阅读说明：本技术 一种精准地层冻结器及其运行方法 (Precise stratum freezer and operation method thereof ) 是由 安建永 周晓敏 雷海波 吴涛 李研科 徐衍 常瑞成 陈杰 杨晓东 杨喜 陈鹏飞 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种精准地层冻结器及其运行方法,所述精准地层冻结器包括冻结器头部、冻结器外管、冻结器内全长测温的供液软管及其与配液干管和集液干管连接的管路,所述冻结器头部设置有供液端口、回液端口,其通过高压胶管、阀门和流量计分别连接于配液干管和集液干管；所述冻结器的内部设置有供液软管,其贯穿所述冻结器外管的全长延伸设置；所述供液软管的管壁厚度范围内嵌设有测温组件。所述供液软管的管壁厚度范围内沿着纵向全长嵌设测温组件,所述测温组件包括测温单根双芯线缆和片式测温传感器,可实时测量冻结外管长度范围内的温度变化,高压胶管、控制阀门、流量计作为精准冻结器的一部分,调控流量和制冷量,促进地层冻结工程技术发展。(The invention discloses a precise stratum freezer and an operation method thereof, wherein the precise stratum freezer comprises a freezer head, a freezer outer pipe, a liquid supply hose for measuring the temperature of the whole length in the freezer and a pipeline connected with a liquid distribution main pipe and a liquid collection main pipe, wherein the freezer head is provided with a liquid supply port and a liquid return port which are respectively connected with the liquid distribution main pipe and the liquid collection main pipe through a high-pressure rubber pipe, a valve and a flowmeter; a liquid supply hose is arranged in the freezer and extends through the whole length of the outer tube of the freezer; the pipe wall thickness scope of the liquid supply hose is embedded with a temperature measurement component. The temperature measuring assembly is embedded in the wall thickness range of the liquid supply hose along the longitudinal full length and comprises a single temperature measuring double-core cable and a sheet type temperature measuring sensor, temperature change in the length range of the freezing outer pipe can be measured in real time, the high-pressure rubber pipe, the control valve and the flow meter are used as a part of the precise freezer, flow and refrigerating capacity are regulated and controlled, and development of stratum freezing engineering technology is promoted.)

一种精准地层冻结器及其运行方法

技术领域

本发明属于地层冻结技术领域，尤其涉及一种精准地层冻结器及其运行方法。

背景技术

目前现行的人工地层冻结法施工中，冻结温度场和冻结壁发展的监控主要通过在地层中设置测温孔中的温度检测来实现，在测温孔内布设测温传感器，通过几个测温孔获得的温度数据来判断全场的温度情况，推算冻结壁发展。因此，通过有限个测温孔输出数据，难免有“一孔之见”的弊端，不能反映整体的地层冻结情况。

此外，测温孔内传感器设置点位固定，由其监测温度场状态难以纵观全局；纵向测温方法需要停止冻结一段时间后依次测量各冻结器内盐水温度，操作过程繁琐，工人劳动量大。

冻结器是与地层冻结热交换的关键部件，冻结器容易发生短路、断路等不正常情况，也时常受到地下快速水流的干扰等等。因此需要实时地监控各个冻结器在运行过程的全长温度分布情况，克服“一孔之见”导致的地层冻结温度场监测盲点，提高地层冻结技术的可靠性。

另一种冻结器测温方法是冻结器内纵向测温，即通过在冻结器内下放单点温度传感器来进行人工测量管内盐水温度。但测温线缆通常为人工现场制作，由于手工制作质量的随机性，难以保证整根测温线缆采集温度信号的完整性。

因此，亟需设计一种精准地层冻结器及其运行方法，解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的是至少一定程度上解决现有技术中存在的部分技术问题，提供的一种精准地层冻结器及其运行方法，应用于地铁隧道、竖井地层冻结等土木工程的监控，其结构合理，使用稳定，实现冻结器实时、全长温度测试，精确控制冻结器的供冷量，达到整体上控制冻结工程运行的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种精准地层冻结器，其包括冻结器头部、冻结器外管、冻结器内全长测温的供液软管及其与配液干管和集液干管连接的管路，所述冻结器头部设置有供液端口、回液端口，其通过高压胶管、阀门和流量计分别连接于配液干管和集液干管；所述冻结器的内部设置有供液软管，其贯穿所述冻结器外管的全长延伸设置；所述供液软管的管壁厚度范围内嵌设有测温组件。

作为优选实施例，所述测温组件是基于一线总线多点进行测温，其由双芯测温线缆和全长间隔分布的片式DS18B20测温传感器组成，所述测温传感器沿所述测温线缆引出冻结器头部后，通过采集器，以有线或无线方式传递冻结外管长度范围内的温度变化数字信号。

