CN102619213B - 双循环系统冻结器 - Google Patents

Abstract

一种双循环系统冻结器，主要应用于矿井建设和城市地下工程的地层冻结。第一供液管(1)、第一回液管(2)、第二供液管(3)伸入冻结管(5)内，第一供液管和第一回液管穿过隔板(6)分别向下延伸至接近冻结管底端和接近隔板下表面，第二供液管下端置于隔板上表面。这样，由第一供液管、隔板、冻结管的下段、下密封板(8)、第一回液管构成近于封闭的下部冻结段，成为一个循环系统，由第二供液管、上密封板(7)、冻结管的上段、隔板、第二回液管(4)构成近于封闭的上部冻结段，成为另一个循环系统，从而构成可进行不同低温、流速和流量盐水循环的双循环系统，能够针对上、下部地层的导热性能差异，对整个冻结范围分段供给冷能，实现对地层的针对性强化冻结。

Description

双循环系统冻结器

技术领域

本发明涉及矿井建设工程及城市地下工程等领域的人工冻结或强制融化的冻结器，具体是一种双循环系统冻结器，尤其适用于整个冻结范围内上、下部主要地层的导热性能和冻土强度差异较大的岩土层。

背景技术

天然地层复杂多样。一些深厚覆盖冲积层下部的黏性土、泥岩等地层，在同样的冻结条件下较其它土层冻结扩展速度慢、冻结壁平均温度偏高，具有强度偏小、易流变等特点，这和该地层所处的高应力环境相矛盾，影响到掘进过程中冻结壁的安全性能，甚至导致冻结管断裂。另外，一些地区深部地层所受应力虽然较大，但其冻结速度较快，如含水裂隙岩体中，相对较高的冻结温度就可满足设计强度要求。而现有技术的冻结器是低温盐水从冻结管下部进入、上部流出的单循环系统，不能通过在冻结器内同时循环不同温度、流速及流量的低温盐水实现对地层的差异冻结，所以现有的冻结器存在不足。

目前，人工地层冻结技术需要大量的电力消耗，制约了冻结法在地下工程建设领域的更广泛应用，也与构建节约型社会不相适应。现有人工冻结技术的节能控制方案，主要是通过采取局部冻结器，外部冻结设备保温、节能，控制整个冻结器内盐水温度、流量和时间以及冰蓄冷技术等措施来实现。局部冻结器仅在冻结管的局部形成了非冻段，但在整个冻结范围内仍是一个冻结循环系统，没有考虑土层的多样性与差异性，不能合理地处理好地层深度、冻结速度和冻土强度之间的协调关系。现有的双供液管冻结器对盐水温度不便控制，仅可达到加快上部冻土扩展速度的目的，调控冷能能力有限。实际工程中，导热性能好的土体吸收了过量的冷能，产生了对工程不利的冻胀力，属于工程安全的不利因素。上述多种措施都难以在冻结深度范围内考虑地层导热性能的差异，采取更加主动的冷能控制措施，使得对地层的冻结针对性更强。

本发明的研究得到了国家自然科学基金项目、教育部重点科研项目及教育部新世纪优秀人才项目的资助。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种双循环系统冻结器。所要解决的技术问题是：针对上、下部地层的导热性能差异，实现对地层进行针对性的强化冻结；基于冻土的强度与冻结壁的温度密切相关，通过对上、下部冻结壁的温度场优化，能够协调好冻结壁的冻土强度与侧向受力之间的关系，使冻结壁的受力更加合理；在采取改变盐水温度、流速和流量等措施节能时，可以对整个冻结范围进行分段冷能供给，达到更强的调控冷能能力和更好的节能效果。

为了解决上述技术问题，本发明的双循环系统冻结器包括第一供液管、第一回液管、第二供液管、第二回液管、冻结管和隔板。其中，隔板设置在冻结管内中部位置并且可沿冻结管的轴线垂直移动，将冻结管分隔成冻结管上段和冻结管下段；第一供液管、第一回液管、第二供液管从外部伸入冻结管内，并且第一供液管和第一回液管穿过隔板分别向下延伸至接近冻结管的底端和接近隔板的下表面，第二供液管的下端置于隔板的上表面；第二回液管垂直固接在冻结管的顶端外部并与冻结管相通；在冻结管的顶端和底端分别设有上密封板和下密封板，在冻结管的底端焊接有底锥。从而，由第一供液管、隔板、冻结管下段、下密封板、第一回液管构成一个近于封闭的下部冻结段，成为一个循环系统，由第二供液管、上密封板、冻结管上段、隔板、第二回液管构成一个近于封闭的上部冻结段，成为另一个循环系统。

