中空圓環形凍結管的製作方法

2023-06-17 17:53:21 1

本實用新型涉及一種土木技術，尤其是一種中空圓環形凍結管。

背景技術：

人工地層凍結法(Artificial Ground Freezing, AGF)(簡稱「凍結法」),是利用人工製冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯繫，以便在凍結壁的保護下進行地下工程施工的特殊施工技術，其實質是利用人工製冷臨時改變巖土性質以加固地層。人工土凍結法由於基本不受支護範圍和支護深度的限制，能有效防止湧水以及城市挖掘、鑽鑿施工中相鄰上體的變形而受到越來越多的重視，成為地下工程的主要技術手段之一。

人工凍結工程中的凍結管普遍採用的是低碳無縫鋼管，低碳無縫鋼管在常溫和低溫下的力學性能較好，熱導性較好，能滿足凍結施工要求，同時人們對鋼管的加工及使用工藝比較熟悉；也可以採用PVC、PPR、ABS、PE等塑料管。傳統的凍結管一般為圓形截面，也有異型截面，如方形、薄板形、工字形、三角形、T形、Y形等，不同的截面形式具有不同的受力特性。

目前，人工凍結法所用的凍結管有直線形和曲線形兩種。中國專利CN 205501986 U公布了一種曲線凍結管，若要求形成拱形等曲線形凍土帷幕加固結構時可採用曲線凍結管，除此以外，常採用直線形凍結管。傳統的直線型凍結管一般為圓形截面，傳統圓形截面直線型凍結管存在著凍結需冷量大、整個凍結過程耗電量大、凍脹融沉量大的缺點，如何找到一種高效節能的新型凍結管是目前亟待解決的關鍵問題。

中國專利CN202882928U公開了一種單管凍結管，它是在一圓筒形凍結管中間，由管口向下固定設有寬度與凍結管內徑相等的長方形隔板，隔板底部與凍結管底部之間設有空間，方便低溫鹽水順利通過；在凍結管的管口一側設有配液管接口，在凍結管的另一側管壁上部設置有凍結管接口，用於排出凍結管內已使用過的鹽水，進行循環。但是該凍結管採用的是圓筒凍結管，即使通過豎向設置的長方形隔板將凍結管內腔分成兩部分，仍然存在著凍結需冷量大、整個凍結過程耗電量大、凍脹融沉量大的缺點。該專利存在如下問題：1、仍然存在著凍結需冷量大、整個凍結過程耗電量大、凍脹融沉量大的缺點；2、在相同工程量的前提下，其單管凍結能力差；3、該專利施工仍需鑽孔再放入凍結管，工期相對較長。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種中空圓環形凍結管，其具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力，從而提高性價比。

為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案：

一種中空圓環形凍結管，包括中空的圓環形管體，所述圓環形管體中心部分為空腔結構，在圓環形管體的夾層腔體中沿所述管體的豎向設置有一個與所述管體同心的圓筒形隔板，所述圓筒形隔板將圓環形管體的夾層腔體分為兩部分，所述隔板頂部與圓環形管體的上端面密封連接，底部與圓環形管體內底面之間有間隙； 被分隔的夾層腔體中靠近所述管體中心部分的頂端設置有配液管接口，遠離所述管體中心部分的上端側面上設置有回液管接口。

所述管體的下端成尖刃形圓環口，該結構方便將凍結管插入土體中。

所述中空圓環形管體為無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管。

當所述中空圓環形管體採用塑料材質時，管體內通入液氮凍結。

所述凍結管每2～3個相串聯。

所述凍結管與配液圈通過高壓膠管連接。

所述凍結管與配液圈之間安裝有兩個閥門。

和凍結管相連的冷凍機進出水管道上安裝有溫度計。

本實用新型在傳統圓形截面凍結管的基礎上進行改進，希望得到以下目標：1、在不增加材料用量和施工工藝難度的前提下提高單管凍結能力；2、在單管凍結能力不減少的前提下儘量減少循環冷媒介質用量和施工機械能耗。

將傳統圓形截面設計成異形截面，可達到上述目的。異形截面可以有多種形式，如方形、薄板形、工字形、三角形等，不同的截面形式具有不同的受力特性。對於本發明中空圓環形截面，擁有兩個相互垂直的對稱軸，在兩個方向上截面慣性矩相等，其截面尺寸可通過外包圓直徑和內圓直徑兩個幾何參數控制，截面受力特性優越且形式簡單，因此本實用新型選擇了以中空圓環形截面作為異形凍結管的優化截面。

