近些年来,随着我国基础建设事业的飞速发展,跨海交通越来越受到人们的重视,海底隧道因其在航运、水文地质等诸多方面的优势而得到空前繁荣。海底隧道由于其修建位置的特殊性及复杂性,较普通山岭隧道具有更大的风险及难度,且研究难度较大。目前对它的研究仍停留在理论分析及数值模拟上,对于其模型试验方面的探索还比较少。本文针对这一研究空白,重点对海底隧道模型试验系统进行创新发展,对含断层的海底隧道工况进行模拟研究,并最终将其应用于青岛胶州湾海底隧道。本文在前人研究的基础上,主要开展了以下几方面的工作：(1)在传统地质力学模型试验的基础上,基于流固耦合相似理论,通过大量对比试验,研制出围岩及断层新型流固耦合相似材料,其中围岩相似材料以水泥和凡士林作为胶结剂,砂、重晶石粉和滑石粉为骨料,硅油为调节剂；断层相似材料选择石膏和凡士林作为胶结剂,石英砂和滑石粉为骨料,考虑固体变形和渗透性相似条件,结合脆性破坏特征分析,解决了材料遇水崩解和模拟相似度差等问题。(2)研发了新型可拓展海底隧道模型试验系统,主要由模型试验台架、水压控制加载系统、多元信息监测系统、模型试验数据采集及分析系统组成。模型试验台架以钢结构结合钢化玻璃为主要框架,整体尺寸：长×宽×高=3000mm×1200mm×2700mm,配以自主设计的渗水流速采集装置、实时显示系统,可模拟不同尺寸、类型要求的突涌水试验。(3)基于上述新型流固耦合相似材料及海底隧道模型试验系统,开展了青岛胶州湾海底隧道断层突涌水试验,捕捉到了围岩及断层处的渗流场、位移场、应力场的微小信息变化,揭示了围岩及断层受力和变形的时空演化规律及断层涌水变化规律,再现了隧道开挖对隧道稳定性的影响,相似材料满足试验要求,模型试验系统稳定可靠。试验发现隧道开挖对围岩及断层的位移场、应力场和渗流场影响明显,各监测数据在开挖到监测面时,发生突变；在涌水发生时刻,也发生监测量的激增。随着开挖的推进,各监测量都经历了稳定、突变、稳定三个阶段。