海域地震地质环境下海底隧道抗震性能研究

The submarine tunnel is an important transportation hub in the coastal zone, which plays a critical role in China's promoting economic and social development. Submarine tunnel is exposed to the effects of complex seismogeology conditions and seismic action, which factors in its failure modes and failure mechanism. Therefore, submarine tunnel seismic safety problem became a hot topic in the field of seismic engineering. The project carries out fundamental research on key scientific issues and techniques in the seismic performance of the submarine tunnel under offshore seismogeology conditions. By considering seismic source type, seismic wave propagation path and site characteristics, the oceanic ground motion simulation method will build, which can provide an accurate input ground motion for seismic performance of submarine tunnel research. The soil dynamic test, large-scale and nonlinear finite element simulation will be performed to study the influence of seabed soil on the ground vibration propagation. The seismic performance of submarine tunnel, the dynamic load distribution characteristics and structural deformation characteristics of the submarine tunnel are obtained by using the submarine tunnel and the local 3-D numerical simulation, large-scale quasi static model test will be carried out to realize the tunnel seismic damage process and can prove with the simulation results to each other. The project will help to understand the seismic performance of major engineering in the sea area and improve the seismic disaster prevention capacity of ocean engineering.

海底隧道是沿海经济区重要的交通枢纽，对我国经济和社会发展具有巨大推动作用，与此同时，面临着复杂海域地震地质环境，其地震安全性是地震工程研究的热点问题。本项目针对海域复杂地震环境与工程场地条件下海底隧道抗震性能的关键科学问题及关键技术开展研究。通过建立综合考虑地震震源类型、地震波传播路径、场地环境等因素的海域地震动模拟方法，为海底隧道抗震性能研究提供较为准确的地震动输入；通过土动力试验及大尺度、非线性有限元模拟，揭示海床土对地震动特性的影响；采用海底隧道全线及局部三维精细化模拟获取海底隧道薄弱和关键区段的海床土-海底隧道接触面动荷载分布特征与结构变形特性以及海底隧道整体抗震性能，通过开展大比例尺模型试验实现海底隧道地震损伤过程的物理模拟，并与数值结果实现互证支撑，形成试验-模拟驱动的海底隧道抗震性能研究成套技术流程。本项目研究将有助于认识海域重大工程抗震性能，提升海洋工程抗震防灾能力。

海底隧道的工程特点：地震地质环境复杂、空间跨度大、安全隐患不易发现等。与此同时，我国位处太平洋地震带以及地中海-喜马拉雅地震带之间，海域地区特别是我国邻近的板块俯冲带区域的地质构造活动非常活跃。项目针对海域地震地质环境下海底隧道抗震性能的重大科技及应用需求，面向海域工程场地地震动模拟方法及海床-海底隧道地震响应分析的关键问题开展研究。针对关键科学问题及关键技术，揭示了海域地震动特性，建立了海域地震动模拟方法，开展了大量海床土动力特性试验，针对海域场地，开展了分类研究并揭示了对地震波传播规律的影响，开展了海床-海底隧道体系地震响应模型试验与数值模拟。项目的开展旨在为重大海洋工程抗震问题提供技术支撑。主要结论如下：构建的随机有限断层法可以较好的模拟海域地震动特性，近场条件下的随机有限断层法模拟中的震源参数对模拟结果有着更大的影响，放大了震源参数中的误差致使模拟结果出现部分偏差；海域场地主要由地形地貌控制，各类地貌分类对海域地震动传播影响较大，海底峡谷区高频衰减慢且优势频段主要集中在中高频，通过局部场地地形坡度分析给出了各台站所在场地的工程特性；以渤海某典型钻孔为场地条件，建立了可液化海床-沉管隧道相互作用模型，并对地震动作用下沉管隧道的稳定性进行了数值模拟。结果表明，沉管隧道结构邻近海床较小的初始平均有效应力和地震动作用引起的强烈的土-结构相互作用引起了沉管隧道周围海床和远场海床液化进程的差异。数值模拟结果从受力和变形两个方面揭示了沉管隧道失稳破坏的原因：沉管隧道上覆土压力的减小、结构底部浮力的增大、侧墙与海床土体之间摩擦阻力的减小以及沉管隧道周围海床土体的大变形共同导致了沉管隧道的失稳破坏。输入地震动加速度时程的非对称性引起了沉管隧道两侧受力的非对称和土体变形的差异，从而引起了沉管隧道的不均匀上浮，竖向-水平向地震动的耦合作用加快了海床土体中超孔隙水压力的累积速度和液化区域发展速度，并加大了沉管隧道的最终上浮。同时竖向-水平向地震动的耦合作用加剧了沉管隧道的不均匀上浮现象。