随着社会经济的发展,今后几十年,我国要修建数条海底隧道。要在具有恒定高水头的海底修建隧道,就不可避免的遇到:防排水方式的设置,作用在衬砌结构上水压力的确定,水荷载和土荷载共同作用的耦合场中衬砌结构的受力特征,等等一系列问题,这些问题具有极高的工程实践价值。本文以我国大陆地区第一条以钻爆法修建的海底隧道——厦门翔安海底隧道为工程背景,以模型试验为主要研究方法,同时结合理论计算、数值模拟分析等多种手段,对隧道注浆圈、衬砌背后水荷载的分布规律,应力场、滲流场及应力场和渗流场共同作用下衬砌结构的受力特征进行了研究,主要研究成果如下:(1)通过对相似理论和模型试验原理的研究,求得了应力场、渗流场、应力场和渗流场共同作用的耦合场的相似准则。求得了均质围岩中针对公路隧道防排水形式下注浆圈外表面、衬砌背后水压力的理论解析公式。以原型为背景分析了衬砌背后水压力与围岩渗透系数、注浆圈渗透系数、注浆圈厚度和隧道控制排水量各个变量之间的关系。(2)利用隧道及地下工程试验中心研发的水土共同作用模型试验台架系统、引进了光纤光栅应变测试系统,以F4全强风化囊地段的S5d隧道工程为原型,研究了渗流场中注浆圈外、衬砌背后水压力在全封堵方式下、限排方式下和逐级加大水头的过程中的分布变化规律,得到了注浆圈的水压折减作用规律。进行了隧道模型在应力场、渗流场、应力场和渗流场共同作用的耦合场中的模型试验。(3)利用水压力作用系数的概念,形象说明了注浆圈外和衬砌背后水压力的分布和变化规律。注浆圈外侧水压分布近似圆形,衬砌背后水压分布近似“葫芦”状。环向盲管的设置对结构受力有利。(4)依靠光纤光栅精确的应变数据采集,得出了衬砌结构在应力场、滲流场和耦合场中的形变特征和应力变化规律。隧道结构在应力场和渗流场共同作用的耦合场中受力最不利,其次是渗流场,最后是在应力场中的受力。隧道结构受力的最不利部位为仰拱内表面,其次是拱脚外表面,最后是拱顶内表面。水荷载是隧道结构设计的主要荷载,衬砌仰拱部位是设计的重中之重。(5)隧道衬砌结构的应力和地下水静水头近似成正比例线性关系。限排方式下,随着排水量的增大,水压力作用系数减小,隧道衬砌结构的安全系数随之增大,衬砌结构上的应力随之减小。地下水渗流改变了土体结构,渗流体积力、渗透压力施加在衬砌结构上,隧道结构土产生应力增量,因此耦合场对衬砌结构的作用要大于应力场和渗流场单独作用的叠加。(6)结合相似原理和模型试验的特点,推得返回工程原型的相似准则,原型隧道衬砌结构的应力和内力计算公式,最终得出了衬砌结构各部位在应力场、渗流场和耦合场中的安全系数。