海底隧道是现代交通网络的重要组成部分，能够实现高效可靠的跨海连接，同时最小化环境影响并确保全天候运行。由于适应不同的地质条件和运营效率，带有预制段状衬里的盾构隧道已成为首选的建造方法。然而，这些项目涉及重大的技术挑战和资金投入，再加上在高水压和地震易发区域施工的复杂性[1]。这些隧道通常位于具有活动断层和软土沉积物的沿海地区，因此特别容易受到地震事件的影响，这凸显了先进地震设计和弹性基础设施的迫切需求[2,3]。
海底隧道的地震性能评估传统上集中在盾构隧道和沉管隧道类型上，研究方法包括物理实验、分析方法和数值模拟。尽管物理模型（如振动台试验和全尺寸原型实验）为结构动力学和接头力学提供了宝贵的见解[[4], [5], [6], [7]]，但它们在可扩展性、成本以及完全表示水下环境中的复杂相互作用方面往往存在局限性。最近的研究开始通过创新的测试设置纳入水力-机械耦合效应[[8], [9], [10]]，但将这些结果外推到实际条件仍然受到限制。
分析方法在理解海底隧道在地震载荷下的基本行为方面发挥着重要作用，因为它们效率高且能够揭示潜在的物理机制。Okamoto和Tamura的早期基础工作[11]引入了质量-弹簧模型来模拟隧道的地震响应，此后该模型被广泛用于海底隧道的地震分析[[12], [13], [14], [15]]。认识到海洋土壤在地震条件下表现为流体饱和的多孔介质是一个重要的进展[16]。Wang、Zhang和Jin[17]基于Biot关于饱和多孔介质中波传播的理论[18]，为海底隧道的地震分析提供了理论基础。最近，采用Hankel函数积分变换的解来研究SV波和P1波入射下的隧道响应[19]。虽然分析方法因其计算简单性和效率而受到重视，但它们通常限于线性假设和理想化条件，对于涉及强非线性、复杂几何形状或详细结构组件的问题往往难以处理。
由于数值模拟在处理复杂几何形状、材料非线性和不同载荷条件方面的灵活性，它们在海底隧道的地震分析中变得越来越普遍[[20], [21], [22]]。然而，许多现有研究简化了海水与隧道结构之间的动态相互作用，通常将水层简化为静态静水压力，并忽略了其对波浪反射和能量吸收的影响[23,24]。这种简化可能会影响动态响应预测的准确性。此外，海底隧道分析必须考虑与陆地环境不同的环境因素。这些因素包括海流和波浪对地震波的放大[25,26]，以及深水压力和复杂地质条件带来的挑战[27]。另一个关键方面是段状衬里的结构表示：将隧道视为连续的均匀环忽略了纵向接头的机械影响，而纵向接头在地震性能中起着重要作用，必须明确建模以进行可靠评估[28]。此外，现有研究主要依赖于水-海床-隧道系统的二维理想化，未能充分探索在真实的三维流体-土壤-结构耦合条件下的纵向地震行为。这种理解进一步受到将衬里简化为连续环的普遍做法的阻碍，这种方法忽略了包括纵向接头和错位组装在内的关键结构不连续性。尽管有这些简化，现有研究仍表明地震强度在控制盾构隧道的响应模式中起着关键作用。在低强度地震下，隧道通常保持在弹性阶段，衬里变形和接头开口基本上可以恢复。在中等强度下，土壤-结构相互作用变得更加明显[29]，导致横向椭圆化和纵向弯曲变形，伴随接头开口增加和螺栓逐渐屈服，从而导致衬里系统的刚度下降[30]。在高强度激励下，结构可能进入塑性阶段，可能出现段裂、接头失效、泄漏甚至整体不稳定[31]。在空间非均匀地震激励下，这些损伤过程会进一步加剧[32]。总体而言，盾构隧道的地震响应受地面运动特性、现场条件和结构配置的综合影响[33]。
本研究通过使用汕头湾隧道（SBT）作为工程案例，数值研究了海底盾构隧道的地震行为。通过结合耦合声-结构（CAS）方法和非线性土壤本构模型（Davidenkov模型），开发了一个三维有限元（FE）模型，从而更真实地模拟了海洋土壤在地震激励下的非线性滞后响应。提出了一种改进的结构建模策略，以捕捉三维框架内纵向段状接头和错位组装的机械效应。系统地研究了地震强度对纵向变形模式和损伤演变的影响，并阐明了流体动力学相互作用、结构不连续性和地震激励之间的耦合机制。在这一介绍之后，第2节详细介绍了FE建模方法，包括材料定律、边界条件和输入运动。第3节通过关键位置的接头开口和位移分析了纵向变形性能。最后，第4节使用基于损伤的指标评估了不同强度水平下的地震损伤模式。
