现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩技术研发

　　摘 要: 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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。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、长度为 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。

　　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

　　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。

　　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) 大直径基坑支护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。

　　工程技术论文投稿刊物：《农业工程学报》是由中国科学技术协会主管，中国农业工程学会主办的全国性学术期刊。国际刊号ISSN：1002-6819;国内刊号CN：11-2047/S，邮发代号：18-57。读者对象为农业工程学科及相关领域的科研、教学及生产科技人员、技术管理及推广人员和大院校师生。

　　( 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.

　　作者：夏京1 ，胡庄2 ，张皖湘1 ，汪磊1 ，胡俊1，2*