锥形冻结是伴随TBM盾构解困而产生的一种新型冻结布置形式,对于在含水疏松砂岩地层中的TBM解困工程,锥形冻结有着传统脱困方式无法比拟的优势,但冻结对已建隧道的受力变形影响却不容忽视。本文通过解析分析、数值模拟和物理试验研究锥形冻结布置形式下,已有隧道衬砌结构的受力变形规律,对今后类似工程的设计和施工提供参考依据。首先,将不均匀冻胀性运用到单层厚壁圆筒解析解中,得出考虑不均匀冻胀性的冻土帷幕内、外缘变形量表达式,通过建立位移边界条件,得出锥形冻结下,冻土帷幕和隧道之间有未冻土存在时,隧道衬砌所受冻胀力的解析解,并对不均匀冻胀系数、体积冻胀率、土的弹性模量和隧道壁厚作单因素分析。其次,运用数值模拟进行典型参数计算、单因素试验和正交试验。通过典型参数计算得到温度场、位移场和应力场计算结果;通过单因素试验研究冻结管倾角、隧道外径、初始地温和土体弹性模量对隧道受力变形的影响;通过正交试验得到上述各因素对隧道受力变形的影响性大小。最后,开展物理模拟试验研究。运用相似理论对原型进行模化设计并进行锥形冻结试验,得到温度场和应力场试验数据并对实验结果进行分析。通过解析分析和数值模拟的对比分析,发现两种研究手段的结论相一致,通过数值模拟和物理试验的定性分析,验证了数值模拟的工程适用性。