一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管

摘要

本发明涉及一种地下工程的人工地层冻结法施工技术领域，更具体地，涉及一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管。所述的冻结管包括：上部控制冻结段、下部控制冻结段、隔断装置、进液管、回液管以及控制阀门。通过不同阀门的控制及低温冷媒在冻结管内的流动路线控制。本发明可以实现选择性冻结，避免传统冻结管只能全段冻结的缺点，本发明可以实现对不同层位深度地层的控制冻结，提高了冻结管的冻结效率，可以做到控制冻结区域及冻结段，满足了各种施工要求及工程实际工况需要，提高工作效率。本发明操作简单，施工实用性强，经济性优越等突出特点，具有较大的推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下工程的人工地层冻结法施工技术领域，更具体地，涉及一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管。

背景技术

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻技术使其融化。其施工方法在含水土层内先钻孔打入冻结管，导入循环的液氮，使周边的地层冻结，形成坚硬的冻土壳，能保证地层稳定，还能起隔水作用，可以进行深基坑的挖土。目前，有较多的地下工程需要按施工要求，定向控制动冻结区域，按照施工进度和安全要求调控冻结段。

现有的冻结管均是形状功能单一的圆形冻结管，在冻结管中放置供液管，通过供液管通入冷媒剂，通过冻结管外壁与土体进行热量交换，使得冻结管周围的土层形成冻土帷幕。这种方法只能进行全段冻结，不能控制冻结段，不适用于特殊的工程施工条件。

而即使对冻结管外壁采用保温材料包裹或者内层抽真空的方法，也会浪费大量的冷量极大的增加了循环冷媒介质用量和施工机械的能耗，也不能解决分段分层冻结的问题。

以上方法都不能解决分层差异冻结的问题，对每个工程都要重新设计冻结管非冻结部分，对后期材料造成很大浪费。同时，对工程施工进度产生影响，施工精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术中存在的问题，提供了一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管，可以实现选择性冻结，避免传统冻结管只能全段冻结的缺点，提高了冻结管的冻结效率，可以做到控制冻结区域及冻结段，满足了各种施工要求及工程实际需要，减少了现场的施工时间，施工后材料完全可回收不影响二次利用。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种局部差异冻结管，包括上部控制控制冻结段和下部控制冻结段，所述两冻结控制段通过预留位置焊接连接，是本发明的第一个技术特征。这样设计的目的是，以双段冻结管代替传统的圆形冻结管，其焊接处通过预留位置做到几何参数控制，以135°进行焊接，截面受力特性优异且形式简单，变截面设计可以有效做到冻结段的可控性，截面面积大大减小，即冻结冷媒用量减少；

冻结管内设置通过单向阀连接的进液管和回液管，是本发明的第二个技术特征。这样设计的目的是，在冻结管的中间位置放置进液管，同时放置通过单向阀链接的回液管，冻结冷媒通过进液管流入，通过单向阀的开关控制，可定向的控制冷媒介质在冻结管内的流动路径，调控冻结管冻结上下冻结段，实现差异冻结的目的，大大提高了冻结管对冻结区域的控制，提高冻结管的适用范围和施工工作效率。

冻结管顶部管壁上设有与冻结管连通的第二回液管，这是本发明的第三个技术特征。这样设计的目的是，在冻结管中间位置放置进液管，冻结冷媒通过进液管进入冻结管内部，通过隔断装置阀门经第二回液管流出，如此循环在地层中形成冻土帷幕，冷媒介质在整个冻结管内流动，达到全段冻结的目的。

冻结管中进液管与第一回液管通过单向阀连接，第一回液管底端为进水口竖直向上的单向阀，并设有带阀门的隔断装置是本发明的第四个技术特征。这样设计的目的是，当冷媒介质通过进液管通入冻结管时，可通过单向阀的开关控制冷媒介质的流向路径，冷媒介质流入关内，按照冻结需要，控制不同阀门的打开与闭合，达到不同的冻结目的。这样不仅能实现分段控制冷冻位置，同时也提高了冻结管中冷媒介质的流向均匀性，同时加快了冷媒循环，在控制冻结区域的同时大大提高了冻结性能。

作为优选，所述冻结管上部冻结控制段材料选用φ165×6mm低碳钢无缝钢管，下部冻结控制段材料选φ158×7mm低碳钢无缝钢管。

作为优选，所述上下两部分控制冻结段通过焊接方式连接成一个整体。

作为优选，进液管以及回液管用来输送低温冷媒，为了防止冷量流失，选用保温效果较好并且低温下具有较高柔韧性的聚乙烯塑料软管，进液管以及回液管的直径为60-80mm。

再优选地，所述进液管及回液管的直径均为70mm。

优选地，所述隔板选用保温效果较好的聚氯乙烯制成，隔板与上层控制冻结管、进液管、回液管的接触面通过环氧树脂进行粘结。所诉隔板用来阻止低温冷媒进入控制冻结段，从而保证低温冷媒通过回液管流回冻结站。

