CN203007964U - 一种冻土边界控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种冻土边界控制系统，包括：低温盐水循环子系统、热盐水循环子系统和温度监测子系统；低温盐水循环子系统包括依次连接的冷却水装置、氨循环装置和低温盐水装置，氨循环装置包括依次连接形成回路的蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀，并通过冷凝器与冷却水装置换热、通过蒸发器与低温盐水装置换热，低温盐水装置包括冻结器，冻结器用于设置在井壁外围的土体中，热盐水循环子系统包括热盐水循环器，热盐水循环器用于设置在冻结器与井壁之间的土体内。采用本实用新型所述的冻土边界控制系统可以控制冻结锋面向井壁方向的推进速度，使井壁避免受较大冻胀压力的作用，保护井壁的安全。

Description

一种冻土边界控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种冻土边界控制系统。 

背景技术

在修建地下工程时，为顺利通过不稳定含水土体，需要采用特殊的施工方法。比如，利用冻结法使土体中的水冻结，将松散含水岩土变成冻土，增强其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻土的保护下进行地下工程掘砌作业。采用冻结法施工修建地下工程的技术适用性强，因此被广泛应用于各种复杂地质和水文地质条件下的矿山井巷工程、地下铁道、桥涵、港口和深基础等其他地下工程。 

传统的用于冻结法施工的低温盐水循环系统包括氨循环装置、低温盐水装置、冷却水装置。冻结壁是由低温盐水装置泵出的低温盐水在土体换热的过程中，不断吸收土体中的热量，使土体逐渐冷却、冻结而成。其中，所述低温盐水起传递冷量的作用，称为冷媒剂，通常利用氨循环装置中液氨气化吸热来补充低温盐水的冷量，因此，所述液态氨也称为制冷剂。液氨气化所吸收的热量由冷却水装置提供的冷却水带走。整个低温盐水循环系统通过温度监测系统来检测土体中冻结壁的形成情况，以此调节系统的运行。 

在采用普通法凿井的过程中，当井深到达一定值时可能由于井内涌水而无法继续施工，此时只得在已掘砌的井壁周围钻冻结孔使用冻结法凿井施工。然而冻结法会带来下述问题：由于低温盐水在冻结孔中与土体换热，从冻结孔到井壁温度会由低到高形成梯度，当冻土边界（位于温度梯度中的零度位置，即冻结壁的边缘）接近井壁时，可能会产生较大的不均匀冻胀压力，使得上部已掘砌的井壁开裂甚至压碎破坏。 

另外，采用一次冻全深的冻结方案施工时，如所需的冻结深度较大 （一般大于600米），由于井壁掘进速度的限制，在冻结施工后期，冻土边界向井壁的方向扩展，井壁的上部势必会承受较大的冻胀压力，也容易出现开裂甚至压碎破坏。 

目前，主要通过调整低温盐水循环系统的运行参数（比如，低温盐水的温度、流量等）以保护井壁在冻结工程中不受冻胀破坏，然而为维护冻结壁的强度和厚度，仍需持续向土体中供应冷量，因此难以有效控制冻结壁的冻土边界的位置并消除井壁处不均匀的冻胀压力。 

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种冻土边界控制系统，从而在维护冻结壁设计厚度和强度的前提下，有效控制冻土边界的发展，保护井壁安全。 

为实现上述目的，本实用新型提供了一种冻土边界控制系统，所述冻土边界控制系统包括：低温盐水循环子系统、热盐水循环子系统和温度监测子系统， 

所述低温盐水循环子系统包括依次连接的冷却水装置、氨循环装置和低温盐水装置，其中，所述氨循环装置包括依次连接形成回路的蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀，所述氨循环装置通过冷凝器与冷却水装置换热，所述氨循环装置通过蒸发器与低温盐水装置换热，所述低温盐水装置包括冻结器，所述冻结器设置在井壁外围的土体中并在井壁外围形成冻结壁， 

