随着城市地下空间资源的不断开发和利用,隧道、地铁等工程的数量不断增加,特别是地铁建设的不断兴起,已成为解决城市拥堵的主要手段。本文以郑州地铁一号线龙子湖中心站~文苑北路站~河南大学站区间联络通道人工冻结法施工为例,运用室内冻土力学实验、数值模拟和现场实测综合方法,较系统的研究了地铁联络通道砂土冻结过程中地层温度场、渗流场及应力场的变化规律,位移场的分布规律,主要研究内容如下:(1)首次对郑州地区典型砂土进行冻土的单轴压缩、单轴抗折和三轴剪切试验,研究不同土质、温度、含水率和围压下郑州地区砂土的力学强度特性。(2)基于连续介质力学、热力学及渗流力学理论,根据温度场、渗流场和应力场三场耦合机理,利用Drucker-Prager准则并匹配Mohr-Coulomb准则的强度理论,建立含相变的热流固三场耦合的控制方程。(3)采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合的有限元软件,考虑温度与未冻水含量的关系对物理、力学和热物理参数及变量的影响,对郑州地区联络通道的积极冻结期的温度场、渗流场和应力场三场耦合进行数值模拟,模拟冻结过程中温度、渗流和应力的分布情况及地层沉降量;模拟不同联络通道埋深(联络通道顶端距地表5m,10m,15m和20m)对地表沉降的影响;模拟不同土质(砂土、粉质黏土和黏土)在埋深为10m的联络通道开挖后对地表沉降的影响。(4)在地铁联络通道施工过程中对盐水温度,冻土温度,地面沉降等方面进行监测,并对监测结果进行合理的分析,可以判断出冻结壁的形成状态是否良好及其有效厚度,地面沉降在合理的范围内,并提出相应的建议供相似工程参考。(5)数值模拟数据和现场监测数据的对比可以很好的反应不同时期地表的变化情况;可以确定本文所建立的温度场、渗流场和应力场的三场耦合的数值模拟是合理的,数值模拟中的温度、渗流和应力的变化是可以为预测现场施工过程中冻土温度变化、地表位移的变化提供有效的理论依据。