作为优选，所述单向阀选用不受安装位置限制的旋启式止回阀。

再优选地，所述单向阀选用工作压力：2,000～15,000PSI、温度：-60℃+121℃(K,U)的旋启式止回阀。

本发明具有以下有益结果：

本发明提供了一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管，控制冻结器的工作原理为：低温冷媒通过进液管输送至冻结器的底部，随后通过常规冻结段的钢管回流，低温冷媒通过金属管壁与周围土体进行热量交换，实现对周围土层的冻结；当低温冷媒流至隔板位置时，关闭阀门由于隔板的阻隔作用，低温冷媒只能通过第二单向阀经第一回液管流回冻结站，实现对下部冻结段的控制；当低温冷媒通过进液管流入，打开第一单向阀，低温冷媒通过第一单向阀经第一回液管流回冻结站，实现对上部冻结段的控制；只打开隔断装置的阀门，低温冷媒通过进液管流入冻结管，当低温冷媒流至冻结管顶部，经第二回液管流回冻结站，实现冻结管全段冻结。本差异冻结管结构清晰，受力合理，技术成熟，为地下工程提供稳定的技术支撑。采用不同控制段控制冻结区域，大大提高了工程的实际适用性，避免了不必要的冷量消耗，提高了冻结效率。同时减少了循环冷媒介质的用量和施工机械的能耗，具有较高的施工实用性，满足工程实际需要，施工质量控制方便，加固效果好且经济性优越等突出优点，具有较大的推广应用价值。施工完成后，冻结管、输液管、回液管、隔断装置及阀门等均可拆卸回收循环使用，且拆卸简单，减少了材料的单次使用，有效的降低了施工成本。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

图1为本发明实施例的冻结管结构示意图。

图2为本发明实施例的冻结控制器上部冻结控制示意图。

图3为本发明实施例的冻结控制器下部冻结控制示意图。

图4为本发明实施例的冻结控制器全段冻结示意图。

图中：1、下部冻结段；2、上部冻结段；3、进液管；4、第一回液管；5、第二回液管；6、隔断装置；7、第二单向阀；8、阀门；9、第一单向阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1，本发明实施例提供一种应用于冻结施工中的可控制冻结段的局部差异冻结管，包括上部冻结控制段2和下部冻结控制段1，其通过预留位置由焊接连接在一起形成一个整体，第一进液管3通过螺纹单向阀连接第一回液管4，第一进液管放置在冻结管中间位置。隔断装置6位于上部冻结控制段的下端，隔断装置6穿过第一进液管3、第一回液管4，形成一个密闭环境。

在本发明的实施例中，参照图2，差异冻结管能对地层进行上部控制冻结的原理是：关闭隔断装置6上的阀门8，打开单向阀9，低温冷媒介质通过进液管3进入冻结管内部，逐渐充满冻结管上部控制区，低温冷媒介质通过单向阀9，经过第一回液管排走，流入冻结站。低温冷媒没有经过下部冻结管内，下部没有冷量与地层进行热量交换。低温冷媒与上部冻结段2的金属管壁接触，低温冷媒通过金属管壁与周围土体进行热量交换，实现对上部周围土层的冻结。

在本发明的实施例中，参照图3，差异冻结管能对地层进行下部控制冻结的原理是：关闭隔断装置6的阀门8，关闭单向阀9。低温冷媒介质通过第一进液管，逐渐充满冻结管下部，由于隔断装置6的阻隔作用，低温冷媒只能通过第一回液管4的下端单向阀7流回冻结站，避免了低温冷媒直接与上部冻结控制段2金属管壁接触，低温冷媒无法与控制冻结器2的管壁接触，因此无法对上层的地层进行冻结，上部地层的冻胀得到很好的控制，下部地层土通过与下部控制冻结段1的金属管壁进行热量交换，实现对下部周围土体的冻结。

在本发明的实施例中，参照图4，差异冻结管能对地层进行全段冻结的原理是：打开隔断装置6的阀门8，关闭第一单向阀9和第二单向阀7，低温冷媒介质通过进液管流入冻结管内部，逐渐充满整个冻结管，低温冷媒只能通过第二回液管5流回冻结站，如此循环，使得冻结管周围的土层冻结形成冻土帷幕，实现对土层的冻结。

控制冻结器的工作原理为：低温冷媒通过进液管输送至冻结器的底部，随后通过冻结段的钢管回流，低温冷媒通过金属管壁与周围土体进行热量交换，实现对周围土层的冻结；当低温冷媒流至预先设置的不同位置时，由于隔板的阻隔作用及单向阀的流向控制，低温冷媒通过设计好的特定回流路线经回液管流回冻结站，避免了低温冷媒进入冻结管内后直接与冻结管金属管壁接触，由此实现不同层位的差异冻结。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。