本发明公开了一种分段控制式液氮冻结器及工作方法，适用于地下工程的人工冻结施工技术领域，由竖直回气钢管及分段缠绕在回气钢管外的供液管组成，每段供液管的上端通过布置在回气管内的隔热竖直管与地面液氮供应系统连接，而供液管的下端直接接入回气管内，构成液氮循环系统。冻结施工时，液氮可通过隔热竖直管分别灌入不同的分段供液管内，氮气都沿回气钢管排入大气中，完成冻结过程。其实现控制不同分段范围内的冻结效果，不同分段供液管之间的独立供液方式，可以根据施工需要分别控制各分段的开始和结束冻结时间，从而实现地层的分段差异冻结，精确控制液氮冻结过程。
1.一种分段控制式液氮冻结器，其特征在于：它包括回气钢管（9），回气钢管（9）尺寸与需要冻结的钻孔匹配，回气钢管（9）外侧根据实际需要冻结的钻孔壁区域布置有多段螺旋形供液管（4），每段螺旋形供液管（4）的上端（3）焊接有延伸至回气钢管（9）顶端的竖直管（2），所述竖直管（2）设置在回气钢管（9）外侧或者设置在回气钢管（9）内部，当竖直管（2）设置在回气钢管（9）内部时竖直管（2）紧贴回气钢管（9）内壁设置，每段螺旋形供液管（4）的下端（5）与回气钢管（9）内部连接并焊接固定，多段螺旋形供液管（4）工作时通过连通地面供液系统的竖直管（2）注入液氮，液氮通过螺旋形供液管（4）向周围地层传递冷量后气化，气化后的氮气分别汇入回气钢管（9）内，并通过回气钢管（9）排入大气，完成冻结过程。
2.根据权利要求1所述的分段控制式液氮冻结器，其特征在于：多段螺旋形供液管（4）中的任意螺旋形供液管（4）的长度以及螺旋间距根据实际冻结设置，若需要快速冻结或者提供冻结处更低的温度就减少螺旋之间的间距，若需要慢冻结速度则增加螺旋之间的间距。
3.根据权利要求1所述的分段控制式液氮冻结器，其特征在于：所述竖直管（2）采用隔热的树脂类管材。
4.一种使用权利要求1所述分段控制式液氮冻结器的工作方法，其特征在于步骤为：
a根据工程实际需求，在设计位置施工冻结孔，冻结孔的深度为工程需冻结的最大深度，冻结孔直径为回气钢管（9）与螺旋形供液管（4）的直径之和；
b根据实际冻结需要，在需要冷冻区域处的回气钢管（9）外侧缠绕螺旋形供液管（4），并根据实际施工的冰冻需要调整螺旋形供液管（4）的长度和螺旋间距，实现不同深度的差异冻结，从而控制同一冻结孔不同位置的冻结效果；
c.每个螺旋形供液管上端连接有隔热树脂管材的竖直管（2），并与地面液氮注入设备连接；
d.螺旋形供液管（4）的下端（5）接入回气钢管（9）内，螺旋形供液管（4）与回气钢管（9）在二者接触点设置有螺旋形供液管与回气钢管焊接点（6），提高冻结器的整体稳定性，并构成分段液氮冻结循环系统；
f.将液氮通过竖直管（2）灌入螺旋形供液管（4）内，吸收螺旋形供液管（4）周围地层的热量而不断气化，完全气化后的氮气汇入回气钢管（9）中，通过回气钢管（9）排入大气，完成冻结过程。
5.根据权利要求4所述分段控制式液氮冻结器的工作方法，其特征在于：所有的螺旋形供液管（4）都设有独立的竖直管（2），根据冷冻需要在不同的时间段分别在竖直管（2）中注入液氮，从而实现不同冷冻分段的独立冻结，当某一段需要停止冻结时，停止向对应位置的螺旋形供液管（4）的竖直管（2）中灌入液氮即可实现。
一种分段控制式液氮冻结器及工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种冻结器及工作方法，尤其适用于地下工程的人工冻结施工技术领域使用的分段控制式液氮冻结器及工作方法。
背景技术
