CN109083646A - 液态气体地层冻结工法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液态气体地层冻结工法及装置，包括导热棒、冷冻盒、第一温度感测装置、第二温度感测装置、液态气体输出装置以及控制控制装置；导热棒从挡土壁体外侧插入冻土施作区域中，导热棒的外端裸露在挡土壁体外侧；挡土壁体外侧固定冷冻盒，冷冻盒与挡土壁体紧密贴合；将液态气体导入冷冻盒中；液态气体在冷冻盒中通过导热棒吸收地层土壤中的热量并汽化，使邻近范围的地层冻结产生冻土结构。本发明利用安装在地下挡土壁体上的冷冻盒，使液态气体在冷冻盒中汽化并利用汽化过程吸收热量，使邻近范围的地层冻结并产生冻土结构，从而有效提高地层强度，并降低其透水性；不仅施工方便，地层冻结强度高、透水性低，而且有利后续的顶管工法或盾构工法的施作。
Description
技术领域
本发明涉及地层冻结技术领域，尤其是一种在挡土壁体外侧施作的液态气体地层冻结工法及装置。
背景技术
在地下管路的开挖工程中，多使用顶管工法与盾构工法。为避免开挖时土壤坍塌，必须先做地质改良施工。早期的地质改良工法，是在地面钻孔钻到要开挖的深度与位置，进行灌浆工作，使土壤硬化。此种灌浆工法的施工手续较为复杂，且必须等到水泥浆凝固后才可进行开挖工作，会浪费过多的时间。该灌浆硬化土壤中有部分未被挖除，使水泥残留在土壤中，破坏土壤的原质性，对环境有害。
目前多以冻结工法将地层中的热量带走，让地层中的水凝结成冰，使土质变硬，从而防止坍塌或涌水。目前地质改良冻结工法主要是采用冰箱工法，利用冷媒(工作温度约-25℃的氯化钙溶液)的循环作用，透过预埋在地层中的冷冻管，将地层中的热量带走，使地层中的水凝结成冰。该冰箱工法存在下列缺点：
1、因氯化钙溶液的工作温度仅为-25℃，故让地层结冰的速率非常慢，一般约需耗时3个月左右。
2、因氯化钙溶液的工作温度仅为-25℃，若地层有地下水流，易造成水未结冰前即已逸流，将造成无法冻结状况。
3、因氯化钙溶液的工作温度仅为-25℃，冻土温度将高于-25℃，若后续作业有所延误，易造成冻土溶解，产生严重后果。
4、由于采用冷媒方式冷却，故需要足够的空间放置冷媒压缩机及发电机等大型冷冻设备，若现场空间有限，使用困难。
5、一般冷媒压缩机需向电力公司申请临时用电，若附近无合适的供电点，需申请专线供电，费用很大。
6、若地层中之氯化钙溶液循环管发生渗漏，将造成地层盐化的污染状况发生。
7、需在预定冻结区域中预埋管线，若因故无法于地表预埋，无法适用该工法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种液态气体地层冻结工法及装置，可有效排除传统地层冻结工法所存在的诸多问题，同时是对深开挖灾害复旧及地下管线接合等困难工作的一种更经济、有效的辅助工法。
本发明所采用的技术方案为：一种液态气体地层冻结工法，包括以下步骤：
1)从挡土壁体外侧插入多个导热棒至冻土施作区域中，且各导热棒的外端裸露在挡土壁体外侧；
2)在冻土范围的挡土壁体外侧固定冷冻装置；冷冻装置的冷冻盒与挡土壁体紧密贴合；
3)将液态气体导入冷冻盒中；
4)液态气体在冷冻盒中通过导热棒吸收地层土壤中的热量并汽化，使邻近范围的地层冻结产生冻土结构。
进一步的说，本发明所述的液态气体为氮气；液态气体在冷冻盒内具有留滞时间。
再进一步的说，当土壤的温度降至0℃以下时，冻土结构形成。当冷冻盒气体排出孔的温度低于设定温度值时，即表示液态气体未完全汽化即排出该冷冻盒外，则中断液态气体的输送；当冷冻盒气体排出孔的温度高于设定温度值时，液态气体保持输送状态至冻土结构形成。
