水平定向钻在安全施工、环境保护等方面具有显著优势,成为最受欢迎的非开挖铺管方法之一,特别是在穿越江河、湖泊、道路、山地、既有建（构）筑物的管线（道）敷设中发挥着重要作用。近些年来,我国采用水平定向钻实施的工程项目很多,涵盖电力管线、通讯管线、给排水管道、油气管道等多种地下管线（道）的非开挖敷设。在水平定向钻施工中,各种主客观因素导致的钻孔失稳是常见的工程难题。已有文献大多是对具体工程项目成败的经验教训总结,主要是施工方法、技术措施的探讨和定性分析,缺乏对孔壁稳定性相关的概念内涵、力学机理的研究,基础理论滞后于工程实践。本论文紧密围绕非开挖水平定向钻孔壁稳定性主题,采用理论分析、数值模拟、试验研究等方法,综合运用弹塑性力学、孔扩张理论、本构关系与强度理论、非线性有限元等理论,并结合课题组和国内外的试验研究结果进行验证对比,对水平定向钻孔壁稳定性的相关力学问题进行研究。主要研究内容及结论如下:1.总结工程实践中各种各样的孔壁失稳形式及其危害,基于岩土结构思想,提出非开挖水平定向钻孔壁稳定性分类方法。立足强度稳定性,基于统一的符号约定、参数定义,对广泛应用的经典强度准则（Tresca、Mohr-Coulomb、Huber-Mises、DP系列准则、Matsuoka-Nakai、Mogi-Coulomb、Lade-Duncan、UST等）重新推导,给出统一的应力不变量表述的方程,提出修正的UST等面积圆屈服准则,并基于返回映射算法编写UMAT进行验证。2.优化力学模型与假设条件,基于孔扩张理论严格推导了水平定向钻孔壁弹塑性解,一共分为无限空间、有限空间两大类八种情况。本文新解考虑了边界条件、初始应力、非相关联流动法则、强度理论效应、剪胀性、大小应变、塑性区的弹性应变等,丰富了岩土介质孔扩张理论,能够为相关领域的应用提供参考。在此基础上,剖析前人提出的水平定向钻相关理论公式,指出Queen’s方程、Alberta方程等存在的问题。3.充分考虑原位应力状态,对钻孔液作用下孔壁塑性区的分布特征与扩展规律进行了详细研究。ABAQUS有限元数值模拟结果表明:杨氏模量、剪胀角等对塑性区的影响很小,而侧压力系数的影响显著,其取值决定了塑性区的分布形态。严格推导得出近似塑性条件法的通用方程,对近似塑性条件法、Ruppneyt解、点应力法编程计算。编写了有限元数值模拟后处理程序,与解析解结果进行详细对比。解析解中只有近似塑性条件法能够反映塑性区的X型扩展,并且强度理论效应对塑性区分布特征存在显著影响。4.以水平定向钻渭河穿越工程为背景,开展室内模型试验。介绍了模型试验的具体过程,包括:试验箱体的设计、分层填土、传感器的安装与测试、高密度电阻率法测试、钻孔与扩孔等,对应变测试结果和高密度电阻率法的探测结果进行了详细分析,并对试验过程的一级扩孔、二级扩孔中出现的孔壁坍塌现象进行了计算分析。近似塑性条件法计算得到的最大塑性破坏半径与高密度电阻率法接近,提供了一种孔壁坍塌破坏的力学解释。5.对钻孔液压力作用下,孔壁弹塑性力学响应的全过程进行了分析,提出孔壁临塑钻孔液压力、极限钻孔液压力、容许钻孔液压力等概念,并给出相应的计算方法。对于初始应力各向同性,保持孔壁弹性状态的钻孔液压力区间是保守的;而对于初始应力各向异性,这一区间可能是不存在的,推导给出了存在弹性区间的判别式,并且强度指标对钻孔液特征压力计算结果的影响不容忽视。6.基于孔壁塑性区贯通的失稳破坏判据,给出水平定向钻孔壁稳定性安全系数的定义及计算方法。以此为依据对不同方法进行计算对比,从原理上指出存在的问题,并提出合理的方法。孔壁稳定性安全系数具有明确力学含义,提供了孔壁稳定性评价和不同理论方法对比的标准。本文对非开挖水平定向钻孔壁稳定性的基本力学问题开展研究,基于数学推导和逻辑分析,发现前人理论存在的问题,提出若干新的概念和方法,能够加深水平定向钻孔壁稳定性影响因素的理解、提供更全面地预测和计算钻孔液压力的方法、形成更合理的水平定向钻孔壁稳定性评价方法,并为预防孔壁失稳的技术措施提供理论基础。