液氮垂直凍結技術中塑料單管凍結溫度場研究.pdf

1、近年來，液氮垂直凍結技術被廣泛應用于地鐵隧道盾構洞門加固工程中。采用傳統(tǒng)鋼制液氮凍結管進行地層凍結過程中，呈現(xiàn)出一系列問題，如凍結管管壁溫度分布不均勻，凍結管不能被盾構機切割，人工加熱拔管不僅費工費時，而且拔管不當還會誘發(fā)凍結管斷裂和盾構卡盾的風險。
　　有鑒于此，本文采用模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析相結合的研究手段，對液氮垂直凍結技術中的凍結管材質及結構形式、單管凍結溫度場分布規(guī)律等進行研究，其主要研究內容和成果如下:
　

2、　(1)通過液氮凍結管材質及結構形式的對比分析研究，研制了一種能夠被盾構機切割、管壁溫度分布較為均勻、可節(jié)約液氮用量的局部凍結新型塑料液氮凍結管。
　　(2)根據(jù)相似理論推導了地層液氮凍結的溫度場與濕度場相似準則，建立了一套完整的塑料單管液氮凍結模型試驗系統(tǒng)。進而開展了塑料單管液氮凍結溫度場的模型試驗研究。試驗結果表明，采用傳統(tǒng)液氮凍結管（進液管僅在底端開口）進行地層凍結時，凍結管管壁溫度分布不均勻;采用所研制的新型塑料液氮凍結管

3、（進液管管壁等距離開口）進行地層凍結時，凍結管管壁溫度分布的不均勻性得到改善;根據(jù)模型相似比和凍結溫度場試驗結果，得到實際液氮凍結加固工程中的凍結壁平均發(fā)展速度約為160mm/d;同時驗證了塑料液氮凍結管進行地層低溫快速凍結的可行性。
　　(3)建立了液氮凍結瞬態(tài)溫度場有限元計算模型，采用大型有限元軟件ABAQUS對單管液氮凍結溫度場進行了數(shù)值模擬研究。通過數(shù)值模擬與模型試驗的凍結溫度場數(shù)據(jù)對比分析，驗證了數(shù)值模擬結果的準確性，并

4、得到了單管液氮凍結溫度場的分布與凍結壁厚度的發(fā)展規(guī)律。
　　(4)推導了考慮土體凍結溫度的單管凍結溫度場解析解，得到了單管液氮凍結的凍結區(qū)與降溫區(qū)溫度分布計算公式，采用數(shù)學計算軟件Maple編制計算程序，進行了單管液氮凍結溫度場的理論計算，并與數(shù)值模擬分析結果進行對比，驗證了理論計算的可靠性。
　　在今后的地鐵隧道建設中，特別是盾構洞門加固中，液氮垂直凍結技術將會越來越廣泛，本文研究成果可為類似工程的設計和施工提供參考依據(jù)，