一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法

摘要

本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法，目的在于提供一种能够在冻结过程中改变有效冻结段的位置的非的等厚动态控制冻结。它包括调整模块和冻结模块，调整模块的调节器为哑铃状，其两端为圆柱形柱塞，柱塞的两端侧面包覆圆筒形气囊，上端柱塞中设有进、出液通道，调节器内的气压通道一端位于上端柱塞的顶面，其另外两端分别与气囊内部连通；气压管路一端通过密封转接头与调节器中的气压管道连接，其另外两端分别通过供气阀、排气阀与气泵和大气连通；冻结模块的冻结管仅一端开口；供液管和回液管的一端分别与冻结站连通，另一端伸入冻结管内，且分别通过密封转接头与进液通道和出液通道连接。

权利要求

1.一种冻结位置可调的人工地层冻结方法，其特征在于，提供冻结位置可调的人工地层冻结装置备用，所述装置包括：调整模块，所述调整模块包括调节器、气囊、气压管路、供气阀、排气阀和气泵，所述调节器为哑铃状，其两端为圆柱形柱塞，所述圆柱形柱塞的两端侧面包覆圆筒形气囊，上端柱塞中设有进液通道和出液通道，所述进液通道自上端柱塞的顶面向下延伸至下端柱塞上方一定距离处，所述出液通道贯通上端柱塞设置，所述调节器中设有气压通道，所述气压通道一端位于上端柱塞的顶面，气压通道另外两端分别与上、下柱塞侧面的气囊内部连通；气压管路一端通过密封转接头与调节器中的气压通道连接，所述气压管路另外两端分别通过供气阀、排气阀与气泵和大气连通；

冻结模块，所述冻结模块包括冻结管、供液管、回液管和冻结站，所述冻结管一端为开口端，另一端为密封端；所述供液管和回液管的一端分别与冻结站连通，所述供液管和回液管的另一端自所述冻结管的开口端伸入所述冻结管内，且分别通过密封转接头与所述进液通道和出液通道连接；

所述方法包括如下步骤：

步骤S1、装置安装：

第一、将冻结管插入待冻结地层中，利用气压管路和密封转接头将调节器的气压管路与气泵连接，利用供液管、回液管和密封转接头将调节器的进液通道和出液通道与冻结站连接；

第二、将完成管路连接的调节器放入冻结管内，此时调节器周围的气囊为未供气状态，气囊的体积较小，外径小于冻结管内径，调节器可沿冻结管轴向自由移动；

第三、将调节器调整至设计位置，关闭排气阀，打开供气阀，启动气泵，使气囊体积膨胀并与冻结管的内壁紧密接触，此时调节器的位置被锁定且两端被气囊密封，装置安装完成；

步骤S2、冻结：

启动冻结站，使冷媒沿供液管、密封转接头和进液通道流入调节器的内部的环形空间，充满环形空间后，再经出液通道、密封转接头和回液管流回冻结站，冷媒的循环使调节器所处范围的冻结管急剧降温，与之位置对应的周围地层被冻结；

步骤S3、位置调整：

第一、关闭冻结站，停止冷媒循环；

第二、关闭气泵和供气阀，打开排气阀，排出气囊内的高压气体，使气囊收缩并脱离冻结管的内壁，此时调节器能够沿冻结管轴向自由移动；

第三、移动调节器至设计位置，重复前述的气囊加压操作，位置调整完成；

第四、启动冻结站开展位置调整后的冻结。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节器两端圆柱形柱塞的直径小于冻结管内直径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气囊加压使用相变温度较低的惰性气体。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中气泵使用的气体为氮气。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，冻结期间，气泵保持开启状态，维持气囊中的气压不变。

说明书

一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法。

背景技术

[0002] 深部地下空间开发经常遭遇含水、软弱地层，当地层含水量大、水压高或自身强度过低时，直接采用常规工法开挖极易出现突水、涌水或坍塌等工程灾害，因此，必须先对待开挖空间周围的地层进行加固，使其防渗和力学性能达到施工标准后再进行开挖作业。人工地层冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土或冻岩，形成强度高、不透水的冻结加固体，这种地层加固工法高效可靠，在极软、高水压等极端不良地层中，是唯一有效的加固方法。

[0003] 人工地层冻结法所形成的加固体被称为冻结壁。在开挖施工过程中，邻近开挖面的冻结壁需要独立抵抗大部分外侧地压，所需厚度较大；而远离开挖面的冻结壁内部有稳定的未开挖土体或已完成的永久衬砌作支撑，所需厚度较小。因此，理想的冻结壁应是近开挖面处厚、远开挖面处薄随施工进度动态变化的。然而，绝大多数实际工程均采用准静态等厚的冻结壁作为开挖加固体，该类型冻结壁的冻结体量更大，导致冻结工期长、环境影响强、能耗损失大。

