隧道二次衬砌作为隧道工程最外层混凝土结构层,与初期支护共同组成复合式衬砌,对隧道结构周边围岩稳定起到重要的支护作用,同时也兼具防水、美观的功能。隧道作为地下结构建筑物,其工程地质条件复杂、施工条件差,设计不合理以及运营中多种动态因素的影响,使得大多数隧道工程都存在不同程度的病害。其中以隧道二次衬砌裂缝病害尤为突出。由于带裂缝缺陷的隧道结构极易产生应力集中,如何确保这类基于裂缝缺陷的隧道二次衬砌结构在地震作用下,尤其强震作用下的动力稳定性,是工程设计急待解决的关键问题。因此,本文以动力非线性有限元程序ABAQUS为平台,对基于裂缝缺陷的隧道衬砌结构的数值模型,动力响应规律、影响因素做了系统研究,并在此基础上总结了这类带裂缝缺陷隧道二次衬砌结构的减震思路。主要研究成果如下:(1)隧道二次衬砌裂缝病害的特性简析及其在数值模拟中的实现。论文阐述了大量在运营隧道二衬裂缝病害的特征,并整理归纳出隧道二衬裂缝缺陷总体分布情况及裂缝形态等特征。介绍了数值模拟裂缝的扩展有限元法的基本原理及其在有限元程序中实现的关键点。(2)基于无限元人工边界的地下工程合理地震动的输入研究。研究地下工程地震动力响应特性的关键一点是地震动的合理输入。地下结构本身无限域特性若采用同地面建筑一致的输入方法会有地震波反射扰动的问题。为此本文采用基于无限元人工边界的一种合理的地震动输入方法——基于波场分离的等效地震荷载。该方法在考虑地震层的辐射阻尼和地震波反射和散射效应的基础上推导出地震波从底面垂直入射时底边界和各个侧边界的等效地震荷载公式,并基于该计算公式编制了相关程序,同时运用算例进行考证。(3)基于裂缝病害的隧道二次衬砌地震响应研究。地震作用下隧道二次衬砌裂缝病害最不利状况研究。基于隧道二衬裂缝特性分析,开展了隧道二次衬砌不同裂缝形态、不同裂缝分布位置的数值计算,指出基于裂缝缺陷的隧道二次衬砌在地震作用下的最不利裂缝形态与最不利裂缝缺陷位置。以含最不利状态下裂缝缺陷的隧道二次衬砌结构为研究对象,分析隧道二次衬砌的应力、位移、损伤等响应特性并与无损衬砌对比。地震作用下,隧道二次衬砌裂缝缺陷附近应力高度集中,且裂缝缺陷的存在会增大隧道衬砌结构的应力水平、损伤程度。裂纹尺寸较小时,地震波传播到裂纹处会发生反射与散射,消耗部分地震波能量;裂纹尺寸较大时,隧道二衬衬砌裂纹缺陷的存在会增大隧道衬砌结构的抗震不利性。地震强度较大时,隧道二衬衬砌裂纹缺陷的存在会增大隧道衬砌结构的抗震不利性。分析不同裂纹尺寸、围岩级别、隧道埋深、衬砌厚度等对隧道二次衬砌地震动力响应的差异性。(4)最后,本文简析了基于裂缝缺陷的隧道二次衬砌的震害机理,基于此总结出两类基于裂缝缺陷隧道衬砌结构减震抗震的思路:一是抑制隧道衬砌结构裂缝缺陷的尺寸发展;二是减小隧道衬砌结构受到的地震作用。综合以上工作为以后实际隧道工程中的施工、加固提供了一定的参考价值。