所述热盐水循环子系统包括热盐水循环器，所述热盐水循环器设置在冻结器与井壁之间的土体内。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述热盐水循环子系统还包括热盐水箱、连接所述热盐水循环器与热盐水箱以形成回路的热盐水去路和热盐水回路，所述热盐水去路上设有热盐水循环泵，所述热盐水箱上设有提供热量的加热器。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述热盐水循环器包括热盐水套管、热盐水回液管和热盐水供液管，所述热盐水回液管的 一端连接至套管开口处，所述热盐水回液管的另一端连接至热盐水回路；所述热盐水供液管的一端伸入所述热盐水套管内，所述热盐水供液管的另一端连接至热盐水去路。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述低温盐水装置包括依次连接形成回路的低温盐水箱、低温盐水泵、低温盐水去路、冻结器和低温盐水回路；所述冻结器与所述热盐水循环器结构相同；所述蒸发器设置在所述低温盐水箱内。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述冷却水装置包括冷却水池、冷却水泵和冷却水塔，所述冷却水泵与所述冷却水池底部连接，所述冷却塔设置在冷却水池上方；所述冷凝器分别连接冷却水泵和冷却水塔，利用冷却水冷却来自所述压缩机的过热氨蒸气。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，在所述井壁外侧且与所述井壁同心的圆周上钻有预定数量的冻结孔，所述冻结器设置在所述冻结孔中；在位于井壁与冻结壁之间且与所述井壁同心的圆周上钻有预定数量的热盐水循环孔，所述热盐水循环器设置在所述热盐水循环孔中。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述温度监测子系统包括设置在所述冻结器的供液管和回液管上的冻结器测温点，设置在相邻冻结孔的中心连线的垂直平分线上向外的一侧的冻结壁外边缘测温点，设置在相邻冻结孔的中心连线的垂直平分线上向内的一侧的冻结壁内边缘测温点，设置在冻结壁内部且位于两相邻冻结孔连线的中点上的冻结壁内测温点，设置在冻结孔与井壁中心的连线上的冻土边界监测点。 

根据本实用新型的冻土边界控制系统，优选地，所述冻土边界监测点至少包括一个距离井壁0.5m的测温点和一个距离井壁0.8m的测温点。 

相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果： 

1）采用本实用新型的冻土边界控制系统，由于还设有热盐水循环子系统，可以对冻结壁与井壁之间的土体进行加热，抵消低温盐水循环子 系统冷量的传输，控制冻结锋面向井壁方向的推进速度，从而缓解或消除了井壁处所产生的冻胀压力，在保证冻结壁强度和厚度的同时，有效地保护井壁的安全。 

2）采用本实用新型的冻土边界控制系统，通过温度监测子系统测得的温度数据可以监测冻土边界的位置，不仅可以合理地调控冻土边界控制系统中冷量的供给，同时可以准确地把握热盐水循环子系统的开启和关闭时机，降低成本。 

附图说明

图1是低温盐水循环子系统的一种实施方式的示意图； 

图2是图1中的冻结器的结构示意图； 

图3是图1中冻结器在土体中布置示意图； 

图4是热盐水循环子系统的一种实施方式的示意图； 

图5是图4中热盐水循环器在土体中的布置示意图； 

图6是温度监测子系统的一种实施方式的示意图； 

图7是温度监测子系统的测温点布置的一种实施方式的示意图； 

图8是实施例中冻结器、热盐水循环器和测温点在土体中的布置示意图； 

图9是实施例中测压孔的冻胀压力-时间变化曲线图； 

图10是实施例中井壁在85米深处竖向的累积应变-时间变化曲线图； 

图11是实施例中井壁在150米深处井壁圆周方向的累积应变-时间变化曲线图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明，但本实用新型不限于此。 

如图1和图3和图6所示，本实用新型提供的冻土边界控制系统包括：低温盐水循环子系统、温度监测子系统5和热盐水循环子系统4。所述低温盐水循环子系统包括依次连接的冷却水装置3、氨循环装置1和低 温盐水装置2；所述低温盐水装置2用于吸收井壁外围土体中的热量并在井壁外围形成冻结壁，所述氨循环装置1用于为低温盐水装置2提供冻结所需的冷量，所述冷却水装置3用于冷却氨循环装置1中产生的过热氨蒸气，形成的液氨再次用于吸收来自低温盐水装置2的热量；所述热盐水循环子系统4用于对冻结壁与井壁之间的土体进行加热，阻止冻结壁的内边缘过于接近井壁以致产生冻胀破坏，所述温度监测子系统5用于监测所述冻土边界控制系统的温度。 

