近年来,我国交通、能源建设需求持续增长,盾构法在交通、水工、煤炭、油气等领域中广泛拓展应用,在建设条件上从浅埋到深埋、甚至涉及超千米深部地下空间的开拓,工程拓展的同时带来了一系列科学与技术问题。然而,采用盾构法修建大埋深地下工程是一个全新的领域,无现成规范和工程实例可资借鉴。面对深埋、富水及地质多变等复杂条件,衬砌结构的力学性能如何,目前的相关研究较少。本文以深长盾构斜井为题材,研究大埋深盾构斜井衬砌结构力学性能与分析方法,对于盾构隧道在深部空间拓展应用中遭遇到诸多技术问题的解答提供了具有引领性的思路与方法,意义重大。论文以神华新街台格庙矿区斜井工程和神东补连塔煤矿斜井工程为依托,结合国家自然科学基金项目(煤炭联合基金)“复杂条件下TBM(盾构)修建煤矿巷道(斜井)的衬砌结构设计基础理论”和国家科技支撑计划课题“盾构施工煤矿长距离斜井数字化远程监控技术”,采用资料调研、理论解析、数值模拟、相似模型试验和现场测试等研究手段,在荷载取值、围岩-结构相互作用、高地压和高水压的应对措施等方面取得了突破性进展。研究成果直接应用于我国煤矿领域首次采用盾构法修建的长距离斜井——神东补连塔煤矿斜井工程,并为待建的神华新街台格庙矿区斜井工程提供了技术储备,且可为类似隧道工程的设计和施工提供重要参考。论文主要工作和研究成果如下:1、采用资料调研结合数值模拟手段,对比分析了斜井洞室深浅埋划分的常用标准,由此确定了深长盾构斜井深浅埋划分标准的确定原则,提出了斜井洞室深浅埋的划分标准与围岩松动压力的计算公式。明确了收敛-约束法求解斜井围岩形变压力的适用条件,并探讨了采用收敛约束法求解斜井围岩形变压力的方法。2、基于弹性理论,推导了可考虑应力释放效应的盾构斜井围岩-双层复合式衬砌结构相互作用的应力和位移解析解;基于Mohr-Coulomb屈服准则推导了渗流影响下盾构斜井围岩-双层复合式衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,可为管片衬砌+可压缩层联合支护效果的评价提供理论依据。3、采用“盾构隧道-地层-水压复合体模拟试验系统”,针对大埋深盾构斜井穿越均一地层、层状复合地层和含软弱夹层等不同类型复合地层的特点,开展了考虑结构-地层联成作用的相似模型试验,探明了不同地层条件下煤矿斜井管片衬砌的受力与变形特征和管片衬砌+可压缩层联合支护体系的支护效果。4、提出了在高水压段采用泄水式管片的应对措施,并在此基础上建立考虑流固耦合效应的数值计算模型,通过正交试验方法对影响泄水式管片泄水降压效果的因素进行了分析对比,明确了主要影响因素及其主次关系。探明了泄水式管片泄水降压效应下管片水压力的分布特征和泄流量变化规律,检验了泄水降压引起的管片局部低水压效应下结构的安全性。采用现场测试验证了泄水式管片的泄水降压效果。