在冻结法施工中,冻结管的安全稳定是影响冻结施工顺利进行的关键性因素。近年来,在硬岩地层冻结法凿井工程中发生了多起冻结管径向失稳挤扁破坏事故,导致冻结工程失败,对工程进度和效益造成了较大影响。针对这一现象,本文通过解析分析、数值模拟和物理模拟相结合的方法对硬岩地层中冻结管径向失稳的机理和规律进行全面的研究。首先,建立“冻结管-已冻泥浆-未冻泥浆-围岩”多层筒力学模型,推导未冻泥浆区冻胀力的解析解,并获得未冻区冻胀力与泥浆冻结壁厚度及各影响因素的变化关系。其次,基于单管温度场、单管径向屈曲和岩石拉裂问题的模拟,对理想情况下受冻胀力作用的冻结管径向失稳问题进行数值计算。在考虑围岩水压致裂的情况下,掌握了冻结过程中泥浆冻结壁厚度、冻胀力变化和冻结管径向屈曲变形的规律,获得了相关因素与环形空间冻胀力和冻结管径向失稳的关系。数值计算结果表明:已冻泥浆的弹性模量、泥浆孔隙率和地层深度为影响环形空间冻胀力的主要因素,而地层初始水平应力为影响冻结孔内壁环向应力的关键因素;具体表现为已冻泥浆弹性模量越大、泥浆孔隙率越大、地层深度越大时未冻泥浆区冻胀力越大,而地层初始水平应力越大时冻结孔内壁环向应力越小。再次,采用自行设计的试验装置进行物理模型试验,对不同规格冻结管在不同工况下的冻结试验,获得了环形空间冻胀力变化规律和冻结管径向失稳规律。试验结果表明:冻结管径向失稳现象可分为加压、冷缩、冻胀和破坏四个阶段,获得的径向失稳临界荷载与水压试验和数值模拟结果相差较小,且失稳波数同特征值屈曲计算模态图;有压冻结工况时环形空间产生的冻胀力明显大于无压冻结工况;偏心情况时环形空间产生的冻胀力略大于理想情况,同一层位不同方位测点受力存在一定不均。最后,综合上述研究成果,总结得到,对比冻结管径向失稳和硬岩内侧拉裂的时间点,若硬岩拉裂先于冻结管失稳,冻结管处于安全状态;若冻结管失稳先于硬岩拉裂,则冻结管破坏。