随着我国能源战略的实施,在我国西南地区规划和建设了一大批高水头、大容量水电站。这些水电站大多集中在高山峡谷地区,其枢纽布置受到地形的严重制约,采用地下厂房的布置形式成为一种经济甚至是唯一的选择。大型水电站地下厂房面临着洞室群空间关系复杂、洞室结构形态复杂、赋存地质环境复杂等问题。特别地,我国西南地区位于板块交界处,强震频发,这些大型地下洞室面临的问题的复杂性在地震影响下会被进一步放大,如何保障这些大型地下洞室的抗震稳定性成为工程建设中的关键科学问题。目前,对于大型地下洞室地震响应分析方法的研究还不充分,并且缺乏系统性。因此,研究大型地下洞室在复杂条件下的地震响应特性,并分析其地震损伤机理,对于提升我国大型地下洞室抗震设计水平具有重大的科学和工程意义。本文围绕大型复杂地下洞室地震响应与损伤机理分析中的几个关键问题,即大型地下洞室地震响应分析方法、洞室围岩与结构动力联合作用分析方法、复杂层状岩体中地下洞室地震响应分析方法、复杂断层影响下地下洞室地震响应分析方法以及大型复杂洞室结构地震损伤机理等展开研究和探讨,提出了相应的分析方法,并通过算例或者工程实例验证了分析方法的合理性。本文的主要研究内容如下:（1）研究了动力有限元基本理论以及岩石类材料动态力学行为,形成了大型地下洞室地震响应分析方法。采用显式中心差分法求解系统运动方程,采用集中质量矩阵,以及局部阻尼和瑞利阻尼来考虑结构的惯性作用和介质的阻尼作用;分析总结了岩石类材料率相关性、塑性变形和疲劳损伤等特性,建立了模拟动力条件下岩石类材料复杂力学行为的本构模型;基于三维粘弹性人工边界条件和波场分解理论,通过将地震波转化为作用在人工边界节点上的等效力实现了地震波三维空间斜入射输入;通过对系统运动方程求解、岩石类材料动态本构模型和地震波输入等问题的研究,形成了地下洞室动力有限元计算基本方法。（2）建立了复杂接触状态下地下洞室围岩与混凝土结构动力联合作用分析方法。基于混凝土材料在循环荷载作用下的率相关性和拉、剪各向异性损伤特性,建立了动力条件下拉、剪损伤变量的演化方程,结合静力和动力条件下混凝土材料本构关系曲线相似的特点,推导了动力条件下拉、剪损伤变量演化方程的具体表达式,由此建立了动力条件下混凝土材料损伤力学模型;根据围岩与混凝土结构接触面在循环剪切荷载作用下的磨损和剪断两种破坏模式,分别提出了相应的考虑接触面粘结特性的剪切强度公式,并推导了强度参数在循环荷载作用下的磨损退化演化方程,建立了接触面非线性剪切力学模型;根据围岩与混凝土结构接触面在复杂力学环境下存在粘结接触、滑移接触、脱开等多种接触状态,通过引入与接触状态相关的边界条件来求解动接触力,形成了考虑接触面复杂接触状态的动接触力算法;在该算法中引入接触面非线性剪切力学模型,形成了能够模拟接触面复杂接触状态和复杂力学行为的动力联合作用分析方法。（3）形成了复杂层状岩体中地下洞室地震响应分析方法,并研究了其破坏机理。基于层状岩体在三维应力状态下的变形和强度各向异性的特征,分析总结了层状岩体变形参数和强度参数随着层理面倾角和围压的变化规律;采用横观各向同性理论来模拟层状岩体在弹性状态下变形各向异性的力学行为,通过同时考虑层状岩体基岩和层面强度来考虑其强度各向异性;通过考虑动力条件下应变率对变形参数和强度参数的影响,以及循环荷载作用下层状岩体疲劳损伤导致的强度退化,建立了层状岩体非线性动力有限元模型;分析总结了层状岩体洞室不同的破坏模式及其破坏机理,并给出了不同破坏模式的发生条件以及判别方法;结合层状岩体各向异性力学特征、动力有限元模型及其破坏机理,建立复杂层状岩体中地下洞室地震响应分析方法。（4）形成了复杂断层影响下地下洞室地震响应分析方法,分析了跨断层地下洞室失稳机理。采用薄层单元来描述断层的结构特征,并详细推导了薄层单元的数学模型;通过引入双曲线模型来描述断层切向和法向力学特性,针对断层结构面在地震循环荷载作用下的疲劳损伤特性,考虑了断层强度参数在循环荷载作用下出现的磨损退化,并推导了其磨损演化方程,综合形成了断层非线性有限元模型。采用该模型分析了断层参数和峰值加速度对地下洞室地震响应的影响,分析结果显示断层对洞室稳定性的不利影响会在地震中被进一步放大。结合震损调查和数值分析的结果,归纳总结了跨断层地下洞室的三种破坏模式及其机理。（5）分析了映秀湾水电站地下厂房复杂内部结构在汶川地震中的震损特征及损伤机理。根据震后现场调查的结果,总结出映秀湾水电站在汶川地震中“地面结构损伤大于地下结构”和“洞室内部混凝土结构是其抗震薄弱环节”的震损特征;采用地震响应分析平台模拟了映秀湾水电站地下厂房地震响应过程,并考虑了地震波斜入射和围岩与洞室结构动力相互作用的影响;结合震损调查和数值模拟结果,分析总结了映秀湾水电站地下厂房变形模式及其震损机理,结果显示:洞室结构的损伤分布主要是由结构本身特征决定的;洞室上部结构缺乏足够的约束,导致其在地震作用下发生大变形破坏。