將傳統圓形凍結管做成中空的圓環形，凍結管與土體接觸的周長變長，截面面積大大減小，即低溫冷媒介質用量減小，採用中空圓環形凍結管可以達到上述兩個目的。

當在盾構隧道端頭運用本實用新型時，由於盾構刀盤無法切除打入地層中的鋼質凍結管，可用PVC等塑料凍結管代替鋼質凍結管，這樣盾構可以直接切削凍土和凍結管，避免了拔管時的風險；當採用塑料材質的凍結管時，可採用液氮凍結。低溫冷媒介質（低溫鹽水-25℃~-35℃）從配液管接口流入，沿圓筒形隔板與外層凍結管之間的空間回流至回液管接口排出，如此循環在土體中形成圓形凍土帷幕。在同等散熱能力的條件下，中空圓環形凍結管可節省循環冷媒介質用量50%，施工機械能耗減少50%。在同等截面面積，即同等循環冷媒介質用量的條件下，中空圓環形凍結管可提高散熱能力50%以上。

與傳統圓形凍結管技術相比，中空圓環形凍結管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力，從而提高性價比。中空圓環形凍結管是人工凍結法的一種新技術，其外周長大、循環冷媒介質用量少。本實用新型由於有管體下端的尖刃形圓環口，可以快速方便將凍結管插入土體中，工期短。該項技術具有施工實用性強、施工質量控制方便、加固效果好且經濟性優越等突出優點，具有較大的推廣應用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型俯視圖；

圖2是本實用新型縱向剖面圖；

圖3是本實用新型施工工藝流程圖；

其中，1.中空的圓環形管體，2.圓筒形隔板，3.配液管接口，4.回液管接口。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本實用新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的範疇。

如圖1、圖2所示，中空圓環形凍結管，包括中空的圓環形管體1，所述圓環形管體1中心部分為空腔結構，在圓環形管體1的夾層腔體中沿所述管體的豎向設置有一個與所述管體同心的圓筒形隔板2，所述圓筒形隔板2將圓環形管體1的夾層腔體分為兩部分，所述隔板頂部與圓環形管體的上端面密封連接，底部與圓環形管體內底面之間有間隙，方便低溫冷媒介質順利通過；被分隔的夾層腔體中靠近所述管體中心的部分的頂端設置有配液管接口3，遠離所述管體中心的部分的上端側面上設置有回液管接口4。

中空的圓環形管體1的下端成尖刃形圓環口，該結構方便將凍結管插入土體中。中空圓環形管體1為無縫低碳鋼管、PVC、PPR、ABS或PE塑料管。當所述中空圓環形管體採用塑料材質時，管體內通入液氮凍結。

低溫冷媒介質（低溫鹽水-25℃~-35℃）從配液管接口流入，沿隔板與外層凍結管之間的空間回流至回液管接口排出，如此循環在土體中形成圓形凍土帷幕。在同等散熱能力的條件下，中空圓環形凍結管可節省循環冷媒介質用量50%，施工機械能耗減少50%。在同等截面面積，即同等循環冷媒介質用量的條件下，中空圓環形凍結管可提高散熱能力50%以上。與傳統圓形凍結管技術相比，中空圓環形凍結管具有較大的單位體積材料比表面積，因而可以在不增加工程量的前提下大大提高單管凍結能力，從而提高性價比。中空圓環形凍結管是人工凍結法的一種新技術，其外周長大、循環冷媒介質用量少，該項技術具有施工實用性強、施工質量控制方便、加固效果好且經濟性優越等突出優點，具有較大的推廣應用價值。

中空圓環形凍結管凍結施工工藝流程如圖3所示。

一、施工工藝流程

施工準備→中空圓環形凍結管的定位與安裝→凍結系統和測溫系統安裝→積極凍結（溫度監測）→主體結構施工（維護凍結）→強制解凍→中空圓環形凍結管拔除（封孔）→融沉注漿→地下結構施做完成。整個施工流程如圖3所示。

二、凍結設計

（1）凍結帷幕物理參數

凍土平均溫度取-10℃，凍土強度指標需進行室內試驗測定。

（2）測溫孔布置

根據鑽孔的偏斜情況對測溫孔的位置進行調整，目的主要是測量凍結帷幕範圍不同部位的溫度發展狀況，以便採取相應控制措施，確保施工的安全。

三、凍結製冷施工

3.1凍結站布置與設備安裝

根據現場情況凍結站可設在地面或端頭井兩層平臺上。站內設備主要包括冷凍機組、配電櫃、鹽水箱、鹽水泵、冷卻水泵、冷卻塔及冷卻水池等。凍結站安裝包括氟系統、鹽水系統及冷卻水系統安裝，要求根據凍結站的總體設計，按照先設備後管路的安裝程序和施工圖的技術要求，將三大循環系統分別進行安裝，並按《井巷工程施工及驗收規範》要求試壓、檢查驗收。

