针对目前孔隙富水稳定岩层中斜井单层冻结井壁设计缺乏科学依据的问题,本文综合采用解析分析、数值计算与物理模拟试验方法,研究了冻结法凿井过程中孔隙富水稳定岩层中斜井单层井壁的受力与变形规律,建立了圆形井壁的设计理论与方法,提出了非圆形井壁设计的指导原则。首先,分析了冻结法凿井过程中富水岩层段斜井单层冻结井壁的受力特点;基于静力平衡原理,将初始地应力分解为等效骨架应力和等效孔隙水压力,建立了在这二种力分别作用下,冻结法凿井全过程中井壁—冻结壁—岩层相互作用解析分析平面应变模型;基于水压致胀效应,获得了孔隙水压在冻结壁解冻后重新进入冻结区域对井壁受力的影响;首次导出了冻结、开挖、砌筑和解冻阶段井壁、冻结壁、富水岩层的应力和位移解析解;揭示了在孔隙水压作用下井壁与围岩相剥离的机理;全面分析了施工各阶段各因素对圆形斜井井壁受力与变形的影响规律,分清了主、次要因素;首次建立了能考虑孔隙水压作用的圆形斜井井壁的设计理论与方法。研究表明:孔隙水压、孔隙率是影响井壁受力的主要因素,其影响随孔隙率、孔隙水压的增大而递增;应将初始地应力分解为等效骨架地压与等效孔隙水压,采用地层结构法分别进行井壁受力计算,然后迭加获得井壁受到的总荷载;冻结壁完全解冻后,井壁外载最大,应以此力作为井壁设计外载。其次,基于稳定岩层富含孔隙水的特点,首次建立了冻结法凿井全过程中,考虑初始骨架应力场和随机孔隙水压场的圆形和直墙半圆拱形斜井井壁—冻结壁—孔隙含水岩体相互作用平面应变大型数值计算模型;提出通过对断面进行多次随机孔隙建模,取所有模型计算结果平均值来间接模拟孔隙含水岩层中井壁三维受力的方法;在考虑孔隙水压作用情况下,揭示了冻结法凿井全过程中圆形和直墙半圆拱形斜井井壁的受力与变形规律,掌握了主要因素对井壁受力变形的影响规律,提出了带仰拱的直墙半圆拱形斜井冻结井壁的设计指导原则。研究得出:对于圆形斜井井壁,考虑孔隙水压的地层—结构模型所得井壁外缘法向荷载是不考虑孔隙水压的1.45~1.61倍,是初始法向应力的0.26~0.52倍;一般情况下,圆形井壁内缘不会出现拉应力,最大、最小压应力控制点分别为θ=0°、90°处;带仰拱的直墙半圆拱形斜井井壁顶拱和直墙部位一般不会出现拉应力,最大、最小压应力控制点分别为顶拱中心点和顶拱与边墙交点;仰拱部位拉、压控制点可分别取仰拱内缘中心点和仰拱外缘中心点。第三,研究提出了高孔隙水压条件下,带仰拱的直墙半圆拱形模型井壁与试验台端盖之间的密封方法;设计了一套能形成设定厚度和平均温度的冻结壁的井内冻结工艺;建立了能实现高地压和高孔隙水压加载、可模拟解冻过程中非加圆形井壁受力模拟试验台。利用该试验台进行了静水压力、有无冻结壁存在的地压—水压联合加载、地压—水压联合加载情况下的冻结—解冻试验,获得了井壁在上述工况下的变形规律。试验表明:在有围岩存在的情况下,井壁受力值显著低于初始地压和孔隙水压值;随孔隙水压的增大,井壁受力越来越大,井壁顶拱及仰拱部位变形差异逐渐增大;在孔隙富水稳定岩层中,应采用初始等效水压和等效骨架压力分算的方法,从而体现出骨架应力与孔隙水压力对井壁作用的差异性。本文的研究成果为更有效、可靠、经济地设计孔隙富水稳定岩层斜井井壁提供了依据。该论文有图192幅,表30个,参考文献130篇。