摘
要: 本文介绍了武汉某地源热泵空调系统中的地埋管部分施工的全过程, 包括垂直钻孔、下管、灌浆回填、垂
直 PE 管与水平 PE 管的连接与敷设, 同时对地埋管的施工方法、技术要点和技术措施也进行了相应介绍。
关键词: 地源热泵空调 钻孔 埋管施工
Co n s t ru c t io n o f a Gro u n d S o u rc e He a t P u m p Air-c o n d it io n in g S ys t e m in
Wu h a n
MENG De-ping, CHEN Han-song, WU Ying
Wuhan Huifeng Mechanical Electronic Equipment Engineeing Co. Ltd
Abstract: The construction of a ground source heat pump air-conditioning system in Wuhan city was introduced in
detail, which includes vertical drilling, filling backfill and pipe connection. At the same time, the construction methods,
technical elements and technical measures about ground source heat pump air-conditioning system's pipe construction
were introduced briefly.
Keywords: ground source heat pump, vertical drilling, pipe construction
1
工程概况
该工程为一展览馆, 原占地面积 6700 m2, 其中建
筑面积 2600 m2。扩建后, 建筑面积为 4708 m2, 其中地
下层 1255 m2, 空调总面积为 3450 m2。该工程空调系统
设计采用地源热泵空调系统, 埋地部分设计如下:
1) 土壤换热器采用垂直钻孔埋管的方式, 垂直埋
管井设于地下车库下;
2) 土 壤 换 热 器 设 计 共 钻 孔 64 个 , 钻 孔 孔 径 为
150 mm, 钻孔深度为 91 m, 有效利用深度为 90 m, 钻
孔间距为 4.7 m×4.8 m;
3) 垂直换热器采用双 U 埋管, 双 U 管底部采用定
型沉箱连接, 水平埋管采用同程式连接至分、集水器;
4) 土壤换热器每孔为独立的控制环路系统;
5)
埋 管 材 料 采 用 高 密 度 聚 乙 烯 管( HDPE100)
DN32;
6) 垂直钻孔内的灌浆材料采用了膨润土或细沙、
水泥的混合灌浆材料。
2
地质特点
根据武汉市勘测设计研究院提供的场地钻孔柱
状图, 场区内的岩土层自上而下依次为:
①杂填土: 杂色, 主要成分为粘性土和建筑垃圾,
层厚 1.0 m。
②粉质粘土: 褐色, 含少许铁、锰氧化物、高岭土条
纹和植物根, 层厚 3.0 m。
③粉质粘土: 黄褐色, 含铁、锰氧化物及结核、高岭
土条纹或团块。埋深 4.0 m, 层厚 25.0 m。
④强风化泥岩: 红褐色, 泥质结构, 薄层状构造。
节理、裂隙发育多呈 80°。埋深 29.0 m, 层厚 6.3 m。
⑤中风化泥岩: 青灰色, 泥晶结构, 薄层状构造。
节理、裂隙发育。埋深 35.3 m, 层厚 14.7 m。
⑥微风化泥岩: 青灰色, 泥晶结构, 薄层状构造。
收稿日期: 2008-2-3
作者简介: 孟德平( 1955~) , 男, 本科, 工程师; 湖北省武汉市江岸区云林街 31 号中环大厦 A 座 1604 室( 430015) ; 027- 85788783;