作为优选实施例，所述配液干管与冻结器头部的供液端口之间的高压胶管上设置流量计和配液控制阀。

作为优选实施例，所述测温传感器为片式数字测温传感器，相邻测温传感器的间距不小于200mm。

作为优选实施例，所述供液软管为低温PVC软管，供液软管挤出成型时，所述测温组件镶嵌于管壁的内侧。

作为优选实施例，冻结器头部与配液干管之间的流量计为便于工程巡检、可拆卸式或即时可插入的流量计。

作为优选实施例，所述集液干管与冻结器头部的回液端口之间的高压胶管上设置集液控制阀，其为手动控制或电动控制。

并且，本发明还公开了一种精准地层冻结器的运行方法，使用上面所述的精准地层冻结器进行间断测试。

作为优选实施例，间断测试的参数包括间断测试次数、测试时间点、间断延时长度和间断测试过程数。间断测试次数是指冻结壁交圈前后，总的测试次数，一般情况是交圈前2次，交圈后1次，实际工程中可以视情况和目的插入更多次；测试时间点是根据施工计划安排和具体工程情况，确定的间断测试的具体时间点，比如过程中的某月某日某时刻；间断延时长度是指一次间断测试的经历的时间长度，从完全关闭干管到冻结器头部的去回路阀门开始，到打开阀门恢复至所需供冷的流量；间断测试过程数是指冻结器停止供开始需要重点输出和分析的温度序列的次数或时刻点，或间隔时间。

作为优选实施例，间断测试包括以下步骤：

S1，安装精准地层冻结器并根据施工现场条件确定积极冻结时间及间断试验参数；

S2，开始积极冻结，定时进行精准地层冻结器的流量和纵向温度观测；

S3，按计划进行第一次间断测试，根据测试数据分析冻结壁发展情况，预估冻结壁发展速度及冻结壁形成时间；

S4，按计划进行第二次间断测试，根据测试数据复核冻结壁厚度，预测积极冻结的完成时间，确定维护冻结开始日期；

S5，维护冻结初期进行第三次间断测试，复核冻结壁外侧发展速度、流量和冷量的关系，精确调整维护冻结工况。

本发明有益效果：

本发明提供的一种精准地层冻结器及其运行方法，应用于地铁隧道、竖井地层冻结等土木工程的监控，其结构合理，使用稳定，实现冻结器实时、全长温度测试，精确控制冻结器的供冷量，达到整体上控制冻结工程运行的目的。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1是本发明所述一种冻结器与干管、胶管、阀门、流量计连接的结构示意图；

图2是本发明所述冻结器的纵向全长内外部结构示意图；

图3是本发明所述冻结器内的带测温芯线的供液软管横截面结构图；

图4是本发明所述测温组件的芯线与片式传感器的连接线示意图；

图5是本发明所述冻结器头部测温线外出端密封组件的结构示意图；

图6是本发明实施例冻结器内的带测温芯线的供液软管横截面结构图；

图7是本发明所述精准地层冻结器运行的流程图；

图8是本发明所述精准地层冻结器运行的一个实施例的流程图。

具体实施方式

图1至图8是本申请所述一种精准地层冻结器及其运行方法的相关示意图，下面结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

本发明所述一种精准地层冻结器与集液干管、配液干管连接的结构示意图，其结构示意图，如图1所示，其包括冻结外管1、配液干管2和集液干管3，所述配液干管2通过控制阀门7、高压胶管9、流量计6连接于冻结器头部的供液端口1a，所述集液干管3通过控制阀门7、高压胶管9连接于冻结器头部的回液端口1b。图1中圈出的为冻结器头部。本发明中，配液干管2和集液干管3内的流体为低温氯化钙盐水，以便进行-15至-35℃的低温盐水与地层进行热交换。

进一步地，所述冻结外管1的内部设置有供液软管4，其由PVC制成且贯穿冻结外管1的长度方向延伸设置；所述供液软管4的管壁厚度范围内嵌设有测温组件5，所述测温组件5包括测温线缆5a和测温传感器5b，所述测温传感器5b沿所述测温线缆5a间隔设置以测量冻结外管1长度范围内的温度变化。这样，设置于供液软管4内壁的测温组件5在冻结外管1的长度内设置，实现了冻结外管全长温度实时测试，解决了传统的“一孔之见”导致的地层冻结温度场监测盲点的问题，实现了整体上监测地层温度。

作为本发明的一个实施例，所述配液干管2与冻结外管1的供液端口之间的管路设置有流量计6和配液控制阀7a，如图1所示。流量计6用于监测进入冻结外管1内部的低温盐水的流量，以便获知冻结外管1获取的冷量。若冻结外管1获得的能力不满足施工要求，则可通过配液控制阀7a灵活调节冷量的输入。

