我国青藏高原、东北北部地区及西北地区存在着广阔的冻土,随着经济的大发展,在高海拔和高纬度地区修建隧道已不可避免。调查显示,冻害是影响这些地区隧道安全运营的主要因素。通过查阅文献资料,总结了国内外专家学者对寒区隧道温度场、应力场的研究成果,并总结了寒区隧道基本理论、传热学和冻土力学等基本理论知识。目前,国内外对寒区隧道的研究成果颇丰,而本文将寒区隧道洞口段力学行为作为主要研究对象。考虑到隧道洞口段围岩的水热耦合环境,通过室内模型试验和数值模拟,研究不同含水条件下寒区隧道洞口段结构受力特性。论文主要研究内容及结果如下:根据相似理论建立了相似比为1:50的寒区隧道洞口段模型,采用不同含水率的黄土模拟不同水分条件下的围岩,并沿着隧道径向选择三个测试断面,通过模型箱中的冻结试验,量测围岩及隧道衬砌不同断面在冻结过程中温度场的分布规律,衬砌的径向和环向应力,端墙式洞门墙背所受的水平冻胀力,以及洞门和边坡的变形规律。从试验结果发现:随着含水率增加,围岩冻结速率变快,洞门墙背水平冻胀力增加12%,隧道衬砌环向应力增加10.5%,径向应力增加9.2%,洞门和边坡位移增加11%。对隧道洞口段试验模型进行ANSYS热-力耦合数值模拟,分析不同含水条件下模型温度场的分布规律,并与模型试验结果进行对比分析,并研究衬砌环向和径向应力,洞门墙背的水平冻胀力分布规律,以及洞门和边坡的位移变形规律,将数值模拟的结果和模型试验的结果对比。结果发现:相对于模型试验,数值模拟的温度降低速率较快;模型试验和数值模拟的洞门墙背水平冻胀力存在23.5%的误差,衬砌环向和径向应力变化规律与模型试验相似且误差约为20.2%,洞门和边坡的位移与试验误差为22.8%。本文通过模型试验和数值模拟对寒区隧道洞口段结构特性进行研究,为接下来研究寒区隧道其他典型洞门在冻融循环作用下的力学特性和防冻技术提供了一定的参考。