摘 要: 為充分利用環(huán)境設(shè)施、節(jié)約資源和能量，綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄系統(tǒng)形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)。該技術(shù)是將大直徑管樁運(yùn)用到基坑支護(hù)中，該管樁作為支撐結(jié)構(gòu)可提高基坑安全性能; 同時(shí)其空心管狀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)利用地下淺層地溫能對(duì)上部建筑空間進(jìn)行供暖或制冷; 另外其空心管狀結(jié)構(gòu)也可儲(chǔ)存雨水，符合海綿城市理念。通過施工工藝介紹和技術(shù)對(duì)比，主要得出: 該技術(shù)可大幅提高支護(hù)體抗彎能力，節(jié)約造價(jià)，可利用地下淺層地溫能對(duì)建 ( 構(gòu)) 筑物進(jìn)行供暖或制冷，同時(shí)符合海綿城市的理念; 以直徑 2 000 mm、壁厚 200 mm 管樁和直徑 1 200 mm 實(shí)心樁進(jìn)行基坑 支護(hù)方案比較，直徑 2 000 mm、壁厚 200 mm 管樁的抗彎剛度( 慣性矩) 提高了 3. 6 倍，造價(jià)節(jié)省 1 /3; 當(dāng)基坑面積為 100 m × 100 m 時(shí)，降低二氧化碳排放量 22. 7 t; 降溫效果對(duì)比中，加冰情況下，能量交換系統(tǒng)降溫效果與空調(diào)運(yùn)行時(shí)差別不大，但用電 量?jī)H為空調(diào)系統(tǒng)的 1 /6。所得結(jié)果可為今后類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞: 基坑支護(hù); 地溫交換; 海綿城市; 大直徑管樁

　　0 引言

　　為充分利用環(huán)境設(shè)施、節(jié)約資源和能量，綜合 考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和雨水調(diào)蓄系 統(tǒng)，利用上述 3 個(gè)系統(tǒng)形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄 水管樁新技術(shù)。 眾所周知，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)一般是在坑底下有一 定插入深度的樁、板和墻結(jié)構(gòu)，常用材料為混凝土、 鋼筋混凝土及鋼材等，可以是鋼板樁、柱列式灌注 樁、水泥土攪拌樁和地下連續(xù)墻等[1 - 2]。板墻可以 懸臂，但更多是單撐和多撐式的( 單錨和多錨式) 結(jié) 構(gòu)[3]。

　　柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)有水泥土攪拌樁( 粉噴樁、濕 噴樁) 、鋼板樁和 TRD 工法等，其特點(diǎn)為支護(hù)費(fèi)用 低，支護(hù)效果弱[4 - 5]。剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)有鉆孔灌注樁、 地下連 續(xù) 墻 等，其特點(diǎn)為支護(hù)效果好，支 護(hù) 費(fèi) 用 高[6 - 8]。研究一種具有剛性樁支護(hù)效果、柔性樁支 護(hù)費(fèi)用、技術(shù)可靠且經(jīng)濟(jì)合理的新型基坑支護(hù)技術(shù) 是目前亟待解決的工程難題。 此外，地源熱泵技術(shù)是利用地下的土壤、地表 水和地下水溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過消耗電能， 在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加 溫的地方，在夏天可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱 源中，達(dá)到降溫或制冷的目的[9]。

　　能量樁是在建筑 物建造時(shí)，直接將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的塑 料換熱管埋設(shè)在建筑物的混凝土樁基中，使其與建 筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱 器，稱為樁基埋管地?zé)釗Q熱器，也稱作能量樁[10 - 11]。 海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán) 境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”， 下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水和凈水，需要時(shí)將蓄存的水 “釋放”并加以利用[12 - 14]。

　　劉漢龍[15 - 16]總結(jié)歸納了優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)創(chuàng)新法、逆 向思維創(chuàng)新法、組合技術(shù)創(chuàng)新法、希望點(diǎn)列舉創(chuàng)新 法、觸類旁通創(chuàng)新法、強(qiáng)制聯(lián)想創(chuàng)新法和擴(kuò)散( 發(fā) 散) 思維創(chuàng)新法等 7 種創(chuàng)新方法。本文采用組合技 術(shù)創(chuàng)新法，綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng) 和雨水調(diào)蓄與利用系統(tǒng)，形成大直徑基坑支護(hù)能量 蓄水管樁新技術(shù)，并運(yùn)用觸類旁通創(chuàng)新法對(duì)該技術(shù) 的施工工藝進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。

