CN112095618B - 一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法 - Google Patents

一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法，该改造装置，在锚杆回收孔中设有同心换热管，同心换热管端部的内管侧壁上设有若干透液孔，同心换热管的外管和内管分别与进液管和出液管连接，同心换热管和锚杆回收孔之间的空隙内设有填充层。该装置和方法实现临时支护结构的二次利用，用于与周围土体交换热量，实现浅层地温能提取。

Description

一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法
技术领域
本发明属于桩锚临时支护工程改造技术领域，特别涉及一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法。
背景技术
随着轨道交通、地下洞室及各类城市地下空间工程的开发和利用，基坑问题在越来越多的工程案例中出现。由于基坑开挖卸载及施工扰动可能会破坏土体原有的应力状态，从而导致基坑坑壁的变形，继而可能引起基坑的破坏。桩锚式支护结构作为一种常见的基坑支护形式，近年来越来越多地运用到工程实际当中。在实际工程中，基坑支护作为临时性的保护工程，具有一定的使用时限。在服役期结束后，桩锚式支护工程将对内插型钢及钢绞线进行拔除回收。针对这种施工方式，可通过工程改造进行临时结构的二次利用。浅层地温能作为一种可再生清洁能源，其合理利用和开采可以缓解一部分的能源危机，减少一部分化石能源的开采和使用。针对这个技术问题，通常采用地埋管进行地表与地下岩土体的热交换；但在实际工程中，地埋管技术需要专门的场地用于地热提取，另需专门的钻孔用于换热管的埋置，这都大大增加了其施工难度和建设成本。
中国发明专利申请号为CN200710056338.9，名称为浅层地热能转换锚杆，公开了一种具有浅层地温能提取的锚杆支护装置，该装置将U型换热管绑扎固定于锚杆或注浆管，并置入钻孔中及灌注锚固体。该方案利用在锚杆支护中埋置U型换热管实现锚杆和浅层地温能提取的双重作用；但由于换热管的放置将一定程度上影响了锚杆与锚固体之间的摩阻力，可能会影响锚杆的锚固能力；而且换热液的渗漏可能会锈蚀锚杆钢筋，从而降低锚杆的强度。中国发明专利申请号为CN201711125255.0，名称为基于浅层地热交换的支护结构，公开了一种具有浅层地温能交换的锚固支护结构，锚拉装置为插入固定件锚固的空心钢管，在钢管中安装有换热管件，从而使得锚拉支护结构具有护壁和提取浅层地温能的双重作用。该方案利用空心钢管内的换热管可有效实现浅层地温能的提取；但由于钢管与换热管之间存在一定的空腔，将一定程度上降低装置的换热性能，地下水和换热液泄露均有可能导致钢管的锈蚀，从而可能会致使支护性能的下降；另外，这种装置类型决定了在基坑支护工程服役期满后无法进行钢管材料的回收利用。
通过基坑支护工程结合热循环体系，不仅可以实现浅层地温能的开发和利用，并且可以调节岩土层温度场，用以加速土体热固结、降低冻土地区土体冻涨冻融对支护体系及建筑结构的影响。然而，基于地埋管及支护系统直接埋管存在着造价高，影响支护系统支护能力以及难以进行回收利用的缺点。因此，研发一种经济高效、废弃工程二次利用的浅层地温能利用系统，显得尤为迫切。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法，实现临时支护结构的二次利用，用于与周围土体交换热量，实现浅层地温能提取。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置，在锚杆回收孔中设有同心换热管，同心换热管端部的内管侧壁上设有若干透液孔，同心换热管的外管和内管分别与进液管和出液管连接，同心换热管和锚杆回收孔之间的空隙内设有填充层。
优选的方案中，所述锚杆回收孔包括自由段和锚固段，自由段的填充层为导热材料，锚固段的填充层为锚固材料，所述自由段和锚固段之间设有堵浆器。
优选的方案中，所述内管和外管之间设有支撑连接板。
优选的方案中，所述桩体内设有U型换热管，U型换热管的两个自由端分别与进液管和出液管连接。
优选的方案中，所述U型换热管设置在桩体内的型钢回收孔中，U型换热管和型钢回收孔之间的间隙内设有导热回填材料。
优选的方案中，所述锚杆回收孔的直径为100~150mm。
优选的方案中，所述自由段的长度不小于5~6m，锚固段的长度不小于6~7m。
本发明还提供一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，包括如下步骤：
步骤一、确定基坑开挖深度，确定设计搅拌桩或旋喷桩的桩长、间距和直径，确定型钢型号，根据场地工程地质条件，确定锚杆钻孔长度和钻孔直径；
步骤二、施工水泥搅拌桩或旋喷桩，在成桩30~40min内，在相应位置按照设计要求插入型钢；
步骤三、钻锚杆孔至设计深度；在钻孔施工结束后，将螺纹钢筋和注浆导管放置到预成孔中，随后向孔中锚固段进行注浆；
步骤四、在桩锚式支护结构服役结束后，进行型钢和锚杆钢筋的回收；
步骤五、将同心换热管插入锚杆回收孔中，同心换热管与锚杆回收孔之间的空隙设置填充层，同心换热管的外管和内管分别与进液管和出液管连接。
