本發(fā)明涉及一種豎井差異凍結(jié)裝置，屬于地下工程施工輔助裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

凍結(jié)法常用于豎井工程，它是一種用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的松散含水巖土中的水凍結(jié)為冰并與巖土膠結(jié)在一起，變成凍土，用以抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土的保護(hù)下，進(jìn)行地下工程施工。但在將凍結(jié)法應(yīng)用到豎井工程中對巖土進(jìn)行凍結(jié)時，通常需要50～60天，巖土的凍結(jié)周期很長，從一定程度上影響了工程進(jìn)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠提高冷源的有效利用率、縮短巖土凍結(jié)時間、提高凍結(jié)效率的豎井差異凍結(jié)裝置。

本發(fā)明所述的豎井差異凍結(jié)裝置，包括內(nèi)管和外管，外管套在內(nèi)管外，增大外管的中部的外徑，使外管的中部的外徑大于其上部及下部的外徑，在外管的上部、下部(即外管外徑小的部位)的外周包有保溫層，保溫層的外徑與外管中部(即外管外徑小的部位)的外徑相同；內(nèi)管的頂部具有凍結(jié)液進(jìn)液口，在內(nèi)管的下部具有與外管連通的流道；外管的頂部、底部均封閉，其上部具有凍結(jié)液回液口。其中，外管整體的壁厚相同。

本發(fā)明根據(jù)目前地下巖土的組成將傳統(tǒng)凍結(jié)裝置中的外管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，對地下巖土進(jìn)行差異凍結(jié)，總的來說，就是在地下含水量大的區(qū)域，增強(qiáng)凍結(jié)效果，對含水量小的區(qū)域，進(jìn)行局部凍結(jié)，對剩余無需凍結(jié)處隔絕冷源，從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，同時縮短了地下巖土的凍結(jié)時間，提高了凍結(jié)效率。下面結(jié)合地下巖土的組成對本發(fā)明進(jìn)行細(xì)致闡述：

目前，地下巖土通常由上部的黃土層、中部的砂層和下部的沉積巖層組成，其中，黃土層和沉積巖層的含水量相對較少，對豎井工程基本不會產(chǎn)生影響，但砂層中的含水量很高(與砂層臨近的黃土層和沉積巖層的含水量也相對較高)，這是導(dǎo)致豎井工程無法施工的最主要的原因。本發(fā)明針對這一情況，將凍結(jié)裝置中外管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增大了外管中部的外徑，使外管形成中部外徑大、上部及下部外徑小的結(jié)構(gòu)，在具體應(yīng)用時，使外管的中部與砂層以及與砂層臨近的部分黃土層、沉積巖層這些區(qū)域進(jìn)行接觸，因增大了外管的中部的外徑，因此，一方面，外管中部與該區(qū)域的接觸面積相應(yīng)增大，提高凍結(jié)效率，另一方面，外管中部對應(yīng)的管內(nèi)空間也增大，因此上行的凍結(jié)液進(jìn)入該部位后，停留時間相對較長，也可以增強(qiáng)凍結(jié)效果，最終使含水量高的區(qū)域形成凍結(jié)砂。同時，通過外管上部、下部(即外管外徑小的部位)的保溫層對黃土層、沉積巖層這些含水量少、不需要凍結(jié)的區(qū)域進(jìn)行冷源隔絕，以減少冷源損耗，提高冷源的有效利用率，最終達(dá)到縮短巖土凍結(jié)時間、提高凍結(jié)效率的目的。

優(yōu)選的，所述的外管的中部的截面面積S₁是外管的上部或者下部的截面面積S₂的1.5～3倍，內(nèi)管的截面面積為S₃。進(jìn)一步優(yōu)選的，S₁＝3S₃，S₂＝2S₃，通過本方案能夠?qū)r土凍結(jié)時間縮短至5～7天。

