随着我国经济的蓬勃发展和西部开发战略的不断深化,越来越多的公路建设向高海拔、高纬度地区推进,伴随产生的高寒地区隧道冻害问题成为高寒地区隧道设计施工运营中不可避免的问题。本文以世界第一高海拔特长公路隧道——雀儿山隧道为工程背景,针对典型冻害特征以及冻害产生的机理进行分析。在探明冻害形成机理之后,利用有限元方法对衬砌背后储水空间冻胀、富水区段裂隙节理内积水冻胀等问题进行详细的模拟研究；并且基于流场和温度场控制方程,采用有限容积法对不同外界温度、不同通风方式等条件下隧道内的空气温度随时间和空间以及隧道长度的变化规律进行探讨。研究内容和研究成果如下：(1)调研了高纬度、高海拔等高寒条件下隧道冻害的特征；结合过去修建的寒区隧道所产生的冻害问题,对典型冻害现象的成因进行了分析。(2)基于有限元数值模拟,针对隧道二衬背后不同冻胀率条件、不同储水空间的体积、以及不同的储水空间位置所导致的冻胀荷载对二衬结构应力、损伤和变形进行了详细研究；对富水区段裂隙节理内积水冻胀荷载的量值进行了研究,对比了不同倾角、不同间距等条件下冻胀力对结构的附加荷载效应,得出裂隙内积水冻胀对隧道结构的不利位置。(3)基于气流场控制方程和温度场控制方程,对不同外界温度条件、不同通风方式以及不同隧道长度等条件下隧道内的温度场随时间和空间的变化规律进行了研究。探明了隧道内负值温度覆盖范围、周期性变化温度影响下隧道内温度场变化幅度、以及不同“平导压入分段纵向式”通风条件下隧道内的温度场分布规律。