利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法与流程

本发明涉及地层冻结技术领域，特指一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法。

背景技术：

人工地层冻结法(以下简称“冻结法”)是指利用人工制冷技术使天然土体变成人工冻土，从而改良土体性质以便于后续地下工程施工的一种特殊土木工程施工方法。

目前，在已有的冻结法中，盐水冻结是最为常见也是应用最广的冻结方法，其次是液氮冻结。其中，盐水冻结通常做法是：利用压缩机降低一次冷媒温度后再降低二次冷媒(氯化钙盐水)温度，然后通过低温盐水在打入土体的冻结管中不断循环来降低土体温度，从而逐渐形成冻土。这种方法在土体降至冰点以前效率较高，但随着土体温度进一步下降，盐水冻结效率降低，常常存在后期盐水温度降不下去的情况，因此总的冻结周期较长，总费用也较高。液氮冻结工序相对简单，只需将液氮通入冻结管中即可。这种方法每次冻结地层都要倒入新的液氮，由于液氮无法重复使用，使得施工费用昂贵，通常在工程抢险时使用该方法。总体来说，盐水冻结和液氮冻结都各自存在一定问题，前者费用低但效率也低，后者效率高但费用也高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法，以实现相同费用下更高效的冻结。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法，包括如下步骤：

提供冻结管，将所述冻结管打入地层中需冻结施工的区域内；

提供液态二氧化碳供给装置，将所述液态二氧化碳供给装置与所有的冻结管连通并形成第一循环回路，通过所述液态二氧化碳供给装置向所述冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用所述冻结管内的液态二氧化碳对所述冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。

本发明通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，以实现相同费用下更高效的冻结。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，提供液态二氧化碳供给装置的步骤包括：

提供第一循环管路，将所述第一循环管路与所有的冻结管连通并形成所述第一循环回路；

向所述第一循环回路内充入设定量的液态二氧化碳；

提供二氧化碳泵，将所述二氧化碳泵安装于所述第一循环管路上，并通过所述二氧化碳泵使得所述第一循环回路内的液态二氧化碳进行循环运动；

提供液化机构，将所述液化机构安装于所述第一循环管路上，利用所述液化机构将所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，提供液化机构的步骤包括：

提供第二循环管路，所提供的第二循环管路的内部形成有第二循环回路，将所述第二循环管路与所述第一循环管路部分相贴；

向所述第二循环管路内充入制冷剂，让所述制冷剂在所述第二循环管路内部形成的第二循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述制冷剂对所述第一循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，提供液化机构的步骤还包括：

提供节流阀，将所述节流阀安装于所述第二循环管路上。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，所提供的制冷剂为氨。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，还包括：

提供冷凝机构，将所述冷凝机构安装于所述第二循环管路上，利用所述冷凝机构对所述液化机构进行降温。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，提供液化机构的步骤还包括：

提供压缩机，将所述压缩机安装于所述第二循环管路上，利用所述压缩机对所述制冷剂进行加压。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，提供冷凝机构的步骤包括：

提供第三循环管路，所提供的第三循环管路的内部形成有第三循环回路，将所述第三循环管路与所述第二循环管路部分相贴，并使所述第二循环管路与所述第三循环管路相贴的部分和所述第二循环管路与所述第一循环管路相贴的部分不一致；

向所述第三循环管路内充入冷却水，让所述冷却水在所述第三循环管路内部形成的第三循环回路中进行循环运动，进而循环利用所述冷却水对所述第二循环管路进行降温以使得所述第一循环管路中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳；

提供冷却塔，将所述冷却塔安装于所述第三循环管路上，利用所述冷却塔将从所述冷却水吸收的热量传递到外界空气。

本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法的进一步改进在于，还包括：

提供冷却水泵，将所述冷却水泵安装于所述第三循环管路上，通过所述冷却水泵使得所述第三循环回路内的所述冷却水进行循环运动。

附图说明

图1为本发明液态二氧化碳地层冻结方法的流程图。

图2为本发明液态二氧化碳地层冻结方法的施工状态图。

图中：冻结管-1，第一循环管路-21，二氧化碳泵-22，液化机构-23，第二循环管路-231，压缩机-232，节流阀-233，冷凝机构-3，第三循环管路-31，冷却塔-32，冷却水泵-33。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法，用于冻结地层。本发明通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，以实现相同费用下更高效的冻结。