在图1所示的实施例中，所述回液端口1b倾斜设置于所述冻结外管1的上端，所述回液端口1b与集液干管3之间的管路上设置有集液控制阀7b。集液控制阀7b能够控制冻结外管1内的盐水回流至集液干管3的流量，以便提高冻结器控制的准确性。可以理解的是，设置在回液端口1b与集液干管3之间的管路上还可以设置流量计以测量回流至集液干管3的流量。本发明中，流量计为便于工程巡检、可拆卸式或即时可插入的流量计，以便保证使用的便捷性，同时可以控制装置的成本。

作为本发明的一个实施例，回液端口1b与集液干管3之间的管路、供液端口1a与配液干管2之间的管路为高压胶管，以防止低温盐水在传输中泄漏。

图2是本发明所述冻结外管1的结构示意图，所述测温线缆5a经由冻结外管1穿出并由密封组件8组件密封，所述密封组件8充满于穿出孔与测温线缆5a之间的空间，以实现良好的密封。冻结外管1外部的测温线缆5a与未示出的采集仪表和计算机控制终端连接，以分析测温组件5获得的温度数据。在该实施例中，所述测温传感器5b为片式数字测温传感器，相邻测温传感器5b的间距不小于200mm。即相邻测温传感器5b的间距最小到200mm。优选地，相邻测温传感器5b的间距为300mm。相邻测温传感器5b的间距也可以为500mm、1500mm、2000mm等。在图2所示的实施例中，测温传感器5b为DS18B20，其可为数字温度传感器，可精确进行温度测量。

本发明中，所述测温组件5是基于一线总线多点测温技术设置的，其由双芯测温线缆5a和全长间隔分布的片式DS18B20测温传感器5b组成，如图5所示，所述测温传感器5b沿所述测温线缆5a引出冻结器头部后，通过采集器，以有线或无线方式传递冻结外管长度范围内的温度变化数字信号。

图3是本发明所述含有测温组件的供液软管的截面图，在该实施例中，测温组件5沿供液软管4的长度方向设置在供液软管4的壁厚范围内。所述供液软管4为PVC管，供液软管4挤出成型时，所述测温组件5镶嵌于管壁的内侧。图4是本发明所述测温组件的结构示意图，所述温度传感器5b与双芯线缆进行焊接绝缘；在双绞导线挤塑外包胶套的同时，将多个温度传感器5b按照预定间隔排布并接入双芯线缆上，形成一种分布了多个传感器的测温组件5。

作为本发明的一个实施例，所述测温组件5的测温线缆5a为一线总线式线缆，所述测温组件5的外侧面与所述供液软管4的内侧壁之间的距离为0.2mm-3mm。测温组件5的外侧面与所述供液软管4的内侧壁之间的距离应该尽可能的小，以便准确测量流经供液软管4内的低温盐水的温度。优选地，所述测温组件5的外侧面与所述供液软管4的内侧壁之间的距离为0.5mm。

作为图3所示的实施例的一个变体，所述供液软管4的管壁厚度范围内嵌设有多个测温组件5，如3件、4件、5件等，其沿供液软管4的轴线对称分布。在图6所示的实施例中，测温组件5的数量为3件。可以理解的是，测温组件5的数量可以为奇数，也可以为偶数。设置多个测温组件5有利于多点测量平均，以提升温度测量的准确性。

作为本发明的另一个实施例，测温组件5的数量也可以为一件，其沿螺旋线盘绕嵌设于供液软管4的管壁厚度范围内。测温传感器5b沿螺旋线设置，这样可以精确的测量冻结外管1沿长度方向及半径方向的温度，有效提升温度测量的准确性，控制冻结器的成本。

进一步地，所述密封组件8包括密封树脂8a和密封胶8b，如图6所示，所述密封胶8b设置于密封树脂8a的下侧。具体地，密封树脂8a为柔性密封树脂，其可以为环氧树脂等。密封胶8b为硬性密封胶，其可以为高分子粘合剂。

本申请中，精准地层冻结器的“间断测试”就是在地层冻结过程中利用精准地层冻结器进行冻结壁发展情况进行的专项监测方法，即选择一定数量的精准地层冻结器，暂停低温盐水循环，即停止对冻结器的供冷，冻结器内测温系统就感知道地层的热交换会导致温度上升，通过定时间序列的温度数据全长输出，进行不同孔径、不同孔深、不同时间点等纵横比对研究，掌握冻结器全长地层热交换和冻结壁发展的定量差异分析，从而为精准冻结提供技术依据。

