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受选线限制，在大量的长大隧洞建设中，特别是在中国西南、西北、华北等高地震烈度地区的输水隧洞建设中，不可避免的会面临输水隧洞邻近或穿越活动断裂的问题，穿越活动断裂带的隧洞建设迄今仍然是世界性的技术与理论难题。隧洞在穿越活断裂时，将面临断裂粘滑诱发的近场强震振动问题和断裂蠕滑导致的剪切错断问题。历次大地震震害调查表明强震作用下地下结构会产生严重破坏。相比于地面结构，隧洞在强震条件下的动力响应与破坏机理有待进一步研究。开展活动断裂区隧洞动力响应与破坏机制研究可为长大隧洞抗震安全提供理论与技术支持。活断裂的蠕滑错动将会对穿越活动断裂区的隧洞产生直接剪切破坏，对活断裂蠕滑错动条件下围岩-衬砌体系力学响应特征与抗错断衬砌结构形式进行研究，将有助提升中国重大调水工程中长大深埋输水隧洞设计理论水平。 本论文以滇中引水工程香炉山隧洞为依托工程，围绕“地震作用下围岩与衬砌相互作用机制”、“跨断裂隧洞围岩-衬砌体系地震动力响应特征与破坏机理”及“活断裂蠕滑错动作用下围岩-衬砌体系力学响应特征与抗错断衬砌结构形式”等三个关键科学问题展开研究。主要研究内容包括:动力人工边界理论及其数值实施方法、围岩与衬砌接触面数值模拟方法、地震作用下围岩与衬砌接触面地震响应特征及其影响因素、脉冲地震作用下跨活断裂隧洞围岩衬砌体系响应与衬砌破坏机制、无支护条件下围岩错断响应特征、有/无抗错断措施的衬砌结构在活断裂错动条件下的响应与破坏机制、跨活动断裂带隧洞链式衬砌结构初步形式。 本论文所取得的认识和研究成果如下: (1)围绕地震动力响应分析中的输入机制及边界问题，提出了适用于平面波斜入射、柱面波入射、Rayleigh面波入射的地震动输入公式，实现了粘性边界、粘弹性边界、自由场边界的有限元数值模拟;针对无限元边界在模型侧边界处上行波扭曲的缺陷，提出了一种基于自由场与无限元组合的动力边界模型;针对颗粒离散元中动力边界问题，提出了粘性、粘弹性、自由场边界条件的设置方法;针对深埋隧洞，建立了一种考虑地表反射效应的改进盒子模型。 (2)揭示了SV波垂直入射条件下，隧洞围岩与衬砌接触面的法向接触压力、切向摩擦剪应力、切向相对滑移等指标的动力响应特征:浅/深埋条件下，关于衬砌竖轴线镜像对称两接触点的接触压力时程峰值近似相等，沿衬砌圆周接触压力峰值分布具水平向与竖直向对称性，接触压力峰值在拱顶、拱底、两侧边墙处具极小值，在衬砌横截面共轭45°方向具极大值;浅埋条件下，衬砌底部接触压力峰值大于顶部对应值;深埋条件下，沿衬砌圆周接触压力峰值分布相对均匀。浅/深埋条件下，衬砌接触切向摩擦剪应力峰值近似关于衬砌轴线镜像对称，对称接触点的切向摩擦剪应力峰值相近，沿衬砌圆周切向摩擦剪应力峰值分布具水平向与竖直向对称性，切向摩擦剪应力峰值在拱顶、拱底、两侧边墙处具极大值，在衬砌横截面共轭45°方向具极小值。浅深埋条件下，切向相对滑移时程曲线呈现阶梯状，沿衬砌圆周切向相对滑移量在拱顶、拱底、左右边墙处具有极大值，在衬砌横截面共轭45°方向具有极小值，沿衬砌圆周切向相对滑移量峰值分布具水平向与竖直向对称性。 (3)揭示了平面SV波垂直入射条件下，摩擦系数对隧洞围岩与衬砌接触面的地震响应影响规律:浅埋条件下，各摩擦系数的接触压力时程曲线波动形态一致，峰值不同;深埋条件下，法向接触压力峰值沿衬砌外周分布对摩擦系数变化不敏感。浅深埋条件下，拱顶、拱底及两侧边墙处切向摩擦剪应力峰值对摩擦系数的变化敏感性较强，拱腰处摩擦剪应力及拱顶底结点水平相对位移对摩擦系数变化敏感性较弱，不同摩擦系数的衬砌结点速度接近。对于深埋隧洞而言，在同样初始地应力场及开挖条件下，摩擦系数越小，围岩与衬砌接触面越容易产生相对滑移，Ⅳ类围岩比Ⅴ类围岩的接触面更易产生相对滑移。 (4)揭示了平面SV波垂直入射条件下，围岩等级对隧洞围岩与衬砌接触面的地震响应影响规律:围岩等级是隧洞围岩与衬砌接触面的地震响应的关键影响因素。围岩级别对浅埋隧洞接触面法向压力峰值分布影响强于深埋隧洞，围岩质量越差，接触压力峰值越大，摩擦剪应力峰值越大，衬砌拱顶底水平相对位移量越大，浅埋隧洞接触面地震响应对围岩等级变化尤其敏感，围岩与衬砌接触面的地震响应受初始地应力场影响。 (5)为探讨脉冲地震作用下跨断裂隧洞地震响应和衬砌损伤机制，采用混凝土塑性损伤模型模拟衬砌结构，使用ABAQUS模拟隧洞开挖支护。研究发现:跨断裂段衬砌地震位移时程峰值明显大于上下盘段衬砌地震位移时程峰值，在分界面处具位移具突变性。衬砌首先在跨断裂段产生损伤，在上下盘与断裂分界处，衬砌损伤区沿衬砌横截面逐渐贯通，且量值明显大于其它部位。 (6)以滇中引水工程香炉山隧洞跨龙蟠-乔后断裂的两条分支断裂F10-1、F10-3段围岩-衬砌体系为研究对象，提出了活断裂错动条件下隧洞围岩-衬砌体系三维数值建模方法，剖析了无支护条件下围岩受活断裂无震蠕滑错动力学响应特征，探讨了无抗错断措施的衬砌结构受活断裂无震蠕滑错动内力及变形特征，研究了变形缝宽度和衬砌节段长度对链式衬砌结构受活断裂无震蠕滑错动力学响应的影响规律。基于数值模拟结果，提出了过活动断裂带隧洞衬砌结构初步形式。