两个冻结段构成一个双循环系统冻结器，其对应的两个冻结循环系统可以提供不同低温、流速和流量的盐水，具有冻结针对性更强、效能更高、形成的冻结壁受力更合理的特点，便于人工冻结技术的进一步推广，可取得一定的经济效益和社会效益。

进一步地，第一供液管的最下端与下密封板之间设有一个用于支撑第一供液管的支撑件，其长度不小于200mm。

进一步地，第一回液管的下端突出隔板下表面的长度不大于500mm，第二回液管的长度不小于100mm，隔板的直径比冻结管的直径稍小。

进一步地，第二供液管的下端为盐水出口端，该盐水出口端选自以下两种结构形式之一：下端口封闭并在侧向开设方形孔洞、或者下端口封闭并在侧向开设多个圆形孔洞。

进一步地，所述孔洞的面积大小之和不宜小于第二供液管的可流盐水面积；所述圆形孔洞的直径约3～10mm，呈排状或梅花状布置。

进一步地，第一供液管、第一回液管和第二供液管采用聚乙烯管或钢管制作，第二回液管采用钢管制作；所述冻结管由低碳无缝钢管制成，各段低碳无缝钢管之间采用螺纹、外接箍焊接或加内衬对焊的方式连接；所述供液管和回液管采用螺纹或焊接连接。

进一步地，所述冻结管的上部外覆保温材料，保温材料选自发泡聚氨酯材料或聚苯乙烯泡沫塑料。

进一步地，第一供液管、第一回液管和第二供液管与隔板之间采取螺纹或焊接连接。

进一步地，所述第一供液管、第一回液管和第二供液管在所述冻结管内的布局采取直线排列布置、三角形排列布置、或者两供液管套置的方式。

进一步地，所述第一供液管和第一回液管的直径相同，第二供液管和第二回液管的直径相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

单循环系统冻结器的强化冻结仍是针对整个冻结长度的，而本双循环系统冻结器则可针对上、下部地层的导热性能差异，做到对地层的强化冻结，针对性更强；由于冻土的强度和冻结壁的温度密切相关，本双循环系统冻结器通过对上、下部冻结壁的温度场优化，可协调好冻结壁的冻土强度和侧向受力之间的关系，使冻结壁的受力更加合理；单循环系统冻结器在采取改变盐水温度、流速和流量等措施节能时，仍是对整个冻结范围进行冷能供给的调控，而本发明的双循环系统冻结器的调控冷能能力更强，可达到更好的节能效果。

附图说明

图1是本发明双循环系统冻结器三管共线放置时的主视图；

图2是本发明双循环系统冻结器三管分散放置时的主视图；

图3是本发明双循环系统冻结器两供液管套置时的主视图；

图4是图1的A-A断面俯视图；

图5是图2的B-B断面俯视图；

图6是图3的C-C断面俯视图；

图7a-7b是第二供液管的盐水出口端的结构示意图。

图中：

1-第一供液管    2-第一回液管    3-第二供液管    4-第二回液管

5-冻结管        6-隔板          7-上密封板      8-下密封板

9-底锥          10-保温材料     11-盐水出口端   12-支撑件

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的双循环系统冻结器主要包括第一供液管1、第一回液管2、第二供液管3、第二回液管4、冻结管5和隔板6。其中，隔板6为圆形钢板，设置在冻结管5内中部位置并且可沿冻结管5的轴线垂直移动，从而由隔板6将冻结管5分为上、下两段。第一供液管1、第一回液管2、第二供液管3从外部伸入冻结管5内，并且第一供液管1和第一回液管2穿过隔板6，分别向下延伸至接近冻结管5的底端和接近隔板6的下表面。第二供液管3的下端置于隔板6的上表面，第二回液管4垂直固接在冻结管5的顶端外部并与冻结管5相通。在冻结管5的顶端和底端分别设有上密封板7和下密封板8，用以分别密封住冻结管5的顶端和底端。在冻结管5的底端还焊接有底锥9。这样，由第一供液管1、隔板6、冻结管5的下段、下密封板8、第一回液管2构成了一个近于封闭的冻结段——下部冻结段，即构成了一个循环系统；由第二供液管3、上密封板7、冻结管5的上段、隔板6、第二回液管4构成了另一个近于封闭的冻结段——上部冻结段，即构成了另一个循环系统。就是说，在上下两个冻结段构成了一个双循环系统。两个冻结段可以根据地层差异采取不同的盐水温度、流量和流速，使对地层的冻结更具有针对性。

