一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统及方法

摘要

本发明提供一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统及方法，包括液氮蒸发器、盐水冷却器、输液管路、冻结筒以及钻孔机构，具体步骤为：钻孔机构在待施工区域钻取冻结孔，并在冻结孔的侧壁获得若干圆槽，将冻结筒置于冻结孔中，同时使冻结筒侧壁的分支管路旋转到圆槽中，然后液氮蒸发器将液氮进行蒸发生成低温氮气，低温氮气进入到盐水冷却器中对盐水进行冷却，冷却后的盐水通过输液管道进入到冻结筒中，并流入到分支管路中，最终又流回到盐水冷却器中进行循环冷却使用，而低温盐水处于冻结筒以及分支管路中时，可以均匀且大面积的对地层进行冻结，联合液氮制冷以及盐水制冷，可以极大的提高冻结效率。

说明书

技术领域

本发明涉及人工地层冻结技术领域，特别涉及一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统及方法。

背景技术

人工地层冻结法是利用人工制冷使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术，其实质是利用人工制冷临时改变岩士性质以固结地层，在建设海底隧道时，常常会使用人工地层冻结结束对盾构隧道端头土体进行冻结加固。

冻结技术大致分为液氮冻结和盐水冻结，液氮冻结方式效率较高，但是难以贮存和运输，并且成本较高，盐水冻结方式操作容易、成本低，且设备较简单，目前对于人工地层的冻结基本采用单一的液氮冻结或单一的盐水冻结，没有实现两者的结合，公开号为CN202010912578.X的冻结系统和方法中，虽然使用到到了液氮和盐水联合制冷的方式，但是在进行冻结时，冻结管仅能对周围较小区域进行冻结，导致需要使用多根冻结管来扩大冻结区域，施工成本较高；而公开号为CN201611205956.0的冻结方法中，通过二次钻孔的方式对冻结孔的深度加深，然而仅是为了方便施工，并且仅能提高纵向方向上的冻结区域，对于冻结孔横向的周边区域的冻结能力较差。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统及方法，通过液氮蒸发对盐水进行冷却后，由盐水对地层进行冻结，通过对冻结管结构进行改进后，提高冻结管的冻结区域，在保证冻结均匀的基础上，减少冻结管的数量，降低成本。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统，包括液氮蒸发器、盐水冷却器、输液管路、冻结筒以及钻孔机构，所述液氮蒸发器与盐水冷却器连接；所述冻结筒包括筒体、分支管路以及第一电机，所述筒体侧壁设置有若干开口，所述分支管路从筒体内部经开口伸出到外部，所述第一电机设置在开口处的筒体内壁中，用于驱动分支管路旋转；所述钻孔机构包括第二电机、钻筒以及位于钻筒内的第三电机、齿筒和带齿板，所述第二电机输出轴与钻筒顶部连接，所述齿筒套设在第三电机输出轴上，所述带齿板啮合在齿筒的四周，且不同的带齿板所处的高度不同，所述钻筒侧壁设置有供带齿板伸出的通槽；所述输液管道包括螺旋管以及与螺旋管连接的进液管道和出液管道，所述进液管道一端与盐水冷却器底部连接，另一端伸入到筒体内部底部，所述出液管道一端与盐水冷却器顶部连接，另一端伸入到筒体内部顶部，所述螺旋管设置在盐水冷却器内部。

优选的，所述分支管路包括波纹管以及弧形管，所述弧形管一端与筒体内部连通，另一端伸入到开口中，所述波纹管一端位于开口中，并与波纹管连接，另一端伸出到筒体外部，所述弧形管与波纹管连接的一端顶部设置有转轴，所述第二电机输出轴与转轴连接。

优选的，还包括液氮储存罐以及盐水泵，所述液氮储存罐与液氮蒸发器连接，所述盐水泵设置在盐水冷却器与冻结筒之间的进液管道上。

优选的，还包括定位机构，所述定位机构包括控制器以及分别与控制器电连接的红外发射管、红外接收管和警示灯，所述红外发射管以及红外接收管对称设置在筒体外侧壁上，并与最底部的分支管路位于同一高度，所述红外发射管和红外接收管均朝向两者的连线的中点方向倾斜，所述控制器以及警示灯设置在筒体顶部；位于最底部的所述带齿板上设置有喷头以及储存箱，所述储存箱内存储有反射涂料，所述喷头与储存箱连接。

