[發明專利]一種凍土邊界控制系統以及控制凍土邊界的方法

有效

• 申請號: 201210585199.X
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103132535A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 孟超;賈璟;王懷華;鄭小平;馬建華;劉偉東;張勇;陸路;岳豐田;石榮劍;王存舉;王星童;齊吉龍;李連華;林艷杰;董瑩;逯心杰
• 申請（專利權）人: 神華集團有限責任公司;神華寧夏煤業集團有限責任公司;中國礦業大學
• 主分類號: E02D19/14
• 分類號: E02D19/14
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司 11012
• 代理人: 王昭林

技術領域

本發明涉及一種凍土邊界控制系統以及控制凍土邊界的方法。

背景技術

在修建地下工程時，為順利通過不穩定含水土體，需要采用特殊的施工方法。比如，利用凍結法使土體中的水凍結，將松散含水巖土變成凍土，增強其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，在凍土的保護下進行地下工程掘砌作業。采用凍結法施工修建地下工程的技術適用性強，因此被廣泛應用于各種復雜地質和水文地質條件下的礦山井巷工程、地下鐵道、橋涵、港口和深基礎等其他地下工程。

傳統的用于凍結法施工的低溫鹽水循環系統包括氨循環裝置、低溫鹽水裝置、冷卻水裝置。凍結壁是由低溫鹽水裝置泵出的低溫鹽水在土體換熱的過程中，不斷吸收土體中的熱量，使土體逐漸冷卻、凍結而成。其中，所述低溫鹽水起傳遞冷量的作用，稱為冷媒劑，通常利用氨循環裝置中液氨氣化吸熱來補充低溫鹽水的冷量，因此，所述液態氨也稱為制冷劑。液氨氣化所吸收的熱量由冷卻水裝置提供的冷卻水帶走。整個低溫鹽水循環系統通過溫度監測系統來檢測土體中凍結壁的形成情況，以此調節系統的運行。

在采用普通法鑿井的過程中，當井深到達一定值時可能由于井內涌水而無法繼續施工，此時只得在已掘砌的井壁周圍鉆凍結孔使用凍結法鑿井施工。然而凍結法會帶來下述問題：由于低溫鹽水在凍結孔中與土體換熱，從凍結孔到井壁溫度會由低到高形成梯度，當凍土邊界（位于溫度梯度中的零度位置，即凍結壁的邊緣）接近井壁時，可能會產生較大的不均勻凍脹壓力，使得上部已掘砌的井壁開裂甚至壓碎破壞。

另外，采用一次凍全深的凍結方案施工時，如所需的凍結深度較大（一般大于600米），由于井壁掘進速度的限制，在凍結施工后期，凍土邊界向井壁的方向擴展，井壁的上部勢必會承受較大的凍脹壓力，也容易出現開裂甚至壓碎破壞。

目前，主要通過調整低溫鹽水循環系統的運行參數（比如，低溫鹽水的溫度、流量等）以保護井壁在凍結工程中不受凍脹破壞，然而為維護凍結壁的強度和厚度，仍需持續向土體中供應冷量，因此難以有效控制凍結壁的凍土邊界的位置并消除井壁處不均勻的凍脹壓力。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種凍土邊界控制系統以及控制凍土邊界的方法，從而在維護凍結壁設計厚度和強度的前提下，有效控制凍土邊界的發展，保護井壁安全。

為實現上述目的的第一個方面，本發明提供了一種凍土邊界控制系統，所述凍土邊界控制系統包括：低溫鹽水循環子系統、熱鹽水循環子系統和溫度監測子系統，

所述低溫鹽水循環子系統包括依次連接的冷卻水裝置、氨循環裝置和低溫鹽水裝置，其中，所述氨循環裝置包括依次連接形成回路的蒸發器、氨壓縮機、冷凝器和節流閥，所述氨循環裝置通過冷凝器與冷卻水裝置換熱，所述氨循環裝置通過蒸發器與低溫鹽水裝置換熱，所述低溫鹽水裝置包括凍結器，所述凍結器用于設置在井壁外圍的土體中并在井壁外圍形成凍結壁，

所述熱鹽水循環子系統包括熱鹽水循環器，所述熱鹽水循環器用于設置在凍結器與井壁之間的土體內。

根據本發明的凍土邊界控制系統，優選地，所述熱鹽水循環子系統還包括熱鹽水箱、連接所述熱鹽水循環器與熱鹽水箱以形成回路的熱鹽水去路和熱鹽水回路，所述熱鹽水去路上設有熱鹽水循環泵，所述熱鹽水箱上設有提供熱量的加熱器。

根據本發明的凍土邊界控制系統，優選地，所述熱鹽水循環器包括熱鹽水套管、熱鹽水回液管和熱鹽水供液管，所述熱鹽水回液管的一端連接至套管開口處，所述熱鹽水回液管的另一端連接至熱鹽水回路；所述熱鹽水供液管的一端伸入所述熱鹽水套管內，所述熱鹽水供液管的另一端連接至熱鹽水去路。

根據本發明的凍土邊界控制系統，優選地，所述低溫鹽水裝置包括依次連接形成回路的低溫鹽水箱、低溫鹽水泵、低溫鹽水去路、凍結器和低溫鹽水回路；所述凍結器與所述熱鹽水循環器結構相同；所述蒸發器設置在所述低溫鹽水箱內。

根據本發明的凍土邊界控制系統，優選地，所述冷卻水裝置包括冷卻水池、冷卻水泵和冷卻水塔，所述冷卻水泵與所述冷卻水池底部連接，所述冷卻塔設置在冷卻水池上方；所述冷凝器分別連接冷卻水泵和冷卻水塔，利用冷卻水冷卻來自壓縮機的過熱氨蒸氣。

根據本發明的凍土邊界控制系統，優選地，在所述井壁外側且與所述井壁同心的圓周上鉆有預定數量的凍結孔，所述凍結器用于設置在所述凍結孔中；在位于井壁與凍結壁之間且與所述井壁同心的圓周上鉆有預定數量的熱鹽水循環孔，所述熱鹽水循環器用于設置在所述熱鹽水循環孔中。