CN104863596A - X形冻结管及其在冻结施工中的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X形冻结管及其在冻结施工中的应用方法，其包括冻结管和设于冻结管内的供液管；冻结管的截面呈X形，且冻结管外壁由四个凹弧段和四个凸弧段构成；供液管安装在冻结管的中央，冻结管顶部管壁上还设有与冻结管连通的出液管；冷媒介质从供液管流入，经回液管流出，如此循环在地层中形成X形冻土帷幕。采用本发明的X形冻结管进行冻结施工，可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力，提高性价比，且其外周长大、循环冷媒介质用量少，该项技术具有施工实用性强、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。

Description

X形冻结管及其在冻结施工中的应用方法

技术领域

本发明涉及一种便于地下工程施工的人工地层冻结工程技术，尤其是一种用于冻结施工的冻结管及冻结管在冻结施工中的应用方法。

背景技术

冻结工程是，在不稳定含水地层中修建地下工程时，借助人工制冷手段暂时加固地层和隔断地下水的一种特殊施工方法。其是在土体中设置冻结管，冻结管内通入循环冷媒剂，带走土体中热量从而形成强度高密封性好的冻土帷幕，起到承受荷载和密封防水的作用。现有冻结管都是圆形钢管，在冻结管中放入供液管，并在供液管中通入冷媒剂，使得冻结管周围的土层冻结形成冻土帷幕，为了响应现代社会节能减排的号召，提供一种冻结性能更高效，更节省资源成本的冻结管显得尤为重要。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种X形冻结管及其在冻结施工中的应用方法，其能够有效降低施工成本，提高冻结能力。

设计方案：为了实现上述设计目的。1、冻结管截面呈X形且冻结管外壁由四个凹弧段、四个凸弧段构成，是本发明的第一个技术特征。这样设计的目的是，以截面为X形的冻结管代替传统的圆形冻结管，X形冻结管拥有两个相互垂直的对称轴，在两个方向上截面惯性矩相等，其截面尺寸可通过外包圆直径、开弧间距、开弧角度三个几何参数控制，截面受力特性优越且形式简单；将传统圆形冻结管外壁的凸弧部分变成凹弧，周长及表面积不变， 但截面面积大大减小，即冷媒介质用量减小；与传统圆形冻结管技术相比，X形冻结管具有较大的单位体积材料比表面积，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力，从而提高性价比；X形截面冻结管是人工冻结法的一种新技术，其外周长大、循环冷媒介质用量少，该项技术具有施工实用性强、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。2、冻结管顶部管壁上设有与冻结管连通的出液管，是本发明的第二个技术特征。达样设计的目的是，在冻结管的中心部位放入供液管，同时在冻结管头部设置回液管，冷媒介质从供液管流入，经出液管流出，如此循环在地层中形成X形冻土帷幕，冷媒介质循环流动在冻结管中，大大提高了冻结管对土体的冻结能力，提高施工效率。3、位于冻结管中央的中空供液管底部为通孔，是本发明的第三个技术特征。这样设计的目的是，供液管底端伸入冻结管底部，且中空的供液管底部为通孔，冷媒介质由供液管流入到冻结管底部，并由冻结管底部逐渐溢满，由出液管流出形成循环回路，提高冻结性能。4、位于冻结管中央的中空供液管底部封闭，供液管管壁上开有多个与冻结管连通的小孔且多个小孔自下而上呈环形排布，是本发明的第四个技术特征。这样设计的目的是，供液管底端伸入冻结管底部，中空的供液管底部封闭，供液管管壁上开有多个与冻结管连通的小孔，多个小孔自下而上呈环形排布在供液管管壁上；冷媒介质流入供液管中，由排布在供液管管壁上的小孔快速流入冻结管中，这样既提高了冻结管中冷媒介质的均匀性，同时也加快了冷媒循环，大大提高了冻结性能。5、冻结管为无缝低碳钢管或塑料管，是本发明的第五个技术特征。这样设计的目的是，可以根据具体工况环境选择采用传统的无缝低碳钢管，还是采用由PVC、PPR、ABS、PE等制成的塑料管；采用塑料管代替钢管，一方面有效降低了材料成本，节 约资源；另一方面，当在盾构隧道时，盾构可以直接切削冻土和冻结管，不需拔出冻结管，避免了拔管时的风险；另外，采用塑料材质的X形截面冻结管，也可使用液氮冻结，冻结手段更广泛，适用范围更广。

