针对立井冻结工程中存在的局部难冻地层，提出了两种差异冻结方案：冻结管差异温度冻结方案和局部地层扩孔填充导热材料冻结方案。为了验证两种方案的强化冻结效果，在试验箱体内进行了单冻结管差异温度冻结试验和外覆导热材料的冻结试验。结果表明：研发的双循环系统冻结器可实现管段差异温度冻结，两种方案均能有效调整冻结壁的厚度和平均温度，使土层得到一定程度的强化冻结。对不同流速条件下盐水和冻结管壁间的耦合换热机理进行了研究，得到了冻结过程中冻结管壁温度随时间变化曲线。随着流速的增加，热边界层厚度变薄，冻结管壁温度降低，地层得到强化冻结。基于FVM原理，建立了无渗流和渗流两种情况下的冷能消耗计算模型，并进行了数值分析，结果表明：采用差异冻结方案，无渗流地层在消耗近于相同的冷能下可对地层强化冻结，减少冻土入荒量，实现立井的早日开挖，而渗流地层可实现冻结壁的早日交圈，冷能得到优化。结合工程实例的计算表明，差异冻结对难冻地层的强化冻结效果显著。