近年来，液氮垂直冻结技术被广泛应用于地铁隧道盾构洞门加固工程中。采用传统钢制液氮冻结管进行地层冻结过程中，呈现出一系列问题，如冻结管管壁温度分布不均匀，冻结管不能被盾构机切割，人工加热拔管不仅费工费时，而且拔管不当还会诱发冻结管断裂和盾构卡盾的风险。　　有鉴于此，本文采用模型试验、数值模拟和理论分析相结合的研究手段，对液氮垂直冻结技术中的冻结管材质及结构形式、单管冻结温度场分布规律等进行研究，其主要研究内容和成果如下:　　(1)通过液氮冻结管材质及结构形式的对比分析研究，研制了一种能够被盾构机切割、管壁温度分布较为均匀、可节约液氮用量的局部冻结新型塑料液氮冻结管。　　(2)根据相似理论推导了地层液氮冻结的温度场与湿度场相似准则，建立了一套完整的塑料单管液氮冻结模型试验系统。进而开展了塑料单管液氮冻结温度场的模型试验研究。试验结果表明，采用传统液氮冻结管（进液管仅在底端开口）进行地层冻结时，冻结管管壁温度分布不均匀;采用所研制的新型塑料液氮冻结管（进液管管壁等距离开口）进行地层冻结时，冻结管管壁温度分布的不均匀性得到改善;根据模型相似比和冻结温度场试验结果，得到实际液氮冻结加固工程中的冻结壁平均发展速度约为160mm/d;同时验证了塑料液氮冻结管进行地层低温快速冻结的可行性。　　(3)建立了液氮冻结瞬态温度场有限元计算模型，采用大型有限元软件ABAQUS对单管液氮冻结温度场进行了数值模拟研究。通过数值模拟与模型试验的冻结温度场数据对比分析，验证了数值模拟结果的准确性，并得到了单管液氮冻结温度场的分布与冻结壁厚度的发展规律。　　(4)推导了考虑土体冻结温度的单管冻结温度场解析解，得到了单管液氮冻结的冻结区与降温区温度分布计算公式，采用数学计算软件Maple编制计算程序，进行了单管液氮冻结温度场的理论计算，并与数值模拟分析结果进行对比，验证了理论计算的可靠性。　　在今后的地铁隧道建设中，特别是盾构洞门加固中，液氮垂直冻结技术将会越来越广泛，本文研究成果可为类似工程的设计和施工提供参考依据，具有重要的现实工程意义。