随着我国经济的蓬勃发展,对铁路、公路基础建设的要求逐步提高,伴随着全国路网的日益完善,工程建设逐步向着高纬度、高海拔等气候条件恶劣的寒冷地区延伸。隧道作为路网的重要组成部分,由寒冷的自然条件引起的病害更是普遍存在于既有铁路、公路隧道中。这些病害既对隧道结构造成了严重的破坏,给铁路运营造成了重大的安全隐患。隧道冻胀开裂、渗水挂冰、水沟冻结等问题一直困扰着我国铁路建设和运营。过去对寒区隧道病害机理、围岩温度场及冻胀力计算等问题虽然做过一定研究,但是还没能从根本上解决隧道冻害问题。随着科学技术水平的提高和工程经验的增多,弄清隧道冻害机理,根治隧道病害的愿望显得愈发迫切。本文以高寒地区的冻土隧道作为工程背景,通过相似模型试验和数值仿真模拟相结合的方法,对隧道开挖完成后,因衬砌背后空洞积水,温度下降,积水成冰发生冻涨,从而引起隧道衬砌冻涨开裂的问题进行深入分析和研究。本文基于局部存水学说理论,通过相似模型试验模拟隧道在衬砌背后不同部位局部存水的情况下,分别研究隧道拱顶、拱脚、边墙、墙脚、仰拱等部位存水冻胀对隧道的影响规律。利用ANSYS有限元分析软件,分别研究隧道拱顶、拱脚、边墙、墙脚、仰拱等部位存水冻胀对隧道的影响规律,并对实验数据和数值模拟结果进行归纳分析,总结不同存水位置冻涨力大小的分布规律。衬砌背后积水冻结发生膨胀,会对隧道衬砌整体产生冻胀力,但不同积水位置所产生的冻胀力量值和作用位置均不相同。衬砌在不同积水冻胀位置所受的弯矩也是不同,但最大作用位置和最大冻胀力发生位置基本一致。隧道衬砌所受的冻胀压力以及产生的弯矩的分布情况基本上左右相似对称。冻胀裂缝发生位置一般为产生冻胀力最大处或表面应力集中处,裂缝形式以纵向裂缝为主。衬砌背后积冰冻胀是导致衬砌开裂的主要原因。