本文以国家自然基金(51474218)为依托,以南关矿3206回采巷道为工程背景,研究钢管混凝土支架及其与锚网喷联合支护与围岩相互作用关系,目的是完善地下工程用钢管混凝土支架的设计,并提供有利依据。从最基础的钢管混凝土短柱出发,研究了钢管混凝土短柱作用机理,通过课题组的结构试验测得不同壁厚钢管混凝土短柱极限承载力,以及不同壁厚下试件的泊松比与荷载间的关系,再根据弹性力学相关理论研究了钢管与核心混凝土之间的作用关系,定义了薄厚壁钢管混凝土短柱的界定,指出钢管壁厚与直径的比值存在一个临界点,当大于这个值时,钢管轴向应力呈现拉力与实际受力不符,当小于这个值时,钢管轴向应力呈现压力。结合试验给提出了薄、厚壁钢管混凝土短柱极限承载力的不同计算方法,计算结果与试验结果有较好的一致性。随后研究了钢管混凝土圆弧拱在六等分点均值加载下的作用机理,通过课题组的结构试验测得不同矢跨比、钢纤维体积掺量的钢管混凝土圆弧拱极限承载力以及变形破坏特征,指出矢跨比的增加能够提高圆弧拱的极限承载力,而钢纤维体积掺量的增加降低了圆弧拱的极限承载力,说明钢管混凝土圆弧拱在六分点等值加载下受轴力影响大于弯矩。通过数值模拟分析了拱顶、拱底截面弹性范围内、塑性范围内应力分布情况,也分析了不同钢管壁厚、不同试件的截面尺寸、不同矢跨比对钢管混凝土圆弧拱极限承载力的影响比重,指出截面尺寸影响大于矢跨比大于壁厚。根据拱桥弹性中心法计算出单位力下钢管混凝土圆弧拱各截面轴向应力、弯矩、剪力变化情况,结合试验结果和数值模拟结果,给出截面强度的合理假设,再根据钢管混凝土短柱中钢管与核心混凝土的相互作用机理提出钢管混凝土圆弧拱在六等分点等值加载下的极限承载力的计算方法,计算结果与试验结果有较好的一致性。钢管混凝土支架与锚网喷联合支护与围岩作用机理的研究中,设计了四组圆形巷道的相似模型试验,分别为无支护巷道、锚网喷支护巷道、钢管混凝土支架支护巷道(以下简称支架支护巷道)、钢管混凝土支架与锚网喷联合支护巷道(以下简称联合支护巷道)。实施相似模型试验过程中解决了圆形巷道难以预埋锚杆的问题。通过模型试验分析对比了无支护巷道、锚网喷支护巷道、支架支护巷道和联合支护巷道围岩变形破坏特征、围岩位移、围岩应力情况。试验指出:无支护巷道,底板观察线最先发生松动,后出现帮部发生开裂,随着荷载不断增加,帮部的裂隙向顶板扩张,并伴随片帮和顶板垮落现象。锚网喷支护巷道,帮部、顶板观察线几乎同时出现松弛现象,且松弛范围大,说明锚网喷支护可使巷道表面破碎围岩与深层围岩形成一个变形较连续的整体,继续增加荷载,底鼓现象凸显,肩部钢带发生弯折,部分锚杆嵌入围岩中,顶板部分垮落。支架支护巷道,帮部支架先与围岩接触并起到一定支撑作用,两帮无变形,顶底板处的围岩处于无支护状态,顶底板变化与无支护相似。继续施加荷载,顶部圆弧拱矢跨比增加,顶部圆弧拱承载力也增加,帮部圆弧拱承载力降低,最后巷道呈现立椭圆状。联合支护巷道,在支护前期,顶板围岩与锚网喷支护变形特征相似,与锚网喷支护不同的是,支架先与帮部接触,导致帮部观察线未松动;也导致与支架支护相比,顶板观察线松动范围更大,联合支护效果明显优于锚网喷支护和支架支护。最后,根据弹塑性理论,优化了考虑合理喷层厚度和锚索影响的承压环理论,通过数值模拟试验,并结合相似模型试验,分析了锚网喷支护、支架支护、联合支护这三种支护形式对围岩位移、围岩应力分布和塑性区的影响,且通过分析支架、锚杆、锚索对浅层围岩的影响,印证了承压环理论的合理性,最后通过工程实例印证了承压环理论的适用性。