管幕冻结法就是管幕法与冻结法的结合,由顶管形成的管幕作为承载结构,冻结形成的冻土帷幕作为顶管间防水结构,充分地结合了管幕法与人工地层冻结法的优点。该方法已在我国港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道施工中得到成功应用。顶管内冻结器的结构类型和布置方法对管幕冻结法的应用效果起着决定性作用,为此,本文采用模型试验和数值模拟相结合的方法,对不同冻结器布置方式下管幕冻结的单管冻结温度场进行深入分析,以期获得最优冻结器的结构类型和布置方式。本文主要研究内容和成果如下:(1)考虑实管-圆形冻结器、空管-双圆形冻结器、空管-异形冻结器三种不同布置方式,基于相似准则,建立了单管冻结的大型模型试验系统,对单管冻结温度场进行了试验对比研究,结果表明:在21h时,实管-圆形冻结器的温降速率在同一位置比空管-双圆形冻结器的温降速率大0.05℃h,而空管-异形冻结器的温降速率在同一位置比实管-圆形冻结器的温降速率大0.1℃h,随后时间三种冻结器温降速率相差不大。(2)考虑实管-圆形冻结器、空管-双圆形冻结器、空管-异形冻结器三种不同布置方式,采用ANSYS有限元程序,对单管冻结温度场进行了数值模拟对比研究,结果表明:在21h时,实管-圆形冻结器的温降速率在同一位置比空管-双圆形冻结器的温降速率大0.16℃h,而空管-异形冻结器的温降速率在同一位置比实管-圆形冻结器的温降速率大0.19℃h,随后时间三种冻结器温降速率相差不大。(3)通过模型试验和数值模拟的相互验证和对比综合分析,在实管-圆形冻结器、空管-双圆形冻结器、空管-异形冻结器三种不同布置方式中,空管-异形冻结器的冻结效果最优。但是异形冻结器采用弧形角钢形式焊接,加工难度较大,并且焊缝较多且存在大量的仰焊,对焊接的要求较高,很容易发生冷冻液外漏的问题,后期的维护成本较大。因此,可以考虑采用空管-双圆形冻结器代替空管-异形冻结器。本文研究成果对管幕冻结法的设计和施工具有重要指导意义,并能更好地将管幕冻结法推广应用于富含水地层浅埋超大断面隧道工程建设中。