随着地下空间大规模的开发与利用,隧洞在交通、矿产、石油、水利等诸多行业中得到广泛应用。然而,在隧洞开挖过程中常遇到涌水灾害、围岩失稳等问题,对施工安全造成威胁,引起隧洞结构和生态环境的破坏；在运营过程中隧洞衬砌结构受水压力作用和围岩约束的影响,在渗流、应力和损伤间的耦合作用下,其受力变形特点、开裂情况均与普通混凝土构件有较大的区别。因而有必要对隧洞在施工开挖和运行期间的渗流场演化规律,高内水压力作用下衬砌裂缝产生及扩展机制、钢筋受力变化特征等展开研究,为隧洞围岩稳定和安全运行提供设计和施工的理论依据。本文主要研究内容如下：(1)针对水工隧洞施工开挖期的渗流问题,在总结比较了国内外各种解析方法的基础上,采用保角变换法推导了隧洞开挖完成后的渗流量解析计算方法,通过数值计算方法进行对比,指出隧洞开挖导致的地下水位线降低对渗透流量有较大影响,传统解析方法中假定水位线保持不变将导致结果偏大。在隧洞开挖后渗流场达到稳定状态时,降低后地下水位高度与隧洞半径和初始地下水位高度密切相关,本文在数值计算结果基础上提出了一种简便计算隧洞开挖降低后水位高度的解析公式。进而,基于Goodman流量公式,考虑初始地下水位和开挖降低后水位的共同影响,提出了一种计算隧洞渗流量的解析公式,适用于不同地表倾角、隧洞半径和地下水位线高度等情况。(2)采用与时间相关的动态边界条件模拟TBM隧洞开挖、管片支护以及豆砾石灌浆等施工过程,建立反映管片衬砌渗透系数随水压力变化的等效耦合模型,并基于有限元软件ABAQUS二次开发平台,数值模拟分析了TBM隧洞从施工开挖、管片衬砌支护、充水运行到放空检修全过程的渗流场变化情况。结果表明：隧洞渗透孔压变化过程具有显著的时空效应,在隧洞开挖或衬砌支护过程尚未到监测断面之前,渗流场孔压已发生变化,表现出较为明显的空间效应,在通过监测断面附近约5πD长度范围内的孔压变化剧烈,随后隧洞周边孔压逐渐趋于稳定,主要体现了时间效应特征,并在开挖完成后约10πD或衬砌支护完成后约8πD左右达到稳定。(3)基于岩体弹塑性损伤本构模型,分析了隧洞开挖导致围岩受拉和压剪两种模式下的岩体损伤变量求解方法,引入描述岩体损伤时渗透系数演化方程,建立了岩体弹塑性渗流-应力-损伤耦合模型,依托USDFLD子程序将耦合模型嵌入到ABAQUS软件中实现了数值仿真计算。利用该模型对某隧洞开挖过程进行数值模拟,验证了所建立的耦合模型在模拟岩体渗流-应力-损伤耦合作用的可行性。考虑渗流场与应力场耦合作用后,隧洞变形量因隧洞开挖应力释放和排水固结作用导致整体变形比耦合前结果更大,而塑性应变更小、分布更均匀；在考虑围岩损伤对流固耦合影响之后,隧洞腰部岩体损伤区域渗透性能有较大提高。(4)在混凝土损伤开裂模型和透水衬砌理论基础上,考虑在高内水压力作用下衬砌损伤开裂与渗流场的耦合作用,引入突跳因子反映开裂衬砌渗透系数的变化,采用面面接触单元模拟衬砌与围岩间的有条件联合承载作用,提出了隧洞衬砌渗流-应力-开裂耦合模型,结果表明：该模型可以较好地反映了水工隧洞在充水加压过程中衬砌流固耦合工作机理,即在高内水压力作用下,衬砌开裂后裂缝呈现少而宽的分布规律；衬砌开裂位置的渗透系数显著增大,洞内水流经裂缝向外流动,衬砌与围岩将分别承担自身范围内的水压力,在其接触面上存在受拉脱开趋势,衬砌与围岩表现为有条件的联合承载特征。衬砌内钢筋应力不会随着内水压力增加而持续增大,钢筋应力随内压的增加幅度较小甚至出现应力回缩现象,整体维持在较小的应力水平。