高? 鵬 刁乃仁 石 磊

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建筑基礎(chǔ)下地埋管鉆孔設(shè)計(jì)施工探析

高? 鵬1,2刁乃仁1石 磊3

（1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101；2.山東亞特爾集團(tuán)股份有限公司 濟(jì)南 250014；3.濟(jì)寧市建筑設(shè)計(jì)研究院 濟(jì)寧 272000）

簡要介紹建筑基礎(chǔ)的類型，針對建筑規(guī)模大的地源熱泵應(yīng)用工程，提出在建筑基礎(chǔ)下鉆孔施工的工藝方法，并根據(jù)工程實(shí)例詳細(xì)說明建筑基礎(chǔ)下鉆孔的可行性，從而為解決建筑規(guī)模大、鉆孔區(qū)域面積不足的地源熱泵工程提供一種可行性方案。

建筑基礎(chǔ)；地源熱泵；鉆孔施工；管路安裝

0 引言

根據(jù)地源熱泵換熱系統(tǒng)的不同，可分為地埋管、地下水、地表水三種形式[1]。地埋管換熱系統(tǒng)尤其是豎直地埋管換熱系統(tǒng)，由于其占地少，換熱量大，尤其適合我國地少人多的國情，是國內(nèi)應(yīng)用淺層地?zé)崮艿囊环N主要形式。目前大型淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用工程規(guī)模很多（10～20萬m2），而且建設(shè)規(guī)模有越來越大的趨勢[2]。工程規(guī)模越大對地下環(huán)境的要求越高，對鉆孔區(qū)域的地下空間要求越大，尤其是大量地埋管換熱器集中在一個(gè)地塊，需要更大面積的地下空間。但不是任一個(gè)地源熱泵工程，都能提供出足夠的可使用鉆孔區(qū)域，這也成為制約建筑密集度大的城市發(fā)展地源熱泵的原因，因此需要考慮換熱量更大的埋管方式或?qū)@孔設(shè)置到其他空間。目前采用的補(bǔ)充地埋管鉆孔的方式有很多，比如在樁基中埋管。樁基埋管的方式有串聯(lián)雙U型（W型）、單U型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型和螺旋式等[3]。將地埋管埋設(shè)在樁基中，易受埋地樁的數(shù)量和深度的限制，對于小型工程可以起到一定的補(bǔ)充作用，如果工程規(guī)模龐大，如大型住宅小區(qū)地源熱泵工程，樁基埋管也不能從根本上解決鉆孔區(qū)域不足的問題，本文將根據(jù)工程實(shí)際，分析探討建筑基礎(chǔ)下鉆孔施工的工藝方法。

1 建筑基礎(chǔ)的分類

建筑基礎(chǔ)指建筑底部與地基接觸的承重構(gòu)件，作用是把建筑上部的荷載傳給地基[4]。

按基礎(chǔ)構(gòu)造形式可分為條形基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、滿堂基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，滿堂基礎(chǔ)又分為筏板基礎(chǔ)和箱形基礎(chǔ)，按受力性能可分為剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)。

剛性基礎(chǔ)：用磚、石、灰土、混凝土等抗壓強(qiáng)度大而抗彎、抗剪強(qiáng)度小的材料做基礎(chǔ)。

柔性基礎(chǔ)：用于地基承載力較差、上部荷載較大、設(shè)有地下室且基礎(chǔ)埋深較大的建筑。在混凝土基礎(chǔ)底部配置受力鋼筋，利用鋼筋受拉，基礎(chǔ)可以承受彎矩，也就不受剛性角的限制，所以鋼筋混凝土基礎(chǔ)也稱為柔性基礎(chǔ)。

地源熱泵工程中遇到的大都為柔性基礎(chǔ)且以筏板基礎(chǔ)和箱式基礎(chǔ)為多。部分基礎(chǔ)示意圖如下。

圖1 常見基礎(chǔ)類型

圖2 箱式基礎(chǔ)

