随着寒区隧洞建设的增多,低温冻胀作用对寒区隧洞产生的影响也越来越突出。为解决季节性寒区水工隧洞围岩和衬砌的冻害问题,本文依托新疆某水电站水工隧洞工程,通过现场原位监测实验得出环境温度、围岩温度和支护结构冻胀应力的变化特性;以工程资料和多场耦合理论为基础,建立瞬态水-热-力三场耦合作用下的三维冻胀模型,分析了冻结区在冻结期内的空间分布及变化规律,以及隧洞不同位置的冻胀力大小及变化规律;基于摩尔库伦塑性准则和支护结构应力应变关系曲线建立了考虑冻胀作用的围岩-支护结构受力模型,分析了冻胀作用下围岩和支护结构应力和塑性区的分布及变化规律,研究了不同因素对冻胀力及支护结构承载安全性的影响,并给出了相应的防冻害措施;最后建立了考虑通风的瞬态水-热耦合保温模型,给出了寒区水工隧洞保温层的优化设计方法。根据上述研究,初步得出如下结论:（1）通过对环境温度的监测分析可得,环境的年温度变化符合正弦函数变化规律,通过对其拟合,可为数值模拟提供瞬态温度边界;由围岩内各测点的温度值可近似计算出相应断面的冻结深度,可对数值计算的温度场进行验证;通过对不同测点应力-时间变化曲线的分析发现,受温度影响,进口段各监测断面的冻胀应力随时间的变化规律均是先增大后减小,但越靠近洞口的断面在冻胀期内冻胀力发展越快,冻胀应力值越大。（2）分析了水-热-力三场耦合作用机制,给出了适用的三场耦合控制方程,以耦合方程为基础通过数值分析得到隧洞进口段冻结区在空间上呈长颈漏斗形分布,不同冻结时间及冻结温度,漏斗锥形区和长颈区变化不同,这也导致了冻胀应力在纵向沿着进深方向以距洞口处20m为界分为冻胀应力陡减区和缓减区,围岩冻胀应力最大值在洞口断面,支护结构在环向上产生冻胀压应力,在拱顶和拱底处冻胀应力相对较小,而后沿环向逐渐增大至拱腰处达到最大,与监测结果一致。（3）冻结期内围岩产生冻胀拉应力,支护结构产生冻胀压应力,围岩和支护结构的最大冻胀应力均是在拱腰处,围岩和支护结构的冻胀应力在冻结期内均是先增大后减小,但围岩和支护结构的等效塑性半径及塑性应变值随着冻结时间的增加而逐渐增大,冻结期末围岩的最大塑性应变为1.27×10-3,支护结构的最大塑性应变为2.126×10-3,冻结期末的残余塑性应变越大将导致围岩和支护变形的不可回弹量越大,岩体内部储水空间越大,冻融循环对围岩和支护结构的承载安全性越不利。（4）通过对五种影响支护结构承载安全性的因素分析可得,洞腔温度越低会导致冻结深度越大;围岩孔隙率越大,饱和岩体的含水量越高,冻结产生的膨胀量越大;热膨胀系数越大,导致冻胀率增大。以上三种参数的增大均通过不同途径导致冻胀力增大,支护结构应力值和拱腰周围的塑性应变增大,支护结构的承载安全性降低。弹性模量越大,支护结构的抗拉压强度越大,虽然在相同工况下支护受力越大但支护结构在40GPa时塑性应变为0,而在20GPa时超出了极限塑性应变值;支护结构厚度越大,支护受力越小,冻胀力也越小,塑性应变也越小,支护结构的承载安全性越高。（5）数值分析比较了保温层不同敷设方式、不同导热系数、不同铺设厚度时的保温效果,得到保温层铺设方式的保温效果由好到差依次为:贴壁式、双层式、夹心式;拟合了二衬内测点年最低温度与保温层厚度和导热系数的关系式,根据进口段围岩和衬砌的防寒设计要求,得到防止该工程进口段产生冻害的保温层铺设厚度应大于6.2cm或选用保温材料的导热系数应小于0.021w/（m℃）。