[0002] 在地下工程建设中，当遇到富水软土地层等复杂地质情况时，常常采用人工冻结技术对土层进行加固，来改良地层性能，以便在富水地层中完成开挖和结构构筑施工，其中液氮冻结具有快速、高强、高效等优点，在地下工程中得到了广泛的应用。在传统的液氮冻结施工中，将冻结器布置在预先施工好的冻结孔中，从冻结管中的供液管灌入液氮至冻结管的底部，吸热气化后沿供液管和冻结管之间的环形空间排出冻结管，进行冻结管全长范围内的冻结，形成的冻结帷幕用以承受土压力并阻隔地下水，创造良好的施工环境。
[0003] 由于传统液氮冻结器是在沿冻结孔全长范围内同时进行冻结，当冻结深度较大时，液氮在较长的供液管中气化，造成冻结管长度上形成的冻结壁均匀性差，而且液氮气化过程控制困难，无法对不同深度范围的冻结过程进行控制，也无法实现不同深度范围内的分段冻结过程。比如当上部地层的开挖施工结束后，液氮仍然需要通过上部的供液管路，所以无法停止上部地层的冻结，造成液氮的额外消耗和浪费，增加施工成本。
[0004] 针对以上存在的问题，提出一种新型液氮冻结器，即分段控制式液氮冻结器，将供液管分段缠绕在供液管外部，分别独立进行液氮的供应，从而实现不同分段冻结过程的精确控制，同时可以随时调节不同分段的冻结起始和结束的冻结时间，提高施工针对性。
发明内容
[0005] 针对上述技术问题，本发提出一种结构简单，使用方便，能够给同一个冷冻孔不同处提供不同的冷冻效果的分段控制式液氮冻结器及工作方法。
[0006] 为实现上述技术目的，本发明的分段控制式液氮冻结器，包括回气钢管，回气钢管尺寸与需要冻结的钻孔匹配，回气钢管外侧根据实际需要冻结的钻孔壁区域布置有多段螺旋形供液管，每段螺旋形供液管的上端焊接有延伸至回气钢管顶端的竖直管，所述竖直管设置在回气钢管外侧或者设置在回气钢管内部，当竖直管设置在回气钢管内部时竖直管紧贴回气钢管内壁设置，每段螺旋形供液管的下端与回气钢管内部连接并焊接固定，多段螺旋形供液管工作时通过连通地面供液系统的竖直管注入液氮，液氮通过供液管向周围地层传递冷量后气化，气化后的氮气分别汇入回气钢管内，并通过回气钢管排入大气，完成冻结过程。
[0007] 多段螺旋形供液管中的任意螺旋形供液管的长度以及螺旋间距根据实际冻结设置，若需要快速冻结或者提供冻结处更低的温度就减少螺旋之间的间距，若需要慢冻结速度则增加螺旋之间的间距。
[0008] 所述竖直管采用隔热的树脂类管材。
[0009] 一种分段控制式液氮冻结器的工作方法，其步骤为：
[0010] a根据工程实际需求，在设计位置施工冻结孔，冻结孔的深度为工程需冻结的最大深度，冻结孔直径为回气钢管与螺旋形供液管的直径之和；
[0011] b根据实际冻结需要，在需要冷冻区域处的回气钢管外侧缠绕螺旋形供液管，并根据实际施工的冰冻需要调整螺旋形供液管的长度和螺旋间距，实现不同深度的差异冻结，从而控制同一冻结孔不同位置的冻结效果；其中
[0012] c.每个螺旋形供液管上端连接有隔热树脂管材的竖直管，并与地面液氮注入设备连接；
[0013] d.螺旋形供液管的下端接入回气钢管内，螺旋形供液管与回气钢管在二者接触点设置焊接点，提高冻结器的整体稳定性，并构成分段液氮冻结循环系统；
[0014] e.在冻结孔内下放冻结器；
[0015] f.将液氮通过竖直管灌入螺旋形供液管内，吸收螺旋形供液管周围地层的热量而不断气化，完全气化后的氮气汇入回气钢管中，通过回气钢管排入大气，完成冻结过程。
[0016] 所述所有的螺旋形供液管都设有独立的供液竖直管，可根据冷冻需要在不同的时间段分别在供液竖直管中注入液氮，从而实现不同冷冻分段的独立冻结，当某一段需要停止冻结时，停止向该段供液管中灌入液氮即可实现。