技术方案1：一种X形冻结管，其包括冻结管和设于冻结管内的供液管；冻结管的截面呈X形，且冻结管外壁由四个凹弧段和四个凸弧段构成；供液管安装在冻结管的中央，冻结管顶部管壁上还设有与冻结管连通的出液管。

优选的，供液管底端伸入冻结管底部，且中空的供液管底部为通孔。

优选的，供液管底端伸入冻结管底部，中空的供液管底部封闭，供液管管壁上开有多个与冻结管连通的小孔，多个小孔自下而上呈环形排布在供液管管壁上。

优选的，冻结管为无缝低碳钢管或塑料管。

技术方案2：一种技术方案1所述的X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其包括以下步骤：

(1)根据冻结孔钻进要求，搭建施工脚架、安装钻孔装置；

(2)校验钻孔装置中钻杆的垂直度，钻冻结孔；

(3)在冻结孔中放入冻结管，并将冻结管顶部焊接在支架上；

(4)采用经纬仪灯光测斜法检测冻结管的垂直度，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏；

(5)在冻结管中放入供液管，并焊接固定供液管；

(6)安装冻结站设备，并进行调试、试运转；

(7)冻结系统运转正常后进行积极冻结；

(8)待主体结构施工完毕后，停止冻结、拔出冻结管并将冻结孔填实。

优选的，步骤(5)中安装好供液管和冻结管后，用木塞等堵住管口。

优选的，步骤(7)中进行积极冻结过程中，需每天检测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。

优选的，步骤(8)中冻结管的拔出，需要实测冻结壁温度和厚度达到设计值，并打开探孔确认无泥水涌出时，才可施工拔管；冻结管的拔出采用人工局部解冻技术，且在冻结管周围冻土融化厚度达50mm～100mm时进行。

本发明与背景技术相比，一是在同等散热能力的条件下，X形冻结管可节省循环冷媒介质用量50％，施工机械能耗减少50％；在同等截面面积，即同等循环冷媒介质用量的条件下，X形冻结管可提高散热能力50％以上，在不增加材料用量和施工工艺难度的前提下提高了单管冻结能力，同时减少了循环冷媒介质用量和施工机械能耗，其具有施工实用性强、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；二是冷媒介质循环流动在冻结管中，大大提高了冻结管对土体的冻结能力，提高施工效率；三是采用塑料冻结管，一方面有效降低了材料成本，节约资源；另一方面，当在盾构隧道时，盾构可以直接切削冻土和冻结管，不需拔出冻结管，避免了拔管时的风险；另外，采用塑料材质的X形截面冻结管，也可使用液氮冻结，冻结手段更广泛，适用范围更广。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

附图1为本发明X形冻结管的结构示意图。

附图2为本发明X形冻结管的截面结构示意图。

附图3为本发明X形冻结管另一种结构的结构示意图。

附图4为本发明X形冻结管在冻结施工中的应用方法的施工工艺流程图。

具体实施方式

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。

实施例1：参照附图1、2。一种X形冻结管，其包括插入土体6中的冻结管1和设于冻结管1内的供液管2；冻结管2为无缝低碳钢管，冻结管1的截面呈X形，且冻结管1外壁由四个凹弧段11和四个凸弧段12构成，冻结管插入土体6事先钻好的冻结孔中，凹弧段11形成的空腔中可以填充传导性能好的注浆填充物3；供液管2安装在冻结管1的中央，供液管2底端伸入冻结管1底部，且中空的供液管2底部为通孔，冷媒介质由供液管2流入到冻结管1底部，并由冻结管1底部逐渐溢满；冻结管1顶部管壁上还设有与冻结管1连通的出液管4，冷媒介质从供液管2流入，经出液管4流出，在冻结管1的周围形成冻土5，循环供液更进一步提高冻结管1的冻结能力；与传统圆形冻结管相比，X形冻结管1的截面积大大降低，有效降低了冻结管1中冷媒介质的用量，但X形冻结管1的表面面积不变，冻结性能显著提高且不会增加施工工程量。

所述冻结管1也可以采用PVC、PPR、ABS、PE等制成的塑料管，采用塑料管代替钢管，一方面有效降低了材料成本，节约资源；另一方面，当在盾构隧道时，盾构可以直接切削冻土和冻结管，不需拔出冻结管，避免了拔管时的风险；另外，采用塑料材质的X形截面冻结管，也可使用液氮冻结，冻结手段更广泛，适用范围更广。

