以“一带一路”为契机,我国中西部地区隧道工程建设如火如荼,新疆、西藏、甘肃、宁夏等地开始筹划或已在建设多条山岭隧道、地铁线路、油气管道等,中西部城市的地铁建设将成为未来国家引领战略投资、带动经济发展、改善人民生活的重要发力点。地铁隧道工程穿越活断层等复杂地质构造区域成为常态化重难点工程,相关隧道工程的科学设计、安全施工、防灾减灾等成为隧道工程界日益关注的焦点。近年来,活动断层错动使隧道出现破坏的情况越来越多,活断层作用下的大位移错动会使地铁隧道产生复杂的三维变形,造成地铁隧道的严重破坏、扭曲和错断,但在国内外均没有可供遵循的成熟设防体系及相关规范。该领域存在着大量尚不明确的科学问题,面临着大量从未遇到过的技术挑战。因此,针对活动断层错动下地铁隧道结构进行研究和探讨,研究其受力特性、破坏模式及设防原则,为现阶段穿越活动断层地铁隧道的设计、施工提供技术储备和支撑,具有重要的科学意义和工程价值。论文以国家自然科学基金“活动断层黏滑错动下地铁隧道灾变行为及支护结构设防体系研究”(项目批准号:51478396)与新疆乌鲁木齐自治区科技计划项目“活动断裂带场区地铁隧道结构工程关键技术问题研究”(项目批准号:2015-08)为依托,采用理论分析、工程类比、数值分析和室内试验相结合的方法,针对穿越活断层地铁隧道衬砌结构受迫响应规律、破坏模式及设防体系等问题展开系统性研究,论文主要成果和结论如下:(1)采用自主研制的大比例、多倾角、高精度穿越活断层地铁隧道结构加载试验装置,开展普通隧道结构与节段式隧道结构的物理模型试验,考虑断面尺寸扩大、结构配筋增强、衬砌分段及柔性接头等设防措施,揭示断层错动条件下隧道结构设防体系的受迫变形范围、破坏程度、破坏模式,提出隧道结构纵向设防分区理念(主控区、影响区)。(2)建立错层黏滑错动条件下隧道结构三维三接触有限元模型,综合分析隧道结构纵横向位移特征、脱空区范围、裂缝分布特征、截面安全系数等关键指标,分层次定义隧道结构纵向破坏程度及破坏范围,国内首次建立活断层黏滑错动条件下隧道受影响分区长度的量化判据。(3)引入基于损伤断裂力学的内聚力本构模型(Cohesive Zone Model),通过对混凝土材料经典断裂试验的数值仿真复现,实现对CZM模型的I型(张开型)、II型(面内剪切型)开裂的参数标定及模型有效性验证。(4)采用Matlab及Python编程的方法,完善了Abaqus中的CZM单元建模功能,使其可以适应任意六边形模型的0厚度CZM单元的批量嵌入。建立基于CZM的穿越活断层隧道结构有限元模型,探明活断层黏滑错动条件下隧道结构I型、II型裂缝开裂过程及分布特征,明确活断层黏滑错动条件下隧道结构开裂模式,量化隧道结构破坏程度及破坏范围。(5)基于混凝土损伤塑性CDP本构模型,建立穿越活断层的铰接节段式隧道结构有限元模型,揭示活断层黏滑错动过程中隧道结构损伤演变过程及损伤分布特征,考虑配筋加强、衬砌分段、柔性接头等设防措施,明确铰接节段式隧道衬砌损伤破坏过程及钢筋渐次屈服规律,提出基于断层错动量的节段式隧道结构分阶段损伤破坏机理,探明设防后隧道结构可承受的极限错动量(极限抗错动性能),为穿越活断层隧道结构的设计优化、设防措施提供科学指导。(6)基于近断层地震动的速度脉冲特性,研究在近断层脉冲型地震动、近断层滑冲型地震动条件下隧道结构的动力响应特征。探明近断层地震动与断层错动共同作用下,隧道结构应力及内力变化规律,明确隧道结构分别承受的断层错动和地震动的内力分摊比。