水资源的可持续利用与优质充足的原水供给是经济社会持续发展的重要保障。为有效解决城市经济发展的用水矛盾和长期以来的水资源分布不均衡、水质差异大等问题,通过盾构输水隧洞进行长距离、跨流域调水是一项灵活、可靠的解决方案。针对抵抗高内压和反复水锤冲击、充分发挥岩土层围压对衬砌承受内载的有利作用等性能目标,提出采用“外衬管片-SCC(自密实混凝土)填充层-内衬钢管”的三层叠合式衬砌结构,形成联合受力体系,以提高结构的整体承载和耐久性能。然而,目前国内外对于三层叠合式衬砌结构的分析模型及理论研究尚不成熟;对于内、外衬联合承担外载的情况考虑不足;各层衬砌之间的传力和荷载分担机制还存在争议,缺乏充分的试验论证。本文以在建的珠江三角洲水资源配置工程为主要依托,针对“管片-SCC-钢衬”这一特殊型式盾构隧洞的结构特征,运用结构体系试验、局部构件试验、精细化数值仿真等手段对三层叠合式衬砌体系的横向力学行为与变形特性展开系统研究。本文主要工作和研究成果总结如下:(1)设计了大型复杂衬砌体系的原型结构试验实施方案,建立了基于分布式光纤的多层衬砌监测系统,开展了复杂外载作用下“管片-SCC-钢衬”三层叠合式衬砌体系足尺结构试验;(2)通过足尺结构试验,初步探明了该型隧洞结构在不均匀外载下的整体形变及界面相对位移特征、各层衬砌力学响应和传力分配规律,讨论了外载变化、侧压系数、纵向差异及栓钉布设对结构体系变形和受力的影响;(3)开展了钢-混凝土构件试验,并基于试验结果,采用精细化数值仿真手段建立了基于界面性能的钢-混凝土组合构件与叠合式衬砌体系的三维实体有限元分析模型。数值计算与足尺试验结果的对比表明,所建立的有限元模型能基本反映三层叠合式衬砌结构体系的整体径向变形、外衬管片接头张开、界面相对剥离/滑移、内衬钢管环向应变、中衬SCC环向应变等指标的形态分布与发展规律。随后,采用结构体系模型对高荷载阶段的三层叠合式衬砌结构部分指标响应作出预测。