为满足我国西部含水地层中斜井冻结法凿井的需要,本文开展了含水地层中斜井双层复合冻结井壁内壁力学特性研究,提出了含水地层中斜井双层复合冻结井壁内壁设计方法,基于数值计算结果和近似求解方法开发了FSL_CAD软件包(FSL_CAD:Computer Aided Design of Freezing Inclined Shaft Lining)。首先,建立了井壁四圆弧通用等厚力学模型,然后根据永久使用阶段冻结斜井内壁受力特点,建立了不考虑与考虑围岩限制作用的斜井井壁计算模型,获得了井壁几何参数组合与井壁弹性力学特性的关系。数值计算研究表明:考虑围岩限制作用改变了井壁变形模式和应力值,但不改变拉压状态;井壁几何参数与应力存在以下关系:井壁仰拱环向应力与仰拱半径成二次函数关系,井壁顶拱环向应力与顶拱半径成线性关系,井壁各点环向应力与井壁厚度成三次函数关系。其次,提出了仰拱增厚模型,获得了不考虑围岩与考虑围岩条件下井壁弹性力学特性关系,研究表明:不考虑围岩限制作用模型下,仰拱增厚模型可以有效降低井壁的向内变形量,仰拱段变形减小量均达到60%,同时可降低井壁各点环向应力;考虑围岩限制作用模型下,仰拱增厚模型主要对仰拱部分起作用,顶拱和侧墙段径向位移和环向应力与等厚模型相比几乎无变化,仰拱增厚仅仅降低了仰拱段的径向变形量和环向应力值,仰拱段环向应力变化更加平缓,建议施工时填平仰拱内缘。第三,进行了通用模型近似解法研究,获得了以结构力学力法和以温克尔地基梁理论为基础的框架模型解法和曲梁模型解法,并提出了三种仰拱不等厚模型。研究表明:框架模型近似解法可在井壁厚度与井壁净跨比不大于0.14时进行不考虑围岩模型的计算,超出范围时需对模型进行荷载修正或轴线修正;曲梁模型计算考虑了围岩的影响,通过多次迭代达到与实际更贴切的结论;三种不等厚模型的分析表明,仰拱不等厚模型C为最佳模型,建议工程实际中采用。最后,以数值计算和近似解法为基础,开发了FSL_CAD软件包,并总结了斜井双层复合冻结井壁内壁设计方法,提出斜井双层复合冻结井壁结构宜选用带仰拱的结构,且仰拱半径尽可能的小。采用FSL_CAD软件进行了实例试算,计算过程较为方便。综合全文研究表明,仰拱对于井壁整体的受力和变位影响很大,合理设计仰拱可有效的降低井壁模型的内力,减小井壁模型的厚度。斜井井壁设计时设计荷载取全水压,断面取带仰拱结构,按控制点应力小于混凝土综合强度进行设计。