地震与活动断层耦合作用下隧道灾变机理与控制研究

本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，并取得了一系列研究成果。 本项目从汶川地震收集的山岭隧道震害资料出发，统计分析了汶川地震中山岭隧道的震害资料，提出了山岭隧道抗震风险层次分析模型，深入调查了受损隧道的地质构造情况，研究了跨断层隧道的震害特征，并系统描述了跨断层隧道的震害形态。 通过断层活动与地震耦合作用下隧道—断层体系的灾变机理研究，提出了采用损伤指标和能量指标分析隧道—断层体系的非线性反应，建立起基于损伤指标和能量指标的隧道—断层体系的安全性评价体系。并提出了在隧道断层处设置结构构造的措施。 根据穿越活动断层隧道的地震动力响应特性，分析了不同影响因素下隧道纵向抗震设防长度，数值模拟结合振动台试验，提出了分级量化指标。根据震害调查分析及模拟结果，对断层区隧道的抗震设防进行了分段，根据不同位置制定了不同的对策措施，并且通过现场测试验证，修改完善了设防体系，最终提出了跨断层隧道抗震设防应用性设计参数。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，部分研究成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收录）、《Disaster Advances》（SCI收录）、《中南大学学报（自然科学版）》(EI收录)、计算力学学报学报(EI收录)、土木工程学报(EI收录)及《现代隧道技术》(EI收录)等国内外期刊上。另外，发表学术专著一部，并获得大连市人民政府资助出版。 2100433B

一般认为洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害调查发现不少隧道洞身段也发生开裂破坏，甚至倒塌。究其原因，主要是这些隧道穿越地层条件多为断层破碎带。项目以西部高烈度地震区和活动断裂区若干隧道工程为研究对象，从隧道动力学、地震工程学及地质学等学科基础理论出发，结合汶川地震跨断层隧道震害调查资料，采用地震模拟振动台试验和三维数值模拟相结合的研究方法，系统研究地震与活动断层耦合作用下隧道-围岩-断层系统的灾变机理与控制对策。包括引入损伤理论和能量原理建立隧道抗震安全性评价方法；提出隧道采用柔性接头形式穿越活动断层，综合考虑柔性接头的可蠕动性与抗震性耦合技术，实现隧道正常使用阶段的安全性与地震发生时的大变形吸能能力的合理均衡。项目预期将建立隧道安全性评价理论、方法以及灾害控制对策。项目的研究对于深入揭示活动断层区隧道地震破坏机理具有重要意义，为隧道抗震设计提供科学依据。

1)绝大多数强震震中分布于活动断层带内。

2)世界上破坏性地震所产生的地表新断层与原来存在的断层走向一致或完全重合。

3)在许多活动断层上都发现了古地震及其重要现象，重复的时间在几百年至上万年。

4）大多数强震的极震区和等震线的延长方向与当地断层走向一致。

5）震源力学分析得出，震源错动面产生状态大部分和地表断层一致。总之，地震带与活动断层有着成因上的密切联系。活动断层的作用又是产生地震和地震带分布的根本因素。

本课题面向固定式海洋石油平台的抗震工程，系统开展强震作用下导管架平台结构的动力倒塌分析方法、平台动力灾变过程模拟技术以及结构抗震鲁棒性评价与损伤控制方法的研究。试图揭示罕遇地震下海洋导管架平台结构的动力灾变机理，明确倒塌过程中平台失效路径传递与变化规律，探讨结构内力重分布机制及平台倒塌模式；致力于发展地震载荷下导管架平台灾变全过程的高效数值模拟技术，实现平台倒塌全过程的可视化；研究海洋平台结构鲁棒性的定量评价方法以及平台倒塌破坏模式的控制技术，对平台结构进行性能优化，使其整体倒塌失效模式具有可预见性与可控性，降低其倒塌失效的概率与失效后果。本课题研究将推动海洋工程结构地震环境下抗倒塌设计理论与方法的发展，为我国海洋平台结构的抗震设计与安全运行提供理论与技术支持，降低震区海域海洋油气开采的风险性，具有良好的学术价值与工程应用前景。

地震是一种突发性自然灾害，具有极大的危害性和不可预测性，对海洋结构物构成极大的威胁。本课题面向固定式海洋石油平台的抗震工程，系统研究了强震作用下导管架平台结构的动力倒塌分析方法、平台动力灾变过程模拟技术以及结构抗震鲁棒性评价与损伤控制方法。首先通过能力谱法、MPA方法以及，IDA方法分析了平台的非线性力学行为及抗震性能，探讨了其内力重分布机制及倒塌模式，有效揭示罕遇地震下海洋导管架平台结构的动力灾变机理；基于LS/DYNA显示动力分析，综合考虑接触、碰撞和断裂失效等因素，发展了地震载荷下导管架平台灾变全过程的高效数值模拟技术，实现平台倒塌全过程的可视化，再现平台从杆件屈曲断裂、至局部结构失稳、最终至整体倒塌的动态灾变全过程，为平台抗震性能分析与设计提供了有效工具；从确定性角度和概率角度，建立了导管架平台结构鲁棒性的定量评价方法，明确了海洋倒塌过程中失效路径传递与变化规律，有效确定平台关键构件及主要失效路径，为平台倒塌破坏模式的合理设防和控制技术提供依据；基于BRB，对平台结构抗震性能分析，有效实现对平台在罕遇地震作用下的振动控制，使得平台整体倒塌失效模式具有可预见性与可控性，从而降低平台在强震作用下的倒塌失效概率与失效后果。本课题研究将推动海洋工程结构地震环境下抗倒塌设计理论与方法的发展，为我国海洋平台结构的抗震设计与安全运行提供理论与技术支持，降低震区海域海洋油气开采的风险性，具有良好的学术价值与工程应用前景。 2100433B