CN110159273B - 一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，包括依次连接形成回路的冷冻器、供水管、串联冷冻管路及回水管，串联冷冻管路包括多根冷冻管和多根串联管，各冷冻管均两端封口且第一端的封口上开设有第一连接口和第二连接口，第一连接口连接有穿设于冷冻管内且延伸至冷冻管第二端的伸入管，串联管连接于前一冷冻管的第二连接口与后一冷冻管的第一连接口之间，首端冷冻管的第一连接口与供水管连接，尾端冷冻管的第二连接口与回水管连接，供水管和回水管之间设有旁通组件以及用于切换串联冷冻管路中冷水流向的流向切换组件。该装置能够保持冻结管正常工作、延续施工进度、提高冻土强度、防止灾难性事故发生，使沿程冷冻更加均匀。

Description

一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置

技术领域

本发明涉及冻结施工技术领域，尤其涉及一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置。

背景技术

自冻结法施工技术诞生以来，因其有极强的抗渗透性、冻结土体强度高、环保无污染等突出优点，被广泛应用地铁、深基坑、矿井等工程建设中。

目前，在积极冻结和开挖期间均可能发生冻结管断裂和盐水漏失的现象。引起冻结管断裂或渗漏的原因有多种：一是开冻后管材发生冷缩变形，引起接头焊缝开裂渗漏；二是开挖后冻结壁变形引起冻结管弯曲、拉伸，导致冻结管接头断裂；三是冻结管螺纹连接补焊质量或冻结管端头丝堵安装质量存在缺陷，打压试漏不够严格，供水时冻结管接头或冻结管端头丝堵渗漏；四是钻孔和冻结时引起的地层扰动、隧道沉降等；五是在冻结孔施工后期，由于地层扰动加大、渗透性提高很容易引起塌孔抱钻，使得发生上述情况的可能性及其处理难度显著增加。冻结管断裂后盐水泄漏，一方面使冻结管不能再正常工作，另一方面会融化冻结壁，或使冻土强度降低。尤其是遇到地下水压力较大的含水砂层，施工近水平冻结孔发生钻孔漏水喷砂的情况非常频繁，处理不及时，可能引起严重地层沉降，造成隧道衬砌或管片、地面建筑变形损坏甚至酿成隧道垮塌的灾难性事故。

供水时往往将多根冷冻管串联，冷水均为单向流动，由于冷冻管长度较长，冷冻水自进入第一根冷冻管后，沿流程不断升温，导致吸热量慢慢减少，冷冻速度不断减慢，沿程冷冻不均匀。为保证沿程阻力损失较小，伸入冷冻管的管道管径较冷冻管管径小很多，很难保持在居中位置，当伸入管道（伸入冷冻管的管道）靠向冷冻管的某一侧，该侧冷冻水流量相对另一侧小很多，加剧了冷冻管径向平面内冷冻速度的不均匀。冷冻管表面与岩土接触换热，换热系数较小；冷冻管内表面与冷水之间对流换热，冷水流速慢，换热面积有限，降温速度极慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够保持冻结管正常工作、延续施工进度、提高冻土强度、防止灾难性事故发生以及能够切换冷水流向、使沿程冷冻更加均匀的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，包括依次连接形成回路的冷冻器、供水管、串联冷冻管路及回水管，所述串联冷冻管路包括可插设于土体中以冷冻土体的多根冷冻管和用于串联各冷冻管的多根串联管，各所述冷冻管均两端封口且第一端的封口上开设有第一连接口和第二连接口，所述第一连接口连接有穿设于所述冷冻管内且延伸至冷冻管第二端的伸入管，所述串联管连接于前一冷冻管的第二连接口与后一冷冻管的第一连接口之间，首端冷冻管的第一连接口与所述供水管连接，尾端冷冻管的第二连接口与所述回水管连接，所述供水管和回水管之间设有能够隔断任一冷冻管且使其它冷冻管继续串联的旁通组件以及用于切换所述串联冷冻管路中冷水流向的流向切换组件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述旁通组件包括旁通管、连接管、第一阀门和第二阀门，所述旁通管的一端与所述供水管连接，另一端与所述回水管连接，各所述串联管分别通过一所述连接管与所述旁通管连接，所述旁通管上于各所述连接管的两侧均设有一所述第一阀门，各所述串联管上于与其相连的连接管的两侧、所述供水管上于所述旁通管与首端冷冻管之间以及所述回水管上于所述旁通管与所述尾端冷冻管之间均设有一所述第二阀门。

