伴随着国家对西部高寒地区基础设施建设的大力投入，寒区公路隧道建设近年来取得了较大发展。但受地质和气候条件、设计施工质量、运营维护措施等多种因素的影响，不少寒区隧道营运后出现不同程度的病害。其中，衬砌背后空洞是寒区隧道产生病害的重要原因之一。本文采用数值模拟方法着重研究了寒区隧道拱顶衬砌拱顶背后空洞在围岩冻融过程中对隧道支护结构力学性态的影响。本次研究考虑了温度场与应力场耦合、空洞积水状态、空洞形状及尺寸、围岩强度及含水状况、衬砌刚度与厚度等因素，分析总结出衬砌拱顶背后空洞对寒区隧道支护结构的影响规律。考虑寒区隧道衬砌背后空洞研究的复杂性，本文进行数值模拟分析时按影响因素将工况分成两大类：一类是空洞自身条件，如是否积水冻胀、形状尺寸等；另一类属外部条件，如围岩物理特性、冻胀率、衬砌刚度和厚度等。针对上述影响因素，本文除作单独的分析以外，还与其它影响因素进行交叉对比分析，以期全面深入的分析评价各因素影响规律与影响程度。对于以上每种影响因素，本文都建立了相应的二维弹塑性分析模型，计算出该工况下隧道围岩的应力场、位移场及温度场，着重分析研究了隧道支护结构及空洞下部衬砌段的受力变形规律，并计算出结构的安全系数，以期将影响程度进行粗略量化。通过对计算结果的大量分析对比发现：隧顶空洞积水冻胀能严重扭曲衬砌的受力状态，但仅限于拱顶附近。只有当尺寸较大时才会显著降低衬砌的整体稳定性；在围岩冻结过程中，围岩等级、衬砌刚度和厚度等外部条件对衬砌受力影响较明显，但几乎干扰不到衬砌的变形。衬砌受力和变形与围岩冻胀正相关性最为明显，三者间的变化时几乎成线性关系。此外，隧顶空洞对隧道周边温度场的影响很小，空洞外围一米之外几乎可以乎略不计。