现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩技术研发

夏京 胡庄 张皖湘 汪磊 胡俊

摘 要：為充分利用环境设施、节约资源和能量，综合考虑基坑支护系统、地温交换系统和雨水调蓄系统形成大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术。该技术是将大直径管桩运用到基坑支护中，该管桩作为支撑结构可提高基坑安全性能;同时其空心管状结构可实现利用地下浅层地温能对上部建筑空间进行供暖或制冷;另外其空心管状结构也可储存雨水，符合海绵城市理念。通过施工工艺介绍和技术对比，主要得出：该技术可大幅提高支护体抗弯能力，节约造价，可利用地下浅层地温能对建（构）筑物进行供暖或制冷，同时符合海绵城市的理念;以直径2 000 mm、壁厚200 mm管桩和直径1 200 mm实心桩进行基坑支护方案比较，直径2 000 mm、壁厚200 mm管桩的抗弯刚度（惯性矩）提高了3.6倍，造价节省1/3;当基坑面积为100 m×100 m时，降低二氧化碳排放量22.7 t;降温效果对比中，加冰情况下，能量交换系统降温效果与空调运行时差别不大，但用电量仅为空调系统的1/6。所得结果可为今后类似工程提供技术参考依据。

关键词：基坑支护;地温交换;海绵城市;大直径管桩

中图分类号：TU46    文献标识码：A   文章编号：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

为充分利用环境设施、节约资源和能量，综合考虑基坑支护系统、地温交换系统和雨水调蓄系统，利用上述3个系统形成大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术。

众所周知，基坑支护结构一般是在坑底下有一定插入深度的桩、板和墙结构，常用材料为混凝土、钢筋混凝土及钢材等，可以是钢板桩、柱列式灌注桩、水泥土搅拌桩和地下连续墙等[1-2]。板墙可以悬臂，但更多是单撑和多撑式的（单锚和多锚式）结构[3]。柔性支护结构有水泥土搅拌桩（粉喷桩、湿喷桩）、钢板桩和TRD工法等，其特点为支护费用低，支护效果弱[4-5]。刚性支护结构有钻孔灌注桩、地下连续墙等，其特点为支护效果好，支护费用高[6-8]。研究一种具有刚性桩支护效果、柔性桩支护费用、技术可靠且经济合理的新型基坑支护技术是目前亟待解决的工程难题。

此外，地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水和地下水温度相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的[9]。能量桩是在建筑物建造时，直接将地源热泵系统地埋管换热器的塑料换热管埋设在建筑物的混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，这样就成为一种新型的地埋管换热器，称为桩基埋管地热换热器，也称作能量桩[10-11]。

海绵城市是指城市能够像海绵一样， 在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水和净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[12-14]。

刘汉龙[15-16]总结归纳了优缺点互补创新法、逆向思维创新法、组合技术创新法、希望点列举创新法、触类旁通创新法、强制联想创新法和扩散（发散）思维创新法等7种创新方法。本文采用组合技术创新法，综合考虑基坑支护系统、地温交换系统和雨水调蓄与利用系统，形成大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术，并运用触类旁通创新法对该技术的施工工艺进行创新与优化。

1 大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术

1.1 概况

大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术[17-19]是将大直径管桩运用到基坑支护中，作为支撑结构，减少了混凝土用量，提高了支护桩抗弯能力;同时将其设计成空心管状结构，利用地下浅层地温能，用水作为载体进行循环的温度交换，从而对会议厅、餐厅和多功能厅等“大空间建筑功能分区”的建筑空间进行供暖或制冷。另外，空心管状结构还可以设计成储存与利用雨水的空间，符合海绵城市的理念。大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术如图1所示。

图中序号1—13表示见图注，包括管桩以及地温交换与蓄水系统;管桩1具体为现浇钢筋混凝土大直径管桩（也可是大直径预制管桩），是在地下工程主体结构完工前用以保障基坑侧壁稳定的围护结构;地温交换系统包括进水总管2、出水总管3、散热管6以及风扇7，进水总管2的进水端和出水总管3的出水端分别连接有进水支管4和出水支管5，且二者均位于管桩1的内部，散热管6连接于进水总管2和出水总管3之间，并形成循环，散热管6采用蛇形布置，相邻的散热管6之间安装有的风扇7;散热管6和风扇7均安装于房屋的吊顶上，进水总管2上还连接有循环泵8。

