CN103334757A - 一种冻结管、冻结器及采用冻结法开挖岩土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种冻结管、冻结器及采用冻结法开挖岩土的方法，涉及岩土开挖技术领域，为控制冷能的传导方向，降低了电力及施工成本而发明。所述冻结管包括冻结管本体，在所述冻结管本体的一侧设有隔热材料。所示冻结器及采用冻结法开挖岩土的方法采用所述冻结管实施冻结。本发明适用于竖井井筒及地下隧道的开挖。
Description
技术领域
本发明涉及岩土开挖技术领域，尤其涉及一种用于岩土开挖的冻结管、冻结器及采用冻结法开挖岩土的方法。
背景技术
冻结法开挖岩土的方法,是在岩土工程开挖之前，用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻结壁，以临时加固地层，抵抗地压，隔绝地下水，然后在冻结壁的保护下进行正常施工的一种特殊施工法。其施工过程大致如下：首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结器。冷冻站制出的低温盐水（大约-30℃）经输送干管到各孔内冻结器，再由回路干管返回到冷冻站的盐水箱。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展形成冻结壁。随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止。
目前，冻结法施工立井井筒中，经常由于井筒开挖范围内的岩土被冻实，导致开挖困难，风镐或挖掘机挖不动，必要时还需要爆破施工；而在周边具有冻结管的情况下，放炮施工对冻结管具有很大的风险。同时，井筒荒径范围内的岩土被冻实，某种程度上浪费了大量的冷能和电力，给冻结施工成本带来很大的增加。
发明内容
本发明实施例所要解决的一个技术问题是提供一种冻结管，能够控制冷能的传导方向。
为达到上述目的，本发明冻结管实施例采用如下技术方案：
一种冻结管，包括冻结管本体，在所述冻结管本体的一侧设有隔热材料。
进一步地，所述冻结管本体的横截面呈圆缺型；所述隔热材料设置在所述冻结管本体的外侧并位于所述圆缺处。
优选地，所述冻结管本体的横截面呈圆形或多边形；在所述冻结管本体内部、沿冻结管本体长度的方向设有隔板；在所述隔板的一侧与所述沿冻结管本体的内壁之间形成有隔热介质容纳腔，在所述隔板的另一侧与所述沿冻结管本体的内壁之间形成有冷媒介质流动腔；在所述隔热介质容纳腔中设有隔热材料。
优选地，所述隔板为弧形板，所述隔板的弧形面朝向所述冻结管的中心方向凸出。
其中，所述隔热材料为空气或聚氨酯泡沫。
进一步地，所述冻结管包括至少两根相互对接的冻结管段，在相互对接的冻结管段之间焊接有内箍。
本发明冻结管实施例，由于在冻结管本体的一侧设有隔热材料，通过所述隔热材料能够控制冷能的传导方向，减少冷能向设有隔热材料的一侧传递。
本发明实施例所要解决的另一个技术问题是提供一种冻结器，能够控制冷能的传导方向。
为达到上述目的，本发明冻结器实施例采用如下技术方案：
一种冻结器, 包括冻结管，所述冻结管的一端封闭，一端开口；在所述冻结管的开口端设有盖体，在所述盖体上设有供液管和回液管；其中所述供液管伸入所述冻结管内部，并在所述供液管的底部具有开口，所述冻结管为前述任一项所述的冻结管。
优选地，所述供液管设置在所述隔热介质容纳腔内，并由所述隔热材料所包围；所述供液管的底部开口于所述冷媒介质流动腔。
本发明冻结器实施例，由于在冻结管本体的一侧设有隔热材料，通过所述隔热材料能够控制冷能的传导方向，减少冷能向设有隔热材料的一侧传递。
本发明实施例所要解决的再一个技术问题是提供一种采用冻结法开挖岩土的方法，能够降低电力和施工成本。
为达到上述目的，本发明采用冻结法开挖岩土的方法实施例采用如下技术方案：
一种采用冻结法开挖岩土的方法，其特征在于，包括步骤：在要开挖的井筒或隧道的荒径外围开设冻结孔；在所述冻结孔内放置冻结器；控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递。
优选地，所述控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递包括：在所述冻结器的冻结管的一侧设置隔热材料，通过所述隔热材料阻挡冷能向井筒或隧道开挖区内传递。
本发明采用冻结法开挖岩土的方法实施例，由于通过控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递，避免井筒或隧道荒径范围内的岩土被冻实，一方面节省了为实施冷冻所消耗的电力，降低了电力成本，另一方面有利于井筒或隧道荒径范围内岩土的顺利开挖，降低了施工成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明冻结管一实施例放置在冻结孔中的横截面示意图；
