高海拔寒区隧道排水结构设置困难且局限性较大,隧道防排水结构和保温措施的设置仍是目前被关注的焦点问题。随着研究的不断进步,新材料的应用和新结构的研究将是排水保温设计的重点发展方向。本文针对高海拔寒区隧道仰拱保温材料和结构形式进行研究,从新材料、新工艺的角度出发,进行了仰拱充填泡沫混凝土的可行性分析,研制了高性能泡沫混凝土,提出了采用新材料的寒区隧道仰拱保温结构和保温布设方案。结合寒区隧道仰拱填充施工要求以及泡沫混凝土的基本特性,进行仰拱充填泡沫混凝土材料的可行性分析,包括材料变形、施工工艺、强度等要素分析。通过配合比设计研制了高强度的泡沫混凝土,得到了研制泡沫混凝土的强度特征,给出了低温低压下泡沫混凝土抗压强度与干密度的关系函数,并对不同大气压下混凝土的差异性进行分析。顺应高海拔高寒地区气候特点,进行冻融循环实验,分析得到了不同干密度的泡沫混凝土的冻融循环劣化特征。利用自研的导热系数测试装置测定泡沫混凝土的导热系数,得到了泡沫混凝土导热系数随干密度的变化规律。实验结果体现了研制的高性能泡沫混凝土作为仰拱填充材料的先进性和适应性。以隧道围岩温度场控制微分方程为基础,建立了隧道仰拱、混凝土填充层和下部围岩温度场的计算模型。实例分析表明仰拱保温结构中泡沫混凝土填充层起到了明显的防冻保温作用。最后,基于混凝土试验及隧道围岩热传递理论计算结果,给出隧道仰拱保温结构及排水结构埋设方案,借助于有限元计算软件分析了排水结构不同方案设置下的温度场分布规律。数值计算结果表明,本文提出的仰拱保温结构及排水结构布设方案满足保温防冻的要求,减小了中心排水沟的埋深,降低了施工风险,推动了排水保温设计中新材料、新结构的发展。