我国是世界上冻土面积分布最广的国家之一，在高海拔、严寒地区，隧道冻害易导致其内设备挂冰、衬砌剥落，甚至冰塞废弃等严重破坏，严重威胁寒区隧道安全与高效运营。

中国科学院武汉岩土力学研究所陈卫忠、谭贤君研究团队针对隧道冻害机理复杂，防寒保温层设计理论尚不完善等问题，开展了系统的理论探索、技术攻关与工程验证，取得了多项成果。

据介绍，岩体内布满孔隙、裂隙等，在毛细作用和表面吸附作用下，岩体在低温下始终存在一定的未冻水，导致其冻结状态难以准确判定。而冻结状态是决定岩体内部冻胀力大小的关键因素。对此，项目团队用自主改进的低温型核磁共振设备，首次在试验室成功获取了岩体内水分冻结过程中的“过冷”温度和冻融循环过程中“滞回曲线”演化规律；运用表面吸附理论等经典物理理论，提出了临界冻结孔径、未冻水膜厚度和过冷温度理论计算方法；建立了新的具有明确物理意义的岩体冻结状态计算模型，与实测结果对比表明：理论计算模型具有较高的准确性，提升了岩体未冻水含量的认识水平。

岩体冻结过程中水、冰相变和水分迁移引起的冻胀力是诱发岩体冻胀开裂的主要原因。该项目团队提出了低温相变细观孔隙和宏观裂隙冻胀力计算方法，率先实现了低温相变岩体细观孔隙和宏观裂隙冻胀力求解方法全覆盖，为低温相变岩体冻胀损伤劣化特征的定量描述提供了理论支撑。

揭示寒区隧道的冻胀破坏机理是保证隧道安全性和稳定性的关键。该团队揭示了寒区隧道低温相变岩体在围岩变形、温度传导、水分迁移、冰水平衡和冻融损伤耦合作用下的相互影响规律，进而提出了寒区隧道多场耦合冻胀破坏理论。突破了既有冻胀理论仅从力学角度进行隧道围岩冻胀评价的局限，提升了低温相变岩体多场耦合和隧道冻胀破坏理论研究水平。

此外，研究团队还建立了基于时均化湍流模型和温度壁面函数法的寒区隧道风温场求解方法，揭示隧道内空气温度、湿度以及风速对隧道冻胀区域的影响规律；提出了寒区隧道围岩壁面与空气换热系数的温度壁面函数法，实现了通风条件下隧道内空气与围岩热交换量的准确计算，为寒区隧道围岩冻胀范围的确定、防寒保温材料的选型、布设型式和参数的设计提供了理论依据。

该研究成果获授权美国发明专利2项、中国发明专利5项，指导了黑龙江虎峰岭隧道、吉林拉法山等隧道的冻害评估与处治方案制定，产生了显著的经济与社会效益。