优选的，还包括预冷管道，所述预冷管道一端与液氮蒸发管连接，另一端伸入到筒体内部，所述预冷管道上设置有电磁阀。

优选的，所述盐水冷却器侧壁设置有进气管，所述进气管一端与液氮蒸发器连接，另一端伸入到盐水冷却器内部，所述进气管设置在盐水冷却器内的一端位于同一个虚拟圆的圆周上，且相距90度弧设置。

优选的，所述盐水冷却器顶部还设置有出气管，所述出气管上设置有压力控制阀。

一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结方法，包括以下步骤：

步骤S1、采用钻孔机构在待施工区域进行钻孔并获得冻结孔，同时在冻结孔的侧壁进行二次钻孔，在冻结孔侧壁形成若干高度不同的圆槽；

步骤S2、将冻结筒放入到冻结孔中，控制分支管路伸出到冻结孔侧壁的圆槽中；

步骤S3、将液氮蒸发器、盐水冷却器以及冻结筒依次连接后，向冻结筒中通入低温盐水，对地层进行冻结。

优选的，所述步骤S1在进行二次钻孔时，向钻取的孔槽内壁喷涂反射涂料，所述步骤S2将冻结筒放入钻孔内时，通过侧壁设置的红外发射管和红外接收管判断分支管路是否与圆槽平齐。

优选的，所述步骤S3的液氮蒸发器通过进气管向盐水冷却器内部通入螺旋式低温氮气。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统，液氮蒸发器对液氮进行蒸发后获得低温氮气，并将低温氮气通入到盐水冷却器中，由低温氮气对盐水进行快速冷却，通过所设置的钻孔机构在待施工地层进行钻孔并获得冻结孔，同时在冻结孔的侧壁进行二次钻孔，然后将冻结筒整体置于冻结孔中，并使分支管路与冻结孔侧壁的孔槽对齐后，将分支管路旋转驱动到孔槽中，然后向冻结筒内通入低温盐水，从而可以对地层进行冷却，结合液氮和盐水联合制冷，提高制冷的效率，同时降低成本的使用，通过分支管路和二次钻孔，可以提高低温盐水与地层接触的时间，进一步提高制冷冻结的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统的结构示意图；

图2为本发明一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统的钻孔机构的结构示意图；

图3为本发明一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统的冻结筒的结构示意图；

图4为本发明一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统的冻结筒的俯视结构示意图；

图5为本发明一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统的进气管与盐水冷却器的连接结构示意图；

图中，1为液氮蒸发器，2为盐水冷却器，3为冻结筒，4为筒体，5为分支管路，6为第一电机，7为开口，8为第二电机，9为钻筒，10为第三电机，11为齿筒，12为带齿板，13为通槽，14为螺旋管，15为进液管道，16为出液管道，17为波纹管，18为弧形管，19为转轴，20为液氮储存罐，21为盐水泵，22为控制器，23为红外发射管，24为红外接收管，25为警示灯，26为喷头，27为储存箱，28为预冷管道，29为电磁阀，30为进气管，31为虚拟圆，32为出气管，33为压力控制阀，34为冻结孔，35为圆槽。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图5，本发明提供的一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统，包括液氮蒸发器1、盐水冷却器2、输液管路、冻结筒3以及钻孔机构，所述液氮蒸发器1与盐水冷却器2连接；所述冻结筒3包括筒体4、分支管路5以及第一电机6，所述筒体4侧壁设置有若干开口7，所述分支管路5从筒体4内部经开口7伸出到外部，所述第一电机6设置在开口7处的筒体4内壁中，用于驱动分支管路5旋转；所述钻孔机构包括第二电机8、钻筒9以及位于钻筒9内的第三电机10、齿筒11和带齿板12，所述第二电机8输出轴与钻筒9顶部连接，所述齿筒11套设在第三电机10输出轴上，所述带齿板12啮合在齿筒11的四周，且不同的带齿板12所处的高度不同，所述钻筒9侧壁设置有供带齿板12伸出的通槽13；所述输液管道包括螺旋管14以及与螺旋管14连接的进液管道15和出液管道16，所述进液管道15一端与盐水冷却器2底部连接，另一端伸入到筒体4内部底部，所述出液管道16一端与盐水冷却器2顶部连接，另一端伸入到筒体4内部顶部，所述螺旋管14设置在盐水冷却器2内部。

