地铁盾构隧道掘进过程ANSYS数值模拟分析

地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析具体做法如下：⑴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；⑵采用施加注浆压力的方法来模拟盾尾注浆过程；⑶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，各层的材料参数和厚度如下：第一层：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，ρ=18.28KN/m3第二层：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，ρ=20.62KN/m3第三层：厚15m，E=500Mpa，v=0.33，ρ=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FINISH/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，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,1,3.94E6!第一层土层材料参数MP,PRXY,1,0.35MP,DENS,1,1828MP,EX,2,20.6E6!第二层土层材料参数MP,PRXY,2,0.30MP,DENS,2,2160MP,EX,3,500E6!第三层土层材料参数MP,PRXY,3,0.33MP,DENS,3,2160!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,5,2100!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CYL4,0,0,2.7,0,3,90!创建管片CYL4,0,0,3,0,3.2,90!创建注浆加固圈RECTNG,0,4.5,0,4.5AOVLAP,ALLNUMMRG,ALL!压缩编号NUMCMP,ALL!合并图素RECTNG,4.5,31.5,0,4.5NUMMRG,ALLNUMCMP,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,,,3LESIZE,6,,,3LESIZE,7,,,3LESIZE,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NUMMRG,ALLNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!建立隧道下方土层模型RECTNG,0,4.5,-4.5,-26RECTNG,4.5,31.5,-4.5,-26NUMMRG,ALLNUMCMP,ALLLESIZE,28,,,3LESIZE,29,,,5,0.5LESIZE,30,,,5,2LESIZE,32,,,5,0.5LESIZE,31,,,8,2ASEL,S,AREA,,11,12,1AMESH,ALL!建立隧道土方土层模型RECTNG,0,4.5,4.5,15RECTNG,4.5,31.5,4.5,15NUMMRG,ALLNUMCMP,ALLLESIZE,34,,,3LSEL,S,LINE,,35,36,1LSEL,A,LINE,,33LESIZE,ALL,,,4LSEL,S,LINE,,37LESIZE,37,,,8,0.5AMESH,13AMESH,14NUMMRG,ALLNUMCMP,ALL!利用对称性得到平面内的全部模型ALLSEL,ALLARSYM,X,ALLNUMMRG,ALLNUMCMP,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L,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)VDRAG,ALL,,,,,,64+I*ENDDOALLSEL,ALLNUMMRG,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,Y,-10.5,5!选择二号地层内所在节点ESLN,SMPCHG,2,ALL!赋予基岩材料参数NSEL,S,LOC,Y,-11,-26ESLN,SMPCHG,3,ALL!加载与求解!施加边界条件，并进行求解设置FINISH/SOLUCSYS,0!激活直角坐标系/VIEW,1,-1,0.5,1/REPLOTEPLOTNLGEOM,ONNROPT,FULLPRED,ON,,ONOUTRES,ALL,LAST!控制写入数据库和结果文件的结果数据NSEL,S,LOC,X,-31.5D,ALL,UXNSEL,S,LOC,X,31.5D,ALL,UXNSEL,S,LOC,Y,-26D,ALL,UYNSEL,S,LOC,Z,0NSEL,A,LOC,Z,-60D,ALL,UZALLSEL,ALLEPLOT/REPLOTACEL,0,10,0STEP=0!求解自重应力场TIME,1!时间步（荷载步结束的时间）NSUBST,10!子步数和时间步长SOLVEFINISH!为了养成良好的习惯,自重应力场求解结束后,需对结果进行初步检查,判断准确无误后在进行下面的计算。进入后处理器，分别绘制Y方向应力云图和Y方向位移云图。/POST1PLNSOL,S,Y,0,1PLNSOL,U,Y,0,1图0.1建立的模型图0.2附好材料属性的单元图0.3初应力求解完成后Y方向的位移图0.4初应力求解完成后Y方向的应力!第一步开挖，进尺3m。在进行开挖计算时首先区分两个概念，一个是开挖步，另一个是计算步。一个开挖步也可以认为是一个循环进尺。在计算实例中，第1-12步开挖，每步掘进3m，第13步余下24m。计算中一个开挖步包含多个计算步：第一个计算步模拟开挖、施加盾尾注浆压力；第二个计算步模拟管片衬砌和注浆硬化。!第一个计算步的命令流如下：!*****第一步开挖，第一个计算步******FINISH/SOLURESCONTROL,FILE_SUMMARY!列表显示当前文件中的荷载步和荷载子步的信息ANTYPE,,REST!重新启动介绍TIME,2NSUBST,10,1000,5!DELTIM,0.1,0.001,0.2CSYS,12!激活局部柱坐标系WPCSYS,-1!将工作平面转移到当前局部坐标系ALLSEL,ALLEPLOT/REPLOTVSEL,S,LOC,X,0,3.2VSEL,R,LOC,Z,0,-3VPOLT/REPLOTESLV,SEKILL,ALLASEL,S,LOC,X,0,3.2ASEL,R,LOC,Z,-3SFA,ALL,1,PRES,0.3E6!施加掌子面顶进压力ASEL,S,LOC,X,3.2ASEL,R,LOC,Z,0,-2.9SFA,ALL,1,PRES,0.15E6!施加注浆压力ALLSEL,ALLSOLVEFINISH!求解完成后，继续进行第二计算步的计算，对于隧道开挖模拟的重启动，需要注意之前第一步计算时杀死的单元，以及施加的顶进荷载和注浆压力在第二步计算时需要重新施加；单元的生死命令需要重新定义。命令流如下：/SOLURESCONTROL,FILE_SUMMARYANTYPE,,RESTTIME,3NSUBST,10,1000,5!DELTIM,0.1,0.001,0.2,1CSYS,12WPCSYS,-1VSEL,S,LOC,X,0,2!选择开挖的核心土VSEL,R,LOC,Z,0,-3ESLV,SEKILL,ALL!杀死核心土VSEL,S,LOC,X,2,2.3VSEL,R,LOC,Z,0,-3ESLV,SMPCHG,4,ALL!施加管片VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7VSEL,R,LOC,Z,0,-3ESLV,SMPCHG,5,ALL!施做注浆层ASEL,S,LOC,X,0,3.19ASEL,R,LOC,Z,-3SFA,ALL,1,PRES,0.3E6ASEL,S,LOC,X,3.2ASEL,R,LOC,Z,0,-2.9SFA,ALL,1,PRES,0ALLSEL,ALLSOLVEFINISH!进行循环开挖。由于隧道开挖计算采用的是重启动分析，因此所有的参数和变量将重新回到初始值，因而不能采用*DO循环的方式来做，而由前面第一步开挖的求解可以看出，许多代码可以重用，将这些代码编成MAC文件，可以提高代码的简洁性。!将第一步开挖，第一计算步中的命令流改写成以STEP（开挖步）为参数的命令流形式，并将其文件命名为EXCA1.MAC,代码如下：!******************EXCA1.MAC***************!*CREATE,’EXCA1’,’MAC’,’’!TIME,2*STEP!指定时间步!RESCONTROL,FILE_SUMMARY!NSUBST,10,1000,5!设置荷载步,荷载子步,最大荷载步,最小荷载步!CSYS,12!激活局部柱坐标系!WPCSYS,-1!将工作平面转换到局部坐标系!VSEL,S,LOC,X,0,2!选择开