本發(fā)明涉及凍土帷幕，特別涉及一種犬齒倒鉤式傘形三維凍結管。

背景技術：

1、先解釋如下的本發(fā)明技術領域?qū)I(yè)術語：

2、人工地層凍結法：根據(jù)土體對溫度傳播具有相對均勻的特點，采用某種人工制冷方式，使巖土中的水降溫結冰，形成具有絕對封堵水性能和較高強度的凍土帷幕，避免施工期間地下水害可能引發(fā)的風險的方法。

3、凍土帷幕性狀要求：由于某些地層不但具有自重壓力且具有富水性，考慮施工安全，采用人工凍結法時，要求凍土必須達到一定的溫度和厚度要求，以封閉滲流水通道和抵抗地層壓力。即，設計凍土帷幕的土體，必須達到一定的幕厚度和平均溫度。

4、跟管：地下土體在長年重力作用下具有一定的壓實性，不采用措施的情況下在土體中鉆孔非常容易出現(xiàn)塌孔，若形成孔洞，就被周圍土體擠進來。在鉆頭后方配置一個同徑尺寸的套管，并跟隨鉆頭同步鉆進，就避免的塌孔問題。這種技術，稱為跟管技術。

5、直線式凍結管：由于避免土體孔洞的塌孔效應必須采用跟管技術，而跟管技術形成的是直線式孔洞，因此后期插入跟管的凍結管必然是直線式。所以，在目前所有的人工地層凍結法研究和應用中，都是基于直線式凍結管。由于沒有其它形式或形狀的凍結管，所以直線式凍結管簡稱為凍結管。

6、一維凍結：由于目前凍結法都是采用直線式凍結管，當直線凍結管插入三維土體，對于三維凍土帷幕內(nèi)的任意一點凍結，實際上只是從一個方向接受冷量傳播。所以，目前凍結法研究和應用，都屬于單方向的一維凍結。

7、導熱系數(shù)：導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（k，℃），在一定時間內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度?（w/(m·k)，此處為k可用℃代替），為材料對于熱量的傳導能力。

8、常溫下常見固體的導熱系數(shù)：土-約1.5，水-0.6，鐵-約48，鋼-約45，鋁-約230，銅-約377，銀-412。上述數(shù)字的單位均為w/m·k。

9、凍結管內(nèi)循環(huán)液體冷媒劑的當量導熱系數(shù)：一般情況下，氣體的導熱系數(shù)小于液體的，液體的小于固體的。但當液體為流動狀態(tài)時，當量導熱系數(shù)跟流動速率相關。工程實踐表明，凍結管內(nèi)循環(huán)液體冷媒劑的當量導熱系數(shù)，可以認為是無限大。即認為凍結管內(nèi)循環(huán)液體冷媒劑時，凍結管所有位置處的溫度是與冷源提供端的溫度是相同的。

10、不良地質(zhì)環(huán)境下的地下水害，是施工安全的最大風險之一。常規(guī)工藝不可避免的存在效果不佳部位，如注漿法不密實存在滲水通道，可能引發(fā)千里之堤毀于蟻穴的重大工程事故。采用人工制冷方式使得土體中水結冰，形成具有絕對封堵水性能和較高強度的凍土帷幕，避免施工期間地下水害可能引發(fā)的風險。

11、地下土體在長年累月重力作用下具有一定的壓實性，工程中需要采用跟管技術避免塌孔。由于在土體形成孔洞需要采用跟管技術，所以插入跟管的凍結管是必然直線式的，無法形成其他結構形式的凍結管。目前在人工地層凍結法應用中，都是在三維土體中插入直線式凍結管。以直線式凍結管內(nèi)循環(huán)冷媒劑提供低溫冷源，對于三維土體內(nèi)任意一點，實際上只是從一個方向接受冷量。再加上土的導熱系數(shù)遠遠低于金屬凍結管，這樣形成了低效傳導冷量的單方向一維凍結。綜上所述，由于采用直線式凍結管，目前人工地層凍結法是低效率的一維凍結。這是本申請需要著重改善的地方。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是要提供一種犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，實現(xiàn)高效三維凍結，提高了凍結效率。

2、為了解決以上的技術問題，本發(fā)明提供了一種犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，所述凍結管外臂面至少環(huán)繞有一個伸展壁圈，所述伸展壁圈包括多個伸展壁，每個伸展壁同一側的端部分別在凍結管的前進方向上與凍結管的外臂面鉸接，伸展壁另一側端部為犬齒倒鉤式結構，犬齒倒鉤式結構是指伸展壁另一側末端與凍結管外壁面留有空間的所有結構形式；逆前進方向拖拉凍結管，使土體進入犬齒倒鉤式結構與凍結管之間的空間，伸展壁受土體反作用力繞著鉸接端沿不同方向打開，在土體內(nèi)形成以凍結管為中心的傘形三維結構，凍結管內(nèi)的冷量經(jīng)多個伸展壁沿多方向傳導到周圍的土體內(nèi)進行三維凍結。

3、所述伸展壁犬齒倒鉤式結構的任一位置與凍結管表面的任一位置進行線連接，控制伸展壁打開的角度。

4、所述線連接，為軟線連接，或桿體滑接。

5、所述伸展壁圈，在凍結管外臂面上沿凍結管的前進方向上多個依次排列。

6、所述伸展壁圈，前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式端位于后一伸展壁圈的鉸接端的上部，即后一伸展壁圈的鉸接端位于前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式結構的空間內(nèi)；或前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式端與后一伸展壁圈的鉸接端之間有間隙，即前后伸展壁圈之間設有一段距離，伸展壁的犬齒倒鉤式端與凍結管對應的外臂面進行線連接，或桿體滑接。