優(yōu)選的，所述的保溫層采用聚氨酯發(fā)泡材料或者巖棉等，對無需凍結(jié)的位置進(jìn)行保溫，減少冷源能量的損耗。

本發(fā)明中內(nèi)管下部與外管連通的流道可通過以下兩種方案得到：

方案一：所述的內(nèi)管的管壁上開有通孔，通孔即為所述的流道。

方案二：所述的內(nèi)管的底部敞口，其高度高于外管底部；內(nèi)管底部敞開的口即為所述的流道。

優(yōu)選的，所述的凍結(jié)液進(jìn)液口、凍結(jié)液回液口分別通過管路與制冷器的進(jìn)口、出口連接，通過制冷器實(shí)現(xiàn)凍結(jié)液的循環(huán)應(yīng)用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是：

通過本發(fā)明能夠?qū)Φ叵聨r土進(jìn)行差異凍結(jié)，通過增大外管中部的外徑，能夠增大外管中部與砂層以及與砂層臨近的部分黃土層、沉積巖層這些高含水量區(qū)域的接觸面積，提高了凍結(jié)效率，同時延長了凍結(jié)液在這些區(qū)域的停留時間，增強(qiáng)了凍結(jié)效果；本發(fā)明還通過保溫層對含水量小的無需凍結(jié)的區(qū)域進(jìn)行冷源隔絕，避免了不必要的冷源損失，使冷源的有效利用率得到提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、凍結(jié)液進(jìn)液口；2、內(nèi)管；3、凍結(jié)液回液口；4、外管；5、保溫層；6、黃土層；7、凍結(jié)砂；8、砂層；9、沉積巖層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步描述：

如圖1所示，本發(fā)明所述的豎井差異凍結(jié)裝置，包括內(nèi)管2和外管4，外管4套在內(nèi)管2外，增大外管4的中部的外徑，使外管4的中部的外徑大于其上部及下部的外徑，在外管4的上部、下部(即外管4外徑小的部位)的外周包有保溫層5，保溫層5的外徑與外管4中部(即外管4外徑小的部位)的外徑相同；內(nèi)管2的頂部具有凍結(jié)液進(jìn)液口1，其底部敞口且高度高于外管4底部，從而實(shí)現(xiàn)與外管4的連通；外管4的頂部、底部均封閉，其上部具有凍結(jié)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整體)的壁厚相同。本實(shí)施例中，外管4的中部的截面面積為S₁，外管4的上部或者下部的截面面積為S₂，內(nèi)管2的截面面積為S₃，其中，S₁＝3S₃，S₂＝2S₃；保溫層5采用聚氨酯發(fā)泡材料；凍結(jié)液進(jìn)液口1、凍結(jié)液回液口3分別通過管路與制冷器的進(jìn)口、出口連接，通過制冷器實(shí)現(xiàn)凍結(jié)液的循環(huán)應(yīng)用。

目前，地下巖土通常由上部的黃土層6、中部的砂層8和下部的沉積巖層9組成，具體將本發(fā)明應(yīng)用于豎井工程中時，需要使外管4的中部與砂層8以及與砂層8臨近的部分黃土層6、沉積巖層9這些含水量大的區(qū)域進(jìn)行接觸，并通過保溫層5將外管4上部、下部(即外管4外徑小的部位)與黃土層6、沉積巖層9這些含水量少、不需要凍結(jié)的區(qū)域分隔開。這樣，一方面，對無需凍結(jié)的區(qū)域進(jìn)行冷源隔絕，減少冷源損耗、提高冷源的有效利用率，另一方面，增大了外管4中部與含水量大的區(qū)域的接觸面積，并延長了上行凍結(jié)液進(jìn)入該區(qū)域的停留時間，從而提高了凍結(jié)效率，增強(qiáng)了凍結(jié)效果，能夠使含水量高的區(qū)域在5～7天內(nèi)形成凍結(jié)砂7，大大縮短了地下巖土的凍結(jié)時間，保證了工程進(jìn)度。