冰冻海域地处我国北部沿海区域,具有冬季冰冻期长、气温低、地质条件复杂等特点。在该海域修建海底隧道除抗海水腐蚀外,还要克服特殊气候、路基支承条件以及交通特性对工程建设的影响。按照普通公路隧道或城市道路设计方法进行冰冻海域海底隧道铺装结构与材料设计不能满足其特殊使用环境下的性能要求。但目前对冰冻海域海底隧道铺装的研究几乎处于空白,相应特殊环境及技术要求下的结构与材料组成设计方法尚未形成。论文针对冰冻海域海底隧道的环境特点及力学性能、耐久性能、阻燃及环保技术要求,结合理论分析与应用实践系统开展铺装结构行为特性与材料设计研究,基于铺装结构力学分析、材料的力学性能、疲劳性能、路用性能分析提出适用于该海域海底隧道铺装结构与材料的设计方法,为冰冻海域海底隧道铺装结构与材料设计提供理论基础,以弥补现有设计方法在冰冻海域特殊环境与交通特性条件下应用的不足。论文基于冰冻海域海底隧道铺装长纵坡、小温度梯度、大交通量及轻轴载等特点,提出结构设计思路,确定结构设计参数、破坏模式及最不利荷载位置。通过有限元方法,采用动态模量对不同影响因素下铺装结构的力学响应规律进行分析,探讨各影响因素对结构应力响应的敏感性,建立冰冻海域海底隧道铺装结构厚度设计多指标控制体系。结合冰冻海域海底隧道铺装层间界面的受力特点及性能要求,提出冰冻海域海底隧道铺装防水粘结层的性能评价关键指标。综合力学分析及防水粘结层性能试验结果,推荐冰冻海域海底隧道铺装结构层厚度取值范围及铺装层界面防水粘结实施方案。基于冰冻海域海底隧道温度及荷载条件,对温拌阻燃沥青性能进行分析。采用流变测试技术对不同温拌剂类型及掺量的温拌沥青高温性能、低温性能和疲劳性能进行试验分析。研究了温拌沥青材料粘弹性结构特性指标随温拌剂类型与掺量的变化规律;提出以损耗因子sin?(9)G、50%(9)G衰减位置和累计耗散能量比DER作为温拌沥青疲劳性能评价指标,从热力学与粘弹性结构双重角度,建立不同温拌剂种类及掺量下的沥青时间扫描曲线和累计耗散能疲劳曲线,得到温拌剂对沥青疲劳特征指标的影响规律,提出基于流变技术和疲劳特点的温拌剂用量优化方法,确定Sasobit的合适掺量范围为1.5~3%,Leadcap为1~2%,ZQ发泡型温拌剂为7~8%。利用极限氧指数法结合沥青闪点和燃点作为评价阻燃剂性能和施工安全性综合指标,以满足冰冻海域海底隧道用材料阻燃抑烟技术要求,确定适用于冰冻海域海底隧道铺装用阻燃剂类型及掺配比例。对冰冻海域海底隧道铺装温拌阻燃沥青混合料组成设计进行针对性研究,提出冰冻海域海底隧道铺装层温拌阻燃沥青混合料组成设计思路及压实温度确定方法。采用简单性能试验及四点弯曲梁疲劳试验方法,得出不同温拌沥青混合料的动态模量和相位角随加载频率和试验温度的变化规律,建立不同温拌沥青混合料劲度模量与加载次数关系,探索不同温拌剂对沥青混合料疲劳寿命的影响,为冰冻海域海底隧道铺装材料组成设计提供理论依据。依托青岛胶州湾海底隧道工程,验证了本文提出的冰冻海域海底隧道铺装结构及材料设计方法的适应性。对温拌阻燃沥青混合料施工工艺及社会、环境及经济效益进行分析表明,施工时有毒有害气体可大幅降低,节能减排效果明显。论文研究成果为冰冻海域海底隧道铺装结构与材料设计及应用提供了理论支撑,对其它特殊环境下隧道铺装设计也具有借鉴意义及推广价值。