本發(fā)明涉及一種豎井差異凍結裝置，屬于地下工程施工輔助裝置領域。

背景技術：

凍結法常用于豎井工程，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為冰并與巖土膠結在一起，變成凍土，用以抵抗土壓力，隔絕地下水，并在凍土的保護下，進行地下工程施工。但在將凍結法應用到豎井工程中對巖土進行凍結時，通常需要50～60天，巖土的凍結周期很長，從一定程度上影響了工程進度。

技術實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明所述的豎井差異凍結裝置，包括內管和外管，外管套在內管外，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；內管的頂部具有凍結液進液口，在內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)凍結裝置中的外管結構進行了改進，對地下巖土進行差異凍結，總的來說，就是在地下含水量大的區(qū)域，增強凍結效果，對含水量小的區(qū)域，進行局部凍結，對剩余無需凍結處隔絕冷源，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時間，提高了凍結效率。下面結合地下巖土的組成對本發(fā)明進行細致闡述：

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，將凍結裝置中外管結構進行了改進，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構，在具體應用時，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)域的接觸面積相應增大，提高凍結效率，另一方面，外管中部對應的管內空間也增大，因此上行的凍結液進入該部位后，停留時間相對較長，也可以增強凍結效果，最終使含水量高的區(qū)域形成凍結砂。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、不需要凍結的區(qū)域進行冷源隔絕，以減少冷源損耗，提高冷源的有效利用率，最終達到縮短巖土凍結時間、提高凍結效率的目的。

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，內管的截面面積為S₃。進一步優(yōu)選的，S₁＝3S₃，S₂＝2S₃，通過本方案能夠將巖土凍結時間縮短至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，對無需凍結的位置進行保溫，減少冷源能量的損耗。

本發(fā)明中內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：所述的內管的底部敞口，其高度高于外管底部；內管底部敞開的口即為所述的流道。

優(yōu)選的，所述的凍結液進液口、凍結液回液口分別通過管路與制冷器的進口、出口連接，通過制冷器實現(xiàn)凍結液的循環(huán)應用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的有益效果是：

通過本發(fā)明能夠對地下巖土進行差異凍結，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，提高了凍結效率，同時延長了凍結液在這些區(qū)域的停留時間，增強了凍結效果；本發(fā)明還通過保溫層對含水量小的無需凍結的區(qū)域進行冷源隔絕，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)明的應用結構示意圖。

圖中：1、凍結液進液口；2、內管；3、凍結液回液口；4、外管；5、保溫層；6、黃土層；7、凍結砂；8、砂層；9、沉積巖層。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步描述：

如圖1所示，本發(fā)明所述的豎井差異凍結裝置，包括內管2和外管4，外管4套在內管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；內管2的頂部具有凍結液進液口1，其底部敞口且高度高于外管4底部，從而實現(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；凍結液進液口1、凍結液回液口3分別通過管路與制冷器的進口、出口連接，通過制冷器實現(xiàn)凍結液的循環(huán)應用。

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、不需要凍結的區(qū)域分隔開。這樣，一方面，對無需凍結的區(qū)域進行冷源隔絕，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，并延長了上行凍結液進入該區(qū)域的停留時間，從而提高了凍結效率，增強了凍結效果，能夠使含水量高的區(qū)域在5～7天內形成凍結砂7，大大縮短了地下巖土的凍結時間，保證了工程進度。