下面结合附图对本发明利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法进行说明。

参见图1和图2，在本实施例中，一种利用低温二氧化碳循环制冷的人工地层冻结方法，包括如下步骤：

提供冻结管1，将冻结管1打入地层中需冻结施工的区域内。

提供液态二氧化碳供给装置，将液态二氧化碳供给装置与所有的冻结管1连通并形成第一循环回路，通过液态二氧化碳供给装置向冻结管1内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管1内的液态二氧化碳对冻结管1周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工。

在本实施例中冻结方法通过液态二氧化碳供给装置向冻结管1内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管1内的液态二氧化碳对冻结管1周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管1及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，以实现相同费用下更高效的冻结。

参见图2，在本实施例中，提供液态二氧化碳供给装置的步骤包括：

提供第一循环管路21，将第一循环管路21与所有的冻结管1连通并形成第一循环回路。

向第一循环回路内充入设定量的液态二氧化碳。

提供二氧化碳泵22，将二氧化碳泵22安装于第一循环管路21上，并通过二氧化碳泵22使得第一循环回路内的液态二氧化碳进行循环运动。

提供液化机构23，将液化机构23安装于第一循环管路21上，利用液化机构23将第一循环管路21中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

参见图2，进一步的，提供液化机构23的步骤还包括：

提供压缩机232，将压缩机232安装于第二循环管路231上，利用压缩机232对制冷剂进行加压。

参见图2，更进一步的，提供液化机构23的步骤还包括：

提供节流阀233，将节流阀233安装于第二循环管路231上，以控制制冷剂的流量。

参见图2，进一步的，提供冷凝机构3的步骤包括：

提供第三循环管路31，所提供的第三循环管路31的内部形成有第三循环回路，将第三循环管路31与第二循环管路231部分相贴，并使第二循环管路231与第三循环管路31相贴的部分和第二循环管路231与第一循环管路21相贴的部分不一致。

向第三循环管路31内充入冷却水，让冷却水在第三循环管路31内部形成的第三循环回路中进行循环运动，进而循环利用冷却水对第二循环管路231进行降温以使得第一循环管路21中呈气态的二氧化碳转化为呈液态的二氧化碳。

提供冷却塔32，将冷却塔32安装于第三循环管路31上，利用冷却塔32将从冷却水吸收的热量传递到外界空气。

本实施例中，所提供的制冷剂为氨。但本申请所采用的制冷剂不限于氨，还包括氟利昂等其他制冷剂的循环制冷方法。以氨循环为例，液态氨吸热蒸发变为低温低压的饱和蒸气氨，低温低压的蒸气氨再被压缩机232压缩成高温高压的蒸气氨后再进入冷凝机构3冷却，冷却后的高压液氨经过节流阀233降压后重新变成液态氨再与第一循环管路21内的二氧化碳进行热量交换，从而形成氨循环系统。氨循环系统将液态氨吸收的热量传递给冷却水。

参见图2，在本实施例中，冻结方法还包括：

提供冷凝机构，将冷凝机构3安装于第二循环管路231上，利用冷凝机构3对液化机构23进行降温。

较佳地，利用压缩机232对呈气态状的制冷剂进行加压，加压后的第二循环管路231内呈气态状的制冷剂与第三循环管路31内的冷却水发生热量交换，使呈气态状的制冷剂液化为呈液态状的制冷剂，从而能够循环利用制冷剂使呈气态状的二氧化碳液化为呈液态状的二氧化碳。