所述第二阀门为三通阀；和/或所述第一阀门为二通阀。

所述流向切换组件包括第一切换管道和第二切换管道，所述供水管上于所述旁通组件与所述冷冻器之间设有第一接管口和第二接管口，所述第一接管口位于冷冻器与第二接管口之间，所述回水管上于所述旁通组件与所述冷冻器之间设有第三接管口和第四接管口，所述第四接管口位于冷冻器与第三接管口之间，所述第一切换管道的一端与第一接管口连接，另一端与第三接管口连接，所述第二切换管道的一端与第二接管口连接，另一端与第四接管口连接，所述第一切换管道上、第二切换管道上、第一接管口和第二接管口之间以及第三接管口和第四接管口之间均设有第三阀门。

所述伸入管的外壁与所述冷冻管的内壁之间设有螺旋肋片。

所述螺旋肋片绕所述伸入管的外壁盘旋设置，且所述伸入管、冷冻管及螺旋肋片三者的中心轴重合。

所述螺旋肋片固设在所述冷冻管上；或所述螺旋肋片固设在所述伸入管上。

所述伸入管靠近所述冷冻管第二端的一端设有倾斜口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置包括依次连接形成回路的冷冻器、供水管、串联冷冻管路及回水管，串联冷冻管路包括可插设于土体中以冷冻土体的多根冷冻管和用于串联各冷冻管的多根串联管，各冷冻管均两端封口且第一端的封口上开设有第一连接口和第二连接口，第一连接口连接有穿设于冷冻管内且延伸至冷冻管第二端的伸入管，串联管连接于前一冷冻管的第二连接口与后一冷冻管的第一连接口之间，首端冷冻管的第一连接口与供水管连接，尾端冷冻管的第二连接口与回水管连接，供水管和回水管之间设有能够隔断任一冷冻管且使其它冷冻管继续串联的旁通组件以及用于切换串联冷冻管路中冷水流向的流向切换组件。使用时，所有冷冻管间隔埋设在土体中，前后相邻的冷冻管通过串联管连通以形成串联冷冻管路，冷冻器的出水端通过供水管与首端冷冻管的第一连接口连接，冷冻器的回水端通过回水管与尾端冷冻管的第二连接口连接，冷冻器中的冷水通过供水管进入冷冻管，其中冷水沿伸入管进入冷冻管，然后再沿着冷冻管和供水管之间的空间由冷冻管的底部向冷冻管的顶部流动，沿程吸收热量，在串联冷冻管路中任一冷冻管出现泄漏的状况下，通过旁通组件隔断该泄漏的冷冻管，以至达如下效果：防止冷水继续从泄漏的冷冻管中排出进入土体，而引起已冷冻的土体解冻、降低土体冻结凝固温度，即提高冻土强度；防止漏水喷砂、地层沉降、地面建筑变形、隧道垮塌等现象发生，即防止灾难性事故发生、提高使用安全性能。同时，使得其它冷冻管继续串联，以至保持或延续土体继续冷冻，即保持冷冻管正常工作、延续施工进度。该具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置能够通过旁通组件，隔断泄漏的冷冻管，保持与泄漏的冷冻管同流程的其它冷冻管冷水供应，即使得其它冷冻管继续串联以至继续冷冻土体。同时，该具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置能够通过流向切换组件对串联冷冻管路中冷水的流向进行切换，可按固定时间调整冷水在串联冷冻管路的流向，使得串联冷冻管路中的冷水温度更加均匀，即各流程段吸热更加均匀。

进一步地，本发明冻结法施工用隔漏式冷冻装置在伸入管的外壁与冷冻管的内壁之间设置螺旋肋片，极大的增加了冷冻管内部与冷水的接触面积，即增大了换热面积，螺旋肋片将冷水沿管道轴线方向的流动，更改为绕轴线流动，极大的增加了流程长度，同时加剧了冷水流动过程的紊乱状态，极大提高了冷冻管换热系数，使得该冻结法施工用冷冻装置的冷却效率高、冷却效果好。

附图说明

图1是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例一的结构示意图。

图2是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例一中冷冻管的断面结构示意图。

图3是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例一中冷冻管的立体结构示意图。

图4是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例二的结构示意图。

图5是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例二中冷冻管的断面结构示意图。

图6是本发明具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置实施例三中螺旋肋片固定在伸入管上的立体结构示意图。