　　1 大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)

　　1. 1 概況

　　大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)[17 - 19]是將大直徑管樁運(yùn)用到基坑支護(hù)中，作為支撐結(jié)構(gòu)， 減少了混凝土用量，提高了支護(hù)樁抗彎能力; 同時(shí) 將其設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層地溫能， 用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議 廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區(qū)”的建 筑空間進(jìn)行供暖或制冷。另外，空心管狀結(jié)構(gòu)還可 以設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存與利用雨水的空間，符合海綿城市的 理念。

　　包括管樁以及地 溫交換與蓄水系統(tǒng); 管樁 1 具體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土 大直徑管樁( 也可是大直徑預(yù)制管樁) ，是在地下工 程主體結(jié)構(gòu)完工前用以保障基坑側(cè)壁穩(wěn)定的圍護(hù) 結(jié)構(gòu); 地溫交換系統(tǒng)包括進(jìn)水總管 2、出水總管 3、散 熱管 6 以及風(fēng)扇 7，進(jìn)水總管 2 的進(jìn)水端和出水總 管 3 的出水端分別連接有進(jìn)水支管 4 和出水支管 5，且二者均位于管樁 1 的內(nèi)部，散熱管 6 連接于進(jìn) 水總管 2 和出水總管 3 之間，并形成循環(huán)，散熱管 6 采用蛇形布置，相鄰的散熱管 6 之間安裝有的風(fēng)扇 7; 散熱管 6 和風(fēng)扇 7 均安裝于房屋的吊頂上，進(jìn)水 總管 2 上還連接有循環(huán)泵 8。

　　包括蓄水井 3、設(shè)在蓄水井 3 中的水泵 4，其特征 在于: 還包括管樁、澆筑在管樁頂部的冠梁 6、與各個(gè) 管樁 1 相對(duì)應(yīng)的預(yù)埋管道 7 和虹吸管 2，管樁 1 為圍 護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的支護(hù)管樁，預(yù)埋管道 7 一部分埋設(shè)在 冠梁 6 中，預(yù)埋管道 7 一端連接到雨水管網(wǎng)，另一端 從管樁 1 端頭伸入到管樁 1 的中空腔體 11 中，虹吸 管 2 包括若干進(jìn)水支管和連通各個(gè)進(jìn)水支管的總管， 進(jìn)水支管伸入與之對(duì)應(yīng)的中空腔體中，總管具有伸入 到蓄水井 3 底部的出水口，出水口高度低于各個(gè)進(jìn)水 支管的進(jìn)水口。

　　1. 2 優(yōu)點(diǎn)

　　大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 如下。 ( 1) 作為支撐結(jié)構(gòu)，大幅度地提高了支護(hù)體抗彎能力，增加了基坑安全性能，又減少了混凝土用 量，大大節(jié)約造價(jià)。 ( 2) 將其設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層 地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而 對(duì)會(huì)議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分 區(qū)”的建筑空間進(jìn)行供暖或制冷。

　　1. 3 施工工藝

　　大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝流程如下: 施工準(zhǔn)備→現(xiàn)澆管樁機(jī)就位( 也可使用預(yù)制管樁) →振動(dòng)沉管→安放鋼筋籠→灌注 混凝土→振動(dòng)上拔成樁→開挖樁頭及樁芯土→檢 測(cè)樁身質(zhì)量→預(yù)埋 PE 給水管→支模澆筑冠梁→待 正負(fù)零以上施工時(shí)，布設(shè)進(jìn)出水總管、吊頂熱傳遞 水管及風(fēng)扇等熱交換設(shè)備。

　　2 大直徑管樁基坑支護(hù)方案與鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案對(duì)比

　　2. 1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

　　將鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案與大直徑管樁基 坑支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)。分別設(shè)計(jì) 計(jì)算了直徑為 1 000 mm、間距為 1 400 mm、長度為 11 500 mm 實(shí)心樁和直徑為 1 000 mm、壁厚為 200 mm、間距 1 400 mm、長度為 11 500 mm 的空心樁這 兩種樁型情況，對(duì)兩種樁設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行變形、整體穩(wěn)定性和抗傾覆比較，兩種情況驗(yàn)算均滿足要求， 并做了對(duì)比分析。

