液氮垂直凍結(jié)技術(shù)中塑料單管凍結(jié)溫度場研究.pdf

1、近年來，液氮垂直凍結(jié)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道盾構(gòu)洞門加固工程中。采用傳統(tǒng)鋼制液氮凍結(jié)管進(jìn)行地層凍結(jié)過程中，呈現(xiàn)出一系列問題，如凍結(jié)管管壁溫度分布不均勻，凍結(jié)管不能被盾構(gòu)機(jī)切割，人工加熱拔管不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且拔管不當(dāng)還會誘發(fā)凍結(jié)管斷裂和盾構(gòu)卡盾的風(fēng)險(xiǎn)。
　　有鑒于此，本文采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的研究手段，對液氮垂直凍結(jié)技術(shù)中的凍結(jié)管材質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式、單管凍結(jié)溫度場分布規(guī)律等進(jìn)行研究，其主要研究內(nèi)容和成果如下:
　

2、　(1)通過液氮凍結(jié)管材質(zhì)及結(jié)構(gòu)形式的對比分析研究，研制了一種能夠被盾構(gòu)機(jī)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(jié)新型塑料液氮凍結(jié)管。
　　(2)根據(jù)相似理論推導(dǎo)了地層液氮凍結(jié)的溫度場與濕度場相似準(zhǔn)則，建立了一套完整的塑料單管液氮凍結(jié)模型試驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)而開展了塑料單管液氮凍結(jié)溫度場的模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)液氮凍結(jié)管（進(jìn)液管僅在底端開口）進(jìn)行地層凍結(jié)時(shí)，凍結(jié)管管壁溫度分布不均勻;采用所研制的新型塑料液氮凍結(jié)管

3、（進(jìn)液管管壁等距離開口）進(jìn)行地層凍結(jié)時(shí)，凍結(jié)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(jié)溫度場試驗(yàn)結(jié)果，得到實(shí)際液氮凍結(jié)加固工程中的凍結(jié)壁平均發(fā)展速度約為160mm/d;同時(shí)驗(yàn)證了塑料液氮凍結(jié)管進(jìn)行地層低溫快速凍結(jié)的可行性。
　　(3)建立了液氮凍結(jié)瞬態(tài)溫度場有限元計(jì)算模型，采用大型有限元軟件ABAQUS對單管液氮凍結(jié)溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的凍結(jié)溫度場數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并

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