桩埋管地源热泵系统施工工艺初探

高 鑫 鲍俊安

(1.常州市金坛区建设工程质量检测有限公司，江苏 常州 213200； 2.常州市金坛区建筑科学研究院，江苏 常州 213200)

0 引言

随着我国建筑业的持续发展，建筑能耗在社会总能耗中逐步提升，建筑节能也不断被关注[1]。地源热泵是一种节能环保技术，因其节能效果显著、绿色环保、经济效应明显等优势在工程中得到越来越多的应用[2]。但是热泵系统水平和垂直埋管的地下换热方式均受到占用土地面积及埋管初投资过高等因素的影响，或多或少降低了地源热泵系统的经济适用性[3]。桩埋管是地源热泵一种新的埋管方式，桩埋管换热器将地源热泵系统地埋管换热器的PE管安装在建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，代替传统的地埋管换热器，桩埋管地热换热器中的灌注桩相当于竖直埋管换热系统中的钻孔回填材料[4]。由于桩埋管与建筑物的桩基结合，和打桩过程同步进行，这就大大加大了其损坏的几率，也增加了施工难度，而且一旦发生故障就很难进行补救，所以对施工工艺的要求就更加严格[5]。

1 桩埋管的主要形式和特点

1.1 主要形式

埋管形式由桩深、桩径等因素决定，主要有单U型、串联双U型(W型)、并联双U型、并联3U型以及螺旋型。单U型管路施工方便，换热性能较好，管路接头少，不易泄漏，但是环路较短，换热量不足。与单U型管路相比，并联双U型和并联3U型管路增加了循环管路的长度，加强了换热，但是接头较多，容易产生泄漏。串联双U型(W型)管路同样增加了循环管路的长度，但是容易在管路高端集气，增大流动阻力，降低传热性能。对比以上几种形式，螺旋型埋管形式大大增加了循环管路的长度，增大换热面积，增加换热量，而且螺旋型埋管管路接头少，不易泄漏。在现有桩埋管研究中主要采用W型和U型，但大直径灌注桩采用螺旋型更为可靠。

1.2 桩埋管特点

桩埋管的回填材料完全是混凝土，混凝土的导热性能相比于其他材料较好，并且埋管与桩、桩与土壤接触紧密，减少了热阻，强化了循环介质与土壤之间传热，使得它的换热效果比起其他回填材料要好。

桩埋管充分利用建筑物的地下面积，省去了地埋管的钻孔工序，缩短了施工工期，节约了施工费用。

桩与桩之间距离较大，换热管的相互影响较小，地下换热器的换热工况更为稳定。

2 桩埋管的施工工艺流程

桩埋管是将地源热泵系统与桩基相结合从而达到节约资源的目的，桩埋管的施工也是和桩的施工过程同步进行的。首先，应该平整场地，为钻机提供稳定的作业平台，接着是泥浆的制备和施工，泥浆能够防止孔壁塌落和地下水的渗入、润滑钻具、悬浮土渣用于排渣，但泥浆的制作要求较高，其性能因地基条件和施工机械等不同而有差异，需要现场施工人员注意好各项指标。PE管的预制、试压可以和钻孔同步进行。成孔后是PE管的下管、钢筋笼的沉放和混凝土的浇筑，其中有两种不同的施工工艺：第一种是先下钢筋笼，再下PE换热管，然后浇筑混凝土；第二种是将PE换热管绑扎在钢筋笼上，随钢筋笼一起下井，然后浇筑混凝土。接着是混凝土的截桩、PE管的冲洗试压、管沟的开挖以及水平管的连接，最后是回填并且连接分集水器。

3 桩埋管施工过程中的注意事项

对钻孔、清孔、灌注混凝土过程中排出的泥浆，根据现场情况引入到适当地点进行处理，既提高了泥浆的循环使用率，节约了成本，又可以防止对河流及周围环境的污染。同时钻孔过程中会有一部分泥浆和钻渣沉于孔底，必须将这些沉积物清除干净，才能使灌注的混凝土与地层或岩层紧密结合，保证桩的承载能力。

PE管管材的质量是埋管换热系统的重中之重，一旦管材质量出现问题如破损等，不仅影响桩埋管换热系统的正常运行，而且会对桩的承载力造成一定的影响。本身埋管的存在降低了钢筋和混凝土之间的黏结性能，使得钢筋和混凝土不能较好的协同工作，钢筋容易侧向失稳。桩埋管和桩混凝土结合处又比较薄弱，桩身易受到破坏，再加上埋管的破损以及破损后水对混凝土的侵蚀，使得桩身更容易发生脆性破坏，从而导致建筑物的安全性能下降。所以对进入现场的埋管及管件应逐件进行外观检查，破损和不合格品严禁使用，不得使用出厂已久的管材，避免管材老化影响施工质量和管路的正常运行，同时，埋管管件存放时，应置于阴凉干燥处，搬运时，应小心轻放，避免管材的磨损。埋管运到工地后，应用自来水试压进行检漏试验。

