近年来,我国盾构隧道逐渐向深埋、大断面和超长化方向发展,隧道所处地质条件及周边环境日趋复杂,单层管片衬砌结构已经难以满足盾构隧道运营安全及结构耐久性需求,对双层衬砌结构的需求日益增多。然而目前针对盾构隧道双层衬砌结构的研究相对较少,难以对盾构隧道双层衬砌结构的设计施工提供有力地指导。有鉴于此,本文依托地铁盾构隧道以及高速铁路盾构隧道工程,采用理论分析、模型试验的研究方法,针对不同类型双层衬砌、不同盾构隧道规模及软硬复合地层条件等因素,对盾构隧道双层衬砌结构的力学特性进行了系统的研究,取得了以下主要研究成果:(1)考虑盾构隧道管片接头对管片衬砌结构力学特性的影响,提出了一种用于模拟盾构隧道双层衬砌结构力学特性的三维相似试验模型,根据抗弯刚度等效原则,采用内外分区割槽的方式等效模拟管片环向接头,采用接头片等效模拟管片衬砌纵向接头,解决了盾构隧道管片衬砌纵向接头的模拟问题,较好地反映了管片接头局部效应;(2)针对叠合与复合两种不同类型的盾构隧道双层衬砌结构,明确了其层间接触关系、力学传递机制及接触面力学特性,并分别提出了两种层间接触模式的物理相似模拟方法,构建了叠合式盾构隧道双层衬砌结构与复合式盾构隧道双层衬砌结构;(3)对于盾构隧道双层衬砌结构,管片衬砌为承载结构的主体,二次衬砌为辅助承载结构,叠合式与复合式衬砌结构中二次衬砌所受荷载所占外荷载的最大比例分别达到41.59%和38.13%;叠合式衬砌结构的整体承载性能较高,结构受力状态更为有利,从局部出现宏观裂纹到发生整体失稳的过程较长;复合式衬砌刚度较小,在相同荷载条件下结构的隧道净空收敛值和挠度较大,其失稳具有突发特性;(4)当盾构隧道双层衬砌结构外径由6.8m增大至10.8m时,二次衬砌所承担的外荷载平均占比由30.59%增至33.15%,双层衬砌结构整体的极限承载能力增强,达到临界失稳状态时的结构椭圆度分别为44.8‰和79.12‰,随着双层衬砌结构外径的增大,声发射峰值能量由155 V·μs增大至233V·μs,加剧了衬砌结构的损伤程度;(5)当盾构隧道处于软硬不均地层时,位于软土地层中的双层衬砌结构受力状态更为不利,在相同荷载条件下软土地层中结构的椭变较硬土地层中衬砌结构的椭变更为严重,从而导致衬砌结构在软土地层中更容易达到失稳破坏状态,当双层衬砌结构分别位于软土和硬土地层中时,其声发射峰值能量分别为274V·μs和178V·μs,双层衬砌结构位于软土地层中时的损伤破坏程度较为严重。