同时，本发明还一种液态气体地层冻结装置，包括从挡土壁体外侧插入冻土施作区域中的导热棒、固定在冻土范围的挡土壁体外侧的冷冻盒、埋设在冻土范围外围的第一温度感测装置、设置在冷冻盒内的第二温度感测装置、液态气体输出装置以及控制控制装置；所述的导热棒的一端裸露于挡土壁体外并罩于冷冻盒内；所述的液态气体输出装置通过管路与冷冻盒连通；所述的控制装置通过线缆分别与液态气体输出装置、第一温度感测装置以及第二温度感测装置连接。
进一步的说，本发明所述的冷冻盒的内侧端为开口状，内侧端与挡土壁面紧密贴合；冷冻盒上设置有液态气体导入口和气体排出孔；所述的第二温度感测装置设置在气体排出孔处；冷冻盒与挡土壁体之间设置防漏结构；所述的冷冻盒通过夹固装置固定在挡土壁面上。
再进一步的说，本发明所述的液态气体输出装置包括液态气体储存装置、输出管路及设置在输出管路上的电磁阀；所述的输出管路的两端分别与冷冻盒的液态气体导入口以及液态气体输出装置连通；所述的电磁阀控制液态气体的输出速率。
再进一步的说，本发明所述的防漏结构为设置于冷冻盒与挡土壁面之间的环形密封圈或设置于冷冻盒与挡土壁面的接缝处防漏胶层。
再进一步的说，本发明所述的第一温度感测装置和第二温度感测装置均为铂金温度计。
再进一步的说，本发明所述的控制装置通过测量冷冻盒气体排出孔的温度控制电磁阀的启闭；当测量土壤的温度到达0℃以下时，控制装置自动切断电磁阀控制电路的电源。
本发明的有益效果是：利用安装在地下挡土壁体上的冷冻盒，使液态气体在冷冻盒中汽化并利用汽化过程吸收热量，使邻近范围的地层冻结并产生冻土结构，从而有效提高地层强度，并降低其透水性；不仅施工方便，地层冻结强度高、透水性低，而且有利后续的顶管工法或盾构工法的施作，是作为深开挖灾害恢复及地下管线接合等困难工作的辅助工法。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明装置使用状态示意图；
图3是本发明的工法的流程图；
图中：20、导热棒；21、挡土壁体；22、冻土区域；23、冷冻盒；231、液态气体导入口；232、气体排出孔；24、输出管路；25、液态气体输出装置；251、电磁阀；252、液态气体储存装置；26、第一温度感测装置；27、第二温度感测装置；28、控制装置；29、夹固装置；291、顶紧螺钉；30、密封垫圈。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-2所示，一种液态气体地层冻结工法所使用的装置，包括：一个冷冻盒23、至少一个的导热棒20、至少二个夹固装置29、一个液态气体输出装置25、至少一个的第一温度感测装置26、一个第二温度感测装置27、一个控制装置28。图1-2中的虚线为控制装置28与各电子元器件的电连接示意。
冷冻盒23的内侧端为开口状，内侧端能与挡土壁体21贴合。冷冻盒23的外侧面上设置有一液态气体导入孔231及一气体排出孔232。一般常见的挡土壁体21即为工作井的内壁面，当工作为圆形管时，挡土壁面即为弧形状。冷冻盒23的内侧开口能与内壁面吻合的形状。
各导热棒20以贯穿挡土壁体21的方式设置，且使裸露在挡土壁体21外的一端位于冷冻盒23内。各导热棒20主要能加快土壤和冷冻盒23内的低温液态气体之间的热交换速率，从而加快完成冻土工作。
夹固装置29固定在该挡土壁体21上，并能将冷冻盒23夹紧固定在挡土壁体21上。夹固装置29可以以焊接的方式固定在挡土壁体21上，再利用顶紧螺钉291强迫冷冻盒23与挡土壁体21紧密接触。冷冻盒23与挡土壁体21之间必须密闭接合。可在冷冻盒23与挡土壁体21之间涂布防漏胶，以防止液态气体从接缝处渗出。也可在冷冻盒23与挡土壁体21之间加装密封垫圈30，以防止液态气体由接缝处渗出。密封垫圈30其为一环形，其形状与冷冻盒23开口的形状相同，从而能将冷冻盒23与挡土壁体21之间完全密封住，防止液态气体渗出。
液态气体输出装置25包含液态气体储存装置252、输出管路24及电磁阀251。输出管路24一端与液态气体储存装置252连通，另一端与冷冻盒23的液态气体导入孔231连通。电磁阀251控制液态气体输出管路24的启闭。