实施例2：在实施例1的基础上，参照附图3。所述供液管2底端伸入冻结管1底部，中空的供液管2底部封闭，供液管2管壁上开有多个与冻结管1连通的小孔20，多个小孔20自下而上呈环形排布在供液管2管壁上；冷媒介质流入供液管2中，由排布在供液管2管壁上的小孔快速流入冻结管1中，这样既提高了冻结管中冷媒介质的均匀性，同时也加快了冷媒循环， 大大提高了冻结性能。

实施例3：在实施例1的基础上，参照附图4。一种实施例1所述的X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其包括以下步骤。

(1)根据冻结孔钻进要求，搭建施工脚架、安装钻孔装置。

施工前，要提前供水、供电到施工场地附近，并清理隧道及施工场地，保证施工通行顺畅；然后按不同位置的冻结孔钻进要求，用1.5″钢管搭建冻结孔施工脚手架，安装钻孔施工升降平台；另外，开工前还需进行加工件加工。

(2)校验钻孔装置中钻杆的垂直度，钻冻结孔。

钻孔前，要依据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔(孔位偏差应不大于100mm)；若水平钻孔，可以使用MD-60A型钻机钻进；若垂直钻孔，可以选用GXY-1型钻机钻进；水平钻孔前要安装孔口管及孔口密封装置；当第一个孔开通后，没有涌水、涌砂方可继续钻进，但以后钻孔仍要装孔口装置，以防突发涌水、涌砂现象出现；若涌水涌砂较厉害，还应注水泥浆(或双液浆)止水。

为了保证钻进精度，开孔段是关键；钻进前5m时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进，检测偏斜无问题后方可继续钻进。

(3)在冻结孔中放入冻结管，并将冻结管顶部焊接在支架上。

冻结管下入冻结孔内前需要先配管，保证冻结管同心度；焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。

(4)采用经纬仪灯光测斜法检测冻结管的垂直度，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏。

下好冻结管后，采用经纬仪灯光测斜法检测，然后复测冻结孔深度，并 进行打压试漏；试压不合格的冻结管必须进行处理，达到密封要求后方可使用；可逐根提出孔内管，并用泥浆泵对逐个焊缝打压，找出泄漏焊缝及原因，及时处理，并作好记录，二次下入后仍须自检。

(5)在冻结管中放入供液管，并焊接固定供液管。

供液管底端连接150mm长的支架，Φ12钢筋焊接；然后安装去、回路和冻结管端盖；冻结管安装完毕后，用木塞等堵住管口，以免异物掉进冻结管；冻结管安装完成后，钻进测温孔并在测温孔内放入测温管，测温孔施工方法与冻结管相同。

(6)安装冻结站设备，并进行调试、试运转。

根据现场情况，冻结站可设在地面或端头井两层平台上；站内设备主要包括冷冻机组、配电柜、盐水箱、盐水泵、冷却水泵、冷却塔及冷却水池等；冻结站安装，包括氟系统、盐水系统及冷却水系统安装，根据冻结站的总体设计，按照先设备后管路的安装程序和施工图的技术要求，将三大循环系统分别进行安装，并按《井巷工程施工及验收规范》要求试压、检查验收。

盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏；集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，冻结管每2～3个一串联，串联尽量间隔进行，应以每组冻结孔总长度相近或每路盐水循环阻力接近为宜；在配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制冻结器盐水流量；在冷冻机进出水管上安装温度计，在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门；在盐水管出口安装流量计；在盐水箱安装液面传感器；在去路盐水干管上安装单向阀；在盐水管路的高处安装放气阀；盐水和冷却水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa；冷冻机组的蒸发器及低温管路、盐水箱、盐水干管表面用50mm厚的聚氨脂 保温材料保温。

试运转时，先在盐水箱内注入约1/4的清水，盐水箱上部要设过滤网，然后，启动泵并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求；溶解氯化钙时要除去杂质，盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱；机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行，首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油，进行调试。

在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行；每天检测盐水温度、盐水流量和冻土壁扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。

(7)冻结系统运转正常后进行积极冻结。

冻结系统运转正常后，进入积极冻结；冻结过程中，要每天检测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间；实测冻结壁温度和厚度达到设计值后，进入下步施工。

