地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析讲诉

1、第1章 大型有限元软件 ANSYS简介131材料、实常数和单元类型定义/clear/prep7et,1,solid45 et,2,mesh200,6! 更新数据库!进入前处理器!设置单元类型save!保持数据2）定义模型中的材料参数。!土体材料参数 mp,ex,1,3.94e6 mp,prxy,1,0.35 mp,dens,1,1828 mp,ex,2,20.6e6 mp,prxy,2,0.30 mp,dens,2,2160 mp,ex,3,500e6 mp,prxy,3,0.33 mp,dens,3,2160!地表层土弹性模量!地表层土泊松比!地表层土密度 !盾构隧道所在地层参数!基岩地层参

2、数!管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算mp,ex,4,27.6e9mp,prxy,4,0.2mp,dens,4,2500 !注浆层，参数按水泥土取值 mp,ex,5,1e9mp,prxy,5,0.2mp,dens,5,2100save! 管片衬砌弹性模量!管片衬砌泊松比!管片衬砌密度!注浆层弹性模量!注浆层泊松比!注浆层密度!保持数据2建立平面内模型并划分单元1）在隧道中心线定义局部坐标，便于后来的实体选取。local,11,0,0,0,0 local,12,1,0,0,0 csys,11 wpcsys,-1 cyl4,2.7,90 cyl4,0,0,2.7,0,3,90 cyl4,0,0,

3、3,0,3.2,90 rectng,0,4.5,0,4.5 aovlap,all nummrg,all numcmp,all rectng,4.5,31.5,0,4.5 nummrg,all! 局部笛卡儿坐标!局部极坐标 !将当前坐标转换为局部坐标 !同时将工作平面转换到局坐标 !画部分圆半径为 2.7 !画管片层部分圆 !画注浆层部分圆!画外边界矩形!做面递加!合并所有元素!压缩所有元素编号 !画矩形面! 合并所有元素numcmp,all!压缩所有元素编号save!保持数据（2 ）划分单元，如图10-1所示。meshkey,1!选择划分方式为映射划分type,2!米用Mesh 200进行平面

4、内的单兀划分lesize,1,6!对线设置单元数lesize,2,6lesize,3,6amesh,1!对面1划分单元lesize,4,6!对线设置单元数lesize,8,2lesize,9,2amesh,2!对面2划分单元lesize,5,6!对线设置单元数lesize,10,1lesize,11,1amesh,3!对面3划分单元lesize,12,3!对线设置单元数lesize,13,3lesize,6,3lesize,7,3lesize,14,8,2lesize,16,8,0.5amap,4,7,6,8,10!对面4米用MAP方式划分单兀amap,5,9,8,11,12!对面4米用MAP

5、方式划分单兀save!保持数据（3）利用对称性划分单元得到下半部分模型，如图10-2所示。arsym,y,all!以y轴为对称轴进行镜像操作nummrg,all!合并所有兀素nu mcmp,all!压缩所有兀素编号allsel,all!选择所有兀素save!保持数据（4）建立隧道下方土层模型,如图10-3所示。rectn g,0,4.5,-4.5,-26!绘制下边界矩形面rectn g,4.5,31.5,-4.5,-26nummrg,all!合并所有兀素nu mcmp,all!压缩所有兀素编号lesize,28,3!对线设置单元数lesize,29,5,0.5lesize,30,5,2lesi

6、ze,32,5,0.5lesize,31,8,2amesh,11!对面11和12划分单元amesh,12save!保持数据（5）建立隧道上方土层模型，如图10-4所示。!绘制上边界矩形面rectn g,0,4.5,4.5,15 rectn g,4.5,31.5,4.5,15 lesize,34,3 lesize,35,4 lesize,33,4 lesize,36,4 lesize,37,8,0.5 amesh,13 amesh,14 nummrg,all nu mcmp,all save!对线设置单元数!对面13和14划分单元!合并所有元素!压缩所有元素编号!保持数据（5）利用对称性得到平面

7、内的全部模型，如图allsel,all!选择所有元素arsym,x,all!以x轴为对称轴进行镜像操作nummrg,all!合并所有元素numcmp,all!压缩所有元素编号save!保存数据库3.建立三维有限元模型（1）通过沿隧道轴线进行拉伸，得到隧道及其所在地层的三维实体模型 !沿隧道轴线定义一系列关键点，点间距为3m*do,i,1,20!循环 20 次k,0,0,-3*i!每次增加3m （纵向）*enddo!沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸l,3,38*do,i,1,19l, 37+i,38+i*enddo*do,i,1,20lesize,64+i,1*enddo!根据关键点生成线10

8、-5所示。!通过关键点号循环增加生成线!循环对线设置单元数!进行拉伸，拉伸后建立的完整模型如图type,1mat,1esys,11extopt,aclear,1 csys,12 *do,i,1,2010-6所示!选择拉伸单元为Solid 45!赋予拉伸单元材料参数!选择单元坐标!设置拉伸选项，即拉伸完成后删除母单元Mesh 200asel,s,loc, z,-3*(i-1)vdrag,all,64+i!选择拉伸的面!进行拉伸*enddoallsel,all!选择所有兀素nummrg,all!合并所有兀素nu mcmp,all!压缩所有兀素编号allsel,all!选择所有兀素save!存储数据

9、库(2)分层赋给土体材料参数。!赋予隧道所在地层材料参数csys,0!改变坐标系nsel,s,loc,y,-10.5,5!选择节点es In ,s!选择单元mpchg,2,all!改变材料参数!赋予基岩材料参数nsel,s,loc,y,-11,-26!选择节点es In ,s!选择单元mpchg,3,all!改变材料参数10.2掘进过程三维仿真分析10.2.1加载与自重应力场求解1.施加边界条件(i)并进行求解设置。Fi nish!返回上一次主采单/solu!进入求解器csys,0!改变坐标系/view,1,-1,0.5,1!改变视图显示方向/replot!重新绘制eplot!显示单元图sav