設備安裝按設備使用說明書的要求進行。

3.2管路連接、保溫與測試儀表安裝

鹽水和冷卻水管路用法蘭連接，並用管架架設在施工平臺上或隧道管片上。鹽水管路要離地面安裝，避免浸水和高低起伏。集配液圈與凍結管的連接用高壓膠管，凍結管每2～3個一串聯，串聯儘量間隔進行，應以每組凍結孔總長度相近或每路鹽水循環阻力接近為宜。

在配液圈與凍結器之間安裝閥門二個，以便控制凍結器鹽水流量。

在冷凍機進出水管上安裝溫度計，在去、迴路鹽水管路上安裝壓力表、溫度傳感器和控制閥門。在鹽水管出口安裝流量計。在鹽水箱安裝液面傳感器。

在去路鹽水幹管上安裝單向閥。在鹽水管路的高處安裝放氣閥。鹽水和冷卻水管路耐壓分別為0.7MPa和0.3MPa。

冷凍機組的蒸發器及低溫管路、鹽水箱、鹽水幹管表面用50mm厚的聚氨脂保溫材料保溫。

溫度計、壓力表和流量計安裝要按有關規範進行。

3.3溶解氯化鈣和機組充氟、加油

先在鹽水箱內注入約1/4的清水，鹽水箱上部要設過濾網，然後，啟動泵並逐步加入固體氯化鈣，直至鹽水濃度達到設計要求。溶解氯化鈣時要除去雜質。鹽水箱內的鹽水不能灌得太滿，以免高於鹽水箱口的凍結管鹽水回流時溢出鹽水箱。

機組充氟和冷凍機加油按照設備使用說明書的要求進行。首先進行製冷系統的檢漏和氮氣衝洗，在確保系統無滲漏後，再充氟加油。

3.4積極凍結與停止凍結

(1) 凍結系統試運轉與積極凍結

設備安裝完畢後進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設計要求的技術參數條件下運行。

在凍結過程中，每天檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土壁擴展情況，必要時調整凍結系統運行參數。凍結系統運轉正常後進入積極凍結。

每天檢測測溫孔溫度，並根據測溫數據，分析凍結壁的擴展速度和厚度，預計凍結壁達到設計厚度時間。

(2) 探孔與停止凍結

實測凍結壁溫度和厚度達到設計值後，打開探孔確認無泥水湧出，即可拔管。或者可進行維護凍結，但維護凍結鹽水溫度不宜高於-25℃。待主體結構施工完畢後即可停止凍結。

四、拔管施工

利用人工局部解凍的方案，進行拔管，具體方法如下：利用熱鹽水在凍結器裡循環，使凍結管周圍的凍土融化達到50mm～100mm時，開始拔管。

(1) 鹽水加熱

用一隻2m3左右的鹽水箱儲存鹽水，用15～45kw的電熱絲進行加熱鹽水。

(2) 鹽水循環

利用流量為10m3/h鹽水泵循環鹽水，先用30～40℃的鹽水循環5分鐘左右，然後鹽水溫度逐步升高到50～70℃的鹽水循環達30分鐘左右，當迴路鹽水溫度上升到25～30℃時，即可進行邊循環邊試拔。

(4) 凍結管起拔

水平凍結管利用48#大牙鉗轉動凍結管，用2噸手拉葫蘆拔出凍結管（連同孔口管一起拔除）。手拉葫蘆固定在搭設的腳手架上，凍結管範圍內的腳手架須特殊加固使其與槽壁緊密連接便於力的傳遞。上述方法不能拔出凍結管時，利用兩個32噸千斤頂架設在槽壁上，水平向外頂推凍結管。

垂直凍結管用起管機起拔鬆動凍結管，然後用起重機或卷揚機快速拔出已鬆動的凍結管。

五、凍脹與融沉控制

施工過程中可採取如下措施控制凍脹和融沉：

（1）在凍結管拔出後，要及時地將凍結孔洞用黃砂充填密實。

（2）在凍土體的融化階段，可利用注漿孔向凍結加固區進行注漿壓密加固凍融土體。因凍土體的自然融化過程緩慢，宜採取小壓力、多注次的方式進行注漿，注漿壓力一般為0.2～0.5MPa，漿液宜選用單液水泥漿。

（3）為了預防凍脹和融沉,設計選用標準製冷量較大的冷凍機組,在短時間內把鹽水溫度降到設計值,以加快凍土發展,提高凍土強度,減少凍脹和融沉量。

（4）掌握和調整鹽水溫度和鹽水流量,必要時可採取間歇式凍結,控制凍土發展量，以減少凍脹和融沉。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但並非對本實用新型保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。