摘 要: 為充分利用環境設施、節約資源和能量，綜合考慮基坑支護系統、地溫交換系統和雨水調蓄系統形成大直徑基坑支護能量蓄水管樁新技術。該技術是將大直徑管樁運用到基坑支護中，該管樁作為支撐結構可提高基坑安全性能; 同時其空心管狀結構可實現利用地下淺層地溫能對上部建筑空間進行供暖或制冷; 另外其空心管狀結構也可儲存雨水，符合海綿城市理念。通過施工工藝介紹和技術對比，主要得出: 該技術可大幅提高支護體抗彎能力，節約造價，可利用地下淺層地溫能對建 ( 構) 筑物進行供暖或制冷，同時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 實心樁進行基坑 支護方案比較，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，造價節省 1 /3; 當基坑面積為 100 m × 100 m 時，降低二氧化碳排放量 22. 7 t; 降溫效果對比中，加冰情況下，能量交換系統降溫效果與空調運行時差別不大，但用電 量僅為空調系統的 1 /6。所得結果可為今后類似工程提供技術參考依據。

　　關鍵詞: 基坑支護; 地溫交換; 海綿城市; 大直徑管樁

　　0 引言

　　為充分利用環境設施、節約資源和能量，綜合 考慮基坑支護系統、地溫交換系統和雨水調蓄系 統，利用上述 3 個系統形成大直徑基坑支護能量蓄 水管樁新技術。 眾所周知，基坑支護結構一般是在坑底下有一 定插入深度的樁、板和墻結構，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 構[3]。

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

　　能量樁是在建筑 物建造時，直接將地源熱泵系統地埋管換熱器的塑 料換熱管埋設在建筑物的混凝土樁基中，使其與建 筑結構相結合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱 器，稱為樁基埋管地熱換熱器，也稱作能量樁[10 - 11]。 海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環 境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”， 下雨時吸水、蓄水、滲水和凈水，需要時將蓄存的水 “釋放”并加以利用[12 - 14]。

　　劉漢龍[15 - 16]總結歸納了優缺點互補創新法、逆 向思維創新法、組合技術創新法、希望點列舉創新 法、觸類旁通創新法、強制聯想創新法和擴散( 發 散) 思維創新法等 7 種創新方法。本文采用組合技 術創新法，綜合考慮基坑支護系統、地溫交換系統 和雨水調蓄與利用系統，形成大直徑基坑支護能量 蓄水管樁新技術，并運用觸類旁通創新法對該技術 的施工工藝進行創新與優化。

　　1 大直徑基坑支護能量蓄水管樁新技術

　　1. 1 概況

　　大直徑基坑支護能量蓄水管樁新技術[17 - 19]是將大直徑管樁運用到基坑支護中，作為支撐結構， 減少了混凝土用量，提高了支護樁抗彎能力; 同時 將其設計成空心管狀結構，利用地下淺層地溫能， 用水作為載體進行循環的溫度交換，從而對會議 廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區”的建 筑空間進行供暖或制冷。另外，空心管狀結構還可 以設計成儲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; 管樁 1 具體為現澆鋼筋混凝土 大直徑管樁( 也可是大直徑預制管樁) ，是在地下工 程主體結構完工前用以保障基坑側壁穩定的圍護 結構; 地溫交換系統包括進水總管 2、出水總管 3、散 熱管 6 以及風扇 7，進水總管 2 的進水端和出水總 管 3 的出水端分別連接有進水支管 4 和出水支管 5，且二者均位于管樁 1 的內部，散熱管 6 連接于進 水總管 2 和出水總管 3 之間，并形成循環，散熱管 6 采用蛇形布置，相鄰的散熱管 6 之間安裝有的風扇 7; 散熱管 6 和風扇 7 均安裝于房屋的吊頂上，進水 總管 2 上還連接有循環泵 8。

　　包括蓄水井 3、設在蓄水井 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 管樁 1 相對應的預埋管道 7 和虹吸管 2，管樁 1 為圍 護結構中使用的支護管樁，預埋管道 7 一部分埋設在 冠梁 6 中，預埋管道 7 一端連接到雨水管網，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 包括若干進水支管和連通各個進水支管的總管， 進水支管伸入與之對應的中空腔體中，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進水 支管的進水口。