2 鉆孔施工

鉆孔施工前，應(yīng)先確定鉆孔施工面的起始標(biāo)高[5]。建筑基礎(chǔ)下鉆孔施工，地埋鉆孔的起始標(biāo)高應(yīng)以車庫地基基底開始計(jì)算，由于鉆機(jī)及施工人員需在鉆孔工作面上來回移動，會對施工面造成一定的破壞，為防止車庫地基不受擾動，鉆孔的起始標(biāo)高要高于車庫地基下表面，待鉆孔完成后，再將保護(hù)浮土清除掉，具體標(biāo)高如圖3。

圖3 施工標(biāo)高示意圖

3 水平管施工

以筏板基礎(chǔ)為例，筏板基礎(chǔ)由下往上分別是墊層、防水層、筏板層，墊層一般是混凝土結(jié)構(gòu)。為保護(hù)水平地埋管，一般將水平埋管埋設(shè)在車庫墊層下；水平溝的回填，一是為了保護(hù)水平地埋管，二是防止基礎(chǔ)沉降，所以回填料要選擇細(xì)沙和砂石；為了在鉆孔時(shí)不擾動車庫墊層地基，可以保留部分厚度的土層，鉆孔完成后再清掉該部分（如圖3）。

4 二級分集水器設(shè)置及接管方式

分集水器是分流或匯集水流的容器，可分為多級。地源熱泵工程中，為減少系統(tǒng)的水流阻力，二級分集水器是將地埋管換熱器中換熱介質(zhì)進(jìn)行分流匯集，再通過主管道與一級分集水器或總分集水器相連接的裝置。

（1）對于筏板基礎(chǔ)，且車庫凈高較大，可將二級分集水器吊掛在車庫內(nèi)墻上，分集水器至總分集水器的主管緊貼車庫頂下表面吊裝，如圖4（a）。

（2）對于箱式基礎(chǔ)，且車庫凈高不足，將二級分集水器吊裝在車庫內(nèi)墻上，分集水器至總分集水器的主管下翻至基礎(chǔ)箱內(nèi)的土層內(nèi)敷設(shè)，如圖 4（b）。

（a）筏板基礎(chǔ)接管圖 （b）箱式基礎(chǔ)接管圖

以上兩種接管方式都是PE地埋管從車庫墻外穿墻至車庫內(nèi)。二級分集水器至總分集水器主管的安裝方式要考慮基礎(chǔ)的類型和車庫的凈高問題。

水平地埋管接至二級分集水器的PE管道敷設(shè)在車庫墊層下，沿車庫外墻再上翻的原因，主要是考慮防水問題。車庫基礎(chǔ)下的防水施工難度大，且防水效果不好，而在立墻上做防水相對容易，更不容易出現(xiàn)問題。二級分集水器至總分集水器的管道安裝，可以采用架空吊裝或埋地方式，需要根據(jù)建筑基礎(chǔ)的類型進(jìn)行選擇。

5 檢查井的位置

檢查井是為城市地下基礎(chǔ)設(shè)施的供電、給水、排水、排污等維修、安裝方便而設(shè)置的。一般設(shè)在管道交匯處、轉(zhuǎn)彎處、管徑或坡度改變處、以及直線管段上每隔一定距離處。地源熱泵系統(tǒng)中的檢查井是放置分集水器的場所，方便檢查水流的通暢和對系統(tǒng)進(jìn)行檢修。

檢查井的設(shè)置位置可分為以下幾種情況：

（1）車庫頂板距地表距離小

如果地下水位較淺，則在車庫外墻的地表做檢查井，如圖5第一種方案。

如果車庫凈高較小，地下水位較深，可以將檢查井設(shè)置在整個(gè)車庫下，如圖5第二種方案。檢修口的上沿至檢查井上沿的高度H是基礎(chǔ)的厚度，即用車庫的基礎(chǔ)做檢查井的井蓋，具體做法（如圖6）。

（2）車庫頂板距地表距離大

如果距離較大，施工難度及費(fèi)用增加，因此不建議檢查井方案，可以采用分集水器吊裝在車庫內(nèi)墻的方案（如圖4）。

圖5 檢查井位置圖

圖6 檢查井位置圖

6 工程實(shí)例介紹

6.1 工程概況

山東滕州某住宅小區(qū)地源熱泵工程，總建筑面積130931.90m2，地上建筑面積111610.77m2，共6棟住宅樓，地下建筑面積19321.13m2，主要為車庫，綠地率30.12%，容積率3.49。

