大型水下铁路盾构隧道正朝着超长、大断面以及高水压的方向发展,为满足衬砌结构耐久性、列车运行振动及防撞击、阻燃等相关安全保障的要求,目前国内盾构隧道已经开始尝试使用管片+模筑混凝土的衬砌型式。然而长期以来对于盾构隧道二次衬砌的受力性态不甚明确,其作用在认识上也存在偏差和争议,至今尚未形成统一的盾构隧道双层衬砌结构计算理论。论文以广深港客运专线狮子洋隧道为工程背景,结合国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法”和中央高校基本科研业务费专项资金优秀学生资助项目“盾构隧道双层衬砌结构设计理论研究”开展研究。主要采用理论分析、相似模型试验、数值模拟和现场监测等研究手段,建立双层衬砌横、纵向结构力学模型,旨在揭示大型水下盾构隧道双层衬砌结构在横、纵方向的力学特性,探明管片与二次衬砌之间的相互作用机理,取得主要成果如下：1、分析了盾构隧道双层衬砌结构间的相互作用关系,提出了双层衬砌结构的横向力学模型,推导了结合面压缩刚度及剪切面滑移变形的理论解析解；建立了非线性三维有限元力学模型,对双层衬砌结合面刚度、不同内衬厚度及二衬合理施作时机进行全面比较研究。针对管片衬砌结构型式的特点,从接缝防水及结构受压承载能力两方面分析了管片衬砌的高水压分界值,并得到了不同水位涨幅和管片渗漏水情况下的双层衬砌横向结构特性。2、采用对水、土压力可实现分离加载的盾构隧道-地层-水压复合体模拟试验系统,实施了不同水、土压力场条件下双层衬砌结构力学特征的模型试验,分析了设计荷载及超载条件下二衬施作前后管片衬砌受力特性及变化规律；探讨了不同结合面情况下双层衬砌的相互作用机理；揭示了注浆缺陷或围岩弱化等因素对双层衬砌力学特性的影响规律：探明了超载条件下双层衬砌的破坏形态。3、针对管片衬砌横向性能和双层衬砌纵向连接性能的特性,建立了三维壳-弹簧纵向力学模型,丰富和发展了既有盾构隧道纵向力学模型。通过计算分析,探明了不同二衬厚度条件下双层衬砌纵向等效刚度的影响规律。采用纵向反应位移法对盾构隧道管片衬砌结构及双层衬砌纵向抗震力学特性进行了比较分析。4、开展了水下盾构隧道双层衬砌结构纵向力学特性及相互作用机理的相似模型试验,探明了不同地层条件、局部加、卸载等因素对盾构隧道管片衬砌结构及双层衬砌结构纵向力学特性的影响规律。5、以狮子洋盾构隧道双层衬砌段为对象开展了现场试验研究,通过对测试数据的系统分析,探明了盾构机掘进过程中同步注浆与千斤顶推力对管片衬砌结构的影响,揭示了管片衬砌结构所受水、土压力、双层衬砌层间水压力的长期变化规律,对比分析了二衬施作前后管片衬砌结构的力学特性,并基于二次衬砌的长期监测数据,实现了对二次衬砌结构安全性的综合评价。盾构隧道二次衬砌可能作为抵御外荷载和防水的最后一道防线而被工程界所采用。论文研究成果将为大型水下盾构法隧道双层衬砌结构设计提供理论依据和实用方法,同时可为既有盾构隧道的维护加固提供参考。