蓄水系统如图2所示，图中序号1—6表示见图注。包括蓄水井3、设在蓄水井3中的水泵4，其特征在于：还包括管桩、浇筑在管桩顶部的冠梁6、与各个管桩1相对应的预埋管道7和虹吸管2，管桩1为围护结构中使用的支护管桩，预埋管道7一部分埋设在冠梁6中，预埋管道7一端连接到雨水管网，另一端从管桩1端头伸入到管桩1的中空腔体11中，虹吸管2包括若干进水支管和连通各个进水支管的总管，进水支管伸入与之对应的中空腔体中，总管具有伸入到蓄水井3底部的出水口，出水口高度低于各个进水支管的进水口。

1.2 优点

大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术的优点如下。

（1）作为支撑结构，大幅度地提高了支护体抗弯能力，增加了基坑安全性能，又减少了混凝土用量，大大节约造价。

（2）将其设计成空心管状结构，利用地下浅层地温能，用水作为载体进行循环的温度交换，从而对会议厅、餐厅和多功能厅等“大空间建筑功能分区”的建筑空间进行供暖或制冷。

（3）空心管状结构还可以设计成储存雨水的空间，符合海绵城市的理念。

1.3 施工工艺

大直径基坑支护能量蓄水管桩围护结构的施工工艺流程如下：施工准备→现浇管桩机就位（也可使用预制管桩）→振动沉管→安放钢筋笼→灌注混凝土→振动上拔成桩→开挖桩头及桩芯土→检测桩身质量→预埋PE给水管→支模浇筑冠梁→待正负零以上施工时，布设进出水总管、吊顶热传递水管及风扇等热交换设备。该技术施工现场如图3所示。

现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩单根管桩的施工工艺流程如下：进行施工准备→旋挖桩机进场在设定位置旋挖成孔→绑扎钢筋笼并连接到波纹管上→组装浇筑辅助装置→将绑扎后的钢筋笼、波纹管和浇筑辅助装置吊装到桩孔中→从导管浇筑混凝土成型→合拢浇筑辅助装置，将浇筑辅助装置取出→上拔成桩。现场浇筑的大直径基坑支护能量蓄水管桩如图4所示（内径1.0 m，外径1.5 m）。

2 大直径管桩基坑支护方案与钻孔灌注桩基坑支护方案对比

2.1 基坑支护设计

将钻孔灌注桩基坑支护方案与大直径管桩基坑支护方案进行对比设计，如图5所示。分别设计计算了直径为1 000 mm、间距为1 400 mm、长度为11 500 mm实心桩和直径为1 000 mm、壁厚为200 mm、间距1 400 mm、長度为11 500 mm的空心桩这两种桩型情况，对两种桩设计结果进行变形、整体稳定性和抗倾覆比较，两种情况验算均满足要求，并做了对比分析。以直径2 000 mm，壁厚200 mm的管桩和直径1 200 mm的实心桩进行比较，混凝土用量一样，但前者抗弯刚度（惯性矩）比后者提高了3.6倍。

2.2 经济性分析

对两种方案进行了经济性分析，见表1，由表1可知，同等条件下，大直径管桩基坑支护方案比钻孔灌注桩基坑支护方案节省1/3的造价。

3 能量交换系统与空调系统降温效果实测对比

3.1 现场布置

3.1.1 测点布置

现场实测布置如图6所示，测量土体温度的测点以及测量深度分别为1号点地下3 m、3号点地下4.5 m、5号点6 m、7号点7.5 m，测量现浇管桩温度的测点以及测量深度分别为2号点地下3 m、4号点地下4.5 m、6号点6 m、8号点7.5 m，14号点测量室外环境温度，其余测点均匀分布在集装箱内。

3.1.2 现场设施

现场设施如图7所示，能量交换系统中，管桩内盘管高为1 m，放置于管桩内水底，即地表以下9 m处。空调型号为美的省电星变频空调，输入功率1 080 W;风机型号为HFCS04，输入功率53 W;并采用SH-X多路温度记录仪记录现场温度变化情况、单相电子式电能表记录耗电量。所有检测仪器分别放置于集装箱内。

