基础和柔性基础。

刚性基础：用砖、石、灰土、混凝土等抗压强度大而抗弯、抗剪强度小的材料做基础。

柔性基础：用于地基承载力较差、上部荷载较大、设有地下室且基础埋深较大的建筑。在混凝土基础底部配置受力钢筋，利用钢筋受拉，基础可以承受弯矩，也就不受刚性角的限制，所以钢筋混凝土基础也称为柔性基础。

地源热泵工程中遇到的大都为柔性基础且以筏板基础和箱式基础为多。部分基础示意图如下。

图1 常见基础类型

图2 箱式基础

2 钻孔施工

钻孔施工前，应先确定钻孔施工面的起始标高[5]。建筑基础下钻孔施工，地埋钻孔的起始标高应以车库地基基底开始计算，由于钻机及施工人员需在钻孔工作面上来回移动，会对施工面造成一定的破坏，为防止车库地基不受扰动，钻孔的起始标高要高于车库地基下表面，待钻孔完成后，再将保护浮土清除掉，具体标高如图3。

图3 施工标高示意图

3 水平管施工

以筏板基础为例，筏板基础由下往上分别是垫层、防水层、筏板层，垫层一般是混凝土结构。为保护水平地埋管，一般将水平埋管埋设在车库垫层下；水平沟的回填，一是为了保护水平地埋管，二是防止基础沉降，所以回填料要选择细沙和砂石；为了在钻孔时不扰动车库垫层地基，可以保留部分厚度的土层，钻孔完成后再清掉该部分（如图3）。

4 二级分集水器设置及接管方式

分集水器是分流或汇集水流的容器，可分为多级。地源热泵工程中，为减少系统的水流阻力，二级分集水器是将地埋管换热器中换热介质进行分流汇集，再通过主管道与一级分集水器或总分集水器相连接的装置。

（1）对于筏板基础，且车库净高较大，可将二级分集水器吊挂在车库内墙上，分集水器至总分集水器的主管紧贴车库顶下表面吊装，如图4（a）。

（2）对于箱式基础，且车库净高不足，将二级分集水器吊装在车库内墙上，分集水器至总分集水器的主管下翻至基础箱内的土层内敷设，如图 4（b）。

（a）筏板基础接管图 （b）箱式基础接管图

以上两种接管方式都是PE地埋管从车库墙外穿墙至车库内。二级分集水器至总分集水器主管的安装方式要考虑基础的类型和车库的净高问题。

水平地埋管接至二级分集水器的PE管道敷设在车库垫层下，沿车库外墙再上翻的原因，主要是考虑防水问题。车库基础下的防水施工难度大，且防水效果不好，而在立墙上做防水相对容易，更不容易出现问题。二级分集水器至总分集水器的管道安装，可以采用架空吊装或埋地方式，需要根据建筑基础的类型进行选择。

5 检查井的位置

检查井是为城市地下基础设施的供电、给水、排水、排污等维修、安装方便而设置的。一般设在管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处、以及直线管段上每隔一定距离处。地源热泵系统中的检查井是放置分集水器的场所，方便检查水流的通畅和对系统进行检修。

检查井的设置位置可分为以下几种情况：

（1）车库顶板距地表距离小

如果地下水位较浅，则在车库外墙的地表做检查井，如图5第一种方案。

如果车库净高较小，地下水位较深，可以将检查井设置在整个车库下，如图5第二种方案。检修口的上沿至检查井上沿的高度H是基础的厚度，即用车库的基础做检查井的井盖，具体做法（如图6）。

（2）车库顶板距地表距离大

如果距离较大，施工难度及费用增加，因此不建议检查井方案，可以采用分集水器吊装在车库内墙的方案（如图4）。

图5 检查井位置图

图6 检查井位置图

6 工程实例介绍

6.1 工程概况

山东滕州某住宅小区地源热泵工程，总建筑面积130931.90m2，地上建筑面积111610.77m2，共6栋住宅楼，地下建筑面积19321.13m2，主要为车库，绿地率30.12%，容积率3.49。

表1 建筑工程概况

本工程建筑规模大，容积率小，地上可用钻孔面积严重不足。车库基础采用筏形基础形式，因此可考虑将钻孔布置在车库基础下（主体建筑下不考虑钻孔施工），以满足本工程的钻孔数量要求。

筏板基础，将墙或柱下基础连成一片，使整个建筑物的荷载承受在一块整板上，这种满堂式的板式基础称筏形基础，一般当建筑物上部荷载较大而地基承载能力又比较弱时采用（如图7）。筏形基础由于其底面积大，故可减小基底压强，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。

图7 筏板基础

6.2 竖直钻孔施工

本工程钻孔区域设计在车库地面以下，车库内表面标高-7.000m（本标高以6#楼±0.000为基准），车库筏板基础局部厚度为1.2m，即车库基础下表面标高为-8.200m，根据前述，钻孔的有效起始标高即为-8.200m，出于保护车库地基不受扰动，钻孔施工面确定为-7.700m，即有0.5m的保护浮土，待钻孔施工完成后，再行清理至车库基础下表面的标高（如图8）。

钻孔的几何分布形式设置矩阵型排列[6]，钻孔间距取4.00m×4.05m（竖向间距×横向间距）。根据规范要求，本工程施工前，已完成岩土热物性测试分析[7]，本地区主要地质情况为土层，地下水含量丰富，适合应用地源热泵技术。本工程设计DE32双U型埋管，钻孔深度120m，钻孔800个，共计钻孔总延米96000m。根据钻孔区域的分布，将800口地埋钻孔设计为8个分区，每个区内设置一组二级分集水器。

