随着施工水平的不断提高,钢纤维喷射混凝土支护技术在土木工程建设领域中被广泛采用。作为一种多相复合材料,其具有较为复杂的空间内部结构,研究时若简单采用均质化方法并忽视钢纤维的空间分布特征,会难以反映钢纤维分布、钢纤维与混凝土基体之间的相互作用对其力学行为的影响。本文采用多尺度研究思想,首先从细观层次对钢纤维喷射混凝土代表体积单元进行数值模拟分析,研究钢纤维取向、钢纤维含量、钢纤维长径比对其物理力学性能的影响,根据代表体积单元的力学响应计算钢纤维喷射混凝土材料的宏观弹性模量;然后采用宏观弹性模量建立三种钢纤维喷射混凝土支护方案数值模型,研究各支护方案在隧道开挖支护中的适宜性和技术性要求。通过以上研究,本文获得的主要成果如下:(1)推导出在垂直岩壁平面内钢纤维与喷射方向的夹角分布满足正弦函数形式,基于分布函数建立了钢纤维三维数值模型。(2)(1)钢纤维分布对混凝土基体力学性能的影响。沿外力作用方向分布的钢纤维能更好的发挥抗力作用,帮助混凝土基体分担应力;钢纤维在外力作用方向附近发生角度改变时,对混凝土基体力学性能产生较大影响;在喷射角度与外荷载作用方向垂直情况下,钢纤维喷射混凝土的受力性能优于钢纤维浇筑混凝土。(2)钢纤维含量对混凝土基体力学性能的影响。混凝土基体的最大主应力出现在钢纤维含量较少的边界区域,其值约为内部区域最大主应力的2～3倍,随着钢纤维含量的增加,混凝土基体的平均应力逐渐降低。(3)高压喷射作用下钢纤维喷射混凝土与岩壁产生较高的粘结强度,从而使其更好地承担围岩压力,控制围岩变形。(3)钢纤维主要影响混凝土裂缝发展阶段和破坏阶段的力学行为,对弹性阶段的力学行为影响较小。钢纤维对混凝土弹性模量、抗压强度的影响较小,可认为同等级钢纤维增强混凝土与普通混凝土的弹性模量、抗压强度近似相等;钢纤维的掺入明显改善混凝土的延性,提高混凝土的残余强度和破坏阶段的变形能力。(4)设计三种支护方案并对其进行数值模拟研究,从隧道变形控制角度对各方案进行了适宜性评定和技术性探讨,研究了喷层厚度和隧道埋深对钢纤维喷射混凝土支护技术的影响。对于水文地质条件差、围岩等级低、隧道埋深较深的开挖段可采用钢纤维喷射混凝土复合式衬砌支护,对于水文地质条件良好、围岩等级高、隧道埋深较浅的开挖段可采用钢纤维喷射混凝土加锚杆单层衬砌支护;可以通过增加钢纤维喷射混凝土的喷层厚度提高其支护能力,但单层衬砌厚度不宜超过200mm。