高速铁路的快速发展,使得深埋大、距离长的隧道需求日益增长。由于纵向距离很大,列车速度的不断提高以及行车密度和客运量的与日俱增,高速列车能耗及附属设备产生的大量热量将释放到隧道环境中。在通风不畅,土壤及隧道结构散热不是很好的情况下,会引起隧道内热量的积聚和隧道纵深方向温度的不断升高。相当多的热能转换到隧道壁中,导致隧道内壁发生严重的剥蚀现象以及寒区隧道的融沉破坏。论文围绕高速列车隧道系统,考虑长隧道内高速列车运行的三维空气动力学效应,空气与围岩的对流换热以及围岩热传导,对长隧道内温度变化以及隧道周围岩体温度场特征进行了研究。具体表现在：1.以流体力学和传热学理论为基础,考虑空气与围岩对流换热,建立了三维粘性、可压缩、不等熵非定常流模型。应用有限体积法,对长隧道内运行的高速列车进行三维空气动力学分析。本文详细分析了不同阻塞比(0.13,0.21,0.32)、不同列车速度(350km/h,432kh/h,500km/h,600km/h)、不同车头形状(30°,45°,60°)下高速列车在长隧道中运行时,隧道内车周三维速度场、压力场,探究了列车运行阻力产生的机理,计算了车头车尾的压差阻力,车身表面的摩擦阻力,比较了不同工况下列车在隧道中运行时的阻力系数,得到了列车克服全部阻力高速运行所需能耗产生的热量。隧道内热量的来源主要是用来克服列车运行阻力而消耗的牵引能。热量的积聚与列车隧道系统阻塞比的关系非常大,隧道内热效应受到列车速度的影响仅次于阻塞比,改变列车头部形状,也可改变释放到隧道内的热量。行车密度对温度的影响也是非常关键的,隧道内温度的升高与列车空调放热也密切相关。环境压力水平与列车能耗直接相关,采用低压真空隧道会显著降低长隧道内的温度升高。2.将有限体积法与有限元单元法结合,运用传热学、固体力学的基本理论,考虑空气与围岩的对流换热和围岩热传导耦合,建立了温度应力耦合计算模型。温度变化对岩体的应力影响,通过将温度作用产生的初应变转化为初始荷载累加到荷载向量中实现,对隧道内空气与围岩对流换热及围岩热传导耦合问题进行了三维非线性分析。分别求解了阻塞比为0.13,0.21及0.32下高速铁路隧道在不同速度及不同车头情况下,一年期、十年期、二十年期的围岩温度场,热应力场。结果发现,隧道围岩温度场在二十年后都将维持一个比较稳定的状态,围岩等效热应力值在隧道壁四周基本呈均匀分布,温度引起的等效热应力最大值及最大主应力均出现在隧道拱角处。3.针对多年冻土地区隧道围岩温度场是具有导热与对流换热耦合边界并伴有相变的非稳态温度场的特点,建立了隧道内空气对流换热的微分控制方程,同时,在非稳态的温度场控制方程基础上,建立了伴有相变的冻土体非稳态温度场控制方程。本文用有限体积法求解隧道内气流及用有限单元法求解冻土体的非稳态温度场偏微分方程,采用了空间域内的有限单元法与时间域内的有限差分法混合求解,进行了围岩温度场的有限元分析。最后通过阻塞比为0.13及0.21,列车速度为500km/h的工况为例,预测了寒区高速铁路隧道在二十五年间长期连续不断地运营后,隧道内温度的升高以及围岩温度场的变化。结果表明,二十年后,寒区高速铁路隧道内环境温度的变化速度将非常缓慢,基本维持稳定,隧道内热量积聚对冻土融化范围的影响将维持在一定的范围,热熔沉降将是寒区高速铁路隧道一个需要考虑的因素。