复杂地质条件和建设环境下,暗挖断面面积超过300 m~2的浅埋隧道是国际隧道界的公认难题。港珠澳大桥拱北隧道最小埋深4~5 m,断面面积336.8 m~2,是目前世界上开挖断面最大的单个暗挖隧道。隧道采用“超大管幕+人工冷冻+掌子面注浆”的工法施工,为复杂条件下超大断面隧道的建造提供了新的思路。封闭管幕冷冻圈内地层注浆对维持掌子面稳定、保护施工安全至关重要。由于封闭管幕冷冻圈特殊的止水条件和地层温度边界,传统的注浆工艺和参数难以适用,需对其注浆机理进行研究,实现工艺的创新和突破。本文以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段为工程实例,综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究封闭管幕冷冻圈内地层注浆机理和工艺,具体研究工作和主要结论包括:(1)研究了封闭管幕冷冻圈的形成和冻胀控制。基于热力耦合原理,采用有限元法预测了拱北隧道管幕冷冻圈形成过程中土体温度变化及地表冻胀位移,比较和分析了管幕周围土体预注浆、采用限位管模式及限位管+预注浆联合作用等三种冻胀控制方案对地层的冻胀控制效果。通过现场地表冻胀实测数据与软件模拟结果的比较分析,从地层温度和地表位移分布规律说明冻胀控制技术的工作原理。在限位管+预注浆联合作用的冻胀控制方案下,得到了掌子面注浆前封闭管幕冷冻圈内土体的初始温度和位移特性。(2)研究了封闭管幕冷冻圈内浆液扩散及地层加固的机理。考虑宾汉姆流体黏度时变性及浆液的自重应力,提出了劈裂注浆压力与浆液扩散距离的建议计算公式,分析并讨论了注浆压力、浆液黏度系数、浆液平均扩散速度及浆液扩散方向对浆液扩散距离的影响,提出了注浆压力、注浆孔距及排距的建议取值。研究结果为封闭管幕冷冻圈内地层注浆模型的建立及参数的选取提供了理论依据,也可为类似的隧道开挖掌子面注浆提供有益参考。(3)研究了封闭管幕冷冻圈内的地层注浆模型、浆液扩散距离与土体位移变化规律。基于多场耦合原理,利用COMSOL有限元软件对单孔注浆模型进行数值模拟,得到了注浆压力、裂缝宽度及长度对浆液扩散距离及土体位移的影响。结合封闭管幕冷冻圈的冻胀模型模拟得到的地层初始状态及注浆机理的研究结果,提出了拱北隧道封闭管幕冷冻圈内的地层注浆模型,得到了浆液扩散距离及土体位移的变化规律。(4)总结了封闭管幕冷冻圈内地层注浆的成套施工工艺。基于封闭管幕冷冻圈特殊的止水条件和地层温度边界,综合考虑注浆材料、注浆压力、注浆工艺等对管幕冷冻圈的影响,总结出包括注浆材料的选择、注浆工艺的流程、监控量测方案等在内的成套封闭管幕冷冻圈内地层注浆施工工艺,为确保拱北隧道开挖掌子面注浆的顺利施工提供了技术支持。