我国是一个多山的国家,随着经济的发展,国家大力发展交通基础设施建设,在穿越山岭时隧道工程发挥着重要的作用,然而有许多隧道位于高纬度、高海拔的寒冷地区,加之地下水比较丰富时,容易发生冻害,威胁到隧道结构的稳定及行驶车辆的安全,对人的生命财产造成危害。因此,采取行之有效的措施来预防或者减轻冻害的发生是寒区隧道需要解决的问题。寒区隧道冻胀力的研究具有重要的实际意义和广阔的发展空间。通过对发生冻害现象的隧道进行研究,发现冻胀力是冻害发生的主要原因,而对于冻胀力的研究主要是将温度、应力及渗流场进行耦合,此方法工程应用具有很大的困难,工程适用性低。鹤大高速回头沟隧道冬季气温低,为了预防冻害的发生,本文采用现场监测和室内试验的方法测得相关参数,然后以弹性力学和弹塑性力学为基础对冻胀力进行了研究,最后对回头沟隧道防冻措施进行了研究。得到的结论如下:(1)通过现场温度监测发现,隧道围岩温度变化趋势与外界气温变化趋势相同,随着径向埋深的增加变化幅度减小,围岩温度变化滞后于外界气温的变化;围岩冻结深度在2m左右。(2)通过围岩冻胀性试验,得到岩石的应变过程为先减小后增大最后趋于稳定;岩石的冻胀量受温度影响较小,冻结温度越低岩石应变达到极值的时间越短;岩石的线性冻胀率为0.045%。(3)以弹性力学为基础,分析衬砌弹性模量、冻结深度、冻胀率及衬砌厚度对冻胀力的影响,其中衬砌弹性模量、冻结深度、冻胀率对冻胀力影响较大,衬砌厚度对冻胀力影响较小;得到回头沟隧道三个断面的冻胀力为1.89MPa、0.74MPa、0.47MPa。(4)以弹塑性理论为基础分析冻胀力作用下衬砌内应力分布规律,得到衬砌内压应力较大的部位主要位于边墙内侧、仰拱中间的上部;冻胀力较小时衬砌内都为压应力,随着冻胀力的增大衬砌内出现拉应力,主要位于拱脚内侧及拱顶内侧。(5)对回头沟隧道防冻措施进行了研究,根据温度监测数据,求得隧道保温层厚度应为5cm;用数值模拟软件对保温层厚度及长度进行了计算,保温层铺设厚度为5cm,长度为200m。