图2为本发明冻结管另一实施例放置在冻结孔中的横截面示意图；
图3为本发明冻结管又一实施例放置在冻结孔中的横截面示意图；
图4为本发明冻结管再一实施例中的连接结构示意图；
图5为本发明冻结器一实施例放置在冻结孔中的工作状态纵截面示意图；
图6为沿图5中A-A向的截面示意图；
图7为本发明采用冻结法开挖岩土的方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例一种冻结管、冻结器及采用冻结法开挖岩土的方法进行详细描述。
应当明确，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图1至图3所示，本发明一种冻结管的具体实施方式，包括冻结管本体1，在所述冻结管本体1的一侧设有隔热材料2。所述的隔热材料可以是适用于低温的隔热反射涂料、多孔泡沫材料如聚氨酯泡沫等。
由于在冻结管本体的一侧设有隔热材料，通过所述隔热材料能够控制冷能的传导方向，减少冷能向设有隔热材料的一侧传递。
参看图1所示，在前述冻结管的具体实施方式中，可以将隔热材料2设置在冻结管本体1的一侧的外壁上。优选地，所述冻结管本体1的横截面呈圆缺型；所述隔热材料2，如聚氨酯泡沫等，设置在所述冻结管本体1的外侧并位于所述圆缺处。所述隔热材料可通过粘结或钢丝捆扎等方式固定在所述圆缺处。隔热材料设置在冻结管本体的一侧的外壁上，便于隔热材料的安装与更换。同时，聚氨酯泡沫等隔热材料还能够吸收冻结管周围岩土的冻胀应力，减少因冻胀而导致的冻结管损坏的情况发生。图中的标号3表示冻结孔，标号4表示位于冻结管本体1中的冷媒剂输送管，标号5表示冷媒剂。
参看图2及图3所示，在前述冻结管的具体实施方式中，也可以将隔热材料2设置在冻结管本体1的一侧的内壁上，如将隔热材料粘附在圆形冻结管本体的内壁上，具体来讲，可将聚氨酯泡沫材料加工成月牙形等多种形状，黏贴在圆形冻结管本体的内表面上。优选地，所述冻结管本体1的横截面呈圆形或多边形；本实施例中冻结管本体1的横截面呈圆形，在所述冻结管本体1内部、沿冻结管本体1长度的方向设有隔板6；在所述隔板6的一侧与所述沿冻结管本体1的内壁之间形成有隔热介质容纳腔7，在所述隔板6的另一侧与所述沿冻结管本体1的内壁之间形成有冷媒介质流动腔8；在所述隔热介质容纳腔7中设有隔热材料。所述隔热材料为空气或聚氨酯泡沫等，其中所述的聚氨酯泡沫可采用现场发泡技术充填在隔热介质容纳腔7中。
将隔热材料设置在冻结管本体内部的隔热介质容纳腔7内，能够有效地保护隔热材料，防止隔热材料的意外脱落。此外，隔热介质容纳腔7在冻结管周围岩土冻胀应力的作用下可以发生形变，吸收冻胀应力，从而减轻冻胀应力对冷媒介质流动腔8的损坏。
其中，所述的隔板6可以是直板，将所述冻结管本体1的内部空间分割成两部分。优选地，参看图3所示，所述隔板6为弧形板，所述隔板6的弧形面朝向所述冻结管的中心方向凸出，这样在有效控制冷能的传递方向、在冻结管周围产生降温区,形成以冻结管为中心的异形冻结柱的同时，既便于相邻的异形冻结柱的较快交圈形成冻结帷幕或称为冻结壁，又使得冻结柱的内圈呈与所述弧形板的弯曲方向一致的弧形，从而使得所形成的冻结帷幕的内壁较为平滑。进一步地，所述隔板6为圆弧形的板，其圆心与要开挖的井筒或隧道的中心相重合，这样使得所形成的冻结帷幕的内壁呈平滑的圆形，有利于增强冻结帷幕的强度和稳定性。本发明实施例中的异形冻结柱是相对于圆形冻结柱而言的，本发明中非圆形的冻结柱皆称为异形冻结柱。
所述冻结管本体1可以采用普通圆形钢管内部焊接隔板的方式形成，也可以钢管制作时直接制作成带有内部隔板的异形钢管，即使得所述隔板与钢管制作为一体化结构。
参看图4所示，在前述冻结管的具体实施方式中，为了适应较深厚度的冻结，进一步地，所述冻结管包括至少两根相互对接的冻结管段9和10，在相互对接的冻结管段9和10之间焊接有内箍11，标号12表示焊缝。采用内箍11将相邻的冻结管段通过焊接方式连接起来，有利于增强冻结管段连接处的强度，减少因冻胀而导致的冻结管损坏的情况发生。
参看图5所示，本发明实施例还提供一种冻结器, 包括冻结管，所述冻结管的一端封闭，一端开口；在所述冻结管的开口端设有盖体14，在所述盖体14上设有供液管4和回液管13；其中所述供液管4伸入所述冻结管内部，并在所述供液管的底部具有开口，所述冻结管为前述任一实施例所述的冻结管。
该冻结器的工作原理为：先将冻结器的冻结管安装到预先打好的冻结孔3中，冷媒剂5，如低温的氯化钙溶液（大约-30℃），自供液管4进入冻结管内部后，由回液管13流出；冷媒剂5在供液管内部循环流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结形成冻结柱。如果在环形布置的多个冻结孔中放置冻结器，则在每个冻结器的冻结管周围均形成冻结柱，随着冷媒剂5的循环流动，相邻冻结管周围的冻结柱交圈形成冻结壁，随着冷媒剂5循环的继续进行，冻结壁厚度逐渐增大，直到达到设计厚度和强度为止。
