地铁盾构隧道掘进过程ANSYS数值模拟分析

1、地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析具体做法如下：(1)采用在掘削面施加顶进压力的方法来模拟开挖面土体的移动；采用施加注浆压力的方法来模拟盾尾注浆过程；采用更换注浆层材料参数的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果。由于目前计算软件的限制，难以模拟盾构机推进过程中对土体的扰动，这里简化处理。即假定盾构隧道开挖后，随机进行注浆。计算时，只需将开挖不断地向前推进，同时在后面进行注浆、换材料参数等操作，即可实现盾构隧道的动态开挖过程，详细的计算操作见后面的求解过程。工程问题的描述地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m,外径为D=6m,埋深为12m。自上至下，根据土层的物理性质参数不同将其分为3层，各层的材料

2、参数和厚度如下：第一层：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，p=18.28KN/m3第二层：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，p=20.62KN/m3第三层：厚15m，E=500Mpa，v=0.33，p=21.6KN/m3施工中掘削面顶进压力为0.3Mpa，盾尾注浆压力为0.15Mpa模型的建立!进入前处理器!进入前处理器MP,EX,4,27.6E9MP,EX,4,27.6E9FINISH/CLE/PREP7!进入前处理器ET,1,SOLID45!定义实体单元ET,2,MESH200,6!定义非求解单元，辅助面网格的划分!定义模型中的材料参数。模型中共有5种材料，其中土体有3种，

3、即地表浅层覆土、盾构隧道所在土层和基岩及管片衬砌和注浆层。其中，管片衬砌为管片式的拼装结构，为了计算方便，将其等效为一均质体，等效时对原有刚度进行折减。定义材料参数的命令流如下：!土体材料参数MP,EX,1,3.94E5!第一层土层材料参数MP,PRXY1,0.35MP,DENS,1,1828MP,EX,2,20.6E5!第二层土层材料参数MP,PRXY2,0.30MP,DENS,2,2160MP,EX,3,500E6!第三层土层材料参数MP,PRXY3,0.33MP,DENS,3,2160!管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算LESIZE,6,3LESIZE,7,3LESIZE,6,3LES

4、IZE,7,3RECTNG4.5,31.5,0,4.5MP,PRXY4,0.2MP,DENS,4,2500!注浆层，参数按水泥土取值MP,EX,5,1E9MP,PRXY5,0.2MP,DENS,5,2100!建立平面内模型并划分单元!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!设置局部直角坐标系原点坐标(0,0,0)LOCAL,12,1,0,0,0!设置局部柱坐标系原点坐标(0,0,0)CSYS,11!将当前坐标系转化为局部直角坐标系WPCSYS,-1!同时将工作平面恢复指定到局部直角坐标系下CYL4,2.7,90!创建开挖土体所在的面CYL4,0,0,2.7

5、,0,3,90!创建管片CYL4,0,0,3,0,3.2,90!创建注浆加固圈RECTNG0,4.5,0,4.5AOVLAP,ALLNUMMRGALL!压缩编号NUMCMP,ALL!合并图素NUMMRGALLNUMCMP,ALL!划分单元MSHAPE,0,2D!采用四边形单元划分网格MESHKEY,1!映射网格划分TYPE,2LESIZE,1,6LESIZE,2,6LESIZE,3,6AMESH,1LESIZE,4,6LESIZE,8,2LESIZE,9,2AMESH,2LESIZE,5,6LESIZE,10,1LESIZE,11,1AMESH,3LESIZE,12,3LESIZE,13,3A

6、SEL,S,AREA,11,12,1AMESH,ALLASEL,S,AREA,11,12,1AMESH,ALLLESIZE,14,8,2LESIZE,16,8,0.5AMAP,4,7,6,8,10AMAP,5,9,8,11,12!利用对称性，得到下半部分模型ARSYM,Y,ALL!通过坐标轴对称建立面NUMMRGALLNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!建立隧道下方土层模型RECTNG0,4.5,-4.5,-26RECTNG4.5,31.5,-4.5,-26NUMMRGALLNUMCMP,ALLLESIZE,28,3LESIZE,29,5,0.5LESIZE,30,5,2LESIZE,3

7、2,5,0.5LESIZE,31,8,2!建立隧道土方土层模型RECTNG0,4.5,4.5,15RECTNG4.5,31.5,4.5,15nummrgallNUMCMP,ALLLESIZE,34,3LSEL,S,LINE,35,36,1LSEL,A,LINE,33LESIZE,ALL,4LSEL,S,LINE,37LESIZE,37,8,0.5AMESH,13AMESH,14nummrgallNUMCMP,ALL!利用对称性得到平面内的全部模型ALLSEL,ALLARSYM,X,ALLnummrgallNUMCMP,ALL!建立体模型。将划分好的平面模型通过沿隧道轴线进行拉伸,得到隧道及其所

8、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,1,20K,0,0,-3*I*ENDDO!沿着这些点建立线，便于后来体的拉伸3,38*DO,I,1,19L,37+I,38+I*ENDDO*DO,I,1,20LESIZE,64+I,1*ENDDO!拉伸，拉伸后建立完整的模型TYPE,1MAT,1ESYS,11!定义单元坐标系EXTOPT,ACLEAR,1CSYS,12!激活局部柱坐标系*DO,I,1,20ASEL,S,LOC,Z,-3*(I-1)VDRAGALL,64+I*ENDDOCSYS,0!激活直角坐标系CSYS,0!激活直角坐标系ALLSEL,ALLnummrg

9、allNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!分层赋予土体材料参数。拉伸成体模型时为了方便，统一将所有的材料参数号都设置为1,而该实例中考虑了土层特性的分层，如前面建立模型是将土层设置为3种类型的土体，因而需将不同地层赋予不同性质类型的材料参数!赋予隧道所在地层的材料参数CSYS,0!激活整体坐标系NSEL,S,LOC,YANSYSR15.0JUN30201512:30:42PUTTNO.1-045152-.03466r-02417-.013678-003187.007305-17796.028287-38779.04927图1.13第13步开挖引起的地层位移（m）综合分析地层位移云图，可以

10、发现地层位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，其中拱顶产生最大下沉约4.5cm，仰拱处产生最大隆起约4.9cm。!2.地表沉降分析，利用宏文件LOADCASE,MAC文件，求解地表沉降FINISH/POST1N=3LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!选择地表节点ESLN,S!选择附在节点上的单元EPLOTPLNSOL,U,工0,1!显示地表的Y方向的位移!*第2次开挖引起的地表沉降FINISH/POST1N=5LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第3次开挖引起的

11、地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=7LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15NSEL,S,LOC,Y,15WPCSYS,-1WPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1!*第4次开挖弓|起的地表沉降*FINISH/POST1N=9LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第5次开挖弓|起的地表沉降*FINISH/POST1N=11LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,L

12、OC,Y,15!*第 次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=13LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第7次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=15C

13、SYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=17LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第9次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINI

14、SH/POST1N=19CSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*WPCSYS,-1WPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=21LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第11次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=23LO

15、ADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=25LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第13次开挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L

16、*L*FINISH/POST1N=27CSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1ANSYSMLSCOTR15.0SHM993J302015图2*第1次开挖引起的地表沉降F咖-俪厂斷-劇咖她期血曲3爾ANSYSMLSMIR15.0沁9999m302015图一2.2第2次开挖引起的地表沉降m)-.009042-.006458-.003874-.00129,001293s-J-i.g.i.i.8B.ssr8.i-e邑日6Tzoe巨o.=i1i1.SLLHSs(m)-耳运lnnfc总tt-23SEU?(W)M=.234163轴=787272J3020