盾构法隧道已被广泛应用于城市地下铁路、越江通道和地下管线等隧道工程中。由于混凝土自身的特点，盾构法隧道常用的预制钢筋混凝土管片存在着自重大、裂缝不易控制、不宜承受拉力等缺点；同时，管片间的螺栓联接费用高、工序复杂，而且对管片接头部位的制作要求高。预应力混凝土技术既可以克服普通混凝土结构的缺陷，又可以作为一种装配手段，在工程结构中得到大量的应用。为了把预应力技术应用到盾构隧道衬砌结构，有必要对盾构法隧道预应力衬砌的设计理论和设计方法进行研究，从而科学地指导预应力管片的设计与施工，推动预应力管片的应用。在总结相关文献和研究的基础上，对预应力衬砌纵向接缝的力学性能进行研究。首先推导出接缝的张角计算公式，并将理论计算结果与模型试验结果和数值模拟结果进行对比，表明了该公式的可靠性；其次利用理论公式探讨不同预应力筋位置、不同偏心距对接缝性能的影响；随后基于构件内力比预应力度的概念提出预应力轴力比，并分析不同预应力轴力比下的接头性能。基于荷载一结构法，对预应力衬砌的结构模型和计算方法进行了研究。预应力衬砌结构中预应力的作用表现在两个方面：对接缝的作用和对衬砌结构的作用，预应力对衬砌结构的作用采用等效荷载考虑。提出了预应力衬砌的连续非均匀刚度模型，该模型既可以反映预应力管片接头刚度对结构受力的影响，又可以反映接头部位由于刚度偏小而出现结构弯矩的重分布现象。结合算例给出预应力衬砌理论计算的过程并与数值模拟结果进行比较；随后利用连续非均匀刚度模型分析了不同预应力轴力比对衬砌结构的影响。基于概率极限状态设计方法和预应力度的概念，研究了预应力衬砌的设计方法，给出了预应力衬砌的设计计算的具体步骤并对其构造设计进行探讨。以地铁隧道及有内压的输水隧道为例，进行了预应力衬砌工程应用和技术经济分析。