优选的方案中，所述步骤二中，U型换热管与型钢固定，并随型钢压入桩体内，步骤四中，待型钢回收后，将型钢回收孔中回填导热回填材料。
优选的方案中，所述步骤五中，将U型换热管插入型钢回收孔中，U型换热管和型钢回收孔之间的间隙内填充导热回填材料。
本发明提供的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置及其施工方法，具有以下有益效果：
（1）将传统桩锚支护结构与浅层地温能利用技术相结合为一体，在能保证桩锚支护结构基本功能的同时，还可利用换热管进行浅层地温能的提取和利用。
（2）将桩锚临时支护结构改造为浅层地温能提取装置，不仅实现了废弃工程的二次利用，还降低了地埋管换热器的造价以及节约专门用地。
（3）将桩锚临时支护结构改造为浅层地温能提取装置，可以起到调节岩土体温度场的作用。在热交换的作用下，可以加速周围岩土体的热固结，加强岩土体的稳定性；另外，在冻土地区，热交换器还可以用于冬季岩土层的增温，解决冻土地区土体因冻涨冻融带来的危害。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2锚固段的局部放大图；
图3为图1沿A-A面的剖视图；
图4为图1沿B-B面的剖视图；
图5为图1沿C-C面的剖视图；
图6为实施例2中U型管的安装示意图；
图中：锚杆回收孔1，同心换热管2，进液管3，出液管4，填充层5，堵浆器6，桩体7，U型换热管8，型钢回收孔9，导热回填材料10，自由段101，锚固段102，内管201，透液孔202，外管203，支撑连接板204。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置，在锚杆回收孔1中设有同心换热管2，同心换热管2材质宜选聚乙烯（PE），该材质具有导热性能好、可塑性强、易连接的特点。同心换热管2包括内管201和外管203，内管201和外管203之间设有支撑连接板204，同心换热管2插入锚杆回收孔1中的一端封堵，同心换热管2端部的内管201侧壁上设有若干透液孔202，同心换热管2的外管203和内管201分别与进液管3和出液管4连接，同心换热管2和锚杆回收孔1之间的空隙内设有填充层5。
同心换热管2的最大外径应小于设计锚杆回收孔1直径；内管201和外管203间的空腔为入水通道，内管201为出水通道，内管201底部设置透液孔202做透水处理，以形成循环水流；换热液体通常采用水，在冻土地区宜选择防冻液作为换热液体。
在本实施例中，如图2~4所示，所述锚杆回收孔1包括自由段101和锚固段102，自由段101的填充层5为导热材料,具体可选膨润土和细砂的混合浆，锚固段102的填充层5为锚固材料，具体的为锚固混凝土，所述自由段101和锚固段102之间设有堵浆器6。
通过在锚固段102填充锚固材料，有助于对同心换热管2的固定，同时，在自由段101填充导热材料，能够提高同心换热管2与地基之间的热传导。
在本实施例中，所述锚杆回收孔1的直径为100~150mm。其中，所述自由段101的长度不小于5~6m，锚固段102的长度不小于6~7m。
优选的，所述桩体7内设有U型换热管8，U型换热管的两个自由端分别与进液管3和出液管4连接。
具体的，如图5所示，所述U型换热管8设置在桩体7内的型钢回收孔9中，U型换热管8和型钢回收孔9之间的间隙内设有导热回填材料10。
在本实施例中，所述型钢为H型钢，H型钢截面宜采用H700*300、H800*300或H850*300；U型换热管8外径取20mm ~32mm，所选外径应该小于H型钢最大厚度。
一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，包括如下步骤：
步骤一、调查基坑周边环境条件，进行工程地质和水文地质条件的勘察；确定基坑开挖深度，确定设计搅拌桩或旋喷桩的桩长、间距和直径，确定型钢型号，根据场地工程地质条件，确定锚杆钻孔长度和钻孔直径，在本实施例中，桩体为搅拌桩或旋喷桩，直径选取850mm~1000mm。
步骤二、按照一定的搅拌下沉和提升速度施工水泥搅拌桩或旋喷桩，在成桩30~40min内，在相应位置按照设计要求插入型钢。
步骤三、钻锚杆孔至设计深度；在钻孔施工结束后，将螺纹钢筋和注浆导管放置到预成孔中，随后向孔中锚固段进行注浆。
步骤四、在桩锚式支护结构服役结束后，进行型钢和锚杆钢筋的回收；型钢回收后在搅拌桩或旋喷桩上留有空腔。
步骤五、锚杆钢筋回收后，将同心换热管2涂抹减摩擦材料后插入锚杆回收孔1中，同心换热管2与锚杆回收孔1之间的空隙设置填充层5，同心换热管2的外管203和内管201分别与进液管3和出液管4连接；将U型换热管8涂抹减摩材料后插入型钢回收孔9中，U型换热管8和型钢回收孔9之间的间隙内填充导热回填材料10，U型换热管8与进液管3和出液管4连接，进液管3和出液管4连接与热泵系统中，形成闭合回路，管内充填换热流体，利用热泵系统进行换热液体的循环流动，从而达到与浅层地温层热交换的作用。
实施例2：与实施例1不同的，如图6所示，所述步骤二中，U型换热管8与型钢固定，并随型钢压入桩体7内，步骤四中，待型钢回收后，将型钢回收孔9中回填导热回填材料10。
该实施方式，U型换热管8型号不受型钢回收孔9的尺寸的限制。

