地下隧洞已成为水利水电工程、交通工程、市政工程中不可或缺的组成部分,如何保证支护合理和围岩稳定是地下隧洞建设过程中两个密切联系的关键性问题。由于围岩的卸荷劣化效应必然存在于地下洞室的开挖过程中,因此本文的工作从研究地下洞室开挖过程中的围岩卸荷劣化效应出发,首先在FLAC3D中实现了围岩卸荷劣化效应的模拟;然后基于此模拟了某地下隧洞的开挖支护施工过程,形成了以荷载释放率确定喷锚支护施加和以位移释放率确定二次衬砌支护施加的模拟思路,提高了数值模拟支护施加的合理性;最后提出了基于能量法的地下隧洞动静力失稳判别方法,对该完建期的地下隧洞进行了动静力稳定性分析。论文的主要研究内容及成果如下:1.地下洞室开挖过程的围岩卸荷劣化效应模拟研究首先基于弹塑性力学理论和RFPA软件的数值试验结果,建立了“体积应变增量-塑性卸荷率-围岩物理力学参数劣化”之间的关系,然后利用fish语言对FLAC3D进行二次开发,实现了岩体卸荷劣化的模拟,最后以溧阳水电站地下洞室群分期开挖支护为例来验证该方法在FLACD中模拟围岩卸荷劣化的合理性与有效性。研究结果表明:a)体积应变增量与岩体材料后继屈服条件有着紧密联系,因此可以采用体积应变增量描述岩体开挖卸荷过程中后继屈服条件的演化。b)地下洞室开挖后,洞周岩体会出现开挖卸荷区与围岩损伤区,但是开挖卸荷区的范围大于围岩损伤区的范围,这是因为弹性卸荷不会引起围岩损伤。c)越靠近开挖临空面,开挖卸荷越多,围岩参数劣化越剧。d)对比围岩监测点位移的模拟数据与实测数据可知,考虑围岩卸荷劣化后,监测点位移的模拟数据与实测数据非常一致,因此在FLAC3D中采用该方法能够合理地模拟地下洞室开挖过程中的围岩卸荷劣化效应。2.地下隧洞开挖支护施工全过程模拟研究首先分析对比了不同开挖方案下隧洞围岩的位移应力变化,得出了合适的开挖方案,然后基于虚拟支撑力法,探讨了地下隧洞施工过程中喷锚支护施加时与掌子面距离的确定方法,最后基于洞周位移回归分析方法,将实际施工中确定二次衬砌支护施加时机的方法应用于数值模拟,形成了以荷载释放率确定喷锚支护施加和以位移释放率确定二次衬砌支护施加的模拟思路,实现了地下隧洞开挖支护施工全过程模拟。模拟结果表明:a)随着开挖进尺增加,围岩扰动减少,卸荷损伤区减少,但是围岩变形破坏的可能性也随之增加,因此选取该隧洞的开挖方式为4 m进尺全断面开挖。b)模拟该隧洞施工过程中喷锚支护施加时确定的荷载释放率为70%,对应于实际施工过程中喷锚支护施加时与掌子面的距离不超过4.17 m。c)由于喷锚支护只是改善了开挖荷载后期30%释放时引起的围岩劣化效应,此时完全损伤区已经形成,因此喷锚支护不能有效减少卸荷损伤区。d)采用洞周位移回归法,当监测点位移释放率为90%时,模拟隧洞施工过程中二次衬砌支护的施加。施工完成后,围岩和支护的位移应力分布范围合理。3.基于能量法的地下隧洞动静力稳定性分析研究首先推导了岩体单元的整体破坏失稳准则,并基于此由热力学第二定律和最小能量原理建立了地下隧洞的动静力失稳判别方法,然后探讨了在FLAC3D中进行地震动响应分析时天然地震波的选取和人工地震波的合成、地震波的输入和边界条件的设定、力学阻尼的选择和参数的确定等问题,最后对该完建期的地下隧洞进行了动静力稳定性分析,验证地下隧洞动静力失稳判别方法并对地震工况下地下隧洞围岩和支护的动力响应特性进行分析。分析结果表明:a)岩体单元的强度破坏是岩体单元整体破坏的必要条件,岩体单元的强度破坏与整体破坏有完全不同的破坏机理,不同应力状态下的岩体单元有着不同的整体破坏失稳判别准则。b)该地下隧洞在所有静力工况和地震工况三下只会发生应力型局部失稳,在地震工况一和地震工况二下极有可能发生应力型整体失稳。c)地震工况下,衬砌支护能够有效承担地震荷载,从而减少锚杆支护受力;同时施加喷锚支护和二衬支护能够形成围岩承压圈,从而有效改善围岩应力场。d)无支护工况、施加喷锚支护工况和施加喷锚与二衬支护工况下的地下隧洞受地震动作用后洞周发生整体破坏的岩体单元体积分别增加了 1553.15 m3、1091.79m3、223.07m3,可知施加衬砌支护后发生整体破坏的岩体单元体积的减少幅度大于施加喷锚支护后发生整体破坏的岩体单元体积的减少幅度,表明衬砌支护的抗震效果好于喷锚支护。本文的研究方法可以为数值模拟手段研究地下隧洞开挖支护施工和动静力稳定性分析提供借鉴,研究成果可以为地下隧洞施工期和完建期的设计施工提供有益参考。