深层埋管式预制型能源管桩及其施工工艺的制作方法

本发明属于建筑桩基和能源开发技术领域，涉及一种能源管桩及施工工艺，尤其涉及一 种可提高浅层地热清洁能源利用率的深层埋管式预制型能源管桩及其施工工艺。

背景技术：

21世纪以来，中国已成为全球第一能源消费大国，我国能源结构主要依赖煤炭等化石燃 料，煤炭燃烧排放的烟尘、CO2等所带来的环境污染问题备受全球瞩目。地源热泵系统凭借 节约能源、减少污染物排放等优势已成为清洁能源的一种主要形式，地源热泵应用是地下空 间能源应用工程的核心，与其他空调系统相比有着特殊的优势。到2020年，我国地热供暖或 制冷面积将累计达到16亿平方米，共可替代标煤7210万吨，作为节能环保产业的地源热泵行 业迎来了新的曙光。传统的埋管式地源热泵技术因占地面积大，且上部空间难以利用，导致 该技术在市区等土地供应紧张地块难以推广应用。能源桩技术通过在建筑桩基内埋设换热管， 实现承载建筑上部荷载和换取浅层地热的双重功能。能源桩具有不占用额外的面积，节省部 分钻孔费用等优点。通常桩基桩长在20～30m，而地源热泵钻孔深度达100m，因此在有限的桩 长内难以获取充足的换热量，因此，传统的桩内埋管式能源桩换热量较少。并且目前能源桩 主要以灌注桩为主，依靠人工将换热管绑扎在钢筋笼上进行固定，对机械化的桩基施工影响 非常大，难以连续作业。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种高效环保、能够节约钻孔 费用且部影响预制桩施工的深层埋管式预制型能源管桩及其施工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深层埋管式预制型能源管桩，其特征在于：所述深层埋管式预制型能源管桩包括预 制型能源管桩、深层钻孔换热井、换热管以及回填料；所述预制型能源管桩以及深层钻孔换 热井自上而下同轴设置；所述预制型能源管桩内部以及深层钻孔换热井内部沿预制型能源管 桩的轴向均设置有垂直钻孔；所述换热管整体呈U型；所述换热管从预制型能源管桩的顶部 伸向深层钻孔换热井底部；所述回填料填充在换热管与垂直钻孔之间。

作为优选，本发明所采用的预制型能源管桩包括一节或多节预制钢筋混凝土管桩；所述 预制钢筋混凝土管桩与深层钻孔换热井自上而下同轴设置；所述预制钢筋混凝土管桩是多节 时，多节预制钢筋混凝土管桩自上而下依次相连。

作为优选，本发明所采用的预制型能源管桩还包括设置在最顶部预制钢筋混凝土管桩顶 部的用于保护预制钢筋混凝土管桩以及换热管的桩顶换热管保护装置。

作为优选，本发明所采用的桩顶换热管保护装置包括预制圆盘钢构件以及锚栓；所述预 制圆盘钢构件上设置有锚栓通孔以及换热管通孔；所述换热管穿过换热管通孔后从预制型能 源管桩的顶部伸向深层钻孔换热井底部；所述锚栓通过锚栓通孔将预制圆盘钢构件与最顶部 预制钢筋混凝土管桩相连。