（一）氨循环装置 

所述氨循环装置1主要用于为低温盐水装置中的低温盐水提供冷量。在本实用新型的一个实施方式中，如图1所示，所述氨循环装置1包括依次连接构成回路的蒸发器11、氨压缩机12、冷凝器13和节流阀14。液氨经节流阀14降压流入蒸发器11与低温盐水装置2内的低温盐水换热，为吸收了土体中热量的低温盐水补充冷量，其自身变为饱和蒸气氨；来自蒸发器11的饱和蒸气氨被压缩机12压缩成为高压高温的过热蒸气，该过热蒸气在冷凝器13中与冷却水换热被冷却为液氨，实现从气态到液态的转变，形成氨循环。 

当然，本领域技术人员可以理解，在实际的氨循环装置1中，完成一次制冷循环，氨除了需要通过上述设备外，还通过许多辅助设备，这些设备可以是为了提高氨循环装置运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。以双级压缩机制冷的氨循环装置为例，完成一次制冷循环，氨必须依次通过低级氨压机、一级油分离器、中间冷却器、高级氨压机、二级油分离器、冷凝器、储氨器、节流阀、氨液分离器、调节站、蒸发器、再回到低级氨压缩机，这样才完成一次循环。因此，对于本实用新型，所述氨循环装置1还可以有多种变型，只要可以为低温盐水提供充足的冷量即可。 

（二）低温盐水装置 

所述低温盐水装置2主要用于吸收土体8中的热量并在土体8中形成冻结壁。在本实用新型的一个实施方式中，如图1所示，所述低温盐 水装置2包括依次连接构成回路的低温盐水箱21、低温盐水泵22、低温盐水去路23、冻结器24和低温盐水回路25。来自低温盐水箱21的低温盐水经低温盐水泵22由低温盐水去路23送至冻结器24内，在冻结器24内低温盐水吸收土体8中的热量后通过低温盐水回路25返回低温盐水箱21，低温盐水箱21中的低温盐水通过所述蒸发器11与液氨换热以回复冷量。 

所述冻结器24设置在土体8内，用于低温盐水与土体8的换热，是低温盐水与土体8进行热交换的换热器。在本实用新型的一个实施方式中，所述冻结器24的结构如图2所示，包括套管241、供液管242和回液管243。所述回液管243的一端连接至套管241开口处，另一端连接至低温盐水回路25；所述供液管242的一端伸入套管241内部，另一端连接至低温盐水去路23。来自低温盐水去路23的低温盐水通过供液管242进入套管241内，吸收土体8中热量后由回液管243去往低温盐水回路25。当然，所述冻结器24内盐水的流动方向反向亦可，其冻结原理相同，这里不再详述。另外，所述冻结器24还可以是CN101696572B所公开的结构，或者其它可以使低温盐水与土体换热的冻结器结构。 

所述低温盐水装置2中的盐水一般采用低结冰点的氯盐类水溶液，例如氯化钙、氯化镁或氯化钠溶液，优选采用氯化钙溶液。 

图3示出了一种冻结器24在土体8内的布置方式，在井壁9外侧与其同心的圆周上钻出预定数量的冻结孔24’,并置入所述冻结器24。众所周知，所述冻结孔24’的数量可以根据冻结孔24’与井壁9中心的距离以及期望的形成冻结壁的速度加以调整，一般相邻冻结孔24’之间的距离可以设置为1-2m。通过低温盐水泵22将低温盐水送至冻结器24内，所述低温盐水在冻结器24内流动并吸收冻结孔24’周围土体8中的热量，进而在每个冻结孔24’周围逐步形成以冻结孔24’为中心的冻结圆柱。随着冻结过程的深入，每个冻结圆柱不断向外扩展进而相互连成封闭的具有预期厚度和强度的冻结壁6，这一阶段的冻结过程称为积极冻结阶段，在积极冻结阶段，所述冻结器24进出口的温度可以设为3～7℃；此后，冻结过程进入消极冻结阶段，主要是维护冻结壁6的厚度和强度。在消极 冻结阶段，所述冻结器24进出口的温度可以设为1～3℃。 

