液氮冻结因为其具有冻结速度快、温度低和强度高等特点,经常被用于地下工程抢险等超短工期的施工项目中。然而液氮冻结费用较高,能量损失较大,并且目前尚无较为科学的三维液氮温度场计算方法。本文将针对这一问题,对液氮冻结进行深入研究,通过与工程实测数据的对比,建立科学合理的液氮温度场有限元计算模型,通过有限元计算研究液氮温度场的开展规律,从而对液氮冻结的设计及施工提出合理的意见和建议,使其尽可能地节约冻结能量,减少施工成本。本文以福州地铁盾构实例项目始发为背景,使用ABAQUS有限元软件对盾构左线液氮冻结三维温度场进行模拟计算,并与工程实测进行对比分析,进行液氮对流的反传热分析,完善了液氮对流传热理论。为了进一步研究不同模拟方法对温度场的影响,对该项目右线盐水冻结分别进行了盐水对流与盐水导热的有限元模拟计算,对两种有限元模拟方法进行了对比分析。最后对左、右线液氮冻结与盐水冻结进行了对比分析,探究了两种不同冻结方式在冻结范围、冻结时间、冻结效果等方面的差异。主要研究结论如下:(1)对有限元三维液氮冻结温度场的计算结果可知,液氮冻结使得土体在垂直方向上产生巨大的温度差异,温度最低区域在深度为18.3-22.3m处,最低温度低于-160℃。冻结壁温度最高处在接近地表处,约为-30℃,在垂直方向上最大温差约为-130℃。由于连续墙导热系数相对较低,使得温度场中最低温区域发生在第二排冻结管与连续墙中间的位置。(2)通过与工程实测数据的对比,证明液氮温度场的温度下降趋势与实测结果相似,从总体来看,模拟误差在可以接受的范围内,模拟效果良好。对流换热系的反传热分析结果表明,液氮的对流换热系数是一个受到垂直冻结深度以及冻结时间共同影响的函数。再次计算的结果表明,对流换热系数修正后的模拟结果比原模拟结果更接近实测结果。(3)盐水冻结的对流换热与热导模拟结果对比表明,对流换热的模拟方法在模拟垂直冻结三维温度场上有其独特的优势,而热传导的模拟方法在忽略垂直方向温度差异的情况下更为适用。模拟结果证明了盐水在冻结管中各个部分的流速差异是其产生垂直方向上的温差的主要原因。而在水平面上两种模拟方式结果十分相近,说明忽略流速的影响时,对流换热结果与热传导结果相同。对流换热与热传导的主要差异在于对流换热考虑了流体的流动情况对能量的传递产生的影响。(4)通过液氮冻结与盐水冻结的对比结果表明,盐水冻结与液氮冻结三维温度场的形状、影响的范围大体相等,其温度最低区域都发生在两排冻结管与连续墙之间的土体。液氮冻结温度最低低于-130℃,而盐水冻结温度不超过-30℃,液氮冻土温度比盐水冻土低得多。在垂直面上,液氮冻结温度场存在巨大温差,冻结范围也随着深度而改变,而盐水冻结温度场分布均匀,在冻结初期垂直方向有一定温度差异,但随着冻结时间的增加,这种温度差异逐渐减少。本文较为准确的模拟了液氮冻结温度场,并对其开展规律进行了分析,并针对液氮三维温度场在时间、空间上的开展规律提出了许多相应的设计及施工的建议,为液氮冻结设计与施工提供了理论依据。