论文以狮子洋高速铁路水下盾构隧道工程为依托背景,结合铁道部重大科技研究开发计划,以大型水下盾构隧道管片环衬砌结构力学特征为研究对象,通过采用原型加载试验,数值模拟分析等多种分析手段,研究了错缝拼装方式下的管片衬砌结构在不同土压和水压,不同荷载模式下,以及各种拼装条件下的结构力学行为特征(包括结构的内力,变形,承载能力及破坏特征),并求解了管片环的弯曲刚度有效率和弯矩提高率等结构关键参数,得出了一系列的研究成果,可为狮子洋高速铁路水下盾构隧道管片衬砌结构设计提供重要的参考。主要内容如下：1,试验中采用西南交通大学研制的“多功能盾构隧道结构体试验系统”对错缝式拼装管片衬砌结构进行了原型加载试验,以环箍导入轴力模拟水压的作用,以对拉导入弯矩,实现对盾构隧道管片衬砌结构在施工与运营期间实际水土压力的真实加载,正确反映水土压单独变化时对管片衬砌结构的作用特性。2,通过对错缝式拼装方式下的盾构隧道管片衬砌环的1：1原型加载试验,研究了在不同的荷载模式下,不同水压和不同土压的荷载作用下管片环结构内力的变化规律,以及各计算断面的内力状况；检测了结构在弹性阶段的内力,变形,纵缝张开量及承载能力,为管片配筋,接头形态,内衬等关键结构参数的优化提供了充分的依据；最后通过在高水压状态下管片衬砌环的破坏试验,研究了结构裂缝的发展状况及破坏特征,验证了管片衬砌结构的可靠性。3,通过有限元计算分析,并结合原型试验结果,对两者进行了对比分析,说明了目前采用梁-弹簧模型对管片衬砌结构进行内力计算,结果具备一定的安全储备,是合理有效的；然后还研究了盾构隧道各种拼装条件下的管片衬砌结构内力及变形,并对通缝与错缝进行了对比分析,明确了造成通缝与错缝出现最不利拼装方式的原因；并以“梁-弹簧模型”计算结果为基础,求解了管片环的弯曲刚度有效率和弯矩提高率等结构关键参数的合理取值范围。