　　以直徑 2 000 mm，壁厚 200 mm 的管樁和直徑 1 200 mm 的實(shí)心樁進(jìn)行比較，混凝土 用量一樣，但前者抗彎剛度( 慣性矩) 比后者提高了 3. 6 倍。

　　3 能量交換系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)降溫效果實(shí)測(cè)對(duì)比

　　3. 1 現(xiàn)場(chǎng)布置

　　3. 1. 1 測(cè)點(diǎn)布置

　　測(cè)量土體溫度的測(cè) 點(diǎn)以及測(cè)量深度分別為 1 號(hào)點(diǎn)地下 3 m、3 號(hào)點(diǎn)地下 4. 5 m、5 號(hào)點(diǎn) 6 m、7 號(hào)點(diǎn) 7. 5 m，測(cè)量現(xiàn)澆管樁溫度 的測(cè)點(diǎn)以及測(cè)量深度分別為 2 號(hào)點(diǎn)地下 3 m、4 號(hào)點(diǎn) 地下 4. 5 m、6 號(hào)點(diǎn) 6 m、8 號(hào)點(diǎn) 7. 5 m，14 號(hào)點(diǎn)測(cè)量 室外環(huán)境溫度，其余測(cè)點(diǎn)均勻分布在集裝箱內(nèi)。

　　4 結(jié)束語

　　本文綜合考慮基坑支護(hù)系統(tǒng)、地溫交換系統(tǒng)和 雨水調(diào)蓄與利用系統(tǒng)，形成大直徑基坑支護(hù)能量蓄 水管樁新技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的施工工藝和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了 介紹，并將其與鉆孔灌注樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 進(jìn)行了對(duì)比，主要得出如下結(jié)果。 ( 1) 大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁新技術(shù)大幅 提高了支護(hù)體抗彎能力，節(jié)約造價(jià); 利用地下淺層 地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而 對(duì)建( 構(gòu)) 筑物進(jìn)行供暖或制冷; 同時(shí)符合海綿城市 的理念。 ( 2) 以直徑2 000 mm，壁厚200 mm 的管樁和直 徑 1 200 mm 的實(shí)心樁進(jìn)行基坑支護(hù)方案比較，混凝 土用量一樣，但前者抗彎剛度( 慣性矩) 比后者提高 了 3. 6 倍。

　　工程技術(shù)論文投稿刊物：《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)主辦的全國性學(xué)術(shù)期刊。國際刊號(hào)ISSN：1002-6819;國內(nèi)刊號(hào)CN：11-2047/S，郵發(fā)代號(hào)：18-57。讀者對(duì)象為農(nóng)業(yè)工程學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域的科研、教學(xué)及生產(chǎn)科技人員、技術(shù)管理及推廣人員和大院校師生。

　　( 3) 同等條件下，大直徑管樁基坑支護(hù)方案比 鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案節(jié)省 1 /3 的造價(jià)。 ( 4) 當(dāng)基坑面積為 100 m × 100 m 時(shí)，大直徑管 樁基坑支護(hù)方案比鉆孔灌注樁基坑支護(hù)方案降低 二氧化碳排放量 22. 7 t。 ( 5) 降溫效果對(duì)比中，不加冰時(shí)( 即盤管所處水 位溫度為 21 ℃ ) 能量交換降溫效果為空調(diào)的1 /3， 后者耗電量為前者 1 /6。加冰( 即降低盤管所處水 位溫度至 17 ℃ ) 情況下，能量交換系統(tǒng)降溫效果與 空調(diào)運(yùn)行時(shí)差別不大，用電量同樣僅為其 1 /6。相 同時(shí)間內(nèi)，能量交換系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行的耗電量與盤 管所處溫 度 無 關(guān)。能量交換系統(tǒng)能極大節(jié)省用 電量。

　　【參 考 文 獻(xiàn)】

　　[1] 劉國彬，王衛(wèi)東. 基坑工程手冊(cè)[M]. 2 版. 北京: 中國建筑工業(yè) 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，劉冰洋，申彤彤，等. 有機(jī)質(zhì)浸染砂水泥土的力學(xué)特性及 本構(gòu)關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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 ，胡莊2 ，張皖湘1 ，汪磊1 ，胡俊1，2*