表1 建筑工程概況

本工程建筑規(guī)模大，容積率小，地上可用鉆孔面積嚴(yán)重不足。車庫基礎(chǔ)采用筏形基礎(chǔ)形式，因此可考慮將鉆孔布置在車庫基礎(chǔ)下（主體建筑下不考慮鉆孔施工），以滿足本工程的鉆孔數(shù)量要求。

筏板基礎(chǔ)，將墻或柱下基礎(chǔ)連成一片，使整個(gè)建筑物的荷載承受在一塊整板上，這種滿堂式的板式基礎(chǔ)稱筏形基礎(chǔ)，一般當(dāng)建筑物上部荷載較大而地基承載能力又比較弱時(shí)采用（如圖7）。筏形基礎(chǔ)由于其底面積大，故可減小基底壓強(qiáng)，同時(shí)也可提高地基土的承載力，并能更有效地增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性，調(diào)整不均勻沉降。

圖7 筏板基礎(chǔ)

6.2 豎直鉆孔施工

本工程鉆孔區(qū)域設(shè)計(jì)在車庫地面以下，車庫內(nèi)表面標(biāo)高-7.000m（本標(biāo)高以6#樓±0.000為基準(zhǔn)），車庫筏板基礎(chǔ)局部厚度為1.2m，即車庫基礎(chǔ)下表面標(biāo)高為-8.200m，根據(jù)前述，鉆孔的有效起始標(biāo)高即為-8.200m，出于保護(hù)車庫地基不受擾動，鉆孔施工面確定為-7.700m，即有0.5m的保護(hù)浮土，待鉆孔施工完成后，再行清理至車庫基礎(chǔ)下表面的標(biāo)高（如圖8）。

鉆孔的幾何分布形式設(shè)置矩陣型排列[6]，鉆孔間距取4.00m×4.05m（豎向間距×橫向間距）。根據(jù)規(guī)范要求，本工程施工前，已完成巖土熱物性測試分析[7]，本地區(qū)主要地質(zhì)情況為土層，地下水含量豐富，適合應(yīng)用地源熱泵技術(shù)。本工程設(shè)計(jì)DE32雙U型埋管，鉆孔深度120m，鉆孔800個(gè)，共計(jì)鉆孔總延米96000m。根據(jù)鉆孔區(qū)域的分布，將800口地埋鉆孔設(shè)計(jì)為8個(gè)分區(qū)，每個(gè)區(qū)內(nèi)設(shè)置一組二級分集水器。

6.3 水平管路系統(tǒng)

圖8 鉆孔剖面圖

6.3.1 水平管埋深

將六個(gè)鉆孔內(nèi)的U型管連接成一個(gè)水平環(huán)路，水平埋管管徑設(shè)計(jì)為DE63管，水平環(huán)路設(shè)計(jì)為同程系統(tǒng)[8]，利用通行地溝方式實(shí)現(xiàn)水平環(huán)路的連接，水平連接管從車庫基礎(chǔ)墊層下水平敷設(shè)，水平埋管設(shè)計(jì)埋深在墊層下0.5m（-8.700m），即水平溝底標(biāo)高為-8.700m（如圖9）。

圖9 水平溝標(biāo)高圖

6.3.2 水平管溝開挖方式

（1）鉆孔施工完成后，我方直接開挖水平溝，此時(shí)水平溝需開挖深度為100cm，然后連接水平連管，然后管溝回填50cm，工程的開挖土方量（m3）=車庫基底面積×100cm（深度），會增加土方開挖費(fèi)用。

（2）鉆孔施工完成后，總包方負(fù)責(zé)將鉆孔工作面至車庫基底的50cm厚度的土方挖掉，我方再行開挖水平溝，此時(shí)我方開挖深度為50cm，工程的開挖土方量（m3）=車庫基底面積×50cm（深度），工程開挖費(fèi)用會較低，但會由于總包方挖土過程對PE管的破壞，增加管材的費(fèi)用。