　　1. 2 優點

　　大直徑基坑支護能量蓄水管樁新技術的優點 如下。 ( 1) 作為支撐結構，大幅度地提高了支護體抗彎能力，增加了基坑安全性能，又減少了混凝土用 量，大大節約造價。 ( 2) 將其設計成空心管狀結構，利用地下淺層 地溫能，用水作為載體進行循環的溫度交換，從而 對會議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分 區”的建筑空間進行供暖或制冷。

　　1. 3 施工工藝

　　大直徑基坑支護能量蓄水管樁圍護結構的施工工藝流程如下: 施工準備→現澆管樁機就位( 也可使用預制管樁) →振動沉管→安放鋼筋籠→灌注 混凝土→振動上拔成樁→開挖樁頭及樁芯土→檢 測樁身質量→預埋 PE 給水管→支模澆筑冠梁→待 正負零以上施工時，布設進出水總管、吊頂熱傳遞 水管及風扇等熱交換設備。

　　2 大直徑管樁基坑支護方案與鉆孔灌注樁基坑支護方案對比

　　2. 1 基坑支護設計

　　將鉆孔灌注樁基坑支護方案與大直徑管樁基 坑支護方案進行對比設計。分別設計 計算了直徑為 1 000 mm、間距為 1 400 mm、長度為 11 500 mm 實心樁和直徑為 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，對兩種樁設計結果進行變形、整體穩定性和抗傾覆比較，兩種情況驗算均滿足要求， 并做了對比分析。

　　以直徑 2 000 mm，壁厚 200 mm 的管樁和直徑 1 200 mm 的實心樁進行比較，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 能量交換系統與空調系統降溫效果實測對比

　　3. 1 現場布置

　　3. 1. 1 測點布置

　　測量土體溫度的測 點以及測量深度分別為 1 號點地下 3 m、3 號點地下 4. 5 m、5 號點 6 m、7 號點 7. 5 m，測量現澆管樁溫度 的測點以及測量深度分別為 2 號點地下 3 m、4 號點 地下 4. 5 m、6 號點 6 m、8 號點 7. 5 m，14 號點測量 室外環境溫度，其余測點均勻分布在集裝箱內。

　　4 結束語

　　本文綜合考慮基坑支護系統、地溫交換系統和 雨水調蓄與利用系統，形成大直徑基坑支護能量蓄 水管樁新技術，對該技術的施工工藝和優點進行了 介紹，并將其與鉆孔灌注樁基坑支護結構設計方案 進行了對比，主要得出如下結果。 ( 1) 大直徑基坑支護能量蓄水管樁新技術大幅 提高了支護體抗彎能力，節約造價; 利用地下淺層 地溫能，用水作為載體進行循環的溫度交換，從而 對建( 構) 筑物進行供暖或制冷; 同時符合海綿城市 的理念。 ( 2) 以直徑2 000 mm，壁厚200 mm 的管樁和直 徑 1 200 mm 的實心樁進行基坑支護方案比較，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。

　　工程技術論文投稿刊物：《農業工程學報》是由中國科學技術協會主管，中國農業工程學會主辦的全國性學術期刊。國際刊號ISSN：1002-6819;國內刊號CN：11-2047/S，郵發代號：18-57。讀者對象為農業工程學科及相關領域的科研、教學及生產科技人員、技術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方案比 鉆孔灌注樁基坑支護方案節省 1 /3 的造價。 ( 4) 當基坑面積為 100 m × 100 m 時，大直徑管 樁基坑支護方案比鉆孔灌注樁基坑支護方案降低 二氧化碳排放量 22. 7 t。 ( 5) 降溫效果對比中，不加冰時( 即盤管所處水 位溫度為 21 ℃ ) 能量交換降溫效果為空調的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，能量交換系統降溫效果與 空調運行時差別不大，用電量同樣僅為其 1 /6。相 同時間內，能量交換系統中風機運行的耗電量與盤 管所處溫 度 無 關。能量交換系統能極大節省用 電量。

　　【參 考 文 獻】

　　[1] 劉國彬，王衛東. 基坑工程手冊[M]. 2 版. 北京: 中國建筑工業 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. 有機質浸染砂水泥土的力學特性及 本構關系[J]. 農業工程學報，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*