作为优选，本发明所采用的换热管包括进水管以及与进水管相连的出水管；所述进水管 与出水管相连后整体呈U型。

作为优选，本发明所采用的换热管是单U型、双U串联型或双U并联型。

作为优选，本发明所采用的回填料是细砂或膨润土。

作为优选，本发明所采用的深层埋管式预制型能源管桩还包括设置在预制型能源管桩顶 部且置于垂直钻孔中的连接承台钢筋笼。

一种基于如上所述的深层埋管式预制型能源管桩的施工工艺，其特征在于：所述施工工 艺包括以下步骤：

1)采用沉桩设备，将预制钢筋混凝土管桩按设计方案在指定位置沉桩；

2)根据设计要求计算送桩深度，当送桩至设计标高后停止送桩；

3)将桩顶换热管保护装置嵌入并固定在预制钢筋混凝土管桩的桩头；

4)架设钻机，从预制钢筋混凝土管桩桩头的固定装置内部下放护筒及钻杆，向下垂直钻 孔；待垂直钻孔的深度不小于100米时，拔出钻杆和护筒；

5)在垂直钻孔中下放换热管直至换热管底端到达垂直钻孔底部，截断换热管上部外露多 余部分并进行密封保护；

6)采用回填料回填换热管与垂直钻孔之间的空隙，在预制钢筋混凝土管桩的上部预留不 大于1m的沉槽；

7)在沉槽中下放连接承台钢筋笼，连接承台钢筋笼的底端插入回填料中，上部通过横向 钢筋固定于预制钢筋混凝土管桩的桩顶；

8)使用弯头将水平换热管与垂直钻孔内的换热管熔接，再将水平换热管端口密封保护， 在水平换热管底部铺设5～10cm砂垫层进行保护。

作为优选，本发明所采用的步骤1)中所述预制钢筋混凝土管桩是多节时，相邻两节预制 钢筋混凝土管桩的桩底与桩顶通过法兰盘连接法、焊接法和/或浆锚法进行首尾接桩；

所述步骤2)中，当送桩至设计标高后停止送桩时，若预制钢筋混凝土管桩外漏长度超过 设计值，采用切割设备切割超过标高的部分管桩，

所述步骤8)之后还包括：

9)按照预制钢筋混凝土管桩顶部结构的设计要求对预制钢筋混凝土管桩顶部浇筑基础承 台或基础梁；

10)将水平换热管与换热系统的集分水器相连。

本发明的优点是：

本发明提供了一种深层埋管式预制型能源管桩及其施工工艺，该深层埋管式预制型能源 管桩能够解决现有技术中桩内埋管式能源桩换热量不够以及传统地源热泵占用土地面积的问 题，提高整体换热量以及换热效率。本发明采用敞口式预制管桩内部深层钻孔埋管的结构形 式，在换热过程中因换热产生附加温度荷载呈对称分布，这是一种比较良好的受力状态。本 发明所采用的桩顶换热管保护装置，不仅能够对截桩后的预制管桩进行保护，而且能起到保 护桩内换热管与水平进口换热管的作用。预制管桩下部钻孔深度可变，本发明可根据用户需 求选定不同的钻孔深度来获取不同的换热量。不同于灌注型能源桩在施工过程中需在下放钢 筋笼时绑扎换热管，本发明采用预制型能源管桩作为承载结构，能够极大的节省人工投入以 及确保成桩质量。本发明公开深层埋管式预制型能源管桩的施工工艺在施工方面对原桩基施 工方案影响较小，而且节省了预制管桩内部的钻孔费用。因此，本发明兼具传统预制型能源 桩与地源热泵的优点，是一种绿色环保且承载特性良好的新型能源桩，具有广阔的应用前景。 本发明通过在预制管桩底部继续向下钻孔，使埋管深度达到100m，可以有效的提高其换热效 率和换热量。预制桩具有快速施工，结构形式固定等优点，考虑在预制管桩内深埋换热管不 影响桩基施工，结构形式合理，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1a为本发明所提供的深层埋管式预制型能源管桩的整体示意图；

图1b为本发明所提供的深层埋管式预制型能源管桩的剖面结构示意图；

图2为本发明所采用的连接承台钢筋笼的结构示意图；

图3为本发明所采用的桩顶换热管保护装置的正视结构示意图；

图4为本发明所采用的桩顶换热管保护装置的俯视结构示意图；

附图标记说明如下：

1-连接承台钢筋笼；2-锚栓；3-桩顶换热管保护装置；4-预制型能源管桩；5-预制钢筋混 凝土管桩；6-换热管；7-深层钻孔换热井；8-回填料。

具体实施方式

本发明提供了一种绿色环保且承载特性良好的新型能源桩，有效利用预制型能源管桩和 深层钻孔换热井的合理组合，极大提高了能源桩的换热量及换热效率，具备良好的受力性能， 具有很好的市场前景和推广价值。

参见图1a以及图1b，本发明提供了一种深层埋管式预制型能源管桩，该深层埋管式预制 型能源管桩包括预制型能源管桩4、深层钻孔换热井7、换热管6以及回填料8；预制型能源管 桩4以及深层钻孔换热井7自上而下同轴设置；预制型能源管桩4内部以及深层钻孔换热井7内 部沿预制型能源管桩4的轴向均设置有垂直钻孔；换热管6整体呈U型；换热管6从预制型能源 管桩4的顶部伸向深层钻孔换热井7底部；回填料8填充在换热管6与垂直钻孔之间。预制型能 源管桩4是多根并行设置在深层钻孔换热井7上；相邻预制型能源管桩4之间的距离不小于4米， 防止在垂直钻孔时对相邻垂直钻孔有干扰。

预制型能源管桩4包括一节或多节预制钢筋混凝土管桩5；预制钢筋混凝土管桩5与深层钻 孔换热井7自上而下同轴设置；预制钢筋混凝土管桩5是多节时，多节预制钢筋混凝土管桩5 自上而下依次相连，预制钢筋混凝土管桩5的桩头为敞口式。

预制型能源管桩4还包括设置在最顶部预制钢筋混凝土管桩5顶部的用于保护预制钢筋混 凝土管桩5以及换热管6的桩顶换热管保护装置3。参见图3以及图4，本发明所采用的桩顶换热 管保护装置3包括预制圆盘钢构件以及锚栓2；预制圆盘钢构件上设置有锚栓通孔以及换热管 通孔；预制圆盘钢构件通过底部外伸端嵌入预制型能源管桩4进行固定并保护桩头；换热管6 穿过换热管通孔后从预制型能源管桩4的顶部伸向深层钻孔换热井7底部；锚栓2通过锚栓通孔 将预制圆盘钢构件与最顶部预制钢筋混凝土管桩5相连。