本发明的一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结系统，将液氮制冷与盐水制冷结合在一起，从而综合两种制冷方式的优点，提高制冷的效率，降低施工的成本，在进行制冷时，将液氮蒸发器1与盐水冷却器2连接后，液氮蒸发器1对液氮进行蒸发，并产生低温氮气后，通入到盐水冷却器2中，在盐水冷却器2中设置了螺旋管14，螺旋管14内设置有盐水，当低温氮气进入到盐水冷却器2内后，可以对盐水进行冷却，低温盐水通过输液管道的进液管道15输送到冻结筒3内，在冻结筒3内与地层进行温度交换，使冻结孔34周围的地层被冻结，温度交换后的盐水通过出液管道16重新输送回螺旋管14中，进行重复的冷却以及循环，从而实现对施工区域地层的冷却冻结。

在进行地层冻结前，首先要在施工区域进行冻结孔34的挖掘，本发明设置了钻孔机构用以钻孔，将钻筒9置于待钻孔区域后，通过第二电机8带动钻筒9旋转，钻筒9则在地面上进行钻孔，当冻结孔34到达指定深度后，开启第三电机10，第三电机10可以带动齿筒11转动，在齿筒11四周的不同高度啮合设置了多个带齿板12，齿筒11转动时，可以带动带齿板12从钻筒9的通槽13处伸出到外部，钻筒9持续进行转动的同时，带齿板12会对冻结孔34的侧壁进行二次钻孔，从而在冻结孔34的侧壁钻出若干个不同高度的圆槽35，二次钻孔完毕后，控制第三电机10反转使带齿板12收回到钻筒9内部后，可以将钻筒9从冻结孔34中取出，然后将冻结筒3的筒体4放入到冻结孔34中，并使各分支管路5与圆槽35高度对应后，通过设置的第一电机6带动分支管路5旋转，使分支管路5转动到圆槽35中，在进行冻结时，低温盐水进入到筒体4内部时，会流向不同的分支管路5中，扩大低温盐水与地层的接触面，从而可以均匀且较大面积的对地层进行冻结，提高冻结的效率，减少冻结管的使用数量，降低施工成本。

优选的，所述分支管路5包括波纹管17以及弧形管18，所述弧形管18一端与筒体4内部连通，另一端伸入到开口7中，所述波纹管17一端位于开口7中，并与波纹管17连接，另一端伸出到筒体4外部，所述弧形管18与波纹管17连接的一端顶部设置有转轴19，所述第二电机8输出轴与转轴19连接。

低温盐水进入到筒体4内部时，会通过波纹管17进入到弧形管18，而波纹管17的设置可以保证弧形管18在第二电机8的带动时可以随意转动，弧形管18设置成向筒体4方向弯曲的结构，当未进行冻结工作时，弧形管18可以抵接在筒体4外壁上。

优选的，还包括液氮储存罐20以及盐水泵21，所述液氮储存罐20与液氮蒸发器1连接，所述盐水泵21设置在盐水冷却器2与冻结筒3之间的进液管道15上。

所设置的液氮储存罐20用于对液氮进行存储，并将液氮输送到液氮蒸发器1中，所设置的盐水泵21可以将盐水冷却器2中的低温盐水抽出并输送到筒体4内部，当液氮储存量不足时，可以通过运输车运输液氮对液氮储存罐20进行补充。

