富水软硬复合地层液氮冻结作用机制及控制因素数值模拟研究
李 斌1，2*，温亦品1，曹 蔚3，柳 献4，蔡升宇1
(1. 广州市市政集团有限公司，广东 广州 510060; 2. 河南建筑职业技术学院，河南 郑州450064;3. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000; 4. 同济大学 土木工程学院，上海 200092)
摘 要： 针对富水上软下硬复合地层盾构开仓作业面临的地层失稳、涌水风险高等核心难题，采用有限元数值模拟方法揭示了富水软硬复合地层液氮冻结的作用机制，并探讨了液氮流入温度、液氮流量、冻结时间对冻结效果的影响规律。研究结果表明：1)液氮冻结法可在富水花岗岩地层中快速形成有效冻结帷幕，实现3.2 m厚冻结帷幕在5 d内快速成型。2)数值模拟结果与现场监测数据吻合度较高，验证了数值计算模型的可靠性，为冻结参数优化提供了有效的技术路径。3)液氮流入温度主要影响维护冻结阶段土体的降温速率，当液氮流入温度相差10 ℃时，冻结15 d后周边土体温差可达5 ℃。4)液氮流量越高，冷冻扩散速度越快，当液氮流量相差0.10 m3/h时，冻结15 d后周边土体温差为2～5 ℃。5)冻结范围随着积极冻结时间的增加而扩大，积极冻结时间维持6 d左右即可达到设计冻结半径要求。该研究成果可为富水上软下硬复合地层液氮冻结参数的选择和优化提供技术参考。
关键词： 城市综合管廊; 富水软硬复合地层; 盾构开仓作业; 液氮冻结法; 数值模拟
基金项目： 广州市市政集团有限公司科技计划项目([2023]-SZKJ02)
引文格式： 李斌，温亦品，曹蔚，等. 富水软硬复合地层液氮冻结作用机制及控制因素数值模拟研究[J]. 市政技术，2026，44(5)：160-170，300. (LI B，WEN Y P，CAO W，et al. Numerical simulation of mechanism and controlling factors of liquid nitrogen freezing effect in water-rich hard & soft composite stratum[J]. Journal of municipal technology，2026，44(5)：160-170，300.)