TBM(Tunnel Boring Machine)隧道施工技术逐渐被引入煤矿井筒建设中来。大量工程实践表明,盾构过程中应对不同地质条件时,管片接缝处变形及相邻管片环间的破坏也大不相同,滑动、裂损、错台、渗漏等问题层出不穷。所以,研究煤矿井筒TBM施工衬砌管片及围岩的变形规律具有实践指导意义。论文以涝坝湾煤矿副平硐建设工程为背景,科学设计了三维物理相似模拟实验方案,通过岩样基础物理性质力学试验,结合物理相似模拟实验理论,合理选择了土体模拟材料包括砂、石膏、大白粉、黏土和巴厘石等材料介质,根据几何相似条件、应力相似条件设计了硬质PVC材质的简化模拟管片,并依托Ansys Workbench中静力学结构模块针对三维物理模拟实验中管片的模拟材料建立了对应三维非线性有限元计算模型,通过计算分析了副平硐周围岩体在自重及覆岩压力作用下管片的应力分布与变形情况,与物理模拟实验结果进行比对验证。模型铺填尺寸长、宽、高分别为4.42m、1.95m、2.90m。模型采用分阶段开掘方式,利用“声-光-电”综合信息数字化监测系统监测、采集实时数据并加以分析,结合荷载结构法及数值计算对衬砌结构的设计方案进行了优化,提出了相关建议。结果表明:井筒掘进过程中,多次开掘扰动导致其周围岩层整体性受到破坏,衬砌管片环主要承受荷载为压应力,其两侧集中存在较小拉应力,衬砌结构变形、破坏位置主要为管片环顶部以及两侧管片接缝处,变形破坏主要形式包括顶部管片拉伸变形、接缝处拉裂破坏,(少量)拱块局部开裂;岩层整体会出现“V”型沉降。