基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺的制作方法

1.本发明涉及资源利用技术领域，具体地指一种基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺。


背景技术：

2.随着人类社会的快速发展，能源的消耗也越来越大，而中国现在的能源结构仍以煤炭为主，煤炭属于不可再生能源，而且燃烧的过程中会对环境造成严重的污染，因此发展新的能源势在必行。地热能源作为一种清洁可再生能源，可以大大降低建筑耗能。
3.能源桩作为新型地源热泵技术，凭借节省占地面积，节省额外钻孔费用，换热量大等优点已成为地热清洁能源利用的一种主要形式，是传统地源热泵与建筑桩基的改良技术。能源桩既能提取地热清洁能源为建筑供能，又能作为桩基承担上部结构的荷载，实现一桩两用。
4.然而，现有的能源桩技术大多采用钢筋笼绑扎换热管，浇筑混凝土成桩的方式，其工法与桩体施工相交叉，而绑扎换热管过于繁杂，人工成本较大且拖延工期，钢筋笼在长期荷载作用下的变形容易使换热管受到磨损，尤其是在深基坑工程中，多节钢筋笼连接使得换热管绑扎的工程量剧增，严重影响整个项目的施工工期，种种原因限制着能源桩的推广与使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺，解决能源桩施工效率低下、拖延桩基施工工期的问题。
6.为实现上述目的，本发明所设计的基于深层埋管能源支护桩的换热系统，包括分布在灌注支护桩之间的能源支护桩，所述能源支护桩包括灌注支护桩段、支护桩换热井和深层换热井，所述支护桩换热井设置在所述灌注支护桩段内部，所述深层换热井设置在所述支护桩换热井的底部并相连通形成深层埋管通道，所述深层埋管通道内设有能源桩换热管，所述能源桩换热管的进水管、出水管接入室内换热机组。
7.在其中一个实施例中，两根相邻的所述能源支护桩之间布设一根或多根灌注支护桩。
8.在其中一个实施例中，两根相邻的所述能源支护桩之间的间距不小于4m。
9.在其中一个实施例中，所述深层换热井(2)的直径小于或等于所述支护桩换热井(4)的直径。
10.在其中一个实施例中，所述支护桩换热井由钢管形成，所述钢管焊接或绑扎于所述灌注支护桩段内部的支护桩钢筋笼的内壁，所述钢管的上端露出所述灌注支护桩段的桩头且穿过所述灌注支护桩段顶部的冠梁。
11.在其中一个实施例中，所述能源桩换热管及所述钢管的端头均设置管头保护结构。
12.在其中一个实施例中，所述深层换热井包括u形的所述能源桩换热管和换热井回填料，所述能源桩换热管的外侧由所述换热井回填料填充。
13.在其中一个实施例中，所述换热井回填料为膨润土或细砂。
14.为实现上述目的，本发明所设计的基于深层埋管能源支护桩的换热系统的施工工艺，包括以下步骤：
15.步骤1)，在将长于灌注支护桩段长度的钢管焊接在支护桩钢筋笼内壁，并在在钢管端头设置管头保护结构；
16.步骤2)，采用吊机吊装在基坑内下放支护桩钢筋笼，并确保钢管位于靠近基坑外壁处；
17.步骤3)，在支护桩钢筋笼及钢管的外侧浇筑混凝土，形成灌注支护桩段，在灌注支护桩段的顶部设置冠梁；
18.步骤4)，切去超过设计高度的钢管形成支护桩换热井；
19.步骤5)，从钢管顶端按照预设的深层换热井深度向下钻至深层换热井井底，形成深层换热井；
20.步骤6)，由支护桩换热井井口下放能源桩换热管至深层换热井的井底，在能源桩换热管的端头设置管头保护结构；
21.步骤7)，在深层换热井内回填换热井回填料，形成能源支护桩；
22.步骤8)，将能源桩换热管的进水管、出水管接入室内换热机组。
23.在其中一个实施例中，所述灌注支护桩段、所述灌注支护桩为钻孔灌注桩，桩径为800mm，桩长为30m，桩间距为1m；所述混凝土为c30混凝土；所述钢管长30.5m，外径为160mm，壁厚为6mm；所述能源桩换热管的直径为30mm；所述深层换热井长80m，直径为150mm；所述换热井回填料为膨润土或细砂。
24.本发明的有益效果是：本发明的基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺，对灌注支护桩进行二次开发，通过设置换热井将其与能源桩技术相结合开发为能源支护桩，在不影响原有功能基础上提取深层地热清洁能源为上层建筑供能，实现“一桩两用”，解决了灌注支护桩在地下结构施工完毕后废弃造成浪费的问题；能源支护桩和灌注支护桩交叉布置的施工设计，既节省了桩基施工成本，又避免了相邻能源支护桩距离较近，影响换热效率，引发热堆积效应。