本工程在施工過程中，為控制施工費(fèi)用，我方采用第二種管溝開挖方式（如圖10），現(xiàn)場對PE地埋管進(jìn)行一定的防護(hù)措施[9]。

圖10 水平溝開挖實(shí)景圖

6.3.3 水平管溝回填

水平管連接完成后，將水平管溝進(jìn)行回填，為保護(hù)PE管不受破壞，采用細(xì)砂回填；為了防止車庫基礎(chǔ)沉降，需要在細(xì)砂之上再鋪設(shè)一層砂石。本工程中，根據(jù)設(shè)計(jì)單位的意見，具體回填方式采用溝底部30cm回填細(xì)沙，上部20cm回填砂石的方式，既保護(hù)了PE管材，又對車庫基礎(chǔ)起到了有力的支撐。

6.4 二級分集水器安裝

在8個(gè)分區(qū)中，每個(gè)分區(qū)設(shè)一組二級分集水器，分集水器設(shè)置于地下車庫內(nèi)，采用墻掛式，利用槽鋼搭建支架放置分集水器（如圖11），穿墻螺絲固定支架，并做防水處理。

圖11 分集水器安裝實(shí)景圖

由于暴露的PE管易遭到破壞、劃傷，本工程中，二級分集水器到總分集水器的管道采用無縫鋼管并做保溫處理，管道沿車庫頂板下表面架空敷設(shè)，采用吊裝方式。

6.5 DE63管連接二級分集水器

地埋管沿車庫基礎(chǔ)墊層下鋪設(shè)至車庫墻外，上翻再穿墻進(jìn)入車庫內(nèi)與二級分集水器進(jìn)行連接，如圖4（a）。本工程中，從車庫墻外上翻管、水平穿墻管皆采用的PE63管，加設(shè)穿墻套管，并做防水處理，實(shí)景圖如圖12。

圖12 連管實(shí)景圖

由于車庫立面墻外的回填材料是土沙及素土，且沒有進(jìn)行夯實(shí)處理，在雨水的沖刷及自然沉降的作用下，容易造成了回填物料的下陷，并對PE管材有拉伸力，造成接管彎頭及穿墻處管材遭受破壞；而且其上部有消防通道，在有荷載較大車輛通過時(shí)，容易造成管材擠壓破壞，因此建議本部位管材改用具有支撐作用無縫鋼管[10]。

7 結(jié)論

地埋管地源熱泵工程需要一定面積的布孔區(qū)域，當(dāng)?shù)厣厦娣e不能滿足鉆孔需要時(shí)，可考慮將鉆孔施工到建筑地基以下。一般是將鉆孔埋設(shè)到樓間車庫地基以下，因?yàn)檐噹旌奢d小，對地基的壓力小，不會因?yàn)橛秀@孔的存在，對基礎(chǔ)造成破壞。

地基下鉆孔設(shè)計(jì)施工時(shí)，需要考慮的要點(diǎn)：

（1）分析地下車庫基礎(chǔ)剖面圖，確定建筑基礎(chǔ)形式。

（2）確定該工程的±0.000，車庫的層高，建筑地基底面的標(biāo)高，鉆孔的起始標(biāo)高。

（3）水平管路施工時(shí)，根據(jù)車庫基礎(chǔ)底面的標(biāo)高，確定水平管的埋深。

（4）根據(jù)工程實(shí)際情況選擇水平溝開挖方式，回填料的選擇要征求設(shè)計(jì)單位意見。

（5）根據(jù)車庫凈高及地下水位選用合適的檢查井方案及分集水器的安裝方式。

（6）由底板上翻的管道及連接分集水器的穿墻管道建議采用可承重的無縫鋼管。

[1] GB50366-2005（2009版）,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

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[4] GB50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002．

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[6] 方肇洪,刁乃仁,蘇登超,等.豎直U型埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝[J].現(xiàn)代空調(diào),2001,8(3):101-105.

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[8] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9] CJJ 101-2004,埋地聚乙烯給水管道技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[10]CECS344,地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器施工技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社,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 鵬（1984-），男，工程碩士，工程師，E-mail：gaop0801@163.com

2016-01-27