当然，本领域技术人员可以理解，在实际的低温盐水装置2中，除了上述设备外，还可以设有许多辅助设备，这些设备可以是为了提高低温盐水装置运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。因此，对于本实用新型，所述低温盐水装置2还可以有多种变型，只要可以为冻结器24提供足够冷量即可。 

（三）冷却水装置 

冷却水装置3主要用于冷却经所述压缩机12压缩后形成的过热氨蒸气。在本实用新型的一个实施方式中，如图1所示，所述冷却水装置3包括冷却水池31、冷却水泵32和冷却水塔33。所述冷却水泵32与所述冷却水池31底部连接，所述冷却塔33设置在冷却水池31上方，来自冷却水池31的冷却水通过冷却水泵32去往所述冷凝器13中，与来自所述压缩机12的过热氨蒸气进行换热，冷却水吸收过热氨蒸气的热量后从冷凝器13进入冷却水塔33，降温后返回冷却水池31。 

当然，本领域技术人员可以理解，在实际的冷却水装置3中，除了上述设备外，还可以设有许多辅助设备，这些设备可以是为了提高冷却水装置运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。因此，对于本实用新型，所述冷却水装置3还可以有多种变型，只要可以将上述过热氨蒸气冷却至液态即可。 

（四）热盐水循环子系统 

所述热盐水循环子系统4用于对冻结壁与井壁之间的土体进行加热，阻止冻结壁的内边缘过于接近井壁以致产生冻胀破坏。图4示出了本实用新型的热盐水循环子系统4的一种实施方式，其中，所述热盐水循环子系统4包括热盐水箱41、热盐水循环器42、连接热盐水循环器42与热盐水箱41以形成回路的热盐水去路43和热盐水回路44，所述热盐水去路43上设有热盐水泵45，所述热盐水箱41上设有提供热量的加热器46。 

热盐水循环器42设置在冻结壁6与井壁9之间的土体8内，用于热盐水与土体8的换热，是热盐水与土体8进行热交换的换热器。在本实 用新型的一个优选地实施方式中，所述热盐水循环器42与如图2所示的冻结器24的结构相同，包括热盐水套管、热盐水供液管和热盐水回液管。所述热盐水回液管的一端连接至热盐水套管开口处，另一端连接至热盐水回路44；所述热盐水供液管的一端伸入热盐水套管内部，另一端连接至热盐水去路43。 

所述加热器46可以为换热器或电加热器等，用于加热所述热盐水箱内的盐水。优选地，所述加热器将盐水加热至65℃～85℃。 

所述热盐水箱41中的热盐水一般为氯盐类的水溶液，比如氯化钙、氯化镁或氯化钠溶液，优选为氯化钙溶液。 

图5示出了一种热盐水循环器42的布置方式，在井壁9与冻结壁6之间且与井壁9同心的圆周上钻出预定数量的热盐水循环孔42’，并置入所述热盐水循环器42，众所周知，所述热盐水循环孔42’的数量可以根据热盐水循环孔42’与井壁9中心的距离以及期望的升温速度加以调整，一般相邻热盐水循环孔42’之间的距离可以设置为3-6m。当冻结壁6内侧的冻土边界接近井壁9或即将对井壁9产生破坏作用时，开启热盐水循环子系统4，通过热盐水泵45使热盐水经由热盐水去路43进入热盐水循环器42以加热土体8，然后经由热盐水回路44返回热盐水箱41中，并通过加热器46加热升温。 

当然，本领域技术人员可以理解，在实际的热盐水循环子系统4中，除了上述设备外，还可以设有许多辅助设备，这些设备可以是为了提高冷却水装置运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。因此，对于本实用新型，所述热盐水循环子系统4还可以有多种变型，只要可以为热盐水循环器42提供足够热量即可。 

