人工冻结法作为地下结构施工的重要技术手段,被广泛应用于矿井、地铁、隧道等工程建设当中,但大量案例表明,当地层内存在较大地下水流速时,冻结法的施工质量将显著降低,在造成工程成本增加的同时加大了安全事故的发生率。为提高人工冻结法在高渗透性地层中的适用性,保障人工冻结方案设计的合理性及经济性,本文以富水砾石地层为研究对象,通过模型试验与数值仿真,探究地层内温度场与冻结壁形成规律,并结合蚁群算法构建冻结方案优化设计方法,主要得到以下几个方面结论:(1)在渗流作用的影响下,冻结地层内温度场分布具有不对称性,下游温度明显低于上游。渗流速度越大,上游冷量扩散范围越小,下游冷量扩散范围越大,上、下游对应位置温差值越大。(2)受恒温水流作用,相较于下游,上游冻结壁发展速度较慢,冻结壁厚度较薄,整体冻结壁发育不均匀,冻结壁交圈位置向下游偏移。渗流速度较大时,冻结管中心位置冻结壁呈弧状,该位置为冻结壁薄弱区。(3)在冻结壁形成过程中,影响冻结壁交圈的首要因素是冻结管间距,影响上、下游冻结壁厚度的首要因素是地下水流速。(4)建立地铁联络通道冻结方案仿真模型,根据冻结壁发展形态确定冻结管布局优化区域,并结合高斯分布函数定义参数化公式。(5)基于蚁群算法,构建冻结管布局优化体系,案例试算表明,优化布局后冻结时间可缩短30.95%,且形成的冻结壁具备优良的工程质量特性。因而,该优化设计方法具有良好的优化效果,具备进一步发展与推广的价值。