第二温度感测装置27设置在冷冻盒23的气体排出孔232处。第一温度感测装置26埋设在冻土区域22的外围。第二温度感测装置27测量冷冻盒23排出气体的温度。第一温度感测装置26测量冻土区域22的地层温度。
控制装置28主要控制液态气体输出装置25的电磁阀251的启闭，以及切断该电磁阀251控制电路的电源。该控制装置28利用测量冷冻盒23气体排出孔232的温度，来控制该液态气体输出装置25的电磁阀251的启闭，并通过测量土壤的温度，来决定是否切断该电磁阀251控制电路的电源。
液态气体地层冻结工法，是一种在挡土壁体外侧施作的一种工法，且是一种辅助地下管线接合工作的环保工法。主要运用密闭接合于地下挡土壁体之上的冷冻盒，使液态气体于冷冻盒中汽化，来吸收地层土壤中的热量。利用液态气体在汽化过程中必须吸收热量，使邻近范围之地层冻结而产生冻土结构，有效提高地层强度，并降低土层透水性。工法流程图如图3所示，施工步骤包含：
a.插入导热棒20：
将适当数量的导热棒20在挡土壁体21外侧插入冻土施作区域22中，且该各导热棒20的头部201裸露在挡土壁体21的外侧。
b.固定冷冻盒23：
将冷冻盒23固定在冻土区域22的挡土壁体21外侧，并将各导热棒20的头部201全部罩住隐藏。该冷冻盒23须与挡土壁体21紧密接合，避免产生渗漏状况。该冷冻盒23的顶部设置有一液态气体导入孔231及一气体排出孔232。
c.连接液态气体的输送管路24：
将液态气体输出装置25的输送管路24与该冷冻盒23的液态气体导入孔231连通，然后将液态气体送入冷冻盒23内。液体输送装置25包含一个低温电磁阀251。
d.设置第一温度感测装置26用以测量冻土范围内的土壤温度：
将至少一个的第一温度感测装置26埋设于预定冻土区域22的外围，来测量土壤的温度，进而判断冻土区域22的土层冻土程度。当第一温度感测装置26所检测的温度低于0℃时，即表示地层已冻结。实际操作中，第一温度感测装置26的数量多为四个以上，并平均分布在冻土区域22的四周。第一温度感测装置26可使用铂金温度计。
e.设置第二温度感测装置27用来测量排出气体的温度：
将第二温度感测装置27设置在冷冻盒23的气体排出孔232处，用来测量排出气体的温度，进而判断液态气体汽化程度。第二温度感测装置27可使用铂金温度计。
f.输送液态气体：
开启液态气体输出装置25的低温电磁阀251的启动电路的电源，将液态气体送入冷冻盒23内。在尚未输送液态气体时，由于气体排出孔232的第二温度感测装置27所测得的温度必然高出设定电磁阀251停止运作的温度(y℃)，从而使得该低温电磁阀251自动开启并将液态气体导入冷冻盒23中。利用液态气体在冷冻盒23内的留滞时间，使液态气体在冷冻盒23中汽化并利用汽化过程中吸收的热量，使邻近区域22之地层冻结而产生冻土结构，可有效提高地层强度，并降低其透水性。汽化后的气体由冷冻盒23的气体排出孔232排出。
g.控制装置28的检测：
控制装置28通过监控气体排口孔232的温度，来控制电磁阀251的动作。该控制装置28通过监控土壤中的温度，来判断电磁阀251是否断电。当第二温度感测装置27所检测的温度低于y℃时，即表示液态气体未完全汽化即排出该冷冻盒23外，则电磁阀251自动关闭，中断液态气体的输送，来降低液态气体的输送速度。当第二温度感测装置27所检测的温度高于y℃时，该电磁阀251保持在开启的状态。当第一温度感测装置26所检测的温度低于0℃时，即表示地层预定施作区域22的土壤已冻结，则视为地层冻土作业完成，并自动切断电磁阀251的电源，停止液态气体的输送。
上述中，让液态气体在冷冻盒23内留滞一段时间的作用主要是能让液态气体完全汽化。但冷冻盒23气体排出口232所测得的温度不能高于在土壤中所测得的温度，如此才能将土壤中的热量吸收出来，降低土壤温度。工作人员可视工作需要，在控制装置28上设定电磁阀251自动切断输送管路的温度。例如：设定冷冻盒23所输出气体的温度低于y℃时，即令电磁阀251关闭，停止输入液态气体。