（五）温度监测子系统 

所述温度监测子系统5可以采用文献“一线总线制温度监测系统在矿山深井冻结工程中的应用（《水力采煤与管道运输》2009年3月第1期）”中所述的一线总线制温度监测系统。具体地，可以参见图6，温度传感器51将检测到的温度值变成带有唯一编码的数字信号并传送到单总线温度采集发送器52，经转换后，变成标准RS-485通讯协议数据；中央管理站 55通过RS485/232转换器54连接总线53，以接收来自单总线温度采集发送器52的数据并进行处理。采用上述温度监测子系统5，通过单总线温度采集发送器52可对所述温度传感器51进行温度数据采集、显示、报警设定和数据传输，使冻结壁6的温度监测获得高可靠性、低成本和最简单的布线结构。 

在本实用新型的一个实施方式中，所述温度监测子系统5主要用于监测冻结器24的工作状况和冻结壁6的温度场。在对冻结器24的工作状况进行监测时，在每个冻结器24的供液管242和回液管243上设置冻结器测温点（图中未示出），掌握流入和流出冻结器24的盐水温度差，以便调节低温盐水循环子系统。例如，在积极冻结阶段，将流入和流出冻结器24的盐水温度差控制在3-7℃；在消极冻结阶段，将流入和流出冻结器24的盐水温度差控制在1-3℃。 

在对冻结壁6的温度场进行监测时，在一个实施方式中，如图7所示，（1）：一组测温点设置在相邻冻结孔24’的中心连线的垂直平分线上向外的一侧（容易理解，既可以设置在同一垂直平分线上，也可以分别设置在不同垂直平分线上），作为冻结壁外边缘测温点71，布置数量为2-6个即可，使预期形成的冻结壁6的外边缘处于所述冻结壁外边缘测温点71之间。本领域技术人员容易想到，测温点与中心连线的具体距离可以根据冻结壁6厚度加以适当调整，这里不再详述；（2）：再一组测温点设置在相邻冻结孔24’的中心连线的垂直平分线上向内的一侧（容易理解，既可以设置在同一垂直平分线上，也可以分别设置在不同垂直平分线上），作为冻结壁外边缘测温点72，布置数量为2-6个即可，使预期形成的冻结壁6的内边缘处于所述冻结壁内边缘测温点72之间；（3）：又一组测温点设置在冻结壁6内两相邻冻结孔24’连线的中点上，作为冻结壁内测温点73，布置数量为1～4个即可。 

其中，所述冻结壁外边缘测温点71和冻结壁内边缘测温点72主要用于监测具有预期厚度的冻结壁6的形成，即通过所述冻结壁外边缘测温点71测定冻结壁6外边缘的位置，通过所述冻结壁内边缘测温点72测定冻结壁6内边缘的位置，进而判断冻结壁6是否达到预期厚度。例 如，可以将所述冻结壁外边缘测温点71之一设置在预期的冻结壁6外边缘的位置，将所述冻结壁内边缘测温点72之一设置在预期的冻结壁6内边缘的位置，当上述两个测温点的温度均不高于0度时，认为冻结壁6已达到预期的厚度；或者通过所述冻结壁外边缘多个测温点71先后达到0度的时间差，得出冻结壁6外边缘的扩展速度，并且同理得出冻结壁6内边缘的扩展速度，进而判断出冻结壁6达到预期厚度所需的时间。当然，结合上述测温点还可以通过其它的方法判断具有预期厚度的冻结壁6的形成，这里不再详述。所述冻结壁内测温点73主要用于判断冻结壁6的强度，可以理解，在一定厚度的冻结壁6中，冻结壁6内部温度越低，冻结壁6强度越大。 

此外，为了准确判断热盐水循环的效果以及冻土边界的位置，还有一组测温点设置在冻结孔24’与井壁9中心的连线上（容易理解，既可以设置在同一连线上，也可以分别设置在不同连线上），作为冻土边界监测点74，布置数量为2～4个即可。冻土边界的位置的判断方法可以与上述冻结壁6内、外边缘位置的判断方法相同，此处不再赘述。 

