深埋隧洞支護斷面形狀優(yōu)化.pdf

1、在國防、水電、礦山、交通等工程領域，隧洞是一種應用十分廣泛的地下工程結構。隧洞的穩(wěn)定性與隧洞開挖的斷面形狀緊密相關，合理的斷面形狀可以改善地下隧洞的受力狀態(tài)，充分發(fā)揮圍巖的自撐能力，以利于地下工程的維護。在實際的工程建設中，選定了隧洞的軸線之后，初始地應力場和圍巖介質的力學參數(shù)是基本不變的，設計時只能不斷地調整洞室斷面的幾何形態(tài)以改善圍巖的應力分布和穩(wěn)定性，這就產生了優(yōu)化隧洞斷面形狀的問題。
　　隧洞形狀優(yōu)化是一個重要的研究課題，

2、以往曾有較多的研究。但是，以往對孔形優(yōu)化的研究都沒有考慮隧洞支護的存在，其實際的工程意義可能會大打折扣。因為在原巖地應力很大的情況下，即使形狀再好的隧洞斷面，也不一定能保證其圍巖介質免遭破壞。而支護可以對隧洞孔邊提供徑向力，支撐圍巖并改變其應力場，起到使隧洞孔邊切向應力減小的作用。因此要避免由于圍巖被破壞而影響隧洞的穩(wěn)定，就應對開挖的隧洞作適當?shù)闹ёo。
　　本文在考慮隧洞支護作用的情況下，采用平面線彈性的問題假定，并滿足隧洞尺寸及

3、其他相關要求，選取使支護內邊界上的切向應力最小的優(yōu)化準則，在支護與圍巖為光滑接觸和完全接觸兩種情況下，尋求最優(yōu)的支護斷面形狀。尋優(yōu)過程是解決一類幾何反問題的過程，相應的正問題運用平面彈性復變函數(shù)中的保角變換方法進行求解。尋優(yōu)時，支護內邊界的切向應力即為優(yōu)化的目標函數(shù)，映射函數(shù)系數(shù)為設計變量。選用數(shù)學中的混合罰函數(shù)方法求解目標函數(shù)的極小值，可以獲得能滿足給定約束條件的最優(yōu)支護斷面形狀。所得最優(yōu)斷面的內邊界可以達到最小的應力集中，從而使隧洞