参见图2，更进一步的，冻结方法还包括：

提供冷却水泵33，将冷却水泵33安装于第三循环管路31上，通过冷却水泵33使得第三循环回路内的冷却水进行循环运动。

较佳地，通过顶管法、夯管法或定向钻法将将冻结管1竖直地打入地层内。

冻结方法还包括：提供隔热盒，将所述隔热盒套设安装于第二循环管路231与第三循环管路31相贴的部分以及第二循环管路231与第一循环管路21相贴的部分上，以隔绝第一循环管路21、第二循环管路231以及第三循环管路31与外界空气之间的热量交换。

参见图2，在本实施例中，所提供的第一循环管路21具有若干对进入端和排出端，冻结方法还包括：

使进入端伸入对应的冻结管1的底部，并使排出端密封连接于对应的冻结管1的顶部，进入端流出的呈液态状的二氧化碳不断进入冻结管1的管底，随着新的二氧化碳不断压入，之前流入二氧化碳不断上升并与周围的土体发生热量交换，在上升至冻结管1的顶部时经排出端再流入第一循环管路21中。

在本实施例中，第一循环管路中呈液态状的二氧化碳经由二氧化碳泵22流入冻结管1，吸收周边地层热量，其中部分呈液态状的二氧化碳汽化为呈气态的二氧化碳，经冻结管1流出地面的二氧化碳为气液混合物，该混合物流经液化机构3使得呈气态的二氧化碳液化为呈液态状的二氧化碳，使得第一循环管路内二氧化碳转化为液态后再流入冻结管1，这样就形成二氧化碳循环系统。二氧化碳循环系统将地层中的热量传递给液化机构3中第二循环管路内的制冷剂。第二循环管路内呈液态状的制冷剂吸热蒸发变为低温低压的饱和蒸气制冷剂，低温低压的蒸气制冷剂再被压缩机32压缩成高温高压的蒸气制冷剂后再进入冷凝机构4冷却，冷却后的高压液制冷剂经过节流阀34降压后重新变成呈液态状的制冷剂与第一循环管路21内的二氧化碳进行热量交换，从而形成制冷剂循环系统。制冷剂循环系统将呈液态状的制冷剂吸收的热量传递给冷凝机构4中的冷却水。第三循环管路内的低温冷却水从第二循环管路内的制冷剂吸收热量变为高温冷却水，再经冷却塔42降温后重新形成低温冷却水，而后经冷却水泵44后再与第二循环管路内的制冷剂行热量交换，形成冷却水循环。冷却水循环将从制冷剂中吸收的热量传递到外界空气。最终，通过二氧化碳循环、制冷剂循环以及冷却水循环这三大循环，将地层的热量和压缩机32产生的热量传递到外界空气，实现地层的降温，把冻结管1周围的土体变成了冻土。

二氧化碳温度降至设计温度(-38℃至-45℃)后进入维护冻结阶段，达到既定条件后进行冻结暗挖(含盾构进出洞)、结构施作等。结构施作完毕并达到一定强度后停止冻结，进行冻结孔封孔，并注意根据沉降监测进行融沉注浆。

在一种具体实施方式中，具体的施工方法如下：

第一步、施工准备：

1)施工人员、设备材料进场；

2)施工用水、用电、排污接入相应线路或管路；

3)施工作业面搭建，冻结站场地围挡；

4)移交施工坐标点；

第二步、冻结管1施工：

1)冻结孔测量放样；

2)冻结孔开孔，包括固定定开孔钻机并开孔、钻孔中安装孔口管(安装时在鱼鳞扣外面缠绕麻丝)、安装控制阀门；若出现渗水，用针眼法注聚氨酯封堵；

3)冻结孔顶管法施工，包括冻结孔、测温孔、泄压孔等。顶管时，顶杆与冻结管1头部的导向头相连，顶管机活塞与顶杆尾端相连，启动液压泵，液压缸的活塞伸长对顶杆施加推力，顶杆将推力传递到冻结管1头部导向头，从而带动整根冻结管1进入地层；