采用本实用新型提供的冻土边界控制系统，当冻结壁6的内侧的冻土边界与井壁9的距离不大于0.5m时，开启所述热盐水循环子系统4；当冻结壁6的内边界与井壁的距离不小于0.8m时，关闭所述热盐水循环子系统4。优选地，所述温度监测子系统5在冻结孔与热盐水循环孔的连线上设有的测温点至少包括一个与井壁9距离为0.5m的测温点和一个与井壁9距离为0.8m的测温点，当与井壁9距离为0.5m的测温点的温度不高于0度时，开启所述热盐水循环子系统4；当与井壁距离为0.8m的测温点的温度不低于0度时，关闭所述热盐水循环子系统4。 

以下通过实施例对本实用新型进行进一步说明。 

实施例 

神华宁煤集团对麦垛山煤矿拟挖副立井的主要含水层采用地面预注浆技术进行堵水，其中井壁9内径为9.4m，井壁9厚度为2.8m。当井壁9掘砌至251m时，发现井底涌水,采用地面预注浆技术未达到预期的堵水 效果，又经过工作面注浆，涌水量仍未减小。 

然而，如果直接采用传统冻结法，由于井内出水，导致井壁9裂缝处和井壁9外围不含水的土体8也充满了水，同时由于前期的地面预注浆工作使井壁9周围土体8的水分布发生改变，在冻结过程中会产生较大的不均匀冻胀压力，因此，应尽量使井壁9免受冻胀压力，在确保冻结壁6安全的前提下实现对冻土边界的控制。 

为此采用本实用新型提供的冻土边界控制系统，其中，具体地，采用如图1所示的低温盐水循环子系统、如图4所示的热盐水循环子系统4以及如图5所示温度监测子系统5，冻结器24和热盐水循环器42结构如图2所示。所述热盐水和低温盐水均为氯化钙溶液，运行时，低温盐水箱21内温度控制为-30～-33℃，热盐水箱41内温度控制为65℃～85℃。 

如图8所示，在与井壁9同心的圆周上均匀地垂直钻进40个冻结孔24’，冻结孔24’与井壁9的中心的距离为8.9m，深度为591m。在冻结孔24’和井壁9之间且与井壁9同心的圆周上均匀地钻进8个热盐水循环孔42’，冻结孔24’与井壁9的中心的距离为6.5m，深度为270m。在相邻冻结孔24’的中心连线的垂直平分线上向外距离中心连线1m、1.5m、2.5m处依次设置3个测温点，作为冻结壁外边缘测温点71；在两个相邻的冻结孔24’的中心连线的垂直平分线上向内距离中心连线0.5m、1.5m、1.8m处依次布置3个测温点，作为冻结壁内边缘测温点72，在相邻冻结孔24’的中心连线的中点上设置1个测温点，作为冻结壁内部测温点73。在冻结孔24’与井壁9中心的连线上设置两个与井壁9的距离分别为0.5m和0.8m的测温点，以便准确判断热盐水循环的效果以及冻土边界的位置。 

在积极冻结阶段，控制冻结器24进出盐水温差在4-7℃。当测温点71和72中与中心连线的距离为1.5m的测温点的温度均不高于0℃，且测温点73的温度不高于-20℃时，认为预期3m厚的冻结壁6以已形成，且强度符合要求，此后低温盐水循环子系统进入消极冻结阶段。在消极冻结阶段，控制冻结器24进出盐水温差在1-2℃，从而合理有效地利用冷量，降低冻结成本。但此时冻土边界仍缓慢向井壁9扩展。 

当与井壁9距离为0.5m的测温点74的温度不高于0℃时，开启所述 热盐水循环子系统4，使土体8升温，直至与井壁9距离为0.8m的测温点74的温度不低于0℃时，关闭所述热盐水循环子系统4，实现冻土边界的控制。 

在上述过程中，于3月7日开启了低温盐水循环子系统，于4月26日开启了热盐水循环子系统4。为了更好地表征对冻土边界的控制效果，在所述热盐水循环孔42’所在的圆周上还钻有测压孔，用于测定孔内不同深度土体8的冻胀压力值，分别监测了深度为25m、50m、90m、170m、和250m的冻胀压力，结果如图9所示。 

此外，在上部已掘砌的井壁内侧上不同井深、不同方位处布设应变计，用来监测冻结施工中冻胀压力的产生对井壁所造成的影响。在85m深处，分别在井壁内侧的东、南、西和北四个方位上沿竖向布置四个应变计，结果如图8所示；在150m深处，在井壁内侧沿井壁圆周方向均匀布置三个应变计，方位分别为南a、西偏北30度b和东偏北30度，分别记为a、b和c，结果如图9所示。 

