隧洞钢拱架+喷射混凝土联合支护结构数值模拟方法研究

作     者：孔词 朱奎旭 王小毛 肖明 

作者机构：长江设计集团有限公司 长江勘测规划设计研究有限责任公司 武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室 

出 版 物：《中国农村水利水电》 (China Rural Water and Hydropower)

年 卷 期：2025年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

基　　金：犬木塘水库工程科技创新项目(W-2022-72) 

主　　题：联合支护结构 钢拱架 受力特性 数学模型 硬化模型 

摘      要：钢拱架+喷射混凝土联合支护结构被广泛应用于软弱围岩隧洞中，受限于钢拱架尺寸较小、布置密集的特点，实际工程中难于对其进行非线性有限元分析。鉴于此，根据钢拱架的力学特性，提出了钢拱架结构四节点等参单元模型，通过刚度叠加模拟其力学作用，基于Mises屈服准则和二次塑性流动模型，建立钢拱架弹塑性本构模型以模拟钢拱架的屈服、硬化行为。采用弹性损伤本构模拟混凝土的损伤软化行为，最终形成钢拱架+喷射混凝土联合支护结构非线性数值模拟方法，通过一平面圆形隧洞算例，验证了其合理性。采用该方法深入研究了联合支护结构的受力特性，结果表明：围岩压力较小时，混凝土处于弹性状态，具有较高的承载能力，是主要的承载结构；围岩压力较大时，混凝土发生压缩损伤，多余应力传递给钢拱架结构承担，致使钢拱架应力显著增大，钢拱架演变为主要承载结构；减小钢拱架间距能在一定程度上减小钢拱架应力、减缓混凝土损伤的发展、增强联合支护结构的支护效果。