盾构隧洞预应力复合衬砌是首次在我国南水北调中线穿黄隧洞中提出的一种新型复合衬砌,该衬砌由外衬管片衬砌和内衬环锚预应力衬砌组合形成,为盾构输水隧洞在不良地质条件下面临大断面、深埋深、高内压、高防渗要求等技术难题时提供了一个新的解决方案。然而目前预应力复合衬砌在全世界范围内仅有穿黄隧洞一例,与之相关的设计理论、计算模型、工程实践经验等还不够完善,其内外衬传力机理与承载性能尚不明晰。因此,本文采用理论分析、数值模拟等研究手段,结合现场监测、模型试验等研究成果,对盾构隧洞预应力复合衬砌展开研究,旨在提出预应力复合衬砌的计算分析模型并揭示预应力复合衬砌的承载性能特征,主要的研究内容和取得的研究成果如下:(1)建立了带衬垫管片接头和无衬垫管片接头三维有限元精细模型,采用接头抗弯荷载数值试验对比了两种接头的弯矩-转角关系曲线,揭示了弹性衬垫对管片接头的“软化”作用;基于管片接缝界面模型,提出了带衬垫管片接头理论分析模型,并将计算结果与接头荷载数值试验结果进行对比,验证理论分析模型的可靠性;采用带衬垫管片接头理论分析模型对接头的承载性能进行参数分析,得到了接头弹性衬垫、螺栓等相关参数对管片接头承载性能的影响规律。(2)提出了管片接头简化的三维实体-弹簧模型,采用简化模型进行接头抗弯荷载试验,并将计算结果与三维精细模型和理论分析模型计算结果进行对比,验证接头简化模型的可靠性;基于接头实体-弹簧模型,建立了整段管片衬砌数值模型,分析了管片衬砌在外荷载作用下的变形、应力、轴力及弯矩分布规律;提出了考虑错缝拼装效应的整段管片衬砌二维梁-弹簧模型,将其与三维实体-弹簧模型对比验证,揭示了接头弹性衬垫、螺栓等相关参数对整段管片衬砌承载性能的影响规律。(3)以小浪底排沙洞为研究对象,建立了环锚预应力衬砌三维有限元模型并与现场监测结果对其进行对比验证;提出了环锚预应力衬砌三维简化壳模型和二维简化梁模型,并将计算结果与三维有限元模型进行对比,验证简化模型的可靠性;结合三维有限元模型和简化模型计算结果,分别从应力、轴力和弯矩的角度揭示了环锚预应力衬砌在锚索张拉和充水运行时的承载性能特征,同时指出了环锚预应力衬砌混凝土的薄弱环节。(4)分别对的预应力复合衬砌内外衬设垫层、直接浇筑、设插筋三种结合面处理方式进行传力机理理论解析,结合管片衬砌和环锚预应力衬砌简化模型研究成果,提出了预应力复合衬砌梁-组合弹簧-梁计算模型;采用提出的计算模型,揭示了垫层刚度、粘结强度和插筋用量对预应力复合衬砌内外衬传力的影响规律,探明了不同的内衬施作时机、内外衬层间渗水和衬砌超载运行导致的荷载变化对预应力复合衬砌内外衬内力的影响。(5)以南水北调中线穿黄隧洞为研究对象,采用所提出的盾构隧洞预应力复合衬砌梁-组合弹簧-梁计算模型,结合三维有限元计算结果以及1:1仿真模型试验成果,对穿黄隧洞预应力复合衬砌插筋模型和垫层模型在张拉工况和充水工况下应力、变形、轴力、弯矩等进行了对比分析,揭示了预应力复合衬砌的承载性能特征,阐明了预应力复合衬砌垫层模型在材料利用率、安全余度、防排水能力和结构稳定性等方面的优势。