近年来,一大批大型跨江海水下交通通道工程相继开工建设,其中大断面水下盾构隧道不断涌现。然而,我国大断面水下盾构隧道的建设经验不多,结构设计方法尚不成熟,没有专门的设计规范,主要参考国外标准和设计方法。同时,我国幅员辽阔、不同地区地质条件差异较大,特别在水下复杂环境下既有盾构隧道建设经验并不能完全适用。鉴于此,本文针对大断面水下盾构隧道管片衬砌结构的力学行为开展研究,具有重要工程价值。论文在国家高技术发展计划(863计划)课题：“大型跨江海隧道结构力学特征及整体化设计方法研究”等国家重大研究课题资助下,采用理论分析、相似模型试验、结构原型试验与足尺试验、数值模拟分析等多种方法,对大断面水下盾构法隧道管片衬砌结构的力学性能进行了全面的、系统的研究,研究成果直接应用于我国首座水下高速铁路隧道——广深港高速铁路狮子洋隧道、南京长江隧道等重大水下盾构隧道工程之中。论文主要工作和研究成果如下：1、采用接头抗弯足尺试验和考虑接缝面界面接触效应及混凝土开裂、压溃与螺栓破坏的数值计算分析等手段,探明了大断面水下盾构隧道管片接头的抗弯性能、破坏特征以及开裂破坏的力学性能。建立了大型水下盾构隧道管片接头的接缝面抗弯力学模型,该模型能够对接缝面混凝土开裂、接头破坏等工况进行计算,弥补了以往的管片接头力学模型中不能考虑接缝大变形或破坏的不足,并提出了不同力学状态下狮子洋隧道管片接头的抗弯刚度。2、采用“盾构隧道-地层复合体模拟试验系统”与水压加载装置相结合,针对大断面水下盾构隧道承受高水压和穿越砂质土层、粘性土层、硬质岩层等多种不同性质地层的特点,开展了考虑了结构-地层-水联成作用的相似模型试验,探明了不同水、土压荷载条件、不同拼装方式、不同地层条件下管片衬砌结构的受力特征。3、采用“多功能盾构隧道结构体试验系统”对以狮子洋隧道为代表的大断面水下盾构隧道管片衬砌结构进行了原型试验,探明了正常使用阶段与开裂后管片衬砌结构的内力、形变分布与变化规律,探讨了管片拼装效应的产生机理,探明了管片衬砌结构环向内力、表面应力的分布特征。4、采用原型结构破坏试验手段,探明了管片衬砌结构最大直径变化率与最大纵缝张开量、裂缝的开展与结构刚度的变化关系,明确了不同拼装方式下管片衬砌结构的破坏特征。同时,探明了结构破坏过程中的变形特征,并从结构刚度的角度探讨了大断面水下盾构隧道破坏过程中裂缝开展、接缝张开等对结构形变的影响。5、对既有盾构隧道管片衬砌结构分析模型进行了比较,针对大断面水下盾构隧道特点提出了使用建议。通过原型试验探明了不同荷载条件、不同结构型式、不同拼装方式等条件下,结构刚度变化与管片衬砌结构的变形特性的关系,对采用匀质圆环模型开展大断面盾构隧道结构分析时的重要参数(横向刚度有效率系数、弯矩增大系数等)提出了取值建议。建立了考虑裂缝扩展的管片衬砌结构实体-接触模型,探讨了开裂破坏过程中管片衬砌结构的裂缝分布与扩展、形变发展以及应力变化特征。