4)顶进达到设计深度后移走顶管机，拉出顶杆。然后复测冻结管1深度，进行冻结管1试漏；

5)通过孔口管旁通进行压浆封水，注浆液采用水泥-水玻璃；

6)冻结管1内下入二氧化碳供液管。记录每节供液管长度，核对下入供液管长度与冻结管1长度是否一致；

7)用同样的方法安装测温管和泄压管。在含水砂层中，泄压管内密实填充三七灰土后再夯入地层。泄压管夯进到设计深度后在孔口管安装水压表和阀门，然后在管内冲水确保泄压孔畅通。

第三步、冻结系统安装：

1)低温二氧化碳冻结设备安装，包括设备基础放样→锚固地脚螺栓→设备就位、调平、固定→敷设电缆→安装电控系统→制冷系统试运转→低温容器及管路保温；

2)冻结站管路安装，包括主管路放样→安装管架→安装主管路→安装支管路→安装压力、温度测点→管路吹扫与试漏→管路刷漆→二氧化碳干管保温；

3)冻结器连接，包括安装和连接冻结器头部、冷排管和集配液管→冻结器头部、连接胶管和集配液管保温。

第四步、积极冻结

1)检查确认电路系统、冷却水循环系统、二氧化碳循环系统、氨循环系统等正常后开机试运转，逐步调节能量、压力温度和电机负荷等状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行；

2)试运转正常后进行积极冻结，根据冷却水温度和液态二氧化碳温度，调节制冷系统相关参数，确保制冷的高效率；

3)冻结开始后，定期检查冻结器结霜和监测回液温度，发现结霜或回液温度不均等情况要及时采取调节控制阀等措施；

4)根据测温孔温度和泄压孔压力监测结果，分析冻结壁形成和发展情况；

5)每日监测冻胀变形，每隔两小时检查记录冻结系统运行参数，有问题及时分析、处理。

第五步，维护冻结

1)根据温度监测数据，分析冻结壁厚度和平均温度等达到条件后进行开挖和永久结构施工；

2)维护冻结过程中，与积极冻结时一样进行冻结施工监测，确保冻结系统运转正常。同时监测冻结壁温度、开挖面冻土表面温度以及冻结壁表面位移情况；

3)开挖过程中不得损坏周边的保温层，切忌超挖引起冻结管1泄露。

第六步，停冻和收尾

1)浇筑完永久结构后即可停止冻结；

2)停止冻结后5天内完成冻结孔封堵，先割除孔口管，然后用压缩空气吹干管内残留物，填充水泥砂浆或混凝土；

3)根据要求采用强制解冻或自然解冻。强制解冻要求主体结构混凝土达到设计强度的75％以上后进行；

4)融沉注浆在自然解冻期间进行，根据实测情况调整注浆参数。

第七步，安全措施

由于低温液态二氧化碳的超低温以及气态二氧化碳的窒息特性，需要采取以下技术和制度措施来保证人员安全：

1)操作人员防护，包括防冻保护服装、严谨徒手接触液态二氧化碳储罐等低温部件、佩戴防喷护目镜等；

2)现场配备呼吸自救专业器材，场地上悬挂相关警示牌、操作规程，现场设备管理和操作要符合压力容器和压力管道的技术要求；

3)现场配备氧气浓度监测系统、局部通风机等应急设施，定期开展应急救援演练。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过液态二氧化碳供给装置向冻结管内持续的送入液态二氧化碳，利用冻结管内的液态二氧化碳对冻结管周围的土体进行冻结以完成地层中对应区域的冻结施工，以达到较佳的冻结效果，二氧化碳的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，本申请利用二氧化碳对地层进行制冷的温度可达-45℃，远低于常规盐水冻结温度的-30℃，制冷效果更好，而且液态二氧化碳的流量仅为常规冻结盐水的1/10左右，其循环所需的能耗较低，系统整体的耗电预估为常规盐水冻结的60％，降低了施工成本，液态二氧化碳的流量小，且粘度低，相应的冻结设备、冻结管及各管线的尺寸可以做到更小，不仅节省了材料，而且使设备的布置更加灵活方便，相较于液氮无法重复使用，本申请能够循环利用二氧化碳更加经济和实用，以实现相同费用下更高效的冻结。