人工冻结法是指利用人工制冷技术,通过向土层打入冻结管,并通过热转换降低土体的温度使其含水土层形成冻结体,从而增强土体的稳定性、减少变形和隔断地下水的作用,以便在冻结体的保护下进行各种施工的一种特殊施工技术。人工冻结法在隧道中的应用,表现在加固盾构出、进洞的土体,稳定盾构隧道在地下或海底对接的土体,修复隧道涌水,防止塌陷事故等方面。人工冻结法之所以被广泛应用,其主要优点是：一封水可靠,可实现人工干挖施工,有利于保证各类结构的施工质量；二是对环境保护有利,无异物进入土壤,对周边环境扰动小；三是适用性强,一般情况下可在各类土层中应用。本文依托港珠澳大桥拱北隧道暗挖段采用的管幕冻结组合预加固技术,利用理论分析、数值模拟等方法对“圆形冻结管+异形冻结管+限位管”各冻结组合模式在积极冻结期的冻土帷幕发展规律和冻胀位移发展规律进行研究。本文的主要研究内容有：(1)结合热力学和已有的单管、单排、单圈冻结法的理论成果,对该工程冻土的温度场、冻胀位移和冻胀应变的形成和发展规律进行理论分析；(2)借鉴《拱北隧道施工图设计》中的冻结工法设计方案,根据三种管的冻结作用,确定该冻结工法的合理组合模式；(3)针对各种冻结组合模式设计相应的数值模拟方案,并利用大型数值计算软件建立数值模型,考虑相变潜热的对冻结壁扩展速度的影响,模拟各数值模拟方案的温度场发展规律；利用顺序耦合分析方法,引入热膨胀系数来考虑人工冻结过程中地表冻胀变形的影响,模拟各数值模拟方案的地表冻胀位移发展规律；(4)根据冻结工期、冻结壁厚度和冻胀控制指标要求,通过3种数值模拟方案验证：①单圆形冻结管冻结模式是否可以形成所需的冻结壁厚度,确定异形冻结管辅助冻结的必要性；②圆形冻结管为主,异形冻结管为辅冻结模式是否可形成所需的冻结壁厚度,确定首次开挖异形冻结管提前15天开启的合理性；③圆形冻结管和异性冻结管协同冻结模式中异性冻结管滞后开启时间的确定。(5)确定各数值模拟方案限位管开启的必要性,对限位管适时开启时间以及限位管热控盐水温度提出初步建议。通过以上分析,可以验证《拱北隧道施工图设计》中冻结工法设计方案(见1.1)的合理性。根据冻结工期要求、冻结壁厚度要求及冻胀控制指标,配合暗挖方案,从工程管理角度出发,优化圆形冻结管+异形冻结管+限位管的冻冻结组合模式,以便节约冻结成本。