随着我国经济的快速发展和土地资源的稀缺,城市地下空间开发规模逐年扩大。盾构法作为一种安全高效的施工技术,应用越来越广泛,而我国目前还没有形成国家盾构衬砌设计规范,使得我国盾构隧道衬砌结构设计具有较大的盲目性。本文针对盾构隧道衬砌设计中的关键问题——盾构隧道衬砌结构设计模型及模型中关键参数的确定进行了系统的研究,主要内容包括：1、在分析已有盾构隧道衬砌管片力学性能试验的基础上,以沈阳地铁盾构隧道为依据,对3片衬砌管片进行了力学性能试验,分析了不同试验加载方式和不同配筋率对衬砌管片破坏机理和力学性能的影响。建立了三维有限元模型,将数值与试验结果进行了对比,给出了衬砌管片工程用承载力、开裂内力及裂缝宽度实用计算方法。2、采用3组1：1衬砌管片,研究了在不同工况下纵向接头抗弯刚度等力学性能指标。对衬砌管片接头力学性能试验数据进行了整理、分析,研究了接缝的受力和变形规律,对盾构隧道衬砌管片纵向接头抗弯刚度和承载力进行了定量评价,提出了一种确定衬砌纵向接头抗弯刚度的简化计算模型。3、在对已有衬砌管片接头三维有限元模型研究的基础上,针对衬砌接头建立了三维非线性有限元模型,衬砌管片、接头受力衬垫均采用8节点三维实体单元,螺栓用2节点Timoshenko梁单元模拟。将有限元计算结果与试验测试结果进行了对比分析,验证了有限元模型的可靠性和合理性。4、在考虑接头影响的基础上,采用力法建立方程推导出荷载作用下衬砌管片内力和位移的解析解,研究了接头抗弯刚度、地基抗力系数、衬砌厚度及计算半径对衬砌管片弯曲刚度有效率的影响,提出了一种确定衬砌管片弯曲刚度有效率的简化计算方法。5、基于对现有盾构隧道衬砌设计方法的研究,发展了能够较全面反映盾构隧道衬砌力学特性的壳-矩阵-弹簧模型。该模型采用矩形平板壳单元模拟衬砌管片,用矩阵单元模拟衬砌管片的纵向和环向接头效应,用弹簧模拟地基土抗力效应,计算结果表明,该模型能够符合盾构隧道衬砌的实际受力特点。6、运用壳-矩阵-弹簧模型、梁-弹簧模型对衬砌管片力学特性进行研究,比较了两种模型在衬砌管片错缝拼装条件下不同地基土抗力系数、不同纵向接头抗弯刚度以及不同管片厚度力学特性的异同,并解释了两种模型计算结果差异的原因。