E- mail: m101455@126.com
文章编号: 1003-0344( 2008) 05-042-5
孟德平等: 武汉某地源热泵空调系统埋管部分施工
第 27 卷第 5 期
·43·
节理、裂隙发育。埋深 50.0 m, 层厚 55.0 m。
场区内地下水不丰富, 以上层孔隙水和基岩裂隙
水为主。静止水位埋深 2.3～2.5 m。水质分析表明: 地
下水对混凝土没有侵蚀性。
3
施工方案
经现场勘测, 发现该扩建工程除必要的消防通道
外, 几乎没有多余的空地可利用, 施工场地非常狭窄。
由于地埋管系统的施工全部在地面下 ( 基坑内)
作业,
建筑专业的基础施工必须待- 5.50 m 以下地埋
管全部施工完毕且验收合格后才能进行。建筑基础采
用整板阀基, 而垂直打孔及水平沟槽的开挖明显会对
原状土产生扰动, 虽通过砂石回填, 但较难恢复原状
土密实性, 也势必会影响到建筑物的不均匀沉降。为
避免地埋管系统施工过程中大面积扰动原状土层, 施
工前建设、设计、监理和施工各方专业技术人员进行
了专题研究, 最终确定了如下施工方案:
根据建筑专业提供的施工方案中的技术要求, 将
施工方 案 中 的 基 坑 原 开 挖 深 度 标 高( - 4.50 m) 提 高
0.5 m, 即- 4.00 m, 原设计钻孔起始标高( - 5.50 m) 也
相应提升至- 4.0 m 处, 钻孔底部标高不变, 实际钻孔
深度定为 92.5 m。当全部钻孔完毕, 且钻孔内垂直埋
管、回填全部完成, 才能进行水平管沟的开挖与施工;
待水平管沟埋管全部施工完成并回填夯实后, 才能大
面积开挖基坑土方至结构施工标高。这个施工方案避
免了大面积原状土的扰动, 也确保了地埋管系统的施
工不受干扰。
4
施工过程
4.1
主要施工机械
施工中采用的主要机械如表 1 所示。
4.2
钻孔
4.2.1 钻孔测量定位与编号
整个基坑内的钻孔数均为 64 个,
经现场测量定
位后, 对每个钻孔均逐一进行编号, 并分别建立施工记
录档案资料。通过在建筑物施工控制网的基础上向坑
内放样, 其基准控制点和水准点经反复核对及建立埋
管独立放样系统。控制点测量使用 J2 经纬仪和 S2 水
准仪进行, 由专业测量技术人员施测, 放样后得到监理
方和业主的认可。
4.2.2 垂直钻孔
根据该工程提供的《场地地下水分析》以及《钻孔
柱状图》资料, 在土壤不同深度处的钻孔配备两种不同
材质的钻头, 即: 在自然地面下至 29.0 m 内土层选用
螺旋钻头和合金钻头, 在自然地面 29.0 m 以下土层选
用金刚石钻头。由于钻孔深度较浅, 一般采用常规的
旋转钻机钻孔。
采用旋转钻机钻孔时会产生大量泥浆从孔口溢
出, 污染地面, 严重时甚至影响到钻孔作业, 所以必须
及时疏导排除,
定期组织场内清扫和场外泥浆清运。
在 施 工 前 在 靠 近 外 墙 道 路 侧 砌 筑 了 3000 mm ×
3000 mm×1500 mm 泥浆池一座, 主要用于钻孔时的泥
浆集中回收。由于钻孔时产生的泥浆还可以部分循环
使用, 在场地中后部也砌筑了一座泥浆池。另外, 在场
区钻孔作业时根据需要在钻机旁开挖小型的泥浆坑和
泥浆沟, 用于泥浆的收集、使用和排放。
当钻机在粘土层和强风化泥岩层( 0～-30 m) 时,
其钻进效率为 15～20 m/h; 在中风化泥岩层( -35～-65
m) 时, 其钻进效率为 2 m/h; 在微风化泥岩层( -65 m 以
下) 时, 其钻进效率为 0.5～0.7 m/h; 当遇到破碎带和其
他机械故障时其钻进速度更缓慢。
4.2.3 钻孔垂直度检测与控制
《建筑工程地质钻探技术标准》( JGJ87-92)
规定:
对垂直钻孔, 每 50 m 测量一次垂直度, 每 100 m 深允