附图说明
25.图1为采用本发明的基于深层埋管能源支护桩的换热系统的基坑大样图；
26.图2为图1中基坑的局部剖面图；
27.图3为采用本发明优选实施例的基于深层埋管能源支护桩的换热系统的建筑基础结构示意图；
28.图4为图3中的能源支护桩的主视图；
29.图5为图4中的能源支护桩的的俯视图；
30.图6为图4中的能源支护桩的局部断面图；
31.图7为图4中的能源支护桩的深层换热井的局部断面图。
32.附图标记说明如下：
33.能源支护桩1、深层换热井2、冠梁3、支护桩换热井4、能源桩换热管5、支护桩钢筋笼6、换热井回填料7、混凝土8、管头保护结构9、钢管10、灌注支护桩段11、基坑顶12、基坑底13、灌注支护桩14。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
35.近年来，随着我国经济的快速发展，城市基础设施的规模逐渐增大，地下空间的利用越来越受到重视，对基坑工程的要求也越来越高。为了使城市居民对于交通、停车、商业等功能需求得到充分满足，深基坑工程越来越普遍。支护桩作为基坑开挖支护工程设计和施工中非常重要的辅助工程，对于基坑侧壁的稳定性和安全性都具有非常重要的影响。传统的支护桩在地下工程施工完毕、基坑回填后就埋在土中，与地下结构独立存在，造成支护结构的浪费。
36.为了解决背景技术中能源桩因结构工法而导致其推广受限的问题你，将支护桩和能源桩进行有效结合是一个工程收益前景巨大的构想，对其具体工法的探索与改进则是两者技术融合的迫切需求。基于此，本发明提供一种基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺，将支护桩和能源桩两种桩的优缺点进行糅合利用，既解决了常规灌注支护桩在地下结构施工完毕后废弃造成浪费的问题，又克服了传统能源桩施工效率低下、拖延桩基施工工期的缺点，提高地热清洁能源利用率。
37.如图1、图2和图3所示，本发明实施例的基于深层埋管能源支护桩的换热系统包括分布在灌注支护桩14之间的能源支护桩1，能源支护桩1的顶部能源桩换热管5的进水管、出水管接入室内换热机组形成换热系统进行能源供给。
38.能源支护桩1设置于两根相邻的灌注支护桩14中间，两根相邻的能源支护桩1之间的间距为5m。两根相邻的能源支护桩1之间可布设一根或多根灌注支护桩14。
39.每一能源支护桩1包括灌注支护桩段11、支护桩换热井4和深层换热井2，灌注支护桩段11内设置支护桩换热井4，支护桩换热井4的底部设置深层换热井2，支护桩换热井4与深层换热井2相联通形成深层埋管通道，深层埋管通道内设有能源桩换热管5。理论上深层换热井2直径小于或等于支护桩换热井4直径。由于深层换热井2由钻头从支护桩换热井4内下钻形成，钻头的外径需小于支护桩换热井4的直径，实际施工中深层换热井2应为略小于支护桩换热井4的直径。
40.图示实施实中，两根相邻能源支护桩1之间的间距为5m；在其它实施例中，两根相邻的能源支护桩1之间的间距按照不小于4m布设即可，相邻的能源桩支护桩1之间为常规的灌注支护桩14。
41.请结合参阅图4至图7，在支护桩受拉区(基坑土体侧)设置支护桩换热井4，由支护桩换热井4的底部向下钻孔形成深层换热井2。由灌注支护桩段11、支护桩换热井4及深层换热井2共同形成基于深层埋管能源支护桩的换热系统的能源支护桩1，对灌注支护桩的结构无扰动。
42.支护桩换热井4由钢管10形成，钢管10焊接或绑扎于灌注支护桩段11内部的支护桩钢筋笼6的内壁充当支护桩换热井4。钢管10的上端露出灌注支护桩段11的桩头500mm且穿过冠梁3。
43.深层换热井2包括u形的能源桩换热管5和换热井回填料7，能源桩换热管5的外侧由换热井回填料7填充。
44.能源桩换热管5穿过冠梁3，并由钢管10(支护桩换热井4)内部直接吊装下放至深层换热井2底部。
45.能源桩换热管5及钢管10的端头均设置管头保护结构9。钢管10的端头设置管头保护结构9，以防止灌注支护桩段11灌注过程中浆料进入钢管10内。能源桩换热管5的端头设置管头保护结构9，以防止换热井回填料7进入能源桩换热管5内部。
46.本发明还提供基于深层埋管能源支护桩的换热系统的施工工艺，其具体步骤如下：