(8)待主体结构施工完毕后，停止冻结、拔出冻结管并将冻结孔填实。

打开探孔确认无泥水涌出，即可拔管始发和接收；若盾构还未达到始发和接收位置，可进行维护冻结，但维护冻结盐水温度不宜高于-25℃，待主体结构施工完毕后即可停止冻结。

拔管时，利用人工局部解冻技术，利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50mm～100mm时，开始拔管。具体步骤是：①用一只2m3左右的盐水箱储存盐水，用15～45kw的电热丝对盐水进行加热；②利用流量为10m3/h盐水泵循环盐水，先用30～40℃的盐水循环5分钟左右，然后盐水温度逐步升高到50～70℃的盐水循环达30分钟左右，当回路盐水温 度上升到25～30℃时，即可进行边循环边试拔；③水平冻结管可以采用48#大牙钳转动冻结管，用2吨手拉葫芦拔出冻结管(连同孔口管一起拔除)；手拉葫芦固定在搭设的脚手架上，冻结管范围内的脚手架须特殊加固使其与槽壁紧密连接便于力的传递；若该方法不能拔出冻结管时，利用两个32吨的千斤顶架设在槽壁上，水平向外顶推冻结管；④垂直冻结管可以采用起管机起拔松动冻结管，然后用起重机或卷扬机快速拔出已松动的冻结管。

在冻结管拔出后，要及时地将冻结孔洞用黄砂充填密实。

在冻土的融化阶段，可利用隧道管片的注浆孔向冻结加固区进行注浆压密加固冻融土体，冻结加固区为2.4m厚，宜在加固区处的6环范围内进行注浆。因冻土体的自然融化过程缓慢，宜采取小压力、多注次的方式进行注浆，注浆压力一般为0.2～0.5MPa，浆液宜选用单液水泥浆。为了预防冻胀和融沉，设计选用标准制冷量较大的冷冻机组，在短时间内把盐水温度降到设计值，以加快冻土发展，提高冻土强度，减少冻胀和融沉量。要掌握和调整盐水温度和盐水流量，必要时可采取间歇式冻结，控制冻土发展量，以减少冻胀和融沉。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种X形冻结管，包括冻结管(1)和设于冻结管(1)内的供液管(2)，其特征是：冻结管(1)的截面呈X形，且冻结管(1)外壁由四个凹弧段(11)和四个凸弧段(12)构成；供液管(2)安装在冻结管(1)的中央，冻结管(1)顶部管壁上还设有与冻结管(1)连通的出液管(4)。

2.根据权利要求1所述的X形冻结管，其特征是：供液管(2)底端伸入冻结管(1)底部，且中空的供液管(2)底部为通孔。

3.根据权利要求1所述的X形冻结管，其特征是：供液管(2)底端伸入冻结管(1)底部，中空的供液管(2)底部封闭，供液管(2)管壁上开有多个与冻结管(1)连通的小孔(20)，多个小孔(20)自下而上呈环形排布在供液管(2)管壁上。

4.根据权利要求2或3所述的X形冻结管，其特征是：冻结管(1)为无缝低碳钢管或塑料管。

5.一种权利要求1所述X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其包括以下步骤：

(1)根据冻结孔钻进要求，搭建施工脚架、安装钻孔装置；

(2)校验钻孔装置中钻杆的垂直度，钻冻结孔；

(3)在冻结孔中放入冻结管，并将冻结管顶部焊接在支架上；

(4)采用经纬仪灯光测斜法检测冻结管的垂直度，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏；

(5)在冻结管中放入供液管，并焊接固定供液管；

(6)安装冻结站设备，并进行调试、试运转；

(7)冻结系统运转正常后进行积极冻结；

(8)待主体结构施工完毕后，停止冻结、拔出冻结管并将冻结孔填实。

6.根据权利要求5所述的X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其特征是：步骤(5)中安装好供液管和冻结管后，用木塞等堵住管口。

7.根据权利要求5所述的X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其特征是：步骤(7)中进行积极冻结过程中，需每天检测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。

8.根据权利要求5所述的X形冻结管在冻结施工中的应用方法，其特征是：步骤(8)中冻结管的拔出，需要实测冻结壁温度和厚度达到设计值，并打开探孔确认无泥水涌出时，才可施工拔管；冻结管的拔出采用人工局部解冻技术，且在冻结管周围冻土融化厚度达50mm～100mm时进行。