许偏差为±2°[1]。本项目的垂直钻孔深度设计为 91 m,
实际钻孔深度为 92.5 m, 按规范要求至少应测斜 2 次,
为保证钻孔的质量, 确定每孔必须测斜 3 次, 每 30 m
测斜一次, 即每孔分别在- 25 m、- 55 m、- 85 m 处各测
斜一次。每检测一次大约需耗时 20～60 min。每次检
测时监理均旁站监测并记录。
4.3
埋管( PE) 施工
地埋管施工分垂直地埋管施工和水平地埋管施
工, 特别是垂直地埋管的施工为永久性的隐蔽工程。为
检验地埋管的施工质量在不同的施工阶段应对 PE 管
进行水压试验, 以保证地埋管施工全过程安全、可靠。
4.3.1 地埋管试验
地埋管在不同的施工阶段中应进行多次水压试
表 1 主要施工机械
2008 年
建 筑 热 能 通 风 空 调
·44·
验 ,
以 检 验 地 埋 管 施 工 过 程 中 的 质 量 。 根 据
GB50366-2005 中的 4.5.2 规定,
整个地埋管换热系统
的施工在不同施工阶段分别进行了四次水压试验[2]。
图 1 为地埋管水压试验简图。
由于聚乙烯管是一种热塑性材料,
对 PE 管进行
水压试验时, 特别是稳压过程中压力值会有不同程度
的下降。根据经验, 压力下降不一定意味着管道有泄
漏现象, 压力下降期间可继续注水补压, 补压后的压
力不得高于试验压力。
整个升压过程宜按试验压力大小分为 3～4 级缓
慢升压,
每升一级应检查管道及配件连接的可靠性,
无异常现象再继续升压。升到试验压力后, 停止加压
且稳压 2 h, 在此期间如压力下降, 可对管道进行补压,
直到压力值没有明显下降波动为止。
4.3.2 垂直下管
垂直钻孔完成后, 即可进行下管工序。垂直 PE 管
埋管主要有: 人工下管、机械下管和重物下管三种方
法。
1) 垂直下管方式
工程最初采用的是人工下管的方法, 但由于人工
下管受阻失败, 后改采用机械下管方法获得成功。分
析原因主要有以下几点: 其一, 施钻完毕钻孔内有大
量积水, 水的浮力将使下管有一定的困难。其二, 垂直
埋管深度已接近 100 m, 孔壁摩擦增加了下管的难度,
采用人工下管十分困难。采用人工下管至 15～20 m
以内比较容易, 超过 20 m 时下管非常困难, 甚至不可
能再继续进行下去。
为保证下管的施工进度, 采用人工配合机械下管
的方法, 即利用回转钻机钻杆顶进的方式, 可以克服
水的浮力并加快下管的速度。
2) 下管准备工作
①应先在地埋管上每隔 3～4 m 安装一只双 U 管
卡( 图 2, 管卡中间的管孔是用来插入灌浆管的) 。
②灌浆管采用与地埋管相同的 PE 材质,
管径为
DN25。灌浆管已与地埋管准备就绪。
③检查灌浆设备运转是否正常, 灌浆材料已调配
搅拌完毕。
④检查地埋管内的水压是否下降或泄漏。
⑤检查钻机设备和电气线路的正常情况。
3) 技术保证措施
垂直埋管头部( 又称: 沉箱) 在机械下管过程中极
易受到损伤。为防止这一事故的发生, 采取了保护性
装置: 先在钻杆顶端焊一根倒“L”型钢筋, 长度大于
600～800 mm, 以超出沉箱底部 300～500 mm 为宜, 以
防止在下管过程中损伤沉箱。同时在靠近沉箱的地埋
管上连续安装 5 只双 U 管卡, 用于钻杆顶入地埋管时
既不损伤 PE 管, 也可不使顶杆直接受力在沉箱部位,
起到一个很好的过渡与保护作用。
下管时钻杆应缓慢将地埋管顶入钻孔内。下管速
度要均匀, 防止下管过程中损坏 PE 管, 如果遇有障碍
和不顺畅现象, 暂停止下管, 应及时查明原因, 待查明
原因并做好处理后才能继续下管。下管时应随时注意
不使 PE 管扭曲、变形。下管时, 应将灌浆管和 U 形管
一起插入孔中, 直至孔底。
下管后应及时采取措施将垂直埋管固定, 否则没