3.2 温度测量

3.2.1 用电量计数

图8为开始、1 h后和2 h后用电量统计情况，用电量记录方式是由手机不间断拍摄，后期截取有代表性的关键时间节点的用电由此计算出数值差即为耗电量。

3.2.2 温度测量

图9（a）为空调运行时室内温度变化图，测量开始时间为2020年8月3日9：30，此时还没有能量交换系统，因此没有布设1～8号通道。红色曲线为14号测量室外环境温度测点，可以看出室外温度基本处于稳定状态，整个降温过程在11：30时趋于稳定，历时2 h，温度平均下降了11 ℃。由图8（a）可看出全程用电量为2.3 kW·h（2 h后的11.4 kW·h-开始时的9.1 kW·h=2.3 kW·h）。

图9（b）为能量交换系统运行时的温度变化图，降温过程在最开始15 min比较明显，室内平均温度下降了4 ℃，然后趋于稳定不再下降。图8（b）可看出2 h用电量仅为0.4  kW·h（2 h后的24.7 kW·h-开始时的24.3 kW·h=0.4 kW·h），耗电量约为空调运行时的1/6，降温效率（温度下降量）为空调运行时的1/3。风机运行前由6、8号通道测点温度可知，盘管所处位置初始温度为21 ℃。

图9（c）为加冰情况下能量交换系统运行时的温度变化图，能量交换系统风机于13：10左右打开，可以看到，10号和11号通道在很短时间内温度下降了约15 ℃，这是由于这两个通道测点位于风机口。由其余室内测点温度曲线可知整个降温过程在15：00后趋于平缓，后面的温度下降受环境温度下降影响，不予研究。4、6、8号通道测点温度显示，加冰的情况下，盘管所处温度为17 ℃。降温过程历时2 h，室内温度下降了10 ℃，耗电量为0.4 kW·h。 由此可知，相同时间内，能量交换系统中风机运行的耗电量与盘管所处温度无关。能量交换系统能极大节省用电量。

特别说明：图9（a）和图9（c）在结尾时刻温度曲线有明显上升，这是因为工作人员打开了集装箱门进入记录数据。

4 结束语

本文综合考虑基坑支护系统、地温交换系统和雨水调蓄与利用系统，形成大直径基坑支护能量蓄水管桩新技术，对该技术的施工工艺和优点进行了介绍，并将其与钻孔灌注桩基坑支护结构设计方案进行了对比，主要得出如下结果。

（1）大直径基坑支護能量蓄水管桩新技术大幅提高了支护体抗弯能力，节约造价;利用地下浅层地温能，用水作为载体进行循环的温度交换，从而对建（构）筑物进行供暖或制冷;同时符合海绵城市的理念。

（2）以直径2 000 mm，壁厚200 mm的管桩和直径1 200 mm的实心桩进行基坑支护方案比较，混凝土用量一样，但前者抗弯刚度（惯性矩）比后者提高了3.6倍。

（3）同等条件下，大直径管桩基坑支护方案比钻孔灌注桩基坑支护方案节省1/3的造价。

（4）当基坑面积为100 m×100 m时，大直径管桩基坑支护方案比钻孔灌注桩基坑支护方案降低二氧化碳排放量22.7 t。

（5）降温效果对比中，不加冰时（即盘管所处水位温度为21 ℃）能量交换降温效果为空调的1/3，后者耗电量为前者1/6。加冰（即降低盘管所处水位温度至17 ℃）情况下，能量交换系统降温效果与空调运行时差别不大，用电量同样仅为其1/6。相同时间内，能量交换系统中风机运行的耗电量与盘管所处温度无关。能量交换系统能极大节省用电量。

【参 考 文 献】

[1]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

LIU G B， WANG W D. Handbook of foundation pit engineering[M]. 2nd ed. Beijing： China Architecture & Building Press， 2009.

[2]杜娟，刘冰洋，申彤彤，等.有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系[J].农业工程学报，2020，36（2）：140-147.

DU J， LIU B Y， SHEN T T， et al. Mechanical properties and constitutive relation of cement-stabilized organic matter-disseminated sand[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（2）： 140-147.

[3]HU J， LIU W B， PAN Y T， et al. Site measurement and study of vertical freezing wall temperatures of a large-diameter shield tunnel[J]. Advances in Civil Engineering， 2019（2）： 1-11.

[4]常潤安，胡俊.盾构开仓检修更换刀具施工关键技术研究[J].森林工程，2020，36（4）：85-93.

CHANG R A， HU J. Research on the key technology of cutting tool construction of shield tunneling[J]. Forest Engineering， 2020， 36（4）：85 -93.

[5]胡俊，杨平.大直径杯型冻土壁温度场数值分析[J].岩土力学，2015，36（2）：523-531.