PE管的连接主要采用热熔连接。热熔连接前应先将管件以及加热工具清洁干净，加热过程中不要旋转，缓慢移动使材料融化充分并且加热至规定时间，加热完成后应立即完成连接，并保持静止和严格冷却时间，不允许用水快速冷却。管径不大于D75的管道，应采用热熔承插连接；大于D90的管道，采用热熔对接连接，不同种类的塑料或级别不同的塑料不应熔接。管道管件使用前应进行剖面检测来判断其是否达到设计要求。从事管道连接的操作工人必须经过专业培训，经考试和技术评定合格后，方可上岗操作。

对于先下钢筋笼再下PE管的施工工艺，灌注桩钢筋笼和导浆管下井完毕，应立即将PE管下井。PE管内需充满水，增加自重，抵消一部分水浮力的影响；同时水中含有大量泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度，造成下管困难，因此可以将PE管固定在混凝土导管上，与混凝土导管一起下管。

浇筑混凝土之前应先进行压力测试。在整个浇灌过程中直至混凝土达到坚固的几天后，都要保持测试压力，防止PE管承受不住浇灌混凝土时的压力而被压扁，从而影响整个管路的循环。

灌注混凝土前一定要用清水稀释泥浆，并将沉积于孔底的泥浆和钻渣清除干净，从而使钢筋笼外侧的混凝土能正常浇筑，并与孔壁充分接触强化换热，有可能的话，钢筋笼制作过程中可以通过在螺旋筋上穿入中心开孔一定厚度的水泥砂浆垫块(横向圆周不少于四个)来保证保护层厚度，同时能有效防止露筋现象的发生，露筋不但会使钢筋生锈，也会影响整个建筑基础的安全。

PE管固定在钢筋笼的同时，应该对PE管的上部进行套管保护，防止破桩的过程中破坏PE管，待灌注桩强度达到规定强度的70%时可以截桩。

回填料不应含有尖利的岩石块和其他碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，夯实应采用轻夯实，严禁压实机直接作用在管道上，避免管道受损。大面积回填，宜在管道内充满水至工作压力的情况下进行。

分集水器要分别设排气装置，如果管路中有气体，会影响循环介质的正常流动，从而影响系统的换热能力。在水平管路的施工过程中，可以使管路有一定向上倾斜的坡度，有利于排气。

4 后注浆技术的应用

埋管后会影响基桩的承载力，同时基桩的沉降也会影响桩埋管地源热泵系统的正常运行，而后注浆技术通过成桩过程中在桩身预置注浆管路，待桩身混凝土达到一定强度后向桩侧或桩端注入浆液，从而加固桩端桩侧土体，提高桩的承载力、减少沉降量，同时也消除了灌注桩桩底沉渣和桩周泥膜等隐患。后注浆单桩极限承载力可按式(1)估算：

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

(1)

其中，Qsk为后注浆非竖向增强段的总极限阻力标准值；Qgsk为后注浆竖向增强段的总极限侧阻力标准值；Qgpk为后注浆总极限端阻力标准值；u为桩身周长；lj为后注浆竖向增强段第j层土厚度；lgi为后注浆竖向增强段内第i层土厚度；qsjk,qsik,qpk分别为后注浆竖向增强段第i土层初始极限阻力标准值、非竖向增强段第j土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值；βsi,βp分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数，无当地经验时，可按表1取值。

表1 后注浆侧阻力增强系数βsi、端阻力增强系数βp

而大直径桩单桩极限承载力标准值按式(2)计算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp

(2)

其中，qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；qpk为桩径为800 mm的极限端阻力标准值；Ψsi,Ψp为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，按表2取值。

表2 大直径灌注桩侧阻尺寸效应系数Ψsi、端阻尺寸效应系数Ψp

通过比较式(1)和式(2)，根据实际工程经验，在相同的地基条件下，桩长、桩型相同，采用后注浆技术能提高单桩承载力。实际工程中还可以通过高应变等试验对埋管桩的单桩承载力进行检测来确定埋管后单桩承载力是否达到设计要求，从而保证施工质量。

5 结语

桩埋管地源热泵系统形式多样，具体的选择还需要结合工程实际，节约资源、提高效率是桩埋管地源热泵系统的优势所在，但桩基与地埋管地源热泵系统的结合在施工过程中还存在很多问题，这些问题会影响整个系统的正常运行以及建筑基础的稳定，采用后注浆技术能有效提高基桩承载力、控制沉降从而保证桩埋管地源热泵系统的正常循环和基桩的可靠性，所以施工过程中应严格施工工艺、完善施工工艺。在绿色环保受到重视的今天，桩埋管地源热泵系统将得到更多的应用。