有固定或固定不牢固极易造成浮管事故。
下管后为便于下道工序 ( 垂直埋管与水平埋管连
接) 的后续施工, 地埋管的长度应比孔深略长, 一般垂
直埋管的管端应露出地表面 0.3～1.0 m。为防止垂直
埋管不受损伤, 在垂直埋管下管后、灌浆回填前在露出
地表面的 PE 管处埋设一段长约 1.0 m 的 PVC 塑料管
( 管径根据钻孔直径确定) , 露出地表面约 0.5～1.0 m,
并在灌浆回填后予以固定( 见图 3) 。
图 1 水压试验简图
图 2 双 U 管卡
孟德平等: 武汉某地源热泵空调系统埋管部分施工
第 27 卷第 5 期
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4.3.3 灌浆回填
1) 回填料的配比
本项目地层下- 25 m 为粘土层结构, 以粉质粘土
为主, - 25 m～- 90 m 为泥岩。根据设计要求和实际情
况: 在粘土层部分采用的回填材料为“4% ～6% 膨润
土+ 90% SiO2 细砂或水泥”的混合料; 在泥岩层的回
填材料为“水泥+ 水+ 细砂”, 水泥和水的比例为 0.55:
0.6( 重量比) 。具体的比例根据现场实际情况随时调配
配比。实际粘土层中的含砂量本身就很大, 回填料可
以适当减少砂子的比例, 增大膨润土的含量, 对回填
料的导热能力具有良好凝固作用。
2) 灌浆步骤及施工要求
灌 浆 管 采 用 与 地 埋 管 相 同 的 PE 材 质 , 管 径 为
25 mm。灌浆管必须与地埋管一同插入钻孔内, 整根灌
浆管中间应无接头。灌浆管的长度应大于地埋管的长
度( 以方便与灌浆设备连接为宜) , 灌浆管可以重复多
次使用。
用泥浆泵通过灌浆管将混合浆注入孔中, 灌浆时
应根据灌浆泵的速度将灌浆管逐渐缓慢抽出, 使混合
浆自下而上回灌封井。灌注回填料时, 要求高压回填
确保无回填空隙, 回灌应密实, 无空腔。回填过程中随
时观察垂直地埋管的水压是否下降或泄漏, 回填完后
应再次检查, 确认没有泄漏才能进行封孔。回填完后
将留在地面的 PE 管管口进行封堵保护,
防止后续施
工造成损坏。
4.3.4 水平埋管敷设
垂直埋管全部下管并回填完成后, 就可以进行水
平埋管敷设的施工工序。首先应进行场地清理, 然后
进行水平沟槽定位划线、沟槽的开挖、沟槽支架埋设、
水平埋管敷设、垂直埋管与水平埋管连接、地埋管试
验, 以及沟槽回填与夯实。
1) 水平沟槽定位划线
场地清理后, 就可以进行水平沟槽定位。水平沟
槽定位的原施工方案中是将同一沟槽内的垂直埋管划
入沟槽线内, 定位后发现不妥。经调整将垂直埋管全
部移出沟槽线外 0.2～0.3 m。后证实此次调整确实加
快了沟槽开挖的进度, 缩短了工期。每条沟槽机械开
挖完成后, 在垂直埋管部位再采取人工挖掘的方式, 使
其明露。
2) 沟槽开挖
沟槽定位划线后即可进行机械开挖。整个沟槽开
挖进行比较顺利, 开挖的土层均为粘性土, 密实性比较
好, 沟内基本没有积水。场地四周排水设施基本完好,
沟槽开挖和施工时, 能保证和满足正常的施工条件。
3) 沟槽支架埋设
水平沟槽内敷设的 PE 管要求平直、不扭曲、不相
互缠绕。但由于 PE 管道为整卷供货,
且材料塑性较
大, 自由状态时多呈盘卷状, 直线敷设较困难, 在沟槽
内敷设不易展开, 施工起来非常不便, 应采取措施固
定。为此可以先在沟槽底部埋设支架, 支架上采用经
沥青防腐处理的 30×40 木条( 长度与支架等长) , 水平
PE 管与支架采用塑料扎带绑扎固定, 支架间距按 2～
3 m 设一处。
4.3.5 PE 地埋管敷设
1) PE 管连接形式
地埋管系统中的 PE 管之间、管与管件之间的连
接是整个系统施工中的非常重要和关键的工序。PE 管
