一种无冻结器液氮人工地层冻结方法

摘要

本发明提供一种无冻结器液氮人工地层冻结方法，属于人工地层冻结技术领域。该方法首先进行施工钻孔，即一次钻孔，然后通过在钻孔内插入液氮注入管，进行钻孔及周边范围地层冻结；一次钻孔孔内泥水及周边地层已成冻结状态后进行二次钻孔施工，形成稳定的孔道，再持续注入液氮冻结地层。在冻土体范围、温度、强度达到设计要求后，停止液氮注入，完成冻结。该方法充分利用液氮的低温、快速冻结的性质，强制冻结地层，为二次钻孔干作业提供条件，二次钻孔后能够在地层中形成天然的液氮热交换空间，液氮直接与土体接触，能够获得更高的换热效率、提高冻结速度。减少了传统冻结器加工、生产、安装环节，节约材料，降低成本，提高施工进度。

说明书

技术领域

本发明涉及人工地层冻结技术领域，特别是指一种无冻结器液氮人工地层冻结方法。

背景技术

人工地层冻结法是利用人工制冷技术，将地层中的热量置换走，从而降低地层温度直至地层中的水结冰，使地层成为冻结状态，冻结后的土体具有一定的强度，能够抵挡外界水土压力，达到隔水和地层加固的目的。根据制冷介质的不同，人工地层冻结法可分为传统的低温盐水冻结和新型的液氮冻结、干冰冻结等方法。标准大气压下，液氮汽化温度为-196℃。液氮汽化时吸收大量热量，可以快速冻结土体，与传统低温盐水冻结相比，冻结速度更快、冻土体温度更低、强度更大。随着钢铁工业的发展，作为液氧生产副产品的液氮产量随之增加，价格逐步降低，液氮应用于人工地层冻结中的案例逐渐增多。

目前的液氮冻结器还是参考传统盐水冻结系统中的冻结器设计方法，即在底部封闭的钢管中通入供液管，低温液体在钢管中流动，从而带走地层热量。如：液氮冻结器(申请号：200720069041.1)，与传统的低温盐水冻结器并无明显差别，仍然是由冻结管、底锥、供液管和出气管构成。类似的液氮冻结器专利主要集中在对此冻结器的液氮供液方式改进方面，如“液氮花管均匀冻结器(申请号：200720035238.3)”、“地层液氮冻结器(申请号：201010000963.3)”、“具有多供液管的液氮冻结器(申请号：201110264991.0)”等。其共性的施工方法为：在地层中施工钻孔，在钻孔中安放液氮冻结器，冻结器中通入液氮，液氮在冻结器中汽化吸热，并转变为氮气，从出气管排出。施工过程涉及冻结钻孔施工、加工冻结器、安装冻结器，冻结完成后还可能涉及冻结器的拔出；冻结器的加工又涉及供液管、出气管、底锥、隔板等的加工和连接。

液氮人工地层冻结常用于工程抢险中的封水冻结和土体加固，应用传统液氮冻结器进行地层冻结的方法存在工序多、加工件多、费时费力的弊端，极容易延误抢险时机。

本发明提供一种无冻结器液氮人工地层冻结方法，免除传统液氮人工地层冻结施工中的冻结器加工、冻结器拔出等工序，加快施工进度、降低施工成本。

发明内容

本发明针对传统液氮冻结器进行地层冻结的方法存在工序多、加工件多、费时费力的弊端，提供一种无冻结器液氮人工地层冻结方法。

该方法具体步骤如下：

(一)施工钻孔，即一次钻孔：根据地层类型和钻孔深度、钻孔直径，选择钻孔方式，形成冻结深度范围内的钻孔，并进行清孔处理，确保钻孔底部浮渣厚度小于300mm；

(二)钻孔及周边范围地层冻结：在钻孔内插入液氮注入管，通过减压阀控制注入液氮的供给压力和供给液氮的气、液状态，液氮注入管由两部分组成，前端为刚性直管，后端为不锈钢编织软管，利用施工钻孔的钻机及配套钻杆，将液氮注入管的刚性直管端插入钻孔底部；通过钻杆长度丈量液氮注入管插入钻孔的深度，控制刚性直管端部距离孔底距离为300-500mm；通过调节液氮储存器上的阀门调节液氮注入压力，初始注入时，采取低压力注入气态氮，疏通管路并预冷管路，注入压力以钻孔顶部有连续气泡冒出为准；逐步增大注入压力至0.4-0.6Mpa，缓慢注入液态氮，并利用钻机逐步上提钻杆，提升速度控制在0.2-0.4m/min，将液氮注入管逐步拔出；待液氮注入管将要拔出钻孔时，减小注入压力，使注入液氮转为气态氮；利用钻杆重新将液氮注入管插入钻孔，重复上述注入过程，当钻孔及周边100mm范围土体冻结，且液氮注入管拔出后原钻孔内形成的孔状空间不坍塌时，停止液氮注入，拔出液氮注入管；

