竖井差异冻结装置.pdf

本发明属于地下工程施工辅助装置领域，具体涉及一种竖井差异冻结装置，包括内管和外管，外管套在内管外，增大外管的中部的外径，使外管的中部的外径大于其上部及下部的外径，在外管的上部、下部的外周包有保温层，保温层的外径与外管中部的外径相同；内管的顶部具有冻结液进液口，在内管的下部具有与外管连通的流道；外管的顶部、底部均封闭，其上部具有冻结液回液口。通过本发明能够对地下岩土进行差异冻结，对含水量小、无需冻结的区域进行冷源隔绝，减少冷源损耗、提高冷源的有效利用率，对地下含水量大的区域，增大外管接触面积、延长冻结液停留时间，最终缩短岩土冻结时间、提高冻结效率、增强地下岩土冻结效果。

1.一种竖井差异冻结装置，包括内管(2)和外管(4)，外管(4)套在内管(2)外，其特征在
于：增大外管(4)的中部的外径，使外管(4)的中部的外径大于其上部及下部的外径，在外管
(4)的上部、下部的外周包有保温层(5)，保温层(5)的外径与外管(4)中部的外径相同；
内管(2)的顶部具有冻结液进液口(1)，在内管(2)的下部具有与外管(4)连通的流道；
外管(4)的顶部、底部均封闭，其上部具有冻结液回液口(3)。
2.根据权利要求1所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的外管(4)的中部的截
面面积S₁是外管(4)的上部或者下部的截面面积S₂的1.5～3倍，内管(2)的截面面积为S₃。
3.根据权利要求2所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：S₁＝3S₃，S₂＝2S₃。
4.根据权利要求1所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的保温层(5)采用聚氨
酯发泡材料。
5.根据权利要求1所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的保温层(5)采用岩棉。
6.根据权利要求1～5任一所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的内管(2)的管
壁上开有通孔，通孔即为所述的流道。
7.根据权利要求1～5任一所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的内管(2)的底
部敞口，其高度高于外管(4)底部；内管(2)底部敞开的口即为所述的流道。
8.根据权利要求1～5任一所述的竖井差异冻结装置，其特征在于：所述的冻结液进液
口(1)、冻结液回液口(3)分别通过管路与制冷器的进口、出口连接。

竖井差异冻结装置

技术领域

本发明涉及一种竖井差异冻结装置，属于地下工程施工辅助装置领域。

背景技术

冻结法常用于竖井工程，它是一种用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的
松散含水岩土中的水冻结为冰并与岩土胶结在一起，变成冻土，用以抵抗土压力，隔绝地下
水，并在冻土的保护下，进行地下工程施工。但在将冻结法应用到竖井工程中对岩土进行冻
结时，通常需要50～60天，岩土的冻结周期很长，从一定程度上影响了工程进度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中的不足，提供一种能够提高冷源的
有效利用率、缩短岩土冻结时间、提高冻结效率的竖井差异冻结装置。

本发明所述的竖井差异冻结装置，包括内管和外管，外管套在内管外，增大外管的
中部的外径，使外管的中部的外径大于其上部及下部的外径，在外管的上部、下部(即外管
外径小的部位)的外周包有保温层，保温层的外径与外管中部(即外管外径小的部位)的外
径相同；内管的顶部具有冻结液进液口，在内管的下部具有与外管连通的流道；外管的顶
部、底部均封闭，其上部具有冻结液回液口。其中，外管整体的壁厚相同。

本发明根据目前地下岩土的组成将传统冻结装置中的外管结构进行了改进，对地
下岩土进行差异冻结，总的来说，就是在地下含水量大的区域，增强冻结效果，对含水量小
的区域，进行局部冻结，对剩余无需冻结处隔绝冷源，从而在很大程度上避免了不必要的冷
源能量的流失，使冷源的有效利用率得到提高，同时缩短了地下岩土的冻结时间，提高了冻
结效率。下面结合地下岩土的组成对本发明进行细致阐述：