[0017] 本发明的有益效果在于：不同分段供液管的布置方式，实现了分段供液管的独立供液，从而缩短了供液管的长度，有效调节了液氮冻结的均匀性，而且独立的供液方式，也实现了冻结孔深度方向上的分段冻结，可以随时调节不同分段深度上开始和结束冻结的时间，实现精细控制冻结过程的目的。另外，螺旋形供液管紧贴地层，提高了冷量向周围地层的传递效率，充分发挥液氮快速冻结的优势；施工时，每一段螺旋形供液管的螺旋间距、分段长度都可根据实际工程进行调整，实现不同深度地层的差异冻结，满足不同工程的冻结需求。附图说明：
[0018] 图1为本发明实施例分段控制式液氮冻结器的结构示意图。
[0019] 图中：1-供液管口，2-竖直管，3-上端，4-螺旋形供液管，5-下端，6-螺旋形供液管与回气钢管焊接点，7-竖直管与螺旋形供液管端部焊接点，8-螺旋形供液管底部与回气钢管接触点，9-回气钢管，具体实施方式：
[0020] 下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明。
[0021] 如图1所示，本发明的分段控制式液氮冻结器，包括回气钢管9，回气钢管9尺寸与需要冻结的钻孔匹配，回气钢管9外侧根据实际需要冻结的钻孔壁区域布置有多段螺旋形供液管4，每段螺旋形供液管4的上端3与焊接有延伸至回气钢管9顶端的竖直管2，竖直管2顶端设有供液管口1，所述竖直管2采用隔热的树脂类管材，所述竖直管2设置在回气钢管9外侧或者设置在回气钢管9内部，当竖直管2设置在回气钢管9内部时竖直管2紧贴回气钢管9内壁设置，每段螺旋形供液管4的下端5与回气钢管9内部连接并通过螺旋形供液管底部与回气钢管接触点(8)焊接固定，多段螺旋形供液管4工作时通过连通地面供液系统的竖直管
2注入液氮，液氮通过供液管4向周围地层传递冷量后气化，气化后的氮气分别汇入回气钢管9内，并通过回气钢管9排入大气，完成冻结过程。使用时如图1所示，设置在回气钢管9外侧的螺旋形供液管4有螺旋形供液管A、螺旋形供液管B和螺旋形供液管C，因此对应设置有三个竖直管2，分别为竖直管A、竖直管B和竖直管C，竖直管A上设有供液管口A，竖直管B上设有供液管口B，竖直管C上设有供液管口C。
[0022] 多段螺旋形供液管4中的任意螺旋形供液管4的长度以及螺旋间距根据实际冻结设置，若需要快速冻结或者提供冻结处更低的温度就减少螺旋之间的间距，若需要慢冻结速度则增加螺旋之间的间距。
[0023] 一种分段控制式液氮冻结器的工作方法，其步骤为：
[0024] a根据工程实际需求，在设计位置施工冻结孔，冻结孔的深度为工程需冻结的最大深度，冻结孔直径为回气钢管9与螺旋形供液管4的直径之和；
[0025] b根据实际冻结需要，在需要冷冻区域处的回气钢管9外侧缠绕螺旋形供液管4，并根据实际施工的冰冻需要调整螺旋形供液管4的长度和螺旋间距，实现不同深度的差异冻结，从而控制同一冻结孔不同位置的冻结效果；
[0026] c.每个螺旋形供液管4上端连接隔热树脂管材料的竖直管2，螺旋形供液管4与竖直管2之间设有竖直管与螺旋形供液管端部焊接点7，并与地面液氮注入设备连接；
[0027] d.螺旋形供液管4的下端5接入回气钢管9内，螺旋形供液管4与回气钢管9在二者接触点设置有螺旋形供液管与回气钢管焊接点6用以固定，提高冻结器的整体稳定性，并构成分段液氮冻结循环系统；
[0028] e.在冻结孔内下放冻结器；
[0029] f.将液氮通过竖直管2灌入螺旋形供液管4内，吸收螺旋形供液管4周围地层的热量而不断气化，完全气化后的氮气汇入回气钢管9中，通过回气钢管9排入大气，完成冻结过程；
[0030] 所述所有的螺旋形供液管4都设有独立的供液竖直管2，可根据冷冻需要在不同的时间段分别在供液竖直管2中注入液氮，从而实现不同冷冻分段的独立冻结，当某一段需要停止冻结时，停止向该段供液管4中灌入液氮即可实现。