图中各标号表示：

1、冷冻器；2、供水管；21、第一接管口；22、第二接管口；3、串联冷冻管路；31、冷冻管；311、第一连接口；312、第二连接口；313、伸入管；314、倾斜口；32、串联管；33、螺旋肋片；34、封口块；4、回水管；41、第三接管口；42、第四接管口；5、土体；6、流向切换组件；61、第一切换管道；62、第二切换管道；63、第三阀门；7、旁通组件；71、旁通管；72、连接管；73、第一阀门；74、第二阀门。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

如图1至图3所示，本实施例一的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，包括依次连接形成回路的冷冻器1、供水管2、串联冷冻管路3及回水管4，串联冷冻管路3包括可插设于土体5中以冷冻土体5的多根冷冻管31和用于串联各冷冻管31的多根串联管32，各冷冻管31均两端封口且第一端的封口上开设有第一连接口311和第二连接口312，第一连接口311连接有穿设于冷冻管31内且延伸至冷冻管31第二端的伸入管313，串联管32连接于前一冷冻管31的第二连接口312与后一冷冻管31的第一连接口311之间，首端冷冻管31的第一连接口311与供水管2连接，尾端冷冻管31的第二连接口312与回水管4连接，供水管2和回水管4之间设有能够隔断任一冷冻管31且使其它冷冻管31继续串联的旁通组件7以及用于切换串联冷冻管路3中冷水流向的流向切换组件6。该结构中，冷冻管31的两端均设有封口块34，伸入管313与冷冻管31第二端间隔一距离，第一连接口311和第二连接口312均设在封口块34上，使用时，所有冷冻管31间隔埋设在土体5中，前后相邻的冷冻管31通过串联管32连通以形成串联冷冻管路3，冷冻器1的出水端通过供水管2与首端冷冻管31的第一连接口311连接，冷冻器1的回水端通过回水管4与尾端冷冻管31的第二连接口312连接，冷冻器1中的冷水通过供水管2进入冷冻管31，其中冷水沿伸入管313进入冷冻管31，然后再沿着冷冻管31和供水管2之间的空间由冷冻管31的底部向冷冻管31的顶部流动，沿程吸收热量，在串联冷冻管路3中任一冷冻管31出现泄漏的状况下，通过旁通组件7隔断该泄漏的冷冻管31，以至达如下效果：防止冷水继续从泄漏的冷冻管31中排出进入土体5，而引起已冷冻的土体5解冻、降低土体5冻结凝固温度、即提高冻土强度；防止漏水喷砂、地层沉降、地面建筑变形、隧道垮塌等现象发生，即防止灾难性事故发生、提高使用安全性能。同时，使得其它冷冻管31继续串联，以至保持或延续土体5继续冷冻，即保持冷冻管正常工作、延续施工进度。该具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置能通过旁通组件7，隔断泄漏的冷冻管31，保持与泄漏的冷冻管31同流程的其它冷冻管31冷水供应，即使得其它冷冻管31继续串联以至继续冷冻土体5。该具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置能够通过流向切换组件6对串联冷冻管路3中冷水的流向进行切换，可按固定时间调整冷水在串联冷冻管路3的流向，使得串联冷冻管路3中的冷水温度更加均匀，即各流程段吸热更加均匀。

本实施例中，旁通组件7包括旁通管71、连接管72、第一阀门73和第二阀门74，旁通管71的一端与供水管2连接，另一端与回水管4连接，各串联管32分别通过一连接管72与旁通管71连接，旁通管71上于各连接管72的两侧均设有一第一阀门73，各串联管32上于与其相连的连接管72的两侧、供水管2上于旁通管71与首端冷冻管31之间以及回水管4上于旁通管71与尾端冷冻管31之间均设有一第二阀门74。当任一冷冻管31泄漏时，关闭该冷冻管31进水端和出水端的第二阀门74，以至使得该冷冻管31与原串联冷冻管路3隔离，防止冷水继续进入到该冷冻管31，同时，打开位于该冷冻管31进水端的供水管2或串联管32上的连接管72与该冷冻管31出水端的串联管32上的连接管72或回水管4之间的第一阀门73，如该冷冻管31为首端冷冻管31，打开位于供水管2与该冷冻管31出水端的串联管32上的连接管72之间的第一阀门73；如该冷冻管31为尾端冷冻管31，打开位于该冷冻管31进水端的串联管32上的连接管72与回水管4之间的第一阀门73；如该冷冻管31为中间冷冻管31，打开位于该冷冻管31进水端的串联管32上的连接管72与该冷冻管31出水端的串联管32上的连接管72之间的第一阀门73；同时，保持其它的第一阀门73关闭，即使得其它的冷冻管31继续串联以至继续冷冻土体5。

