液氮冻结竖直向与水平向温度场特性_黄建华.pdf

第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301004液氮冻结竖直向与水平向温度场特性黄建华1，2，王叶1，2，覃少杰3，严耿明4，袁晓玉1，2(1 福建工程学院 土木工程学院，福建 福州，350118;2 地下工程福建省高校重点实验室，福建 福州，350118;3 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都，610031;4 福州大学 土木工程学院，福建 福州，350108)摘要:分析液氮冻结的现场实施情况，结合工程背景资料建立数值分析模型，通过计算分析并与现场实测成果验证，系统研究液氮冻结过程中竖直方向与水平方向温度场分布特征及其变化规律。结果表明:液氮冻结通过沸腾吸热与对流换热方式达到降温冻结的效果，相较于盐水循环冻结方式，液氮冻结效率高，周期短;但其冻结温度场分布不均匀，在竖直方向上存在较大温差，温度最低区域分布在液氮沸腾区范围，而水平方向上分布较为均匀;温度场中低温区域并不在两排冻结管之间均匀发展，冻结区域向连续墙方向发展的速度比土体方向发展速度快。基于研究成果，提出了液氮冻结加固设计、施工的优化建议，为今后液氮冻结工程提供理论依据与技术参考。关键词:人工冻结加固;液氮冻结;温度场;对流换热;数值模拟中图分类号:TU443文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01002009Temperature-field characteristics of liquid-nitrogen freezing alongthe vertical and horizontal directionsHUANG Jianhua1，2，WANG Ye1，2，QIN Shaojie3，YAN Gengming4，YUAN Xiaoyu1，2(1 School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China;2 Key Laboratory of Underground Engineering for Universities in Fujian Province，Fuzhou 350118，China;3 School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;4 School of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)Abstract:The field implementation of liquid nitrogen freezing was analyzed and the numerical analysis modelwas established by combining engineering background information The characteristics of vertical and horizontaltemperature field distribution and its change law during the freezing process of liquid-nitrogen were systematicallystudied through calculation and analysis and verification with field measurement results esults show that liquid-nitrogen freezing method could achieve the effect of cooling and freezing through the way of boiling heat absorp-tion and convection heat transfer Compared with the brine circulation freezing method，the liquid-nitrogen freez-ing method has a higher efficiency and a shorter cycle However，the distribution of freezing temperature field ofthe liquid-nitrogen freezing method is not uniform There is a large temperature difference in the vertical direc-tion，and the lowest temperature region is distributed in the liquid-nitrogen boiling area，but the temperaturefield is more uniformly distributed in the horizontal direction The medium to low temperature region of the tem-perature field does not develop uniformly between the two rows of frozen pipes，and the frozen area developsfaster in the direction of the diaphragm-wall than in the direction of the soil Based on the research results，suggestions are proposed for the optimization