随着城市人口密度的增加以及地铁技术的快速发展，地铁成为中国大城市人们主要的出行方式之一。武汉作为中国中部沿江地区的国家中心城市，近几年地铁线路的规划和修建得到了较大发展。越江地铁隧道作为连接两岸经济带的重要地下构筑物，在盾构开挖过程中开挖面的稳定以及后期地铁运行隧道的动力特性渐渐成为国内外学者关注的焦点。为了研究越江隧道静、动力特性问题，并揭示越江隧道建设过程中开挖面土体稳定性以及地铁行车荷载作用下隧道管片及周边岩土体的动力响应，本文进行了系统的室内试验和数值仿真研究，主要研究内容及结论如下：
　　（1）基于第一、第二相似定理，开展室内缩尺模型内土体材料配合比试验，通过大量的材料不同配比下的室内固结、直剪等试验，最终得到了由粉细砂、粉煤灰、木屑、粗砂以及机油配比而成的混合材料，满足了相似定理中标定的各宏观参数值，其混合材料质量配合比为粉细砂∶粉煤灰∶木屑∶粗砂∶机油=1.0∶0.1∶0.1∶0.02∶0.05。同时，建立离散元直剪模型，对混合材料的各细观参数进行了标定，为后续越江隧道离散元数值仿真提供数据支持。
　　（2）在总结国内外学者对盾构隧道开挖面支护压力研究的基础上，建立了越江隧道开挖面极限支护压力室内缩尺试验模型，并且对两种覆土厚度，即0.5D和D条件下的开挖面前方土层破坏模型进行了试验研究，初步提出了越江隧道砂土地层开挖面极限支护压力计算模型，并与国内外学者提出的诸多计算模型进行了对比分析。在此基础上通过离散元方法建立了同尺寸的越江隧道覆土厚度0.5D条件下的开挖面支护压力数值仿真模型，通过对开挖面前方土层内颗粒的剪应变、滑移部分、配位数、体应变以及黏结破裂区域进行数据分析，对初步提出的开挖面极限支护压力计算模型进行了修正。
　　（3）建立了越江地铁浅埋隧道盾构掘进室内缩尺试验模型，基于本文提出的越江隧道开挖面支护压力值，采用较为简单的螺旋出土盾构设备进行了隧道掘进，并且对地表沉降进了监测。同时，建立了同尺寸的越江浅埋隧道盾构掘进离散元模型，利用伺服系统对模型施加竖向水压力，考虑水浮力和侧向水土压力，对盾构掘进过程中地表沉降、开挖面前方土层中颗粒配位数、体应变、竖向应变、剪应变以及黏结破裂区域进行了分析研究，并与室内试验结果进行了对比分析。
　　（4）针对公铁两用的武汉地铁7号线大断面越江隧道某截面建立了考虑地铁行车荷载作用下的越江隧道离散元模型。基于三维和2.5D地铁行车荷载，提出了二维地铁行车荷载计算公式，并运用到离散元模型中。对隧道内钢轨的竖向位移、公铁分层混凝土板局部区域的受力、变形以及动力特性进行了分析，同时对环形管片不同角度处的动力响应进行了揭示。结合管片的动力响应，对隧道周边土体不同范围内的颗粒振动加速度及变形进行了分析。
　　（5）针对已通车运行的武汉地铁2号线越江隧道某截面建立了考虑地铁行车荷载作用下的小断面越江隧道离散元模型。针对三种不同条件，如不同水位、不同地铁时速以及不同行车荷载，对地铁振动荷载引起的隧道管片及周边土体的动力响应进行分析研究。结果表明：水位的增加对管片受力及周边土体的变形影响较大；随着列车速度的增大，管片变形逐渐不对称分布，隧道顶部土体沉降发生分层现象；随着列车荷载的增大，钢轨的竖向位移、管片内环向应力逐渐增大，管片和周边土体的颗粒振动加速度逐渐减小，其径向位移与隧道中心线对称分布。