本实施例中，第二阀门74为三通阀。当任一冷冻管31出现泄漏时，能够通过该冷冻管31进水端和出水端的三通阀，阻断该冷冻管31的进水和出水，且使得该冷冻管31的进口和出口均与外部连通，然后，通过任一三通阀向该冷冻管31中通入液氮，排出该冷冻管31中冷水，同时，保持或延续该冷冻管31周围的土体5继续冷冻。

本实施例中，第一阀门73为二通阀，二通阀为常规零件，选材方便，成本低廉。

本实施例中，流向切换组件6包括第一切换管道61和第二切换管道62，供水管2上于旁通组件7与冷冻器1之间设有第一接管口21和第二接管口22，第一接管口21位于冷冻器1与第二接管口22之间，回水管4上于旁通组件7与冷冻器1之间设有第三接管口41和第四接管口42，第四接管口42位于冷冻器1与第三接管口41之间，第一切换管道61的一端与第一接管口21连接，另一端与第三接管口41连接，第二切换管道62的一端与第二接管口22连接，另一端与第四接管口42连接，第一切换管道61上、第二切换管道62上、第一接管口21和第二接管口22之间以及第三接管口41和第四接管口42之间均设有第三阀门63。冷水正向流动时，即，第一切换管道61上、第二切换管道62上的第三阀门63均关闭，第一接管口21和第二接管口22之间以及第三接管口41和第四接管口42之间的第三阀门63均打开，冷冻器1中的冷水通过供水管2从串联冷冻管路3的首端流入、尾端流出，再通过回水管4回到冷冻器1。冷水反向流动时，即，第一切换管道61上、第二切换管道62上的第三阀门63均打开，第一接管口21和第二接管口22之间以及第三接管口41和第四接管口42之间的第三阀门63均关闭，冷冻器1中的冷水通过供水管2的顶段A及第一接管口21流入第一切换管道61，再通过第三接管口41及回水管4的底段B从串联冷冻管路3的尾端流入、首端流出，再通过供水管2的底段C、第二接管口22、第二切换管道62、第四接管口42及回水管4的顶段D回到冷冻器1。

本实施例中，伸入管313靠近冷冻管31第二端的一端设有倾斜口314，便于伸入管313中的水流出和流进。

实施例二：

如图4和图5所示，本实施例二的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，本实施例二的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置的结构是在上述实施例一的基础上，于伸入管313的外壁与冷冻管31的内壁之间设有螺旋肋片33。该结构中，螺旋肋片33极大的增加了冷冻管31内部与冷水的接触面积，即增大了换热面积，螺旋肋片33将冷水沿管道轴线方向的流动，更改为绕轴线流动，极大的增加了流程长度，同时加剧了冷水流动过程的紊乱状态，极大提高了冷冻管31换热系数，使得该具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置的冷却效率高、冷却效果好。

本实施例中，螺旋肋片33绕伸入管313的外壁盘旋设置，且伸入管313、冷冻管31及螺旋肋片33三者的中心轴重合，使得了冷水在冷冻管31径向平面流量保持均匀，保证了冷冻管31径向平面冷却速度的均匀性，同时，装配过程中，螺旋肋片33对伸入管313具有径向限位和轴向导向的作用，使得伸入管313、冷冻管31及螺旋肋片33三者的对轴装配非常容易，即容易保持伸入管313在冷冻管31中的居中位置，防止伸入管313靠向冷冻管31的某一侧。

本实施例中，螺旋肋片33的外侧固设在冷冻管31上，螺旋肋片33的内侧与伸入管313接触但不固定。冷冻管31装配过程：先将螺旋肋片33插入冷冻管31的内腔，并使得螺旋肋片33与冷冻管31同轴，且螺旋肋片33的两端均位于冷冻管31的内腔内，然后，将螺旋肋片33的两端与冷冻管31的内壁焊接，接着，将冷冻管31的底端封口，再加工好冷冻管31顶端的封口块34，在冷冻管31顶端的封口块34上开设第一连接口311和第二连接口312，其中，使第一连接口311位于冷冻管31顶端的封口块34的中心位置，然后将伸入管313的顶端连接于第一连接口311，再将伸入管313插入螺旋肋片33的中心空间内，最后固定冷冻管31顶端的封口块34于冷冻管31的顶端，完成冷冻管31的装配。