HU J， YANG P. Numerical analysis of temperature field within large-diameter cup-shaped frozen soil wall[J]. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（2）： 523-531.

[6]胡俊.高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究[D].南京：南京林业大学，2012.

HU J. Study on the reinforcement methods of subway large-diameter shield launching in the sandy clay with high water pressure[D]. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2012.

[7]黄磊，刘文博，吴雨薇，等.南宁地铁东滨区间联络通道冻结法加固施工监测分析研究[J].森林工程，2019，35（6）：77-85.

HUANG L， LIU W B， WU Y W， et al. Monitoring and analysis of freezing reinforcement of Dongbin section communication channel of Nanning Metro[J]. Forest Engineering， 2019， 35（6）：77 -85.

[8]焦涛，李梁慧，刘德辉.刚性桩复合地基模型在拟动力试验下的桩身反应研究[J].公路工程，2020，45（2）：207-212.

JIAO T， LI L H， LIU D H. Study on pile response of rigid pile composite foundation model under quasi-dynamic test[J]. Highway Engineering，2020，45（2）：207-212.

[9]刘汉龙，黄旭，孔纲强，等.桩芯介质对管式能量桩换热效率的影响[J].中国公路学报，2019，32（1）：1-11.

LIU H L， HUANG X， KONG G Q， et al. Influence of pile core medium on heat transfer efficiency of tubular energy pile[J]. China Journal of Highway and Transport， 2019， 32（1）： 1-11.

[10]刘汉龙，孔纲强，吴宏伟.能量桩工程应用研究进展及PCC能量桩技术开发[J].岩土工程学报，2014，36（1）：176-181.

LIU H L， KONG G Q， WU H W. Applications of energy piles and technical development of PCC energy piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2014， 36（1）： 176-181.

[11]郭红仙，李翔宇，程晓辉.能源桩热响应测试的模拟及适用性评价[J].清华大学学报（自然科学版），2015，55（1）：14-20.

GUO H X， LI X Y， CHENG X H. Simulation and applicability of thermal response tests in energy piles[J]. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2015， 55（1）： 14-20.

[12]曹会保.住建部出台“海绵城市”建设绩效评价与考核办法[J].建筑砌块与砌块建筑，2015，27（4）：54.

CAO H B. Ministry of housing and urban-rural development issued the performance evaluation and assessment method of “sponge city” construction[J]. Building Block & Block Construction， 2015， 27（4）： 54.

[13]郭效琛，杜鹏飞，辛克刚，等.基于监测与模拟的海绵城市典型项目效果评估[J].中国给水排水，2019，35（11）：130-134.

GUO X C， DU P F， XIN K G， et al. Performance evaluation of typical projects in sponge city based on monitoring and simulation[J]. China Water & Wastewater， 2019， 35（11）： 130-134.

[14]楊占群.钻孔灌注桩后压浆技术在某特大桥主墩施工中的应用[J].公路工程，2019，44（4）：154-157.

YANG Z Q. Application of post-grouting grouting technology in construction of main pier of a special bridge in Guangdong[J]. Highway Engineering， 2019， 44（4）：154-157.

[15]刘汉龙.岩土工程技术创新方法与实践[M].北京：科学出版社，2013.

LIU H L. Geotechnical engineering technology innovation method and practice[M]. Beijing： Science Press， 2013.

[16]刘汉龙.岩土工程技术创新方法与实践[J].岩土工程学报，2013，35（1）：34-58.

LIU H L. Technological innovation methds and practices in geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（1）：34-58.

[17]夏京，汪磊，王军.一种多功能现浇大直径基坑支护管桩及地温交换系统：中国，CN108589708A[P].2018-09-28.

XIA J， WANG L， WANG J. Multifunctional cast-in-place large-diameter foundation pit support pipe pile and ground temperature exchange system： China， CN108589708A[P]. 2018-09-28.

[18]汪磊，夏京，周先祥，等.一种现浇大直径基坑支护管桩的施工方法：中国，CN110042844A[P].2019-07-23.

WANG L， XIA J， ZHOU X X， et al. Construction method of cast-in-situ large-diameter foundation pit supporting pipe pile： China， CN110042844A[P]. 2019-07-23.

[19]鲍自力，夏京，刘斌，等.一种利用支护管桩的蓄水系统及其施工方法：中国，CN110080216A[P].2019-08-02.

BAO Z L， XIA J， LIU B， et al. Water storage system using support tube piles and construction method： China， CN110080216A[P]. 2019-08-02.