港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道下穿拱北口岸,地理位置独特,政治因素敏感,地质条件复杂,周边建筑密集,工程风险巨大。隧道采用创新的曲线管幕和水平控制冻结支护下超大断面浅埋暗挖法,成功下穿敏感建筑。目前,对于管幕冻土复合结构支护下的超大断面浅埋暗挖法系统研究尚不多见,其原理与机制、参数与控制、受力与变形等方法与规律需要系统研究。本文对管幕冻土复合结构的支护原理、关键参数、控制方法、受力特性、环境影响等方面展开研究,主要工作和研究成果如下:(1)确定管幕冻土复合结构管节长度、顶管直径、顶管壁厚等影响管幕工程安全性、耐久性与经济性的关键参数;进行现场人工冻土力学试验,获得抗剪强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力等关键参数及其随温度的变化规律;进行人工冻土帷幕封水性与冻胀性研究,确定合理冻土帷幕厚度;进行现场原位试验,研究冻土帷幕温度场分布规律,得到合理的冻土帷幕控制温度。(2)确定顶管管节首尾中心坐标,提出空间曲线管幕轨迹的控制方法,分析顶管的轨迹精度,验证控制方法的可靠性;提出人工冻土帷幕厚度关键部位加热与降低冻结冷量两种控制方法,并通过现场原位试验,验证控制方法的合理性;优选管幕冻土复合结构支护下超大断面浅埋暗挖开挖工法,提出合理安全控制措施。(3)分别考虑钢管与冻土的特性与参数,通过数值计算的手段,分析管幕冻土复合结构支护下大断面浅埋暗挖隧道管幕冻土复合结构的受力特性,得到管幕冻土复合结构的受力规律,分析管幕冻土复合结构的承载能力,验证管幕冻土复合结构的可靠性。(4)通过现场设置地表变形、隧道变形、地下水位变化等监测数据,分析群管顶进、大断面长距离水平控制冻结、超大断面多层时步立体开挖下的隧道上部地表与建筑物变形规律,掌握管幕冻土复合结构支护下浅埋暗挖隧道对环境的影响规律。