优选的，还包括定位机构，所述定位机构包括控制器22以及分别与控制器22电连接的红外发射管23、红外接收管24和警示灯25，所述红外发射管23以及红外接收管24对称设置在筒体4外侧壁上，并与最底部的分支管路5位于同一高度，所述红外发射管23和红外接收管24均朝向两者的连线的中点方向倾斜，所述控制器22以及警示灯25设置在筒体4顶部；位于最底部的所述带齿板12外侧设置有喷头26以及储存箱27，所述储存箱27内存储有反射涂料，所述喷头26与储存箱27连接。

为保证筒体4进入到冻结孔34内时，分支管路5可以与圆槽35位置相对应，本发明在筒体4上设置了定位机构，并在带齿板12上设置了喷漆机构，当带齿板12伸出到钻筒9外部进行二次钻孔完成后，通过所设置的喷头26可以将储存箱27内存储的反射涂料喷出到圆槽35的内壁上，在圆槽35的内壁上形成反射涂层，当筒体4放置到冻结孔34内，且当最底部的分支管路5下降到最下方的圆槽35处时，红外发射管23发出的红外光经反射图层反射后，返回到红外接收管24，红外接收管24接收到红外光后产生电信号并发送给控制器22，控制器22则控制警示灯25发出警示，以提示工作人员分支管路5已与圆槽35对其，此时可以控制第一电机6带动分支管路5的旋转。

具体的，将红外发射管23和红外接收管24设置成向对方倾斜的方式，可以保证红外发射管23发出的红外光可以被红外接收管24所接收，由于圆槽35内喷涂了反射涂层，因此当红外发射管23下降到圆槽35位置处时，其发出的红外光均可以被反射到红外接收管24处。

优选的，还包括预冷管道28，所述预冷管道28一端与液氮蒸发管连接，另一端伸入到筒体4内部，所述预冷管道28上设置有电磁阀29。

在进行低温盐水制冷时，先开启电磁阀29，使低温氮气通过预冷管道28进入到筒体4内部，此时可以保持筒体4未与出液管道16连接的状态，使低温氮气进行预冷后自然传播到大气中。

优选的，所述盐水冷却器2侧壁设置有进气管30，所述进气管30一端与液氮蒸发器1连接，另一端伸入到盐水冷却器2内部，所述进气管30设置在盐水冷却器2内的一端位于同一个虚拟圆31的圆周上，且相距90度弧设置，所述盐水冷却器2顶部还设置有出气管32，所述出气管32上设置有压力控制阀33。

通过所设置的进气管30和出气管32可以实现低温氮气进出盐水冷却器2，而为了提高盐水在螺旋管14内的快速冷却，本发明将进气管30设置成在同一个虚拟圆31圆周上，液氮蒸发器1将低温氮气通过四个进气管30进行输送时，会在盐水冷却器2内部形成螺旋式气流，从而可以提高低温氮气均匀的与螺旋管14接触，提高盐水的制冷效率。

一种液氮与盐水联合制冷的人工地层冻结方法，包括以下步骤：

步骤S1、采用钻孔机构在待施工区域进行钻孔并获得冻结孔34，同时在冻结孔34的侧壁进行二次钻孔，在冻结孔侧壁形成若干高度不同的圆槽35；

所述步骤S1在进行二次钻孔时，向钻取的孔槽内壁喷涂反射涂料。

步骤S2、将冻结筒3放入到冻结孔34中，控制分支管路5伸出到冻结孔34侧壁的圆槽35中；

所述步骤S2将冻结筒3放入钻孔内时，通过侧壁设置的红外发射管23和红外接收管24判断分支管路5是否与圆槽35平齐。

步骤S3、将液氮蒸发器1、盐水冷却器2以及冻结筒3依次连接后，向冻结筒3中通入低温盐水，对地层进行冻结。

所述步骤S3的液氮蒸发器1通过进气管30向盐水冷却器2内部通入旋流式低温氮气。

本发明的方法将液氮制冷应用于盐水的制冷中，实现盐水的快速冷却，然后将盐水输入到冻结筒3中，通过冻结筒3本身以及其侧壁设置的分支管路5可以对冻结孔34区域以及冻结孔34侧壁的圆槽35区域周围的地层进行快速冻结，从而将施工区域的地层变成冻结结构，方便施工的进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。