[0004] 非等厚动态冻结壁难以推广的主要原因是缺乏配套的冻结装置和工艺。冻结壁是通过在插入地层的冻结管内循环冷媒对地层降温所形成的，当前工程中所用冻结管均为固定式双层套管结构，该结构中冷媒的循环范围不可调，导致冻结管沿插入深度方向的冻结性能相同，只能形成沿深度方向厚度相等的冻结壁，无法满足非等厚动态冻结控制的技术需求。

[0005] 因此，亟需提供一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法，实现冻结管的有效冻结位置可调。

发明内容

[0006] 本发明提供一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法。

[0007] 为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

[0008] 一种冻结位置可调的人工地层冻结装置，包括：

[0009] 调整模块，所述调整模块包括调节器、气囊、气压管路、供气阀、排气阀和气泵，所述调节器为哑铃状，其两端为圆柱形柱塞，所述圆柱形柱塞的两端侧面包覆圆筒形气囊，上端柱塞中设有进液通道和出液通道，所述进液通道自上端柱塞的顶面向下延伸至下端柱塞上方一定距离处，所述出液通道贯通上端柱塞设置，所述调节器中设有气压通道，所述气压通道一端位于上端柱塞的顶面，气压通道另外两端分别与上、下柱塞侧面的气囊内部连通；气压管路一端通过密封转接头与调节器中的气压通道连接，所述气压管路另外两端分别通过供气阀、排气阀与气泵和大气连通；

[0010] 冻结模块，所述冻结模块包括冻结管、供液管、回液管和冻结站，所述冻结管一端为开口端，另一端为密封端；所述供液管和回液管的一端分别与冻结站连通，所述供液管和回液管的另一端自所述冻结管的开口端伸入所述冻结管内，且分别通过密封转接头与所述进液通道和出液通道连接。

[0011] 进一步地，所述调节器两端圆柱形柱塞的直径小于冻结管内直径。

[0012] 进一步地，所述气囊加压使用相变温度较低的惰性气体。

[0013] 本发明还提供了一种冻结位置可调的人工地层冻结方法，提供前述的冻结位置可调的人工地层冻结装置备用，包括如下步骤：

[0014] 步骤S1、装置安装：

[0015] 第一、将冻结管插入待冻结地层中，利用气压管路和密封转接头将调节器的气压管路与气泵连接，利用供液管、回液管和密封转接头将调节器的进液通道和出液通道与冻结站连接；

[0016] 第二、将完成管路连接的调节器放入冻结管内，此时调节器周围的气囊为未供气状态，气囊的体积较小，外径小于冻结管内径，调节器可沿冻结管轴向自由移动；

[0017] 第三、将调节器调整至设计位置，关闭排气阀，打开供气阀，启动气泵，使气囊体积膨胀并与冻结管的内壁紧密接触，此时调节器的位置被锁定且两端被气囊密封，装置安装完成；

[0018] 步骤S2、冻结：

[0019] 启动冻结站，使冷媒沿供液管、密封转接头和进液通道流入调节器的内部的环形空间，充满环形空间后，再经出液通道、密封转接头和回液管流回冻结站，冷媒的循环使调节器所处范围的冻结管急剧降温，与之位置对应的周围地层被冻结；

[0020] 步骤S3、位置调整：

[0021] 第一、关闭冻结站，停止冷媒循环；

[0022] 第二、关闭气泵和供气阀，打开排气阀，排出气囊内的高压气体，使气囊收缩并脱离冻结管的内壁，此时调节器能够沿冻结管轴向自由移动；

[0023] 第三、移动调节器至设计位置，重复前述的气囊加压操作，位置调整完成；

[0024] 第四、启动冻结站开展位置调整后的冻结。

[0025] 进一步地，所述步骤S1中气泵使用的气体为氮气。

[0026] 进一步地，所述步骤S2中，冻结期间，气泵保持开启状态，维持气囊中的气压不变。

[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

[0028] 本发明提供一种冻结位置可调的人工地层冻结装置，包括调整模块和冻结模块，调整模块包括调节器、气囊、气压管路、供气阀、排气阀和气泵，调节器为哑铃状，其两端为圆柱形柱塞，圆柱形柱塞的两端侧面包覆圆筒形气囊，上端柱塞中设有进液通道和出液通道，调节器中设有气压通道，气压通道一端位于上端柱塞的顶面，气压通道另外两端分别与上、下柱塞侧面的气囊内部连通；气压管路一端通过密封转接头与调节器中的气压通道连接，气压管路另外两端分别通过供气阀、排气阀与气泵和大气连通；冻结模块包括冻结管、供液管、回液管和冻结站，冻结管一端为开口端，另一端为密封端；供液管和回液管的一端分别与冻结站连通，供液管和回液管的另一端自冻结管的开口端伸入冻结管内，且分别通过密封转接头与进液通道和出液通道连接。与现有人工地层冻结装置相比，本发明装置能够在冻结过程中改变有效冻结段的位置，尤其适用于非等厚动态控制冻结。