冻结管5选用低碳无缝钢管制作，各段冻结管之间可采用螺纹连接、外接箍焊接或加内衬对焊连接，保证冻结管接头强度，防止接头断裂而造成事故。底锥9采取与冻结管5材质一致的钢板制作。

冻结管5的上部外覆保温材料10。保温材料10可选择发泡聚氨酯材料或聚苯乙烯等泡沫塑料制品，其覆盖厚度和长度根据实际地层的非冻段长度确定，必要时在保温材料外加外层套管，以保护保温材料的保温性能。

第一供液管1穿过内置的隔板6后一直向下延伸至接近冻结管5的底端，其最下端与下密封板8之间焊有一个支撑件12，用于支撑第一供液管1，该支撑件12的长度不小于200mm。

第一回液管2穿过隔板6，其下端突出隔板6的长度不大于500mm。

第二回液管4焊接在冻结管5的最顶端外侧并与其垂直相通，长度不小于100mm。

第一供液管1、第一回液管2和第二供液管3选用聚乙烯管或钢管制作，第二回液管4选用钢管制作，各自采用螺纹或焊接连接。考虑到低温盐水流量的平衡，第一供液管1和第一回液管2的直径相同，第二供液管3和与其对应的第二回液管4的直径也相同，但两个供液管和两个回液管的直径可以不同，其直径由实际工程中盐水的流速和流量确定。

隔板6由带孔的圆形钢板制成，其设在冻结管5内的位置由所冻结地层的导热性能差异决定。隔板6的直径比冻结管5的直径稍小，以利于其在冻结管5内移动。当隔板6所处位置深度较大时，需要承受很高的静水压力和动水压力，应加大隔板6的钢板厚度，以保证其具有足够的承载能力和刚度。在实际工程中，可以根据主要地层的导热性能差异将整个冻结范围分为两个冻结段，并据此确定隔板6的位置，从而可以确定第一回液管2和第二供液管3的长度。

图1-图3示出了第一供液管1、第一回液管2、第二供液管3在冻结管5内的三种不同布局方式。

当冻结管5的直径较大时或内置的第一供液管1、第一回液管2和第二供液管3直径较小时，可以采用直线布局。参见图1，第一供液管1置于冻结管5的中部，第一回液管2和第二供液管3分别置于第一供液管1的两侧。图4为图1的A-A断面俯视图。

当冻结管5的直径较小时，冻结管5内的第一供液管1、第一回液管2和第二供液管3就需要分散设置。参见图2，第一供液管1、第一回液管2和第二供液管3在冻结管5内呈三角形布局，优选为呈等边三角形布局；图5为图2的B-B断面俯视图。或者，参见图3，第一回液管2置于冻结管5内的左部，第二供液管3置于冻结管5内的右部，而且采用两供液管套置的方式，即第一供液管1套置在第二供液管3内；图6为图3的C-C断面俯视图。

为了保证第二供液管3的出口端盐水流动顺畅，并减少高速水流时对与其相邻的冻结段内盐水的扰动，第二供液管3的下端即盐水出口端11可以采用如图7a-7b所示的两种结构。第一种结构如图7a所示，盐水出口端11的下端口封闭而在侧向开设方形孔洞。第二种结构如图7b所示，盐水出口端11的下端口封闭而在侧向开设多个圆形孔洞，圆形孔洞的直径约3～10mm，可以呈排状或梅花状布置。在这两种结构形式中，孔洞的面积大小之和不宜小于第二供液管3的可流盐水面积。

本发明的双循环系统冻结器的工作过程为：

当冻结时，在一定压力作用下低温盐水经过供液管1进入冻结管5下端，并在隔板6下部附近区域经第一回液管2排出，形成一个独立的流动循环。同时，具有不同流速、流量和温度的低温盐水经过第二供液管3进入冻结管5内，在上密封板7下部附近区域经第二回液管4排出，形成另一个独立的流动循环。在流动过程中，低温盐水通过冻结管5与周围土体进行热交换，冻结土体，盐水自身温度升高，最终形成符合设计要求的冻结壁。当需要调节任何一个冻结段提供的冷能，只需调节与之对应的独立循环制冷系统的阀门或外部制冷设备的功率，即可实现对该冻结段进行调节。

