针对冻融循环作用下高纬度寒区隧道出现性能劣化和结构失效的问题，开展混凝土冻融循环试验，研究冻融循环作用下混凝土强度劣化规律。建立变温条件下寒区隧道衬砌力学热力耦合数值分析模型，分析隧址区温度、保温层厚度和保温层铺设方式对隧道冻融圈、结构内力和损伤演化的影响。研究结果表明：(1) 随冻融循环次数增加，混凝土弹性模量和峰值应力减小，峰值应变增加，进一步提出了考虑冻融循环次数的混凝土全过程压缩应力-应变本构关系；(2) 隧址区温度振幅越小、保温层越厚，围岩温度变化率和冻融分布范围越小，贴壁式保温层铺设方式的冻融范围更小，保温效果最好；(3) 围岩整体冻胀使衬砌结构产生附加应力，围岩整体冻胀后衬砌结构最大拉、压应力位置不变，分别位于仰拱临空侧和拱脚临空侧；(4) 寒区隧道损伤主要集中于仰拱区域，早期损伤程度较低，随运营年限增长，损伤区域不断扩大形成贯通裂缝造成仰拱破坏；(5) 隧址区温度振幅减小和保温层厚度增加使衬砌结构损伤起始时间延后、服役年限增长，贴壁式保温层能充分发挥保温效果，当保温层厚度达到4cm时，隧道不会产生冻胀损伤。

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