为解决斜井表土段冻结井壁设计无可靠理论可依的问题,本文综合采用理论分析、数值计算与模型试验相结合的方法,研究了冻结法凿井过程中斜井表土段冻结井壁的受力规律,并提出了井壁的设计理论与方法。首先,按照力的平衡原理将初始地应力分解为等效水压力和等效骨架压力,根据水压力、骨架压力的不同特性并考虑开挖卸载作用,分别建立了初始水压力场、初始骨架压力场各自单独作用下斜井圆形井壁—冻结壁—未冻结地层间的相互作用模型,导出了冻结壁解冻前、后井壁、冻结壁与未冻地层的应力、位移解析解。分析得到了冻结、掘砌、解冻不同施工阶段,不同水、土荷载的分、合算模式,不同参数取值等等,对斜井圆形井壁受力的影响规律。构建了基于地层—结构法的斜井圆形冻结井壁的设计理论与方法,给出了按混凝土多轴强度准则推得的井壁厚度计算公式,并建议在圆形井壁设计中应采用地层—结构法与水土分算法。其次,研究提出了一种高精度、易实施的初始地应力场模拟方法,建立了符合实际施工过程的斜井冻结法凿井有限元计算模型;通过数值计算,首次获得了冻结壁解冻前后带仰拱的直墙半圆拱形斜井井壁的受力与变形规律,并理清了各因素对井壁受力的影响。研究表明:解冻过程中,井壁受力增大;一般情况下,顶拱的拉、压控制点分别为顶拱内缘中心点和顶拱内缘与边墙的交点,仰拱的拉、压控制点分别为仰拱内、外缘中心点。再次,建成了能实现三向不均等地压与孔隙水压联合加载、能模拟斜井冻结与解冻过程的斜井模拟试验台,利用该试验台分别进行了斜井井壁的静水压力试验、不同荷载组合下的地压试验、地压—孔隙水压联合加载试验以及冻结壁解冻试验,获得了不同荷载下井壁的变形规律。试验表明,静水压力与非均布地压作用下井壁顶拱部位变形存在较大差异;且在边界荷载不变的情况下,随着孔隙水压增大,井壁受力总体越来越不利。因此当地层孔隙率较大时应采取水土分算的方法,从而体现出骨架压力与孔隙水压力对井壁结构作用的差异性。最后,针对带仰拱的直墙半圆拱形斜井冻结井壁,综合上述研究成果,提出了能反映井壁与地层相互作用的井壁荷载计算方法,建立了基于荷载—结构法的井壁设计理论与方法,并给出了具体的结构计算公式。