由图9中所示的冻胀压力值的发展趋势可见，在热盐水循环期间冻胀压力始终保持平稳并有逐渐下降的趋势，由此说明：采用本实用新型的热盐水循环子系统4使冻土边界处的冻土解冻，在很大程度上缓解了冻胀压力的增长进而保护了上部已掘砌的井壁的安全。 

由图10和11中所示的井壁应变曲线发展规律可见，在热盐水循环期间，井壁变形保持在稳定状态，这说明冻胀压力对井壁的作用并没有随着冻结施工的进行而不断地发展，充分地体现了热盐水循环对控制冻胀压力的增长和冻土边界的发展起到至关重要的作用。 

Claims (8)

1.一种冻土边界控制系统，其特征在于，所述冻土边界控制系统包括：低温盐水循环子系统、热盐水循环子系统和温度监测子系统， 

所述低温盐水循环子系统包括依次连接的冷却水装置、氨循环装置和低温盐水装置，其中，所述氨循环装置包括依次连接形成回路的蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀，所述氨循环装置通过冷凝器与冷却水装置换热，所述氨循环装置通过蒸发器与低温盐水装置换热，所述低温盐水装置包括冻结器，所述冻结器设置在井壁外围的土体中并在井壁外围形成冻结壁， 

所述热盐水循环子系统包括热盐水循环器，所述热盐水循环器设置在冻结器与井壁之间的土体内。 

2.如权利要求1所述的冻土边界控制系统，其特征在于，所述热盐水循环子系统还包括热盐水箱、连接所述热盐水循环器与热盐水箱以形成回路的热盐水去路和热盐水回路，所述热盐水去路上设有热盐水循环泵，所述热盐水箱上设有提供热量的加热器。 

3.如权利要求2所述的冻土边界控制系统，其特征在于，所述热盐水循环器包括热盐水套管、热盐水回液管和热盐水供液管，所述热盐水回液管的一端连接至套管开口处，所述热盐水回液管的另一端连接至热盐水回路；所述热盐水供液管的一端伸入所述热盐水套管内，所述热盐水供液管的另一端连接至热盐水去路。 

4.如权利要求1所述的冻土边界控制系统，其特征在于，所述低温盐水装置包括依次连接形成回路的低温盐水箱、低温盐水泵、低温盐水去路、冻结器和低温盐水回路；所述冻结器与所述热盐水循环器结构相同；所述蒸发器设置在所述低温盐水箱内。 

5.如权利要求1所述的冻土边界控制系统，其特征在于，所述冷却水装置包括冷却水池、冷却水泵和冷却水塔，所述冷却水泵与所述冷却水池底部连接，所述冷却塔设置在冷却水池上方；所述冷凝器分别连接冷却水泵和冷却水塔，利用冷却水冷却来自所述压缩机的过热氨蒸气。 

6.如权利要求1所述的冻土边界控制系统，其特征在于，在所述井壁外侧且与所述井壁同心的圆周上钻有预定数量的冻结孔，所述冻结器设置在所述冻结孔中；在位于井壁与冻结壁之间且与所述井壁同心的圆周上钻有预定数量的热盐水循环孔，所述热盐水循环器设置在所述热盐水循环孔中。 

7.如权利要求6述的冻土边界控制系统，其特征在于，所述温度监测子系统包括设置在所述冻结器的供液管和回液管上的冻结器测温点，设置在相邻冻结孔的中心连线的垂直平分线上向外的一侧的冻结壁外边缘测温点，设置在相邻冻结孔的中心连线的垂直平分线上向内的一侧的冻结壁内边缘测温点，设置在冻结壁内部且位于两相邻冻结孔连线的中点上的冻结壁内测温点，设置在冻结孔与井壁中心的连线上的冻土边界监测点。 

8.如权利要求7所述冻土边界控制系统，其特征在于，所述冻土边界监测点至少包括一个距离井壁0.5m的测温点和一个距离井壁0.8m的测温点。 

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