随着国家基础设施建设的深入，逐渐完善的交通路网规划使得交通设施的建设越来越多的延伸至曾经人迹罕至的高纬度、自然条件恶劣以及高海拔地区，因此需要在多年以及季节性冻土区域修建数量众多的公路隧道。论文针对困扰寒区公路隧道的冻害问题，以某寒区隧道为依托工程，结合气象和气温等条件，采用理论分析及数值模拟等手段对隧道温度场及采用离壁式衬砌保温防寒结构的效果进行模拟，并对离壁式衬砌结构隧道的保温防冻设计进行研究。论文得到主要结论如下：1.通过隧址气温年变化函数对隧道温度场进行加载模拟，得到气温、围岩热交换以及洞内空气是控制隧道温度场变化最为显著地因素，控制隧道通风温度是解决隧道防冻问题的主要途径。2.对采用离壁式衬砌结构的隧道温度场进行模拟，得到离壁式衬砌结构可以有效减轻隧道的冻害，其主要表现为延迟温度变化的作用时间。3.采用Q系统围岩分类法对围岩类别进行了划分，对离壁式衬砌中采用锚喷衬砌及采用高性能喷射混凝土衬砌（HPC）进行力学性能对比，得出后者较前者有减少存水空间、提高结构的抗防冻能力，及有效的减少喷层背后空洞等优点。4.基于传热学理论，考虑隔热效应及边界效应对隧道保温设防长度计算进行修正，并采用等效厚度换元法，得到隧道的保温层铺设的经济厚度。5.对离壁式衬砌结构保温防冻进行设计，根据数值模拟结果设置了适宜的保温层材料及最佳铺设位置、最优的密闭空气层离壁距离。