随着交通建设的发展，双层隧道因其独特的优势，在城市受限地段有其特有的适应性而成为一种特殊的隧道结构形式。由于以往对这种结构研究较少，所以对于这种特大断面隧道的开挖工法和施工力学还缺乏系统的认识和研究。本文以我国东部沿海某城市规划建设的单洞双层6车道隧道为背景，通过围岩弹塑性理论分析和数值模拟，重点对单洞双层隧道的二次衬砌力学行为、开挖方案、施工力学行为、锚桩和支护参数优化进行研究。主要内容有以下几个方面：①系统地论述了国内外单洞双层隧道的建设状况和采用的多种施工方法及其有关数值分析的研究成果，探讨了常用施工方法的基本原理、施工要点及适用范畴。②对双层隧道所受荷载进行了分类，并进行了荷载效应组合，建立了二次衬砌的力学模型。采用荷载结构法对二次衬砌的力学行为和受力特征进行了有限元分析，找到了结构受力的薄弱部位。③分析了现有特大断面公路隧道使用较多的双侧壁导坑法和日本修建青梅隧道使用的多台阶开挖上部衬砌先行工法的优缺点，创造性的提出了上下层双侧壁开挖上部衬砌先行工法，分别对以上三种隧道开挖工法进行了数值模拟，分析比较了其位移场、应力场、塑性区、初期支护内力、二次衬砌应力。④针对上下层双侧壁开挖上部衬砌先行工法的锚桩参数进行了优化研究，分别对桩长、桩径、打设角度三个参数在位移、围岩应力和锚桩应力三个方面进行了比较分析，优化了锚桩的设计参数。⑤针对上下层双侧壁开挖上部衬砌先行工法进行了施工力学行为研究，找出了最不利施工步，针对隧道的支护参数，对地层注浆范围和两层喷射混凝土厚度的分配进行了优化研究。⑥以厦门东坪山地下立交工程为依托，对互通式地下立交下穿段进行了三维有限元模拟，得出了围岩在施工过程中的力学行为；对非对称无中墙连拱隧道初期支护搭接点位置进行了优化分析，找出了最优搭接位置；对大跨扩建段进行了二维扩挖力学行为分析，与新建隧道进行了相应比较。上下层双侧壁开挖上部衬砌先行工法是单洞双层隧道施工的又一新工法，该工法主要针对在软土地区修建上下层双向6车道隧道，其能够有效控制隧道变形和地表位移，保证施工过程的安全性。研究成果可为软土地区单洞双层隧道的设计和施工提供一定的参考，具有实用性。互通式地下立交作为一种新的结构型式，由于平面线性变化较快，具有多种结构型式，对其特殊节点（下穿段、连拱段、扩建大跨段）进行分析是必要的。分析得出的结论对以后修建地下立交具有一定的借鉴意义。