目前,对于高海拔寒区隧道的防冻设计仍没有一种明确的计算方法,设计人员大多依据已有的工程经验进行取值,经常出现因防冻措施设计不足影响隧道运营安全,或是设计过度造成浪费的情况。同时,对于冻胀作用下衬砌结构安全性评价也缺乏理论依据和计算方法,几乎只能在隧道建成后通过观察衬砌变形破坏来评价冻胀作用下隧道结构安全性。随着我国西部交通建设的快速发展,未来西部山区中必将建设大量的高海拔寒区隧道,寒区隧道防冻设计参数计算和隧道结构安全性评价方法必然会成为建设中急需解决的问题。本文依托巴朗山隧道工程的建设,对高海拔寒区隧道温度场分布特征、隧道防冻设计方法和冻胀作用下隧道衬砌结构安全性评价展开了研究。根据隧道通风影响下外界低温环境对隧道温度场的影响方式,提出了一种通过流体—热耦合模型计算隧道洞内气温分布特征及通风影响下的围岩温度场计算方法。设计了一种通风条件下隧道气温分布特征室内模型试验,采用流体—热耦合模型对模型试验中的不同工况进行了数值模拟分析,根据模型试验结果验证了简单边界条件下流体—热耦合模型的计算结果。在巴朗山隧道现场进行气温实测工作,得到了巴朗山隧道施工阶段气温分布特征。建立施工条件下的流体—热耦合数值模型,并与现场实测结果进行对比验证。根据裂隙岩体的渗流特性,提出了一种分别考虑一般裂隙岩体和破碎裂隙岩体的改进的渗流计算方法和渗流影响下的围岩温度场计算方法。通过调查巴朗山隧道隧址区岩体裂隙发育特征和水文地质条件,了解了岩体裂隙发育特征和地下水补给情况,并以此对巴朗山隧道裂隙岩体隧道渗流场和渗流影响下的巴朗山初始岩温场进行了计算。根据通风和渗流影响下隧道围岩温度场计算方法,提出了一种考虑通风—渗流耦合的寒区隧道温度场计算模型,并实现了这种模型中的多种软件的联合求解。采用这种模型和计算方法对巴朗山隧道的围岩温度场进行了数值分析得到了通风—渗流影响下巴朗山隧道围岩温度场分布特征,并根据围岩温度场分布特征得到了巴朗山隧道的防冻措施设防长度为930m。考虑寒区隧道中围岩岩温分布特征和地下水渗流影响方式,初步提出一种寒区隧道通风—渗流影响下的隧道洞内气温估算公式,并采用该公式对巴朗山隧道防冻设防长度进行了估算。对现有的隧道冻胀模型及冻胀荷载分布特征计算方法进行了讨论,设计了一种考虑裂隙岩体渗流条件的隧道衬砌冻胀特征室内模型试验,根据模型试验结果不同的冻胀荷载计算方法进行了验证,确定出寒区隧道中冻胀荷载的分布形式。基于隧道衬砌的应力或收敛变形,提出了一种冻胀作用下隧道衬砌结构安全性评价方法,通过巴朗山隧道冻胀安全性现场监测,采用该方法对巴朗山隧道冻胀作用下的结构安全性进行了评价,得到了巴朗山隧道衬砌冻胀安全系数为2.67,满足工程要求。