Claims (6)

1.一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，包括桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置，在锚杆回收孔（1）中设有同心换热管（2），同心换热管（2）端部的内管（201）侧壁上设有若干透液孔（202），同心换热管（2）的外管（203）和内管（201）分别与进液管（3）和出液管（4）连接，同心换热管（2）和锚杆回收孔（1）之间的空隙内设有填充层（5）；桩体（7）内设有U型换热管（8），U型换热管的两个自由端分别与进液管（3）和出液管（4）连接；
包括如下步骤：
步骤一、确定基坑开挖深度，确定设计搅拌桩或旋喷桩的桩长、间距和直径，确定型钢型号，根据场地工程地质条件，确定锚杆钻孔长度和钻孔直径；
步骤二、施工水泥搅拌桩或旋喷桩，在成桩30~40min内，在相应位置按照设计要求插入型钢；
步骤三、钻锚杆孔至设计深度；在钻孔施工结束后，将螺纹钢筋和注浆导管放置到预成孔中，随后向孔中锚固段进行注浆；
步骤四、在桩锚式支护结构服役结束后，进行型钢和锚杆钢筋的回收；
步骤五、将同心换热管（2）插入锚杆回收孔（1）中，同心换热管（2）与锚杆回收孔（1）之间的空隙设置填充层（5），同心换热管（2）的外管（203）和内管（201）分别与进液管（3）和出液管（4）连接，将U型换热管（8）插入型钢回收孔（9）中，U型换热管（8）和型钢回收孔（9）之间的间隙内填充导热回填材料（10）。
2.根据权利要求1所述的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，所述锚杆回收孔（1）包括自由段（101）和锚固段（102），自由段（101）的填充层（5）为导热材料，锚固段（102）的填充层（5）为锚固材料，所述自由段（101）和锚固段（102）之间设有堵浆器（6）。
3.根据权利要求1所述的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，所述内管（201）和外管（203）之间设有支撑连接板（204）。
4.根据权利要求1所述的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，所述U型换热管（8）设置在桩体（7）内的型钢回收孔（9）中，U型换热管（8）和型钢回收孔（9）之间的间隙内设有导热回填材料（10）。
5.根据权利要求1所述的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，所述锚杆回收孔（1）的直径为100~150mm。
6.根据权利要求2所述的一种桩锚式支护结构浅层地温能利用改造装置的施工方法，其特征在于，所述自由段（101）的长度不小于6m，锚固段（102）的长度不小于7m。
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