地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析

1、第1章 大型有限元软件ANSYS简介121 材料、实常数和单元类型定义/clear !更新数据库/prep7 !进入前处理器et,1,solid45 !设置单元类型et,2,mesh200,6save !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 !地表层土弹性模量mp,prxy,1,0.35 !地表层土泊松比mp,dens,1,1828 !地表层土密度mp,ex,2,20.6e6 !盾构隧道所在地层参数mp,prxy,2,0.30mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数mp,prxy,3,0.33mp,dens,3,2160!

2、管片材料参数，管片衬砌按各向同性计算mp,ex,4,27.6e9 !管片衬砌弹性模量mp,prxy,4,0.2 !管片衬砌泊松比mp,dens,4,2500 !管片衬砌密度!注浆层，参数按水泥土取值mp,ex,5,1e9 !注浆层弹性模量mp,prxy,5,0.2 !注浆层泊松比mp,dens,5,2100 !注浆层密度save !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 !局部笛卡儿坐标local,12,1,0,0,0 !局部极坐标csys,11 !将当前坐标转换为局部坐标wpcsys,-1 !同时将工作平面转

3、换到局坐标cyl4,2.7,90 !画部分圆半径为2.7cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !画管片层部分圆cyl4,0,0,3,0,3.2,90 !画注浆层部分圆rectng,0,4.5,0,4.5 !画外边界矩形aovlap,all !做面递加nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号rectng,4.5,31.5,0,4.5 !画矩形面nummrg,all !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 !采用Mesh 200进行平面

4、内的单元划分lesize,1,6 !对线设置单元数lesize,2,6lesize,3,6 amesh,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采用MAP方式划分单元amap,5,9,8,11,12

5、 !对面4采用MAP方式划分单元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 !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号allsel,all !选择所有元素save !保持数据（4）建立隧道下方土层模型，如图10-3所示。rectng,0,4.5,-4.5,-26 !绘制下边界矩形面rectng,4.5,31.5,-4.5,-26 nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号lesize,28,3 !对线设置单元数lesize,29,5,0.

6、5lesize,30,5,2lesize,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。rectng,0,4.5,4.5,15 !绘制上边界矩形面rectng,4.5,31.5,4.5,15lesize,34,3 !对线设置单元数lesize,35,4lesize,33,4lesize,36,4lesize,37,8,0.5amesh,13 !对面13和14划分单元amesh,14nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编号save !保持数据

7、（5）利用对称性得到平面内的全部模型，如图10-5所示。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 !根据关键点生成线*do,i,1,19 l,37+i,38+i !通过关键点号循环增加生

8、成线*enddo*do,i,1,20 lesize,64+i,1 !循环对线设置单元数*enddo!进行拉伸，拉伸后建立的完整模型如图10-6所示type,1 !选择拉伸单元为Solid 45mat,1 !赋予拉伸单元材料参数esys,11 !选择单元坐标extopt,aclear,1 !设置拉伸选项，即拉伸完成后删除母单元Mesh 200csys,12*do,i,1,20 asel,s,loc,z,-3*(i-1) !选择拉伸的面 vdrag,all,64+i !进行拉伸*enddoallsel,all !选择所有元素nummrg,all !合并所有元素numcmp,all !压缩所有元素编

9、号allsel,all !选择所有元素save !存储数据库（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esln,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esln,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（1）并进行求解设置。Finish !返回上一次主菜单/solu !进入求解器csys,0 !改变坐标系/view,1,-1,0.5,

10、1 !改变视图显示方向/replot !重新绘制eplot !显示单元图save !保存数据库nsubst,10 !指定荷载子步nlgeom,on !指定大变形nropt,full !指定newton-lapnace迭代pred,on !启用非线性求解预测器lnsrch,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。nsel,s,loc,x,-31.5 !选择节点d,all,ux !施加X方向约束nsel,s,loc,x,31.5 !选择节点d,all,ux !施加X方向约束nsel,s,loc,y,-26 !选择节点d,a

11、ll,uy !施加Y方向约束nsel,s,loc,z,0 !选择节点nsel,a,loc,z,-60d,all,uz !施加Z方向约束allsel,allacel,0,10,0 !施加重力step=0 !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finish !返回上一次主菜单（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,0,1 !UY位移图如图10-9所示10.2.2 加载与自重应力

12、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antype,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 !杀死开挖土体单元，包括核心图、管片层、注浆层asel,s,loc,x,0,3.19 !选择面asel

13、,r,loc,z,-3SFA,all,1,PRES,0.3e6 !施加掌子面顶进压力asel,s,loc,x,3.2 !选择面asel,r,loc,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0.15e6 !施加注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !存储数据库finish !返回上一主菜单（2）第1步开挖中第1个计算步的命令流。/solu !进入求解器antype,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

14、,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,2,2.3 !选择体vsel,r,loc,z,0,-3eslv,s !选择单元mpchg,4,all !改变管片单元材料参数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,lo

15、c,z,0,-2.9SFA,all,1,PRES,0 !取消注浆压力allsel,all !选择所有元素solve !求解save !保存数据库finish !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Constr1.mac。!* *Constr1.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

16、,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),-3*stepeslv,sekill,allasel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*(step-1)SFA,all,1,PRES,0e6asel,s,loc,x,0,3.19asel,r,loc,z,-3*stepSFA,all,1,PRES,

17、0.3e6asel,s,loc,x,3.2asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1SFA,all,1,PRES,0.15e6allsel,allsolve save（2）将第1步开挖，第2个计算步中的命令流改也写为以step（开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件名命为Constr2.mac，代码如下：!* 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,allv

18、sel,s,loc,x,2,2.3vsel,r,loc,z,0,-3*stepeslv,smpchg,4,allvsel,s,loc,x,2.3,2.7vsel,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,allsolve save3 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

19、中文说明也与第一步开挖一致，在此省去。/soluantype,reststep=2Constr1.mac/soluantype,reststep=2Constr2.mac（2）第3步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=3Constr1.mac/soluantype,reststep=3Constr2.mac（3）第4步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=4Constr1.mac/soluantype,reststep=4Constr2.mac（4）第5步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=5Constr1.mac/soluantype

20、,reststep=5Constr2.mac（5）第6步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=6Constr1.mac/soluantype,reststep=6Constr2.mac（6）第7步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=7Constr1.mac/soluantype,reststep=7Constr2.mac（7）第8步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=8Constr1.mac/soluantype,reststep=8Constr2.mac（8）第9步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=9Constr

21、1.mac/soluantype,reststep=9Constr2.mac（9）第10步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=10Constr1.mac/soluantype,reststep=10Constr2.mac（10）第11步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=11Constr1.mac/soluantype,reststep=11Constr2.mac（11）第12步开挖模拟分析。/soluantype,reststep=12Constr1.mac/soluantype,reststep=12Constr2.mac（12）第13步开挖模拟分析

22、。/soluantype,reststep=13time,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,2.3,2.7vsel,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,allsolve save !以上为开挖中的第一个计算步/soluantype,reststep=13time,2*step+1AUTOTS,1DELTIM,0.1,0.001,0.2,1csys,12wpcsys,-1vsel