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(lǐng)域，隧洞是一種應(yīng)用十分廣泛的地下工程結(jié)構(gòu)。隧洞的穩(wěn)定性與隧洞開挖的斷面形狀緊密相關(guān)，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(shè)中，選定了隧洞的軸線之后，初始地應(yīng)力場和圍巖介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)是基本不變的，設(shè)計時只能不斷地調(diào)整洞室斷面的幾何形態(tài)以改善圍巖的應(yīng)力分布和穩(wěn)定性，這就產(chǎn)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(yīng)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(zhì)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(yīng)力場，起到使隧洞孔邊切向應(yīng)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(yīng)對開挖的隧洞作適當(dāng)?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(guān)要求，選取使支護內(nèi)邊界上的切向應(yīng)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(yīng)的正問題運用平面彈性復(fù)變函數(shù)中的保角變換方法進行求解。尋優(yōu)時，支護內(nèi)邊界的切向應(yīng)力即為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，映射函數(shù)系數(shù)為設(shè)計變量。選用數(shù)學(xué)中的混合罰函數(shù)方法求解目標(biāo)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(nèi)邊界可以達到最小的應(yīng)力集中，從而使隧洞