所述间断测试涉及相应的方法和步骤、参数与时间序列。其中，时间序列是一种按时间顺序排列的一组数据，广义地，也可以包括按冻结器的纵向长度序列。

进一步地，间断测试参数包括：1)间断测试次数，2)测试时间点，3)间断延时长度，和4)间断测试过程序列数。

1)间断测试次数：是指冻结壁交圈前后，进行间断测试的总次数，一次间断测试的时间大约1-3小时；一般情况是交圈前2次，交圈后1次，实际工程中可以视情况和目的插入更多次。

2)间断测试时间点：是根据施工计划安排和具体工程情况，从开始冻结为起点，确定的间断测试的具体日期，即第几天和和时间点，比如过程中的某月某日某时刻；

3)间断延时长度是指一次间断测试的经历的时间长度，从完全关闭干管到冻结器头部的去回路阀门开始，到打开阀门恢复至所需供冷的流量。一次间断测试的时间大约1-3小时；

4)间断测试统一序列数是指间断测试过程中基于统一条件的必须记录和输出的时间序列数据，统一条件是指的起止时间和时间间隔。

本发明还公开了一种精准地层冻结器的运行方法，其流程图，如图7所示，其包括以下步骤：

S1，安装精准地层冻结器并根据施工现场条件确定积极冻结时间及间断试验参数；

S2，开始积极冻结，定时进行精准地层冻结器的流量和纵向温度观测；

S3，按计划进行第一次间断测试，根据测试数据分析冻结壁发展情况，预估冻结壁发展速度及冻结壁形成时间；

S4，按计划进行第二次间断测试，根据测试数据复核冻结壁厚度，预测积极冻结的完成时间，确定维护冻结开始日期；

S5，维护冻结初期进行第三次间断测试，复核冻结壁外侧发展速度、流量和冷量的关系，精确调整维护冻结工况。

图8是本发明所述精准地层冻结器运行的一个实施例的流程图，在该实施例中，其具体地运行流程如下：

首先，安装精准地层冻结器并根据施工现场条件确定积极冻结时间及间断试验参数；间断试验参数，见表1所示。

表1间断测试记录表

流量	停冻前T<sub>0</sub>	停冻T<sub>1</sub> min	停冻T<sub>2</sub> min	停冻T<sub>3</sub> min
					测点1	温度01	温度11	温度21	温度31
测点2	温度02	温度12	温度22	温度32
					┈	┈	┈	┈	┈
测点64	温度064	温度164	温度264	温度364

接着，开始第一段积极冻结，定时检测精准地层冻结器的流量和纵向温度；根据全长温度信息输出，能及时发现冻结器的异常，若有则可立即处置，并可得出各精准冻结器的供冷情况。

根据第i个精准冻结器的进出温差和流量，计算和调整冻结的供冷量Q_i，其计算公式为：

Q_i＝ρW_iCΔt (1)

式中：ρ----盐水比重kg/m3；W_i----实测流量(m3/h)；C----盐水比热J/h/℃/kg；Δt----去冻结器回路℃。

接着，完成第一段积极冻结后，开始第一次间断测试，根据测试数据分析冻结壁发展情况，预估冻结壁发展速度及冻结壁形成时间；

具体地，第一段积极冻结持续10-15天，第一次间断测试时间为1-5小时。

接着，开始第二段积极冻结并在完成后进行第二次间断测试，根据测试数据复核冻结壁厚度，预测积极冻结的完成时间，确定维护冻结开始日期。

具体地，第二段积极冻结时间为20-25天，第二次间断测试时间为1-5小时。根据外侧冻结器在纵向各测点上，在多T时刻温升速度V_T，计算该测点冻结外侧圆柱半径R的计算公式：

式中：a—地层导温系数；A，B与初始温度场有关的参数，通过多时间测量计算获得。通过公式(2)复核冻结壁厚度，预测积极冻结的完成时间，或确定维护冻结开始日期。

最后，开始维护冻结，在维护冻结一定时间后，开始第三次间断测试，根据测试数据复核冻结壁外侧发展速度、流量和冷量的关系，精确调整维护冻结参数。

具体地，维护冻结3-5天后，可进行第三从间断测试。根据公式(1)(2)，复核冻结壁外侧发展速度、流量和冷量的关系，精确调整维护冻结参数。

所有精准冻结器均通过上述运作，即可达到冻结工程在整体上的精准冻结的目的。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明提供的一种精准地层冻结器及其运行方法，应用于地铁隧道、竖井地层冻结等土木工程的监控，其结构合理，使用稳定，实现冻结器实时、全长温度测试，精确控制冻结器的供冷量，达到整体上控制冻结工程运行的目的。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。