换热管6包括进水管以及与进水管相连的出水管；进水管与出水管相连后整体呈U型，换 热管6是单U型、双U串联型或双U并联型。

回填料8是细砂或膨润土。

参加图2，本发明所提供的深层埋管式预制型能源管桩还包括设置在预制型能源管桩4顶 部且置于垂直钻孔中的连接承台钢筋笼1。连接承台钢筋笼1不含底托板，本发明所提供的预 制管桩内部采取回填回填料8来密实管桩内部空隙，无需底托板来阻隔填芯混凝土外露到管桩 中空部分。

本发明在提供深层埋管式预制型能源管桩的同时，还提供了一种深层埋管式预制型能源 管桩的施工工艺，该施工工艺包括以下步骤：

1)采用沉桩设备，将预制钢筋混凝土管桩5按设计方案在指定位置沉桩；预制钢筋混凝 土管桩5是多节时，相邻两节预制钢筋混凝土管桩5的桩底与桩顶通过法兰盘连接法、焊接法 和/或浆锚法进行首尾接桩；

2)根据设计要求计算送桩深度，当送桩至设计标高后停止送桩；当送桩至设计标高后停 止送桩时，若预制钢筋混凝土管桩5外漏长度超过设计值，采用切割设备切割超过标高的部分 管桩，露出桩头；

3)将桩顶换热管保护装置3嵌入并采用4根锚栓2将其固定在预制钢筋混凝土管桩5的桩 头；

4)架设钻机，从预制钢筋混凝土管桩5桩头的固定装置内部下放护筒及钻杆，向下垂直 钻孔；待垂直钻孔的深度不小于100米时，拔出钻杆和护筒；

5)在垂直钻孔中下放换热管6直至换热管6底端到达垂直钻孔底部，截断换热管6上部外 露多余部分并进行密封保护；

6)采用回填料8回填换热管6与垂直钻孔之间的空隙，在预制钢筋混凝土管桩5的上部预 留不大于1m的沉槽；

7)在沉槽中下放连接承台钢筋笼1，连接承台钢筋笼1的底端插入回填料8中，上部通过 横向钢筋固定于预制钢筋混凝土管桩5的桩顶；

8)使用弯头将水平换热管与垂直钻孔内的换热管6熔接，再将水平换热管端口密封保护， 在水平换热管底部铺设5～10cm砂垫层进行保护；

9)按照预制钢筋混凝土管桩5顶部结构的设计要求对预制钢筋混凝土管桩5顶部浇筑基础 承台或基础梁；

10)将水平换热管与换热系统的集分水器相连。

下面结合附图和具体的实施例对本发明的结构及其施工工艺做进一步的详细说明：

实施例：

深层埋管式预制型能源管桩上部桩长28m，下部深层钻孔井深度达100m。选用预制管桩 规格：外径400mm，壁厚95mm，单节桩长10m，桩身混凝土强度C80。相应桩顶换热保护装 置规格：外径400mm，内径200mm，高度60mm，嵌入桩内深度80mm。连接承台圆钢筋笼规 格：主筋6根箍筋间距200mm。

实施步骤如下：

1)采用静力压桩机，将预制钢筋混凝土管桩按设计方案在指定位置沉桩，采用焊接将3 节预制钢筋混凝土管桩的桩底与桩顶进行接桩。

2)根据设计要求达到送桩深度28m，停止送桩。将管桩用截桩机截至设计的标高，露出 桩头，清理管桩内壁的浮浆及杂物。

3)检查桩顶换热管保护装置尺寸与预制管桩的一致性，将桩顶换热管保护装置嵌入桩头， 并利用4根锚栓将其固定于桩头。

4)架设钻机，钻头直径选定140mm，深层钻孔井直径150mm。从桩头固定装置内部下放 护筒及钻杆，向下垂直钻孔。待钻孔钻至100m深后拔出钻杆和护筒。

5)换热管的连接形式为双U并联型，按照换热管单边长110m准备4根，将4根换热管底端 分别熔接成两个U型。将连接好的两个U型换热管，管内充水，并在气口上加压力表，使用不 小于12Kgf/cm²压力试压，确保管道完好无损。下放换热管，换热管底端到达钻孔底部，截断 上部外露多余部分并进行密封保护。

6)采用回填料回填深层钻孔换热井及上部预制管桩内空隙部分，管桩的上部预留1m深 空隙。

7)下放连接承台钢筋笼，钢筋笼底端插入回填料中，上部通过横向钢筋固定于桩顶。

8)使用弯头将水平向进出口换热管与桩内换热管熔接，再将水平的进出口换热管端口密 封保护，然后再次检查气密性，并在水平换热管底部铺设5～10cm砂垫层进行保护。

9)管桩顶部内壁必须清理干净，刷好处理剂，确保填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体 性。按照上部结构的设计要求浇筑基础承台或基础梁，填芯混凝土标号为C30，先浇筑填芯 混凝土。

10)将进出口换热管与换热系统的集分水器相连。