参看图5及图6所示，根据本发明冻结器的一实施例,优选地，所述供液管4设置在所述隔热介质容纳腔7内，并由所述隔热材料2所包围；所述供液管4的底部开口于所述冷媒介质流动腔8。将供液管4设置在所述隔热介质容纳腔7内，使得供液管4即冷媒剂5的去路，与冷媒剂5的回路分别设置在相互隔离的腔室中，有利于提高冷媒剂5与冻结管周围岩土热交换的效率，避免了将冷媒剂5的去路与回路设置在同一个腔室中，回路中的冷媒剂5除了与冻结管周围的岩土进行热交换外，还要与去路中的冷媒剂5进行热交换，由此导致的冷媒剂5与冻结管周围岩土热交换效率较低的情况发生。此外，所述供液管4由所述隔热材料2所包围，有利于防止冷媒剂5所携带的冷能的提前散失，进一步提高了回路中的冷媒剂5与冻结管周围的岩土进行热交换的效率。
参看图7所示，本发明实施例还提供一种采用冻结法开挖岩土的方法，包括步骤：
S1、在要开挖的井筒或隧道的荒径外围开设冻结孔；
S2、在所述冻结孔内放置冻结器；
S3、控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递。
通过控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递，避免井筒或隧道荒径范围内的岩土被冻实，一方面节省了为实施冷冻所消耗的电力，降低了电力成本，另一方面有利于井筒或隧道荒径范围内岩土的顺利开挖，降低了施工成本。
根据本发明采用冻结法开挖岩土的方法实施例，所述控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递包括：在所述冻结器的冻结管的一侧设置隔热材料，通过所述隔热材料阻挡冷能向井筒或隧道开挖区内传递。其中，隔热材料可以采用多种方式设置在冻结管的一侧，如可设置在冻结管的一侧的内壁上，也可设置在冻结管的一侧的外壁上。
本发明实施例中冻结管可采用异型钢管，一侧设有保温隔热材料，能够有效控制冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递，避免井筒或隧道荒径范围内的岩土被冻实，从而能够降低电力及施工成本。其中的异型钢管不限于上述实施例中所述的结构，可以根据需要做成多种规格和型式。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种冻结管，包括冻结管本体，其特征在于，在所述冻结管本体的一侧设有隔热材料。
2.根据权利要求1所述的冻结管，其特征在于，所述冻结管本体的横截面呈圆缺型；
所述隔热材料设置在所述冻结管本体的外侧并位于所述圆缺处。
3.根据权利要求1所述的冻结管，其特征在于，所述冻结管本体的横截面呈圆形或多边形；
在所述冻结管本体内部、沿冻结管本体长度的方向设有隔板；
在所述隔板的一侧与所述沿冻结管本体的内壁之间形成有隔热介质容纳腔，在所述隔板的另一侧与所述沿冻结管本体的内壁之间形成有冷媒介质流动腔；
在所述隔热介质容纳腔中设有隔热材料。
4.根据权利要求3所述的冻结管，其特征在于，所述隔板为弧形板，所述隔板的弧形面朝向所述冻结管的中心方向凸出。
5.根据权利要求3所述的冻结管，其特征在于，所述隔热材料为空气或聚氨酯泡沫。
6.根据权利要求1所述的冻结管，其特征在于，所述冻结管包括至少两根相互对接的冻结管段，在相互对接的冻结管段之间焊接有内箍。
7.一种冻结器, 包括冻结管，所述冻结管的一端封闭，一端开口；在所述冻结管的开口端设有盖体，在所述盖体上设有供液管和回液管；其中所述供液管伸入所述冻结管内部，并在所述供液管的底部具有开口，其特征在于，所述冻结管为前述权利要求1-6任一项所述的冻结管。
8.一种冻结器, 包括冻结管，所述冻结管的一端封闭，一端开口；在所述冻结管的开口端设有盖体，在所述盖体上设有供液管和回液管；其中所述供液管伸入所述冻结管内部，并在所述供液管的底部具有开口，其特征在于，所述冻结管为前述权利要求3-6任一项所述的冻结管，其中
所述供液管设置在所述隔热介质容纳腔内，并由所述隔热材料所包围；
所述供液管的底部开口于所述冷媒介质流动腔。
9.一种采用冻结法开挖岩土的方法，其特征在于，包括步骤：
在要开挖的井筒或隧道的荒径外围开设冻结孔；
在所述冻结孔内放置冻结器；
控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制所述冻结器的冷能传导方向，减小冷能向井筒或隧道开挖区内传递包括：
在所述冻结器的冻结管的一侧设置隔热材料，通过所述隔热材料阻挡冷能向井筒或隧道开挖区内传递。
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