design and construction of liquid nitrogen freezing reinforcement，which can provide theoretical basis and technical references for future liquid-nitrogen freezing projectsKeywords:artificial frozen reinforcement;liquid nitrogen freezing;temperature field;convective heat trans-fer;numerical simulation收稿日期:20221027基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2021J011064)第一作者简介:黄建华(1969)，男，福建莆田人，教授，博士，研究方向:岩土与地下工程。第 1 期黄建华，等:液氮冻结竖直向与水平向温度场特性液氮冻结是一种人工冻结土层技术，依靠液氮的沸腾气化吸热与低温氮气的对流吸热带走土层中的热量，实现土层的快速冻结。液氮冻结周期短，形成的冻土强度高，冻结壁发展更迅速，止水效果更好1。但由于液氮冻结速率较快，液氮冻结的温度场在竖直与水平方向上的分布呈现出较大的差异。随着液氮冻结的应用越来越广泛，对液氮冻结温度场竖直与水平方向上分布的差异性研究也逐渐增加。李方政等2 对上海轨道交通盾构进洞水平冻结进行模拟，探究了液氮冻结帷幕不同方向上厚度和平均温度随时间发展的规律。陈成等3 对液氮冻结盾尾密封加固温度场进行数值模拟，研究了温度空间分布及温度随时间变化规律，并对影响冻结温度场的因素进行敏感性分析。石荣剑等45 通过模型试验，获得了塑料冻结管的液氮冻结温度场的分布规律，研究表明液氮冻结管底部与冻结管头部温度差别大，形成的冻结帷幕不均匀。张全全6 对液氮管壁温度的分布情况进行研究，通过单管计算结果得出不同流速的地下水流作用下液氮冻结温度场发展的不均匀性。本文以福州地铁盾构始发端液氮冻结加固工程为背景，通过对冻结管内液氮的流动情况进行分析，分析冻结管内液氮对流换热过程，系统研究液氮冻结温度场在竖直与水平方向上的特性与变化规律及其影响范围，提出工程优化意见，可为液氮冻结工程提供理论基础与技术依据。1液氮冻结实施11冻结工况盾构始发端头区域主要位于粗中砂地层中，由于地下水位较高，在端头设置 120 m 长的加固区域以保证盾构进出洞安全。地下水位埋深在34566 m。盾构始发冻结施工地层为强透水的粗中砂层，下部为淤泥质土及粉质黏土，如图 1所示。盾构始发洞口采取液氮冻结加固，冻结加固体在盾构进洞凿壁时起到止水帷幕作用，抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井。出于设计安全考虑，冻结加固体承受的荷载、计算模型采用洞门最底缘埋深 1938 m，计算得到水土压力P026 MPa，基本满足各工况设计要求。经计算分析后液氮冻结施工设计指标如表 1 所示。图 1地铁盾构始发地质剖面图(单位:mm)Fig1Geological profile of metro shield initiationarea(unit:mm)表 1液氮冻结施工设计参数Tab1Design parameters for liquid nitrogen freezingconstruction参数设计值冻结壁厚度/m2冻土平均温度/20洞门周边水平探孔温度/5液氮进口温度/150 170出口温度/50 70根据以往相关的地铁盾构冻结加固工程经验，取冻土的发展速度为 10 cm/d。冻结孔间距为 800 mm，加上 1%的偏斜，最大孔间距 L=1 0229 mm，距此推算冻土交圈时间 T=639 d，此处取 7 d，即积极冻结期为 7 d。12液氮冻结方式与用量分析液氮冻结装置如图 2 所示，冻结开始时，低温液氮从供液管流入冻结管中，液氮在冻结管底部积累并沸腾，沸腾相变的液氮吸收了大量的热量，沸腾后形成的氮气在冻结管内对流换热再吸收部分热量，然后通过出气管流出冻结管78。工程设计的冻结体积为 543876 m3，每 m3冻土约需液氮 1 5 t，则积极冻结时总需液氮量979 t。维护冻结按 24 h 计算，每组约 02 t/h，共分 15 组，维护冻结需液氮量 72 t/d，盾构工程破洞门工期 7 d，初步估计液氮消耗量 1 483 t。12福建工程学院学报第 21 卷图 2冻结管结构示意图Fig2Diagram of freezing pipe structure13测温孔布设方式图3 为液氮冻结的冻结孔布置图。左线冻结孔布置2 排，共计冻结孔 29 个，冻结方案为竖直向布设冻结管。第一排孔与第二排排距 10 m，孔间距均为08 m，深度2229 m，冻结管总长度6464 m。布设 C1C4 等 4 组测温孔，见图 3 所示，其中 C1 测温孔在靠近土层一侧距离 B 组冻结孔中心线 700 mm 处;C2 测温孔在 A、B 组冻结孔中间，距离 A 组测温孔 500 mm 处。图 3冻结孔、测温孔布置图(单位:mm)Fig3Layout of freezing holes and temperature measuringholes(unit:mm)2盾构隧道建模及验证21模型假定(1)模型假定地层为各向同性弹塑性体。(2)冷量在竖直于冻结管方向即水平方向传导，不考虑沿冻结管方向的损失。(3)考虑冰水相变作用，忽略温度引起的对流及热辐射，未冻水含量是温度的函数，由未冻水含量计算的潜热在相变温度区间内产生，地层相变温度范围取10。(4)不考虑施工对地层冻结效果的影响，假定几何模型外(远离冻结管布置区域)为绝热边界。(5)温度场计算中不考虑地下水渗流作用的影响。(6)不考虑冻结管内流体的流速差异，对整个冻结管取平均流速。由于冻结施工时间为 78 月，福州地区此时正值夏季，环境平均温