目前,水下盾构隧道日趋超长化、大断面化以及高水压化,盾构隧道单层管片衬砌已难满足衬砌结构安全性和耐久性越来越高的要求,因此,国内盾构隧道已经开始使用双层衬砌结构形式。然而目前对于盾构隧道双层衬砌结构的研究较少,尚未形成统一的结构计算理论。论文以广深港狮子洋隧道为工程背景,采用理论分析、相似模型试验与有限元分析相结合的研究手段,系统研究了盾构隧道双层衬砌复合与叠合结构力学特征及其损伤特性、二次衬砌合理施作时机及管片与二次衬砌之间荷载分配规律,结合相似模型试验建立了盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触计算模型,取得如下研究成果：1、以二次衬砌施作时机0%工况下盾构隧道双层衬砌复合结构为例,对盾构隧道双层衬砌管片与二次衬砌结构荷载分配模式进行研究,综合二次衬砌不同施作时机、接合面不同作用形式进行分析,探明管片与二次衬砌结构之间的力学特性及双层衬砌截面内力分配比例随加载步变化趋势；2、针对二次衬砌施作时机0%及100%两种工况下盾构隧道双层衬砌复合与叠合结构进行相似模型试验,分析了不同加载步管片与二次衬砌结构力学特征,探明复合与叠合结构管片与二次衬砌相互作用机理；3、以理论分析及相似模型试验数据为依据,根据大型水下盾构隧道管片衬砌力学性能的时间效应,对二次衬砌不同施作时机管片衬砌结构与二次衬砌结构之间受力特性、累积损伤特征等进行分析,探明二次衬砌合理施作时机；4、针对目前关于盾构隧道双层衬砌结构梁—弹簧模式和壳—弹簧模式数值分析模型存在的缺陷,建立考虑混凝土塑性损伤及内置钢筋笼影响的三维实体非连续接触模型,该模型可以反映管片与二次衬砌衬砌混凝土损伤过程,同时考虑了管片钢筋笼对其力学性能的影响,解决接头和接合面弹簧单元刚度取值偏差等问题。