6.3 水平管路系统

图8 钻孔剖面图

6.3.1 水平管埋深

将六个钻孔内的U型管连接成一个水平环路，水平埋管管径设计为DE63管，水平环路设计为同程系统[8]，利用通行地沟方式实现水平环路的连接，水平连接管从车库基础垫层下水平敷设，水平埋管设计埋深在垫层下0.5m（-8.700m），即水平沟底标高为-8.700m（如图9）。

图9 水平沟标高图

6.3.2 水平管沟开挖方式

（1）钻孔施工完成后，我方直接开挖水平沟，此时水平沟需开挖深度为100cm，然后连接水平连管，然后管沟回填50cm，工程的开挖土方量（m³）=车库基底面积×100cm（深度），会增加土方开挖费用。

（2）钻孔施工完成后，总包方负责将钻孔工作面至车库基底的50cm厚度的土方挖掉，我方再行开挖水平沟，此时我方开挖深度为50cm，工程的开挖土方量（m³）=车库基底面积×50cm（深度），工程开挖费用会较低，但会由于总包方挖土过程对PE管的破坏，增加管材的费用。

本工程在施工过程中，为控制施工费用，我方采用第二种管沟开挖方式（如图10），现场对PE地埋管进行一定的防护措施[9]。

图10 水平沟开挖实景图

6.3.3 水平管沟回填

水平管连接完成后，将水平管沟进行回填，为保护PE管不受破坏，采用细砂回填；为了防止车库基础沉降，需要在细砂之上再铺设一层砂石。本工程中，根据设计单位的意见，具体回填方式采用沟底部30cm回填细沙，上部20cm回填砂石的方式，既保护了PE管材，又对车库基础起到了有力的支撑。

6.4 二级分集水器安装

在8个分区中，每个分区设一组二级分集水器，分集水器设置于地下车库内，采用墙挂式，利用槽钢搭建支架放置分集水器（如图11），穿墙螺丝固定支架，并做防水处理。

图11 分集水器安装实景图

由于暴露的PE管易遭到破坏、划伤，本工程中，二级分集水器到总分集水器的管道采用无缝钢管并做保温处理，管道沿车库顶板下表面架空敷设，采用吊装方式。

6.5 DE63管连接二级分集水器

地埋管沿车库基础垫层下铺设至车库墙外，上翻再穿墙进入车库内与二级分集水器进行连接，如图4（a）。本工程中，从车库墙外上翻管、水平穿墙管皆采用的PE63管，加设穿墙套管，并做防水处理，实景图如图12。

图12 连管实景图

由于车库立面墙外的回填材料是土沙及素土，且没有进行夯实处理，在雨水的冲刷及自然沉降的作用下，容易造成了回填物料的下陷，并对PE管材有拉伸力，造成接管弯头及穿墙处管材遭受破坏；而且其上部有消防通道，在有荷载较大车辆通过时，容易造成管材挤压破坏，因此建议本部位管材改用具有支撑作用无缝钢管[10]。

7 结论

地埋管地源热泵工程需要一定面积的布孔区域，当地上面积不能满足钻孔需要时，可考虑将钻孔施工到建筑地基以下。一般是将钻孔埋设到楼间车库地基以下，因为车库荷载小，对地基的压力小，不会因为有钻孔的存在，对基础造成破坏。

地基下钻孔设计施工时，需要考虑的要点：

（1）分析地下车库基础剖面图，确定建筑基础形式。

（2）确定该工程的±0.000，车库的层高，建筑地基底面的标高，钻孔的起始标高。

（3）水平管路施工时，根据车库基础底面的标高，确定水平管的埋深。

（4）根据工程实际情况选择水平沟开挖方式，回填料的选择要征求设计单位意见。

（5）根据车库净高及地下水位选用合适的检查井方案及分集水器的安装方式。

（6）由底板上翻的管道及连接分集水器的穿墙管道建议采用可承重的无缝钢管。

[1] GB50366-2005（2009版）,地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] 杨卫波,董华.土壤源热泵系统国内外研究状况及其发展前景[J].建筑热能通风空调,2003,(3):52-55.

[3] 石磊,高鹏,耿宴,等.济宁某桩埋管项目工程分析[J].制冷与空调,2010,24(3):53-56．

[4] GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002．

[5] CJJ/T 13-2013,供水水文地质钻探与管井施工操作规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[6] 方肇洪,刁乃仁,苏登超,等.竖直U型埋管地源热泵空调系统的设计与安装[J].现代空调,2001,8(3):101-105.

[7] 赵进,王景刚,杜梅霞,等.地源热泵土壤热物性测试与分析[J].河北工程大学学报(自然科学版),2010,27(1): 58-60.

[8] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9] CJJ 101-2004,埋地聚乙烯给水管道技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[10]CECS344,地源热泵系统地埋管换热器施工技术规程[S].北京:中国计划出版社,2013.

Drilling Design and Construction of Buried Pipes Under Building Foundation

Gao Peng1,2Diao Nairen1Shi Lei3

( 1.School of Thermal Energy Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan, 250101;2.Shandong Yateer Group Co., Ltd, Jinan, 250014;3.Jiningshi Architecture Design & Research Institute, Jining, 272000 )

Briefly introduces the construction of the type, for building a large scale application of ground source heat pump systems engineering proposed under building foundation drilling construction process, and according to the engineering example in detail the feasibility of building foundation drilling, so as to provide a feasible scheme to solve the large-scale building, drilling area lack of ground source heat pump project.

Building foundation; Ground source heat pump; Drilling construction; Piping installation

1671-6612（2017）03-276-05

TK529

B

高 鹏（1984-），男，工程硕士，工程师，E-mail：gaop0801@163.com

2016-01-27