(三)二次钻孔施工：一次钻孔孔内泥水及周边地层已成冻结状态，采用螺旋钻干作业二次钻孔，形成稳定的孔道；

(四)持续注入液氮冻结地层：利用步骤(三)中二次钻孔形成的孔道作为液氮与地层热交换的空间，在钻孔中重新插入液氮注入管，注入液氮，使地层降温直至冻结；

(五)完成冻结：冻土体范围、温度、强度达到设计要求后，停止液氮注入，拔出液氮注入管，完成地层冻结。

其中，液氮注入管的刚性直管和不锈钢编织软管通过丝扣或法兰连接，不锈钢编织软管另一端通过丝扣连接液氮储存器(液氮瓶或液氮罐车)。

步骤(四)中液氮注入管端部距离孔底200-300mm，液氮注入压力0.4-0.8Mpa，液氮注入过程中保证钻孔上端部液氮不溢流、不飞溅。

该方法适合钻孔垂直或倾斜向下的液氮冻结施工，不适合垂直向上或斜向上的液氮冻结施工。

进行多孔同时冻结时，通过液氮分配器将液氮储存器与液氮注入管的柔性不锈钢编织软管相连，具体步骤与上述步骤一致。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

液氮吸热气化后产物为氮气，气化产物对地层无不良影响，对环境无污染，液氮人工地层冻结时无需形成传统低温盐水冻结中的冷媒闭合循环系统。因此，充分利用液氮的低温、快速冻结的性质，强制冻结地层，为二次钻孔干作业提供条件，二次钻孔后能够在地层中形成天然的液氮热交换空间，液氮直接与土体接触，能够获得更高的换热效率、提高冻结速度。减少了传统冻结器加工、生产、安装环节，节约材料，降低成本，提高施工进度。

附图说明

图1为本发明的无冻结器液氮人工地层冻结方法步骤流程示意图；

图2为本发明的钻孔施工示意图；

图3为本发明的钻孔冻结示意图；

图4为本发明的二次钻孔示意图；

图5为本发明的液氮冻结示意图。

其中：1-钻孔；2-钻杆；3-液氮注入管。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的液氮冻结器进行地层冻结的方法存在工序多、加工件多、费时费力的弊端，提供一种无冻结器液氮人工地层冻结方法。

如图1所示，该方法包括施工钻孔，即一次钻孔；钻孔及周边范围地层冻结；二次钻孔施工；持续注入液氮冻结地层；完成冻结等步骤。具体实施过程如下：

某盾构出洞冻结法加固工程，采取地面垂直钻孔的液氮地层冻结法。

(一)地层涉及素填土、粉质粘土，冻结设计钻孔深度25m，钻孔直径89mm，采用泥浆护壁钻孔方式，进行一次钻孔，形成冻结深度范围内的钻孔，进行清孔处理，确保钻孔底部浮渣厚度小于300mm。如图2所示。

(二)钻孔及周边范围地层冻结：在钻孔1内插入液氮注入管3，通过减压阀控制注入液氮的供给压力和供给液氮的气、液状态。液氮注入管由两部分组成，前端为刚性直管，长度25.5m，后端为不锈钢编织软管，两者通过法兰连接，不锈钢编织软管另一端通过液氮分配器连接液氮罐车，之间用法兰连接。利用施工钻孔的钻机及配套钻杆2，将液氮注入管3的刚性直管端插入钻孔1底部。通过钻杆2长度丈量液氮注入管3插入钻孔1的深度，控制刚性直管端部距离孔底距离为300mm。通过调节液氮分配器上的阀门调节液氮注入压力，初始注入时，采取低压力注入气态氮，疏通管路并预冷管路，钻孔顶部有连续气泡冒出时的压力为控制压力，稳定供气15min。逐步增大注入压力至0.4Mpa，缓慢注入液态氮，并利用钻机逐步上提钻杆2，提升速度控制在0.2m/min，将液氮注入管3逐步拔出。待液氮注入管3距离钻孔顶端0.2m时，减小注入压力，使注入液氮转为气态氮。利用钻杆2重新将液氮注入管3插入钻孔1，重复前述提到的注入过程5次后，钻孔及周边100mm范围土体呈现冻结状态，且液氮注入管3拔出后原钻孔1内形成的孔状空间不坍塌。停止液氮注入，拔出液氮注入管3。如图3所示。

(三)二次钻孔施工：采用螺旋钻干作业二次钻孔，形成稳定的孔道。如图4所示。

(四)持续注入液氮冻结地层：利用二次钻孔形成的孔道作为液氮与地层热交换的空间，在钻孔中重新插入液氮注入管3，逐步注入液氮，液氮在孔内汽化吸热，逐步将冷量向外扩散，使地层降温直至冻结。液氮注入管端部距离孔底200mm。液氮注入压力0.4Mpa，钻孔上端部液氮不溢流、不飞溅。

(五)完成冻结：根据冻结监测，冻土体范围、温度、强度达到设计要求后，停止液氮注入，拔出液氮注入管，完成地层冻结。如图5所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。