类矩形断面隧道在地下空间利用率和复杂环境穿行能力上较圆形断面隧道有较大优势,但因其在类矩形衬砌结构设计计算方法、钢衬砌的受力性能、钢管片接头抗弯刚度等方面研究成果较少,未能得到有效的发展。本文围绕上述问题,以宁波市轨道交通3、4号线类矩形隧道工程为依托,对大断面类矩形盾尾及隧道钢管片的设计和力学性能进行了分析和数值模型研究,取得了一些具有科学意义和工程价值的成果。针对类矩形隧道施工过程中出现的盾尾变形较大的问题,运用数值模拟方法,研究分析了经过优化后的类矩形盾尾在设计工况下的受力性能。对盾尾薄壳结构进行了稳定性分析并研究了初始缺陷的影响。采用参数化分析方法,研究了覆土厚度和壳体厚度对盾尾结构受力性能的影响。总结分析了现有衬砌结构计算模型和荷载模型的适用范围和优缺点,提出了一种适用于类矩形衬砌结构的计算和荷载模型。在此基础上对类矩形钢管片进行了断面和纵肋设计,运用数值模拟方法分析了类矩形隧道在设计条件下的力学性能,验证了该设计能满足特殊断面隧道在强度和刚度方面的要求。运用参数化分析方法对各设计参数取值对计算结果的影响进行了研究。在研究多种管片接头的基础上,设计了适用于钢管片的双排螺栓接头并进行了相关分析。在本文设计的钢管片和接头的基础上,对钢管片及接头结构进行了精细化有限元建模计算,研究了双排螺栓接头抗弯刚度与接头部位弯矩与轴力的关系,并拟合了抗弯刚度随轴力与弯矩变化的公式。对高强螺栓预紧力对抗弯刚度的影响进行了分析研究,研究成果可用于类矩形钢管片结构的设计分析中。