本实施例中的y℃是一个设定值，该值的设定和周边环境(如天气温度，冷冻区域大小等)有关系；需要根据环境，根据冷冻的区域，根据实际情况进行设定。或者，可以结合第一温度感测装置进行设定，例如，当第一温度感测装置检测到已经土壤已冻结，可以记录此时气体排出孔的温度，作为y℃。
前述的液态气体可为液态氮，其在液态下的温度为-196℃，其汽化热为423kJ/kg。
综上所陈，本实施例所提供的液态气体地层冻结的工法，未将任何物质输送至地层的土壤中，是一种环保的工法。本方法在施工位置处直接进行地层冻结工作，可减少能量的流失，增加施工的速度。本方法使用超低温的液态气体进行热交换，可快速降低地层温度。本方法所使用的装置极为简单，且方便操作，更是一种有利施工的利器。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。
Claims (10)
1.一种液态气体地层冻结工法，其特征在于包括以下步骤：
1)从挡土壁体外侧插入多个导热棒至冻土施作区域中，且各导热棒的外端裸露在挡土壁体外侧；
2)在冻土范围的挡土壁体外侧固定冷冻装置；冷冻装置的冷冻盒与挡土壁体紧密贴合；
3)将液态气体导入冷冻盒中；
4)液态气体在冷冻盒中通过导热棒吸收地层土壤中的热量并汽化，使邻近范围的地层冻结产生冻土结构。
2.如权利要求1所述的液态气体地层冻结工法，其特征在于：所述的液态气体为氮气；液态气体在冷冻盒内具有留滞时间。
3.如权利要求1所述的液态气体地层冻结工法，其特征在于：所述的步骤4)中，当土壤的温度降至0℃以下时，冻土结构形成。
4.如权利要求1所述的液态气体地层冻结工法，其特征在于：所述的步骤3)中，当冷冻盒气体排出孔的温度低于设定温度值时，即表示液态气体未完全汽化即排出该冷冻盒外，则中断液态气体的输送；当冷冻盒气体排出孔的温度高于设定温度值时，液态气体保持输送状态至冻土结构形成。
5.一种液态气体地层冻结装置，其特征在于：包括从挡土壁体外侧插入冻土施作区域中的导热棒、固定在冻土范围的挡土壁体外侧的冷冻盒、埋设在冻土范围外围的第一温度感测装置、设置在冷冻盒内的第二温度感测装置、液态气体输出装置以及控制控制装置；所述的导热棒的一端裸露于挡土壁体外并被罩于冷冻盒内；所述的液态气体输出装置通过管路与冷冻盒连通；所述的控制装置通过线缆分别与液态气体输出装置、第一温度感测装置以及第二温度感测装置连接。
6.如权利要求5所述的液态气体地层冻结装置，其特征在于：所述的冷冻盒的内侧端为开口状，内侧端与挡土壁面紧密贴合；冷冻盒上设置有液态气体导入口和气体排出孔；所述的第二温度感测装置设置在气体排出孔处；冷冻盒与挡土壁体之间设置防漏结构；所述的冷冻盒通过夹固装置固定在挡土壁面上。
7.如权利要求5所述的液态气体地层冻结装置，其特征在于：所述的液态气体输出装置包括液态气体储存装置、输出管路及设置在输出管路上的电磁阀；所述的输出管路的两端分别与冷冻盒的液态气体导入口以及液态气体输出装置连通；所述的电磁阀控制液态气体的输出速率。
8.如权利要求6所述的液态气体地层冻结装置，其特征在于：所述的防漏结构为设置于冷冻盒与挡土壁面之间的环形密封圈或设置于冷冻盒与挡土壁面的接缝处防漏胶层。
9.如权利要求5所述的液态气体地层冻结装置，其特征在于：所述的第一温度感测装置和第二温度感测装置均为铂金温度计。
10.如权利要求5所述的液态气体地层冻结装置，其特征在于：所述的控制装置通过测量冷冻盒气体排出孔的温度控制电磁阀的启闭；当测量土壤的温度到达0℃以下时，控制装置自动切断电磁阀控制电路的电源。
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