寒区水工隧洞往往存在着复杂的围岩多场耦合和衬砌冻胀问题。为解决寒区水工隧洞在低温作用下孔隙水相变引起的围岩和衬砌冻胀问题,依托新疆某水电站引水隧洞工程,结合现场监测、理论推导、数值模拟,基于现场温度监测结果,分别建立低温水热力耦合模型和水-冰相变条件下的围岩-衬砌冻胀模型,分析水-冰相变对耦合作用的影响和相变条件下的围岩冻胀特性,研究不同工况条件下衬砌物理场的变化规律,最后针对寒区隧洞存在的冻害现象提出合理的预防和整治措施,为隧洞安全施工和长久运营提供合理参考。主要研究结论如下:（1）对引水隧洞布置测温点进行围岩内部和洞腔环境温度监测,结果表明围岩最大冻结深度为2.35m,洞腔温度在一个周期内呈余弦函数变化,此结果可作为后续数值分析的温度边界。（2）分析水-冰相变对水热力耦合过程中的影响作用,结果表明在200天的耦合过程中,洞内环境温度对围岩温度的影响范围约为5m,围岩负温区和冻结深度随冻结时间推移而增加;水-冰相变在围岩水热力耦合过程中直接影响冻结深度,相变减小冻结深度并延后最大冻结深度出现时间;考虑水-冰相变后的冻结深度更接近实测值。水-冰相变引起的冻胀现象使围岩应力和变形明显增大,无相变条件下围岩最大主应力值为0.385MPa,最大竖向应变为0.038%,有相变条件时最大主应力为0.475MPa,最大竖向应变为0.041%。围岩渗流场因洞内环境温度改变导致的水-冰状态改变使得孔隙水流速大小和方向改变,无相变条件下最大渗流速度为1.15×10-11m/s,有相变条件最大渗流速度为1.22×10-11m/s,渗流速度最大值出现在拱腰至拱底附近,须按照规范施加防排水措施。（3）推导基于整体冻胀模型的冻胀力解析解,并进行解析解对比验证,计算出引水隧洞围岩冻结层内侧和外侧的冻胀力值分别是10.856MPa、4.002MPa。建立考虑水-冰相变的围岩-衬砌结构模型进行围岩冻胀特性分析,结果表明计算所得围的岩最大冻结深度为1.66m,衬砌最低温度为-12.7℃;由于冻结深度变化速率受围岩温度梯度及洞腔环境温度影响,130天后冻结深度逐渐减小直至全部变为正温区;冻胀位移绝对值呈先增大再减小趋势,最大沉降位移量为1.96mm,最大冻胀应力为0.634MPa;与冻胀前相比,冻胀后的位移和应力均大幅度增加。（4）分析衬砌结构在200天内的物理场性质,结果表明衬砌应力和位移受混凝土水化热和环境温度影响明显,最大主应力值为8.588MPa,最大位移量为1.929mm;衬砌自身温度越高,内外两侧应力和位移差值越大;低温条件下的衬砌受正温影响更为敏感。编写衬砌模型脚本,变参数研究不同工况下衬砌的温度、应力和位移,得到不同工况下的衬砌应力场状态,研究表明衬砌的应力场状态对衬砌厚度、衬砌刚度和洞腔温度敏感程度表现为:洞腔温度>衬砌刚度>衬砌厚度。