用于军事上的特种地下工程,基于防护和使用功能的要求,其工程内部的建筑布置及口部形式与一般的隧道工程有很大的差别,特别是工程的口部结构因需要考虑武器的打击要求,不仅口部与主体结构不是同轴的直通形式,而且结构的布置形式比隧道口部要复杂得多。另一方面,特种工程的主体部分一般处于山体的深部岩层中,需要穿越具有不同岩性和不同构造特征的岩体,与处于土层中的一般浅埋地铁或公路交通隧道有明显的差别。目前对山区岩体中的特种结构还没有进行过系统的抗震研究,不能满足实际应用的紧迫需要。本文针对5.12汶川地震后对受震害的特种工程抗震加固和今后新建工程的抗震设计需要,调查研究了特种工程的地震震害情况,采用三维动力有限元方法,研究了具有穿廊口部形式的特种工程的抗震特性,分析了工程主体洞室穿越断层岩体的地震响应,探讨了主体洞室穿越断层的多种抗震措施的作用机理及效果。主要研究工作和成果如下:(一)通过分析整理国内外地下结构的地震震害资料,研究了地下结构的震害形式和特点,分析了影响震害的主要因素和规律。总结了目前常用的地下结构抗震措施和抗震分析方法。(二)在阐述地下结构动力有限元分析方法的基础上,讨论了在ABAQUS中施加粘弹性人工边界及施加初始地应力的模拟技术问题。通过算例分析,验证了在有限元分析中设置粘弹性人工边界、施加初始地应力及采用混凝土损伤塑性模型选取参数的正确性和效果。(三)建立能够考虑无限地基的辐射阻尼效应和弹性恢复能力以及自重应力场的复杂地下工程有限元分析模型,在模型底部输入考虑行波效应的经典Kobe波,研究了穿廊式口部坑道结构的地震响应与破坏机理,分析了穿廊通道结构与主体坑道连接处在地震作用下的受力变形特点,结果表明口部结构的连接部位包括入口通道及其附近的主体洞室和穿廊通道是抗震薄弱位置。为给评估坑道工程震害提供研究依据,计算分析了地震波振动方向和地震烈度对穿廊式口部地震响应的影响规律。地震波振动方向对结构的地震响应有明显的影响,X向振动对口部结构的抗震最不利,其次是XYZ向,最后是Z向。入口通道两端之间的变形以剪切变形为主,其变形程度随着地震烈度的增大而加重,在9度地震作用下整个口部结构已基本都进入了塑性状态。(四)针对直墙拱顶横断面形式坑道通过断层时的地震响应机制分析问题,建立跨断层洞室有限元分析模型,分析了洞室的位移、应力、塑性应变随时间和空间的变化与分布规律,探讨了地震烈度和断层材料性质对跨断层洞室地震响应的影响规律。结果表明,与无断层时的相比,地震作用下有断层时洞室的位移和变形主要集中在断层区域内,洞室底板和边墙最容易产生破坏。洞室的变形随地震烈度的增加而增大,特别是在断层区域内。断层材料性质的提高可以有效减小断层区域内洞室两侧向内的收缩和墙脚的Mises应力峰值。(五)研究了对跨度断层洞室分别采用加强段、柔性加强段和抗震缝三种不同抗震措施后的效果。分析表明,在断层附近设置加强段能有效地控制断层内洞室的变形和净空间的减小,但相应的应力峰值和拱顶的加速度峰值会有一定的增大。与由普通混凝土材料构成的加强段相比,采用聚合物混凝土构成的柔性加强段能降低断层内洞室底板中心的加速度峰值,减少洞室横断面净空间的缩小量。从对抗震缝的缝宽和位置的影响分析看,抗震缝的位置对抗震效果的影响更明显,而缝宽对抗震缝的抗震效果影响很小,只有在抗震缝距断层较近时才能明显降低断层内洞室墙脚的Mises应力峰值,但抗震缝距断层较近时也削弱了洞室的纵向整体性,使洞室更易产生横向错台震害。