实施例三：

如图4所示，本实施例三具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，本实施例三的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置的结构与实施例二基本相同，区别仅在于螺旋肋片33的固定位置不同，本实施例中，螺旋肋片33的内侧固设在伸入管313上，螺旋肋片33的外侧与冷冻管31接触但不固定。与实施例一相比，螺旋肋片33固设在伸入管313上的装配工艺更加方便合理，冷冻管31装配过程：先将冷冻管31的底端封口，再加工好冷冻管31顶端的封口块34，在冷冻管31顶端的封口块34上开设第一连接口311和第二连接口312，其中，使第一连接口311位于冷冻管31顶端的封口块34的中心位置，然后将伸入管313的顶端连接于第一连接口311，接着将螺旋肋片33盘旋在伸入管313的外壁并固定，再将盘旋有螺旋肋片33的伸入管313插入冷冻管31的内腔，最后固定冷冻管31顶端的封口块34于冷冻管31的顶端，完成冷冻管31的装配。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：包括依次连接形成回路的冷冻器（1）、供水管（2）、串联冷冻管路（3）及回水管（4），所述串联冷冻管路（3）包括可插设于土体（5）中以冷冻土体（5）的多根冷冻管（31）和用于串联各冷冻管（31）的多根串联管（32），各所述冷冻管（31）均两端封口且第一端的封口上开设有第一连接口（311）和第二连接口（312），所述第一连接口（311）连接有穿设于所述冷冻管（31）内且延伸至冷冻管（31）第二端的伸入管（313），所述串联管（32）连接于前一冷冻管（31）的第二连接口（312）与后一冷冻管（31）的第一连接口（311）之间，首端冷冻管（31）的第一连接口（311）与所述供水管（2）连接，尾端冷冻管（31）的第二连接口（312）与所述回水管（4）连接，所述供水管（2）和回水管（4）之间设有能够隔断任一冷冻管（31）且使其它冷冻管（31）继续串联的旁通组件（7），所述供水管（2）和回水管（4）之间设有用于切换所述串联冷冻管路（3）中冷水流向的流向切换组件（6），所述旁通组件（7）包括旁通管（71）、连接管（72）、第一阀门（73）和第二阀门（74），所述旁通管（71）的一端与所述供水管（2）连接，另一端与所述回水管（4）连接，各所述串联管（32）分别通过一所述连接管（72）与所述旁通管（71）连接，所述旁通管（71）上于各所述连接管（72）的两侧均设有一所述第一阀门（73），各所述串联管（32）上于与其相连的连接管（72）的两侧、所述供水管（2）上于所述旁通管（71）与首端冷冻管（31）之间以及所述回水管（4）上于所述旁通管（71）与所述尾端冷冻管（31）之间均设有一所述第二阀门（74），所述流向切换组件（6）包括第一切换管道（61）和第二切换管道（62），所述供水管（2）上于所述旁通组件（7）与所述冷冻器（1）之间设有第一接管口（21）和第二接管口（22），所述第一接管口（21）位于冷冻器（1）与第二接管口（22）之间，所述回水管（4）上于所述旁通组件（7）与所述冷冻器（1）之间设有第三接管口（41）和第四接管口（42），所述第四接管口（42）位于冷冻器（1）与第三接管口（41）之间，所述第一切换管道（61）的一端与第一接管口（21）连接，另一端与第三接管口（41）连接，所述第二切换管道（62）的一端与第二接管口（22）连接，另一端与第四接管口（42）连接，所述第一切换管道（61）上、第二切换管道（62）上、第一接管口（21）和第二接管口（22）之间以及第三接管口（41）和第四接管口（42）之间均设有第三阀门（63），所述伸入管（313）的外壁与所述冷冻管（31）的内壁之间设有螺旋肋片（33）。

2.根据权利要求1所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述第二阀门（74）为三通阀；和/或所述第一阀门（73）为二通阀。

3.根据权利要求1所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述螺旋肋片（33）绕所述伸入管（313）的外壁盘旋设置，且所述伸入管（313）、冷冻管（31）及螺旋肋片（33）三者的中心轴重合。

4.根据权利要求1所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述伸入管（313）的外壁与所述冷冻管（31）的内壁之间设有螺旋肋片（33）。

5.根据权利要求4所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述螺旋肋片（33）绕所述伸入管（313）的外壁盘旋设置，且所述伸入管（313）、冷冻管（31）及螺旋肋片（33）三者的中心轴重合。

6.根据权利要求5所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述螺旋肋片（33）固设在所述冷冻管（31）上；或所述螺旋肋片（33）固设在所述伸入管（313）上。

7.根据权利要求1或2所述的具有流向切换功能的冻结法施工用隔漏式冷冻装置，其特征在于：所述伸入管（313）靠近所述冷冻管（31）第二端的一端设有倾斜口（314）。