10、e!保存数据库nsubst,10!指疋何载子步nl geom ,on!指定大变形n ropt,full! 指定 newton-lapnace 迭代pred, on!启用非线性求解预测器In srch, on!启用线性搜索outres,all,last!选择将每一子步的最后一个迭代计算步结果保存（2 ）施加约束条件。n sel,s,loc,x,-31.5!选择节点d,all,ux!施加X方向约束n sel,s,loc,x,31.5!选择节点d,all,ux!施加X方向约束n sel,s,loc,y,-26!选择节点d,all,uy!施加Y方向约束n sel,s,loc ,z,0!选择节点n se

11、l,a,loc,z,-60d,all,uz!施加Z方向约束allsel,allacel,0,10,0!施加重力step=O!用于记录计算步的参数save!存储数据库2.自重应力场求解与后处理（1）求解自重应力场。time,1!第1个荷载步（时间步）solve!求解save!存储数据库fin ish!返回上一次主采单（2）自重应力场后处理。/POST1!进入后处理器PLNSOL,S,Y,0,1!SY应力图如图10-8所示PLNSOL,U,Y,O,1!UY位移图如图10-9所示10.2.2加载与自重应力场求解1.第1步开挖模拟分析（1）第1步开挖中第1个计算步的命令流。/solu!进入求解器an

12、type,rest!设定分析类型为重启动分析，重启动点默认为上次求解结束时time,2!设定时间步AUTOTS,1!自动增加计算步DELTIM,0.1,0.001,0.2,1!时间步选项设置csys,12!将当前坐标变为前面自定义的极座标wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,3.2!选择体vsel,r,loc,z,0,-3!再选择体eslv,s!选择单元ekill,all!杀死开挖土体单兀，包括核心图、管片层、注浆层asel,s,loc,x,0,3.19!选择面asel,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6!施加掌子面顶进压力asel,s,loc,x,3.2!

13、选择面asel,r,loc, z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0.15e6!施加注浆压力allsel,all!选择所有兀素solve!求解save!存储数据库fin ish!返回上一主采单（2 ）第1步开挖中第1个计算步的命令流。/solu!进入求解器an type,rest!重新启动time,3!第三次计算AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12!改变坐标系wpcsys,-1!改变工作坐标系vsel,s,loc,x,0,2!选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s!选择单元ekill,all!杀死核心土单元vsel,s,loc,x,

14、2,2.3!选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s!选择单元mpchg,4,all!改变管片单兀材料参数vsel,s,loc,x,2.3,2.7!选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s!选择单元mpchg,5,all!改变注浆层材料参数asel,s,loc,x,0,3.19!选择面asel,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6!在面上施加压力asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc, z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0!取消注浆压力allsel,all!选择所有兀素solve!求解save!保存数据库fin ish!

15、返回上一层主菜单2.开挖循环MAC文件的编写（1）将第1步开挖，第1个计算步中的命令流改写为以step （开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件名命为Co nstr1.mac。*Constrl mac*time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,_1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7 vse

16、l,r,loc,z,0,-3*(step-1) eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-3*stepeslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19 asel,r,loc,z,-3*(step-1) SFA,all,1,PRES,0e6 asel,s,loc,x,0,3.19 asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES

17、,0.15e6allsel,allsolvesavestep （开挖步）为参数(2)将第1步开挖，第2个计算步中的命令流改也写为以 的命令流形式，并将其文件名命为Constr2.mac，代码如下：I *(Constr2 mac*time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel,s,loc,x,0,2vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,sekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,

18、2.7vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,5,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0allsel,allsolvesave3.第2步到第13步的开挖模拟分析(1 )第2步开挖模拟分析，！以下的中文说明也与第一步开挖一致，在此省去。/soluan type,reststep=2Con str1.mac/soluan type,restst

19、ep=2Con str2.mac(2 )第3步开挖模拟分析。/soluan type,reststep=3Con str1.mac/soluan type,reststep=3Con str2.mac(3 )第4步开挖模拟分析。/soluan type,reststep=4Con str1.mac/soluan type,reststep=4Con str2.mac(4 )第5步开挖模拟分析。/soluan type,rest step=5Con str1.mac/soluan type,rest step=5Con str2.mac(5 )第6步开挖模拟分析。/soluan type,res

20、t step=6Con str1.mac/soluan type,rest step=6Con str2.mac(6 )第7步开挖模拟分析。/soluan type,rest step=7Con str1.mac/soluan type,rest step=7Con str2.mac(7 )第8步开挖模拟分析。/soluan type,rest step=8Con str1.mac/soluan type,rest step=8Con str2.mac(8 )第9步开挖模拟分析。/soluan type,rest step=9Con str1.mac/soluan type,rest step

21、=9Con str2.mac(9 )第10步开挖模拟分析。/soluan type,reststep=1OCon str1.mac/soluan type,reststep=10Con str2.mac(10 )第11步开挖模拟分析。/soluan type,reststep=11Con str1.mac/soluan type,reststep=11Con str2.mac(11 )第12步开挖模拟分析。/soluan type,reststep=12Con str1.mac/soluan type,reststep=12Con str2.mac(12)第13步开挖模拟分析。/soluan

22、type,rest step=13 time,2*stepAUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1 csys,12wpcsys,-1 vsel,s,loc,x,0,2 vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1) eslv,s ekill,allvsel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)eslv,smpchg,5,allvsel,s,loc,x,0,3.2vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-60eslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolvesave!以上为开挖中的第一个计算步/soluan type,reststep=13time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys