人工冻结法因具有止水性、复杂地层适应性和对周边环境影响小等特点,在地铁联络通道施工中应用广泛。人工地层冻结是一项极其复杂的热交换过程,面对一些诸如高渗透、富水、高水压等地层,极容易面临冻结设计问题,造成不良影响。有鉴于此,本文采用理论计算、数值模拟、原位试验及现场测试四者相结合的研究方法,对高渗透地层越江联络通道进行全面研究。本文主要工作和成果如下:(1)进行冻结参数与冻结壁厚度及冻结壁平均温度理论分析,并结合多孔介质传热理论和热量守恒定律,得到冻结温度场和水分迁移耦合数学模型。(2)针对现场原位模型试验,分析单孔、双孔、三孔冻结温度场及其纵横向温度扩展速率情况,并比较双孔冻结与三孔冻结纵横向温度扩展速率的优劣,最后分析冻结壁的极限半径和发展速率及冻结壁平均温度的发展规律。结果表明,冻结管纵向和横向温度扩展速率随冻结孔数的增多而加快,且三者之间横向温度扩展速率较纵向的快。单孔、双孔、三孔冻结时,冻结壁极限厚度分别为0.96m、1.73m、2.8m,两两之间的分别相差0.77m、1.07m。双孔冻结与三孔冻结中冻结壁平均温度最低分别下降至-8.1℃,-11.6℃,温差为3.5℃,可见双排管冻结优势明显。(3)为研究高渗透地层越江联络通道的冻结温度场和相关热学参数,进行原位冻结试验数值分析,模拟结果显示所采用的流热耦合有限元模拟与实际冻结温度场规律相一致,且误差不超过5%,表明数值模拟可以反应实际三孔冻结过程中温度场的发展规律。(4)基于原位冻结试验数值模拟,建立高渗透地层越江联络通道流热耦合有限元分析模型,分析不同截面流热耦合冻结温度场发展规律,并对比分析渗流条件下与静水条件下冻结壁厚度与冻结壁平均温度的变化规律。模型对比结果显示,三个截面渗流条件较静水条件下冻结壁厚度分别减薄0.15m、0.18m、0.12m,冻结壁平均温度分别上升1.6℃、2℃、1℃,表明联络通道中部受影响最大。综合上述,高渗透地层下联络通道冻结工程需要注意渗流上游位置冻结壁发展情况,当渗透系数达到45m/d以上时需对联络通道渗流上游进行补孔、缩短冻结管间距、增大冻结管尺寸等措施,并注意渗流上游处的冻结设计确保冻结壁平均温度在相关规定以下。