7、所述桿體滑接，為桿體的滑動端伸入伸展壁中的滑槽或滑動套筒中，沿打開的角度在滑槽或滑動套筒中滑動。

8、所述桿體為金屬桿體。

9、所述凍結管和伸展壁的材料為熱量傳導的金屬材料。

10、所述熱量傳導的金屬材料為鋼、或為鐵、或為銅、或為鋁。

11、本發(fā)明犬齒倒鉤式傘形三維凍結管的工作原理是：冷量由冷凍機，以循環(huán)冷媒劑的形式進入凍結管，循環(huán)鹽水的冷量傳給凍結管壁；冷量再由凍結管壁，高效率地傳導到傘形金屬伸展壁上；經(jīng)過上述兩個過程，循環(huán)冷媒劑的冷量，迅速在土體的三維空間內(nèi)傳導，土體內(nèi)任意一點，都受來自凍結管壁和伸展壁的冷量傳導作用，形成了多個方向冷量傳導下的三維凍結。

12、本發(fā)明根據(jù)凍土帷幕性狀和形狀，確定伸展壁的數(shù)量和長度。

13、本發(fā)明犬齒倒鉤式傘形三維凍結管的工作過程如下：

14、（1）跟管隨著鉆頭一起掘進，當?shù)竭_一定位置，抽出鉆頭，插入犬齒倒鉤式傘形三維凍結管；

15、（2）拔出跟管，犬齒倒鉤式傘形三維凍結管被土體緊緊包裹；

16、（3）在逆前進方向，對犬齒倒鉤式傘形三維凍結管進行一定地拔拉；

17、（4）逆反向進行拔拉，伸展壁犬齒倒鉤式端位置處的土體會產(chǎn)生反作用力，使得伸展壁打開一個小角度孔隙，進而會有更多的土體進入小角度孔隙，形成更大的土體反作用力，接著伸展壁打開一個更大的角度孔隙；如此，在拔拉過程中，伸展壁一直處于持續(xù)打開的狀態(tài)；

18、（5）當拔拉到一定距離，并且在連接線或桿體的作用下，伸展壁張開到一定的角度，在土體內(nèi)形成傘形三維結構。

19、本發(fā)明的有益效果在于：實現(xiàn)高效三維凍結，極大地提高了凍土帷幕內(nèi)傳導冷量效率的能力，進而會極大提高凍土帷幕形成的效率。

技術特征：

1.一種犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述凍結管外臂面至少環(huán)繞有一個伸展壁圈，所述伸展壁圈包括多個伸展壁，每個伸展壁同一側的端部分別在凍結管的前進方向上與凍結管的外臂面鉸接，伸展壁另一側端部為犬齒倒鉤式結構，逆前進方向拖拉凍結管，使土體進入犬齒倒鉤式結構與凍結管之間的空間，伸展壁受土體反作用力繞著鉸接端沿不同方向打開，在土體內(nèi)形成以凍結管為中心的傘形三維結構，凍結管內(nèi)的冷量經(jīng)多個伸展壁沿多方向傳導到周圍的土體內(nèi)進行三維凍結。

2.根據(jù)權利要求1所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述伸展壁犬齒倒鉤式結構的任一位置與凍結管表面的任一位置進行線連接，控制伸展壁打開的角度。

3.根據(jù)權利要求2所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述線連接，為軟線連接，或桿體滑接。

4.根據(jù)權利要求1所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述伸展壁圈，在凍結管外臂面上沿凍結管的前進方向上多個依次排列。

5.根據(jù)權利要求4所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述伸展壁圈，前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式端位于后一伸展壁圈的鉸接端的上部，或前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式端與后一伸展壁圈的鉸接端之間有間隙。

6.根據(jù)權利要求5所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述前一伸展壁圈的犬齒倒鉤式端與后一伸展壁圈的鉸接端之間有間隙，犬齒倒鉤式端與凍結管對應的外臂面進行線連接，或桿體滑接。

7.根據(jù)權利要求3或6所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述桿體滑接，為桿體的滑動端伸入伸展壁中的滑槽或滑動套筒中，沿打開的角度在滑槽或滑動套筒中滑動。

8.根據(jù)權利要求7所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述桿體為金屬桿體。

9.根據(jù)權利要求1所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述凍結管和伸展壁的材料為熱量傳導的金屬材料。

10.根據(jù)權利要求9所述的犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，其特征在于：所述熱量傳導的金屬材料為鋼、或為鐵、或為銅、或為鋁。

技術總結
本發(fā)明公開一種犬齒倒鉤式傘形三維凍結管，凍結管外臂面至少環(huán)繞有一個伸展壁圈，伸展壁圈包括多個伸展壁，每個伸展壁同一側的端部分別在凍結管的前進方向上與凍結管的外臂面鉸接，伸展壁另一側端部為犬齒倒鉤式結構，逆前進方向拖拉凍結管，使土體進入犬齒倒鉤式結構與凍結管之間的空間，伸展壁受土體反作用力繞著鉸接端沿不同方向打開，在土體內(nèi)形成以凍結管為中心的傘形三維結構，凍結管內(nèi)的冷量經(jīng)多個伸展壁沿多方向傳導到周圍的土體內(nèi)進行三維凍結。本發(fā)明的優(yōu)點是實現(xiàn)高效三維凍結，提高了凍結效率。

技術研發(fā)人員：李攀
受保護的技術使用者：同濟大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9