47.步骤1)，在现场台座上将长于灌注支护桩段11长度的钢管10焊接在支护桩钢筋笼6内壁，并在在钢管10端头设置管头保护结构9。
48.步骤2)，按照钻孔灌注桩的成桩形式，采用吊机吊装下放支护桩钢筋笼6，并确保钢管10位于靠近基坑外壁处。
49.步骤3)，在支护桩钢筋笼6及钢管10的外侧浇筑混凝土8，形成灌注支护桩段11，在灌注支护桩段11的顶部设置冠梁3。
50.步骤4)，待基坑内结构施工完成后，采用切割设备切去超过设计高度的钢管10，从而在支护桩受拉区(基坑土体侧)形成支护桩换热井4。
51.步骤5)，利用钻井机从钢管10顶端按照预设的深层换热井2深度向下钻至深层换热井2井底，形成支护桩换热井4与深层换热井2相通的深层埋管通道。
52.步骤6)，由支护桩换热井4井口下放能源桩换热管5至深层换热井2的井底，在能源桩换热管5的端头设置管头保护结构9。
53.步骤7)，在深层换热井2内回填换热井回填料7，形成能源支护桩1。
54.步骤8)，将能源支护桩1顶部能源桩换热管5的进水管、出水管接入室内换热机组，形成完整的换热系统进行能源供给。
55.在上述基于深层埋管能源支护桩的换热系统的施工工艺中，按照上述步骤在灌注支护桩14桩位中间进行能源支护桩1的施工，然后依旧按照钻孔灌注桩的成桩形式开挖常规的灌注支护桩14。
56.下面结合具体实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细实例说明：
57.能源支护桩1、灌注支护桩14均为钻孔灌注桩，桩径为800mm，桩长为30m，桩间距为1m，混凝土8为c30；支护桩换热井4的直径为150mm；钢管10长30.5m，外径为160mm，壁厚为5mm；能源桩换热管5直径30mm；深层换热井2长80m，直径为150mm；换热井回填料7为膨润土或细砂。
58.施工前的准备工作：清理场地，放样定位，埋设护筒；检查钢管10整体结构，有无裂缝和磨损。
59.步骤1)，在现场台座上焊接支护桩钢筋笼6，焊接钢管10于支护桩钢筋笼6内壁并做管头保护结构9。
60.步骤2)，sr-250旋挖钻机就位，相邻两根能源支护桩的间距为5m，采用泥浆护壁方式成孔，向下旋挖30m(灌注支护桩14的桩长)后停止旋挖。吊装下放支护桩钢筋笼6至桩底，确认支护桩钢筋笼6内钢管10位于靠近基坑外侧处。
61.步骤3)，向桩孔内灌注混凝土8，固结形成灌注支护桩段11，进行冠梁3施工。
62.步骤4)，待基坑内部结构施工完成后，切割超出冠梁3设计高度的钢管10。
63.步骤5)，采用dz-200型多功能钻机，从预埋钢管10处下放钻杆，钻杆直径150mm(与深层换热井2的直径相等)，从钢管10的底部向下钻至设计深度，形成深层换热井2。
64.步骤6)，利用拉升机将能源桩换热管5拉直，然后利用dhja—180全自动热熔机将各段能源桩换热管5按u型管式样熔接起来并检查是否熔为一体。
65.将连接好的能源桩换热管5管内充水，并在气口上加压力表，使用不小于12kgf/cm2压力试压，检查是否无气孔，鼓泡和裂缝，确保管道完好无损并做管头保护结构9。
66.吊装下放能源桩换热管5至深层换热井2底，回填换热井回填料7。
67.步骤7)，将能源桩换热管5的进水管、出水管与室内换热机组、集分水器、高压水泵等设备相连，形成换热系统。
68.按照钻孔灌注桩的成桩形式进行灌注支护桩14的施工。
69.与现有技术相比，本发明的基于深层埋管能源支护桩的换热系统及施工工艺的优点在于：
70.(1)本发明对灌注支护桩进行二次开发，通过设置换热井将其与能源桩技术相结合开发为能源支护桩，在不影响原有功能基础上提取深层地热清洁能源为上层建筑供能，实现“一桩两用”，解决了灌注支护桩在地下结构施工完毕后废弃造成浪费的问题。
71.(2)本发明在支护桩受拉区支护桩钢筋笼内壁焊接或绑扎钢管充当支护桩换热井，既不影响支护桩的承载力又能方便能源桩换热管的下放，与传统能源桩工法相比省去了繁杂的绑扎时间与人力成本，缩短施工工期，简化施工工法。
72.(3)本发明采用深层换热井埋管，相比传统能源桩地热清洁能源交换量大，换热效率高，且能源桩换热管质量与耐久不易受到影响。
73.(4)本发明采用能源支护桩和灌注支护桩交叉布置的施工设计，既节省了桩基施工成本，又避免了相邻能源支护桩距离较近，影响换热效率，引发热堆积效应。
74.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。