附图说明

[0029] 图1为本发明一实施例冻结位置可调的人工地层冻结装置的结构示意图；

[0030] 图2为图1的A‑A剖视图。

[0031] 图中：

[0032] 1‑冻结管、2‑密封转接头、3‑进液通道、4‑调节器、5‑气囊、6‑气压通道、7‑出液通道、8‑供液管、9‑回液管、10‑冻结站、11‑气压管路、12‑排气阀、13‑供气阀、14‑气泵。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种冻结位置可调的人工地层冻结装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。实施例一

[0034] 下面结合图1和图2，详细说明本发明的冻结位置可调的人工地层冻结装置。

[0035] 请参考图1和图2，一种冻结位置可调的人工地层冻结装置，包括冻结模块和调整模块。

[0036] 冻结模块由冻结管1、供液管8、回液管9和冻结站10构成。其中，冻结管1为细长不锈钢U型圆管，一端密封，另一端开口；供液管8、回液管9的一端分别连接至冻结站10，供液管8、回液管9另一端自冻结管1开口端伸入冻结管1内，分别通过密封转接头2与调整模块中调节器4的进液通道3和出液通道7连接。

[0037] 调整模块由调节器4、气囊5、气压管路11、供气阀13、排气阀12和气泵14构成。其中，调节器4为哑铃状，调节器4两端为圆柱形柱塞，圆柱形柱塞的直径略小于冻结管1内直径，调节器4中部圆管的直径远小于冻结管1内直径。两端圆柱形柱塞的侧面均包覆有圆筒形的气囊5，气囊5的高度与圆柱形柱塞的高度一致，上端圆柱形柱塞中设有进液通道3和出液通道7，进液通道3自上端柱塞的顶面向下延申至下端柱塞之间一定位置处，出液通道7则仅上下贯穿上端柱塞，也就是说，出液通道7的高度与上端柱塞高度一致。调节器4中还设有气压通道6，气压通道6一端位于上端柱塞的顶面，其余端口分别与围绕在上柱塞、下柱塞侧面的气囊5的内部连通；气压管路11的一端通过密封转接头2与调节器4中的气压通道6连接，另外两端分别通过供气阀13和排气阀12与气泵14和大气连通。

[0038] 请继续参考图1和图2，本发明还提供了一种冻结位置可调的人工地层冻结方法，包括如下步骤：

[0039] 步骤S1、装置安装：

[0040] 首先，将冻结管1插入待冻结地层中；利用气压管路11和密封转接头2将调节器4的气压通道6与气泵14连接，利用供液管8、回液管9和密封转接头2将调节器4的进液通道3和出液通道7与冻结站10连接；然后，将完成管路连接的调节器4放入冻结管1内，此时调节器周围的气囊5为未供气状态，气囊5的体积较小，外径小于冻结管1内径，调节器4可沿冻结管1轴向自由移动；最后，将调节器4调整至设计位置，关闭排气阀12，打开供气阀13，启动气泵
14，使气囊5体积膨胀并与冻结管1的内壁紧密接触，此时调节器4的位置被锁定且两端被气囊5密封，装置安装完成。

[0041] 步骤S2、冻结：

[0042] 启动冻结站10，使冷媒沿供液管8、密封转接头2和进液通道3流入调节器4的内部的环形空间，充满环形空间后，再经出液通道7、密封转接头2和回液管9流回冻结站，冷媒的循环使调节器所处范围的冻结管1急剧降温，与之位置对应的周围地层被冻结。

[0043] 步骤S3、位置调整：

[0044] 改变冻结位置时，首先，关闭冻结站10，停止冷媒循环；然后，关闭气泵14和供气阀13，打开排气阀12，使排出气囊5内的高压气体，使气囊5收缩、脱离冻结管1的内壁，此时调节器4可沿冻结管1轴向自由移动；然后，移动调节器至调整位置，重复前述的气囊5加压操作，位置调整完成；最后，启动冻结站10开展位置调整后的冻结。

[0045] 特别地，气泵14使用氮气等相变温度较低的惰性气体，避免因水蒸气等高相变温度的气体在冻结过程中液化甚至凝华，堵塞气压通道6。

[0046] 特别地，冻结期间，气泵14保持开启状态，维持气囊5中的气压不变，此举可防止气囊5因气体温度下降、体积收缩，导致气囊5与冻结管1内壁脱离，调节器4的位置固定和密封失效。

[0047] 上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。