以下为本发明的一个具体实施例：

一个需要冻结地层的冻结深度达620m，地下水埋深为12m。经统计分析，上部300m深度内地层以砂土和砾石层为主，虽存在黏土层，但比例偏小，冻结速度较快，而下部320m范围内地层以黏土层和软岩为主，含水量偏低，冻结速度较慢。这里，采用本发明的双循环系统冻结器进行冻结，供液管、回液管在冻结管内分散放置，隔板6位于地面以下300m深度，可取得良好的冻结效果。冻结管5采用φ159mm×7mm的20号低碳无缝钢管，采取加内衬对焊连接。将φ40mm×3mm、长度200mm的焊接钢管制成的上部冻结段的第二回液管4焊接在冻结管5的上端外部，两管连通。上部冻结段的第二供液管3采用φ40mm×3mm的焊接钢管，在冻结管5内的长度为300m。各焊接处应牢固连接，并保证密封性。下部冻结段的第一供液管1采用φ50mm×3mm的焊接钢管，在冻结管5内的长度为620m，其对应的第一回液管2也采用φ50mm×3mm的焊接钢管，在冻结管5内的长度为300.05m。将下部冻结段对应的第一供液管1和第一回液管2与φ130mm×3mm(厚)的钢板制成的隔板6焊接连接，第一回液管2的下端超出隔板6的下表面50mm。焊接在冻结管5底端的底锥9采取与冻结管材质一致的钢板制作。下部冻结段的第一供液管1的下端部焊接有长度为200mm的φ20钢筋，作为第一供液管1的支撑件12，以保证盐水循环通畅。第二供液管的下端选用端部密封、侧向开方形孔洞的端部结构(见图7a)。冻结管5的上部外覆发泡聚氨酯材料的保温材料10，其覆盖厚度20mm，长度为12m。

Claims (10)

1.一种双循环系统冻结器，包括第一供液管(1)、第一回液管(2)、第二供液管(3)、第二回液管(4)、冻结管(5)和隔板(6)；其特征在于：隔板(6)设置在冻结管(5)内中部位置并且可沿冻结管(5)的轴线垂直移动，将冻结管(5)分隔成冻结管上段和冻结管下段；第一供液管(1)、第一回液管(2)、第二供液管(3)从外部伸入冻结管(5)内，并且第一供液管(1)和第一回液管(2)穿过隔板(6)分别向下延伸至接近冻结管(5)的底端和接近隔板(6)的下表面，第二供液管(3)的下端置于隔板(6)的上表面；第二回液管(4)垂直固接在冻结管(5)的顶端外部并与冻结管(5)相通；在冻结管(5)的顶端和底端分别设有上密封板(7)和下密封板(8)，在冻结管(5)的底端焊接有底锥(9)；由第一供液管(1)、隔板(6)、冻结管下段、下密封板(8)、第一回液管(2)构成一个近于封闭的下部冻结段，成为一个独立的循环系统，由第二供液管(3)、上密封板(7)、冻结管上段、隔板(6)、第二回液管(4)构成一个近于封闭的上部冻结段，成为另一个独立的循环系统；两个独立的循环系统，通过分别循环不同流速、流量和温度的低温盐水，实现不同冻结段的差异温度冻结。

2.根据权利要求1所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一供液管(1)的最下端与下密封板(8)之间设有一个用于支撑第一供液管(1)的支撑件(12)，其长度不小于200mm。

3.根据权利要求1或2所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一回液管(2)的下端突出隔板(6)下表面的长度不大于500mm，所述隔板(6)的直径比冻结管(5)的直径稍小；第二回液管(4)的长度不小于100mm。

4.根据权利要求3所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第二供液管(3)的下端为盐水出口端(11)，该盐水出口端选自以下两种结构形式之一：下端口封闭并在侧向开设方形孔洞、或者下端口封闭并在侧向开设多个圆形孔洞。

5.根据权利要求4所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述孔洞的面积大小之和不宜小于第二供液管(3)的可流盐水面积；所述圆形孔洞的直径约3～10mm，呈排状或梅花状布置。

6.根据权利要求4或5所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一供液管(1)、第一回液管(2)和第二供液管(3)采用聚乙烯管或钢管制作，第二回液管(4)采用钢管制作；所述冻结管(5)由低碳无缝钢管制成，并采用螺纹、外接箍焊接或加内衬对焊的方式连接；所述供液管和回液管采用螺纹或焊接连接。

7.根据权利要求6所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述冻结管(5)的上部外覆保温材料(10)，保温材料(10)选自发泡聚氨酯材料或聚苯乙烯泡沫塑料。

8.根据权利要求7所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一供液管(1)、第一回液管(2)和第二供液管(3)与隔板(6)之间采取螺纹或焊接连接。

9.根据权利要求8所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一供液管(1)、第一回液管(2)和第二供液管(3)在所述冻结管(5)内的布局采取直线排列布置、三角形排列布置、或者两供液管套置的方式。

10.根据权利要求8或9所述的双循环系统冻结器，其特征在于：所述第一供液管(1)和第一回液管(2)的直径相同，第二供液管(3)和第二回液管(4)的直径相同。