随着城镇化建设的不断发展,城市人口的逐渐增加,地上轨道交通规划已经越来越难以满足人们日常出行需求,人们开始不再将目光仅仅局限于地上空间结构,近年各大城市开始大规模进行地铁以及过江隧道修建,大大缓解了城市交通压力,其方便、快捷、经济的出行方式获得广大人民的认可。然而过江隧道因其复杂地质条件,端头井以及联络通道开挖问题浮出水面,常规的注浆加固已经难以满足施工要求,人工冻结法封水性好,适应性强,对开挖隧道周边建筑物影响小,加上信息化监测确保工程能够安全并且高质量、高速度地推进,利用人工冻结法辅助隧道开挖在工程中越来越受到青睐。而冻结管位布置是冻结施工过程中极其重要的一环,合理的管位布置不仅能减少资源成本的投入,更能合理的控制地表冻胀位移,减少对路基以及周边建筑物的影响,这使得人工冻结过程中对于冻结管位布置规律的研究变得十分重要。本文以哈尔滨地铁三号线联络通道开挖作为工程背景,进行以下研究:(1)冻结土体变形以及强度特性实验研究人工冻结法施工过程中,冻土的强度是评价冻结壁稳定性的重要基础。因此对人工冻结法施工处粉质粘土、细砂土与粗砂土进行不同含水率、围压、冻结温度条件下的三轴试验研究并对其强度进行分析。(2)二维土柱冻结水分迁移实验规律研究土体冻结过程中土体内部水从液相到固相的体积膨胀过程只是冻胀的一部分,开放条件下负温和冰晶的综合作用下产生的水分迁移是冻胀最主要的部分。分别对粉质粘土与细砂土在封闭条件下和补水条件下进行冻胀实验,并探究冻胀过程中水分迁移规律,为后文验证水热耦合有限元模型提供依据。(3)人工冻结法水热位移场耦合有限元模型的建立以温度和孔隙率为因变量建立关于饱和冻土水热耦合方程,得到饱和土在冻结过程中温度场和水分场变化,给出冻胀量与孔隙率之间的联系方程,将温度场、水分场与位移场联系到一起;最终利用COMSOL Multiphysics数学模块对饱和土冻结过程进行模拟,并和室内水分迁移实验数据结果进行比对,验证模型准确性。(4)基于多场耦合模型进行不同布管方案数值模拟分析考虑冻结孔大小、数量、间距、排数等因素确定多种冻结管管位布置方案,数值模拟分析得到管位布置规律。并以地表冻胀位移、冻胀交圈时间、完成时间、计划所需冷量衡量管位布置的合理性,确定合理的管位布置方案。(5)人工冻结施工温度场、位移场现场监测在人工冻结同步施工过程中对冻结壁温度场以及地表位移场进行现场监测,获得温度场以及地表位移场实际结果;在指导工程施工的同时,对比分析现场监测实际结果与数值模拟结果,可验证有限元模型准确性,以便证实模型具有普遍性,可广泛应用于人工冻结法工程前期论证之中。