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寒区大跨度隧道运营过程中冻害问题长期困扰着隧道工作者，究其原因在于对寒区隧道温度场特性认识不够，所采用的隧道衬砌表面铺设防寒保温层方法比较盲目。本文以某季节性冻土地区大跨度隧道为工程背景，通过室内实验测试隧道围岩导热系数及比热参数，现场实测揭示围岩原始地温及隧道常年洞内外温度变化规律，采用ANSYS有限元软件，建立了二维及三维非稳态带相变的热传导有限元计算模型，分析了隧道洞口段与洞身段衬砌保温层不同铺设厚度情况下围岩温度场变化规律，确定了隧道内衬砌保温层合理的铺设厚度及长度，为严寒地区大跨度隧道衬砌保温层的设计与施工提供参考。