的连接一般常采用热熔和电熔的连接方式, 小口径 PE
管的连接较常采用手工热熔连接。由于地埋管的连接
只能在室外沟槽内进行, 施工环境条件相对比较恶劣,
为了保证地埋管连接的施工质量, 适当增加一定的施
工成本, 采用电熔连接的方法是完全必要的。
2) 连接设备与工具
专用设备: 聚乙烯管电热熔器 AM65CE;
辅助工具: 水桶、水勺、电吹风、PE 管专用剪刀、干
抹布、刮片、一次性注射器等。
3) 施工操作步骤
①首先将不同回路的两根管与单 U 管件连接, 另
两根管与水平管连接。
②清理垂直埋管周边泥土, 用水勺将钻孔内积水
淘干或使水位低于连接部位以下。
③用专用剪刀把将在垂直管连接单 U 管件的部
位剪断, 此时管内有水溢出。
④用注射器将管内水位抽至距管口 100 mm 以
下。
⑤使用电吹风将管口内外水分吹干。
⑥将垂直 PE 管口外表面长约 3 cm 的氧化层刮
图 3 保护套管
去, 并用干抹布抹去表面残留物, 标出插入深度。
⑦先将两个电熔分别插入垂直 PE 管上,
然后将
单 U 管件插入电熔直接管口内, 并使其在同一轴线。
⑧将电热熔器的正负极电缆接头按颜色分别插
入电熔直接的电源接口内。按操作程序启动电热熔器
工作。
4) 施工技术措施
PE 管电熔连接的施工条件和操作要求较严。PE
管 件 电 熔 时 熔 热 部 位 的 熔 温 约 210℃, 熔 接 时 间 为
50 s。当熔接完成后 3 min 内, 因熔热部位的余热温度
仍然较高,
这时只要稍微用力仍能将 PE 管从熔热管
件中拔出。由于被熔热的管道本身也存在应力, 若熔
热管件与管道不进行固定, 则熔热管件与管道之间的
连接就会因不同轴向的应力而产生变形、位移, 导致
熔接失败或出现质量隐患。
为防止和避免此类事故的发生,
在 PE 管熔接前
采取了以下技术措施: 在每一处管段上用塑料扎带绑
扎一节角钢( 长度 500 mm 为宜) , 保证了 PE 管在电熔
时固定, 同时还应确保每一处连接管段在熔接后仍保
持固定不少于 2 h。
4.3.6 沟槽回填与夯实
根据文献[3], 沟槽回填与夯实要求如下:
1) 沟槽砂石料的配比
回填材料、回填密实度、回填厚度必须符合设计
要求。当设计没明确规定时可按( 图 4) 中的要求施工。
管道两侧及管顶 0.5 m 以内的回填材料,
不得含
有碎石、砖块、垃圾等杂物, 不得用冻土回填。距管顶
0.5 m 以上的回填土内允许有少量直径不大于 0.1 m
的石块和冻土, 其数量不得超过填土总体积的 15% 。
2) 沟槽内施工要点
①水平地埋管底部回填料须颗粒细小、松散、均
匀且不应含石块和土块; 槽底至管顶以上 500 mm 范
围内, 不得含有机物和冻土。
②水平地埋管沟槽回填压实须逐层进行, 且不得
损伤管道。回填压实过程应均匀, 回填土应与管道接
触紧密。
③回填土应分层夯实, 每层厚度应为 0.2～0.3 m,
管道两侧及管顶 0.5 m 以内的回填土必须人工夯实。
当回填土超出管顶 0.5 m 时, 可使用小型机械夯实, 每
层松土厚度应为 0.25～0.4 m。
④分层管道回填时, 应重点做好每一管道层上方
15cm 范围内的回填, 回填料应选用细砂, 其间不得有
尖利的岩石块、碎石或硬物。
5
工程总结
地源热泵空调系统埋管部分的施工质量是保证地
源热泵空调系统正常运行的一个关键。本文介绍了武
汉某地源热泵空调系统埋管部分施工过程中得到的经
验和教训, 希望能为同行提供参考作用。
致谢
本项目施工中武汉市建筑设计院设计师陈焰华曾
多次深入工地指导和帮助施工, 并提出了指导性的意
见和建议, 使工程得以顺利实施, 在此表示衷心感谢。
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