随着临海、临江城市轨道交通建设的不断推进,盾构机因刀具大面积磨损,在地质条件复杂多变的海底、江底“受困”的情况越来越多。冻结法以其自身安全可控、适用范围广、解冻后不影响盾构掘进等特点,成为了复杂条件下盾构解困的首选方法。目前,国内外对于渗流作用下的双向分期冻结加固解困工程研究尚少。本论文以厦门地铁三号线盾构机海底解困双向冻结工程为背景,通过室内试验、三维数值模拟、模型试验和现场实测相结合的方法,对渗流条件下海底盾构解困双向冻结温度场发展规律进行研究。本文的主要研究内容和取得的成果如下:(1)通过室内试验对冻结工程所处地层进行试验研究,获得了该地层的基本物理参数、热物理参数和力学参数,通过砂砾层颗粒级配测定结果判定该砂砾层属于中粗砂层。(2)建立渗流条件下海底双向分期冻结三维有限元模型。首先,分别研究了典型参数下水平冻结、垂直冻结、双向冻结温度场发展规律;其次,通过单因素分析研究了地下水初始流速、初始地温、垂直冻结管排距、单位时间通风量、盐水温度、垂直冻结管管径及水平冻结管管径对冻结温度场的影响规律;最后,通过正交分析研究了各个影响因素对冻结温度场影响大小关系。结果表明:盾构的存在对渗流场有较大影响,最大渗流速度约为原始渗流速度的3.2倍;垂直冻结对于水平冻结温度场发展影响极大,而水平冻结对垂直冻结温度场影响较小;群孔冻结可有效减小渗流对其温度场影响程度;引入的冻结壁温度分布不均匀系数K_t可较好的反映渗流存在对于冻结帷幕温度分布的影响规律;初始地温、盐水温度和地下水流速对冻结温度场影响显著,单位时间通风量仅对临近水平冻结温度场影响较大,对垂直冻结温度场基本无影响。(3)根据相似理论设计并开展了渗流条件下双向分期冻结模型试验,研究结果表明:渗流路径下游的测点普遍比相对应的渗流上游路径的测点降温幅度大;渗流上游路径冻结壁厚度均小于相对应的渗流下游冻结壁厚度,渗流上游路径冻结壁平均温度均略低于下游路径冻结壁平均温度。(4)进行渗流条件下海底双向冻结现场实测研究,获得了海上垂直测温孔及盾构底部测温孔数据。通过对数据进行分析研究,结果表明:同一测温孔不同位置各测点降温曲线及数值基本一致;开仓动火作业对于整个冻结温度场影响较小,各测点温度未有明显上升;双向冻结方案在海底盾构解困中取得了很好的效果,验证了该冻结方案在海底盾构解困中的可行性。(5)通过对比数值模拟、模型试验和现场实测的结果,验证了三种研究方法所得结论的可靠性。