目前我国城市轨道交通建设正如火如荼的进行,建设地域分布广泛且地质条件种类多样。膨胀土地区城市轨道交通的修建也逐渐开展,膨胀土由于具有强度、变形等特性,不可避免的对该地层城市轨道交通地下结构的设计与施工造成影响,目前尚缺乏相关研究。鉴于此,本文开展的膨胀土地区城市轨道交通地下结构设计理论及关键技术的研究,具有重要的理论价值。本文采用理论推导、资料调研、数值模拟和现场实测等多种方法,依托合肥膨胀土地区轨道交通工程,对膨胀土地区城市轨道交通盾构隧道、浅埋暗挖隧道、明挖地铁深基坑的设计理论及关键技术进行了研究,得到了如下结论:明确了膨胀土地区城市轨道交通地下结构的膨胀土影响因素,即降雨、地下水位变化和地下结构施工,这三个因素引起膨胀土强度参数衰减和膨胀土附加应力场。合肥地区膨胀土 c、φ值的对数与含水率线性负相关,膨胀力或膨胀变形与含水率近似呈线性关系。得到了三个因素对地层含水率的影响范围及分布规律。提出了采用假定温度场模拟附加应力场的方法,并给出了关键参数求解方法。基于弹性理论推导了一般地层深埋隧道施工引起的地层应力和位移解析解,通过引用位移势函数推导了膨胀土附加应力场单独作用下的附加应力和位移解,二者叠加即为膨胀土地层深埋隧道施工引起的地层应力和位移解析解。基于镜像法推导了一般地层浅埋隧道施工引起的地层位移和应力的解析解,“逆向”推导了膨胀土附加应力场单独作用下的地层位移和应力的解析解,二者叠加即为膨胀土地层浅埋隧道施工引起的地层位移和应力解析解。对比附加地层应力和位移可知,膨胀土附加应力场对深埋隧道的影响小于浅埋隧道。地层应力和位移解析解可为膨胀土地区隧道设计施工提供理论依据。基于太沙基松弛土压力公式推导了三个因素引起的土体参数衰减条件下盾构隧道竖向土压力的修正计算公式,通过数值计算得到了三个因素引起的附加应力场对盾构隧道管片土压力的影响规律并给出了附加土压力取值建议,二者叠加即为膨胀土地层盾构隧道管片土压力修正计算方法。通过理论推导提出了注浆层—地层抗力系数计算方法,结合土压力修正计算方法提出了膨胀土地层盾构隧道管片设计方法,对比实测数据和计算结果验证了设计方法的合理性。建立了膨胀土地层盾构施工全过程数值模拟方法,分析了合肥地区膨胀土地层盾构施工对地层位移的扰动规律。基于谢家烋公式对三个因素引起的土体参数衰减条件下浅埋暗挖隧道竖向土压力进行修正,通过数值计算得到了三个因素引起的附加应力场对浅埋暗挖隧道的附加土压力的影响规律并给出了附加土压力取值建议,二者叠加即为膨胀土地层浅埋暗挖隧道土压力修正计算方法。对比计算值和实测值,验证了荷载修正方法的合理性。基于极限平衡理论计算了合肥地区膨胀土地层暗挖隧道深浅埋分界。对合肥膨胀土地层浅埋暗挖隧道施工参数进行分析并提出了合理建议值。通过数值计算得到了不同墙体位移模式下基坑周边含水率整体变化和降雨条件下合肥地区膨胀土地层明挖深基坑土压力分布规律,结合朗肯土压力公式,提出了膨胀土地层明挖深基坑土压力修正计算方法。对合肥地区膨胀土地层明挖深基坑工程换撑和不换撑方案进行对比分析,结合望湖城站明挖深基坑现场试验,验证了膨胀土地层免换撑施工方法的合理性。