随着国家城市化进程的加快,人均生活空间不断减少,城市变得越来越拥挤,因此急需要寻找对策来改变人类的出行、居住等生活环境。地面空间人类可以开发利用的已经很少了,而地下空间由于其开发的难度较大一直以来未得以充分利用。对于大型地下工程,如果能够在建设项目的各个阶段对其安全稳定性进行数值模拟,结合工程实测数据对比分析,发现洞室结构的薄弱点以及洞室可能存在的破坏形式,据此提前采取相应的支护措施,必定能够减少事故的发生与经济损失和人员伤亡。本文以广东省江门中微子实验站地下实验大厅为工程背景,通过大型有限元软件ANSYS建立地下实验大厅有限元模型,研究实验大厅在支护前后的稳定性差异,并输入El Centro波进行时程分析,研究实验大厅在水平地震作用下支护前后的动力响应规律,给出了地下实验大厅支护结构的静动力特性。论文主要的研究内容和结论如下:(1)建立了地下实验大厅的有限元模型,对实验大厅在静力作用下的稳定性进行数值模拟,说明了实验大厅的结构薄弱位置,对衬砌、锚杆的受力情况进行了分析,采用强度折减法求解了静力作用下支护前后实验大厅的安全系数,结合规范以及洞室位移、应力数据对地下实验大厅的稳定性进行了综合评价。(2)采用时程分析法对实验大厅在水平地震作用下支护前后洞室的位移、应力等响应进行对比分析,揭示了动力作用下实验大厅的变形规律,对衬砌和锚杆等支护结构的动力响应进行分析,对比静力作用下说明地震作用对结构的影响程度。(3)静力作用下洞室位移在竖向均布荷载下呈现对称分布,变化规律较明显,支护前后水平位移、环向位移均呈正弦曲线分布,竖向位移、径向位移近似呈现正态分布,水平位移量级为毫米级别,竖向、径向、环向位移量级为厘米级别占主导作用。在支护后洞室各方向节点位移均有不同程度的减小,节点竖向位移与距模型底部距离正相关,位移越大支护后效果越明显。但支护结构并未改变洞室变形规律,各方向位移最大值发生位置亦未显著改变。竖向位移较大区域主要位于上拱顶附近,水平位移较大区域主要位于两侧高边墙中部附近。(4)静力作用下洞室拉应力集中区主要在上下侧边墙中部偏上部位和下侧拱腰处,压应力集中区主要在上拱脚和下边墙墙脚处。在支护后洞室各方向由受压产生的应力均不同程度的减小,受拉产生的应力均不同程度的增大,洞室压应力区域相较未采取支护时显著变小,拉应力区域有所增大,使得地下洞室应力较大的区域减小,应力较小的区域增大,洞室应力分布更均匀。对于受压破坏为主的地下结构,能够减小应力集中区域,降低洞室发生应力型破坏的概率。(5)静力作用下支护后洞室安全系数较未采取支护时有所增大,安全系数本质上是将岩体的材料强度富余程度转化为一个明确的指标表示,在一定程度上有利于地下工程稳定性的定量分析,然而此安全系数仅仅对粘聚力和内摩擦角两个因素进行折减,使用此安全系数无法对洞室的稳定性进行独立评价,需要配合洞室的变形、应力以及隧洞施工开挖规范等多种标准对稳定性、安全性进行评价。(6)地震作用下洞室变形、应力规律较静力作用下并未显著改变,在支护前洞室位移、应力随时间波动逐渐趋于稳定,在支护后位移、应力值较支护前整体显著降低,虽然少数位置应力位移值较支护前有所增大或位置发生改变,然其绝对量级较小,并不影响洞室稳定性。其次,根据位移应力时程曲线可知,支护措施能够降低洞室在地震作用下位移、应力的波动程度,使得洞室节点更快趋于稳定,非常有利于提高洞室围岩的稳定性和安全性。(7)静动力作用下洞室衬砌弯矩、剪力值较大的位置主要位于上拱脚、上墙脚以及下墙脚处,围岩容易发生挤压破坏,因此在结构薄弱位置应该加强衬砌支护厚度,或者增加衬砌配筋以保证安全。锚杆整体呈现受拉趋势,洞室锚杆轴力整体上从临空面至岩体内部随着锚杆深入轴力逐渐变小,尤其在城门洞型隧洞的支护设计中,高边墙等部位此规律更为明显,当然在特殊部位拱脚、墙脚等锚杆轴力会发生突变,影响结构的稳定性。(8)根据《水工建筑物地下开挖工程施工规范》和《水工隧洞设计规范》以及支护前后静动力作用下实验大厅位移、应力等数据综合判定未采取支护措施时江门中微子实验站地下实验大厅均处于不稳定状态,支护后处于稳定状态,安全性良好。