目前，地下岩土通常由上部的黄土层、中部的砂层和下部的沉积岩层组成，其中，
黄土层和沉积岩层的含水量相对较少，对竖井工程基本不会产生影响，但砂层中的含水量
很高(与砂层临近的黄土层和沉积岩层的含水量也相对较高)，这是导致竖井工程无法施工
的最主要的原因。本发明针对这一情况，将冻结装置中外管结构进行了改进，增大了外管中
部的外径，使外管形成中部外径大、上部及下部外径小的结构，在具体应用时，使外管的中
部与砂层以及与砂层临近的部分黄土层、沉积岩层这些区域进行接触，因增大了外管的中
部的外径，因此，一方面，外管中部与该区域的接触面积相应增大，提高冻结效率，另一方
面，外管中部对应的管内空间也增大，因此上行的冻结液进入该部位后，停留时间相对较
长，也可以增强冻结效果，最终使含水量高的区域形成冻结砂。同时，通过外管上部、下部
(即外管外径小的部位)的保温层对黄土层、沉积岩层这些含水量少、不需要冻结的区域进
行冷源隔绝，以减少冷源损耗，提高冷源的有效利用率，最终达到缩短岩土冻结时间、提高
冻结效率的目的。

优选的，所述的外管的中部的截面面积S₁是外管的上部或者下部的截面面积S₂的
1.5～3倍，内管的截面面积为S₃。进一步优选的，S₁＝3S₃，S₂＝2S₃，通过本方案能够将岩土冻
结时间缩短至5～7天。

优选的，所述的保温层采用聚氨酯发泡材料或者岩棉等，对无需冻结的位置进行
保温，减少冷源能量的损耗。

本发明中内管下部与外管连通的流道可通过以下两种方案得到：

方案一：所述的内管的管壁上开有通孔，通孔即为所述的流道。

方案二：所述的内管的底部敞口，其高度高于外管底部；内管底部敞开的口即为所
述的流道。

优选的，所述的冻结液进液口、冻结液回液口分别通过管路与制冷器的进口、出口
连接，通过制冷器实现冻结液的循环应用。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

通过本发明能够对地下岩土进行差异冻结，通过增大外管中部的外径，能够增大
外管中部与砂层以及与砂层临近的部分黄土层、沉积岩层这些高含水量区域的接触面积，
提高了冻结效率，同时延长了冻结液在这些区域的停留时间，增强了冻结效果；本发明还通
过保温层对含水量小的无需冻结的区域进行冷源隔绝，避免了不必要的冷源损失，使冷源
的有效利用率得到提高。

附图说明

图1是本发明的应用结构示意图。

图中：1、冻结液进液口；2、内管；3、冻结液回液口；4、外管；5、保温层；6、黄土层；7、
冻结砂；8、砂层；9、沉积岩层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的竖井差异冻结装置，包括内管2和外管4，外管4套在内管
2外，增大外管4的中部的外径，使外管4的中部的外径大于其上部及下部的外径，在外管4的
上部、下部(即外管4外径小的部位)的外周包有保温层5，保温层5的外径与外管4中部(即外
管4外径小的部位)的外径相同；内管2的顶部具有冻结液进液口1，其底部敞口且高度高于
外管4底部，从而实现与外管4的连通；外管4的顶部、底部均封闭，其上部具有冻结液回液口
3，外管4各部分(包括外管4的上部、中部和下部，即外管4整体)的壁厚相同。本实施例中，外
管4的中部的截面面积为S₁，外管4的上部或者下部的截面面积为S₂，内管2的截面面积为S₃，
其中，S₁＝3S₃，S₂＝2S₃；保温层5采用聚氨酯发泡材料；冻结液进液口1、冻结液回液口3分别
通过管路与制冷器的进口、出口连接，通过制冷器实现冻结液的循环应用。

目前，地下岩土通常由上部的黄土层6、中部的砂层8和下部的沉积岩层9组成，具
体将本发明应用于竖井工程中时，需要使外管4的中部与砂层8以及与砂层8临近的部分黄
土层6、沉积岩层9这些含水量大的区域进行接触，并通过保温层5将外管4上部、下部(即外
管4外径小的部位)与黄土层6、沉积岩层9这些含水量少、不需要冻结的区域分隔开。这样，
一方面，对无需冻结的区域进行冷源隔绝，减少冷源损耗、提高冷源的有效利用率，另一方
面，增大了外管4中部与含水量大的区域的接触面积，并延长了上行冻结液进入该区域的停
留时间，从而提高了冻结效率，增强了冻结效果，能够使含水量高的区域在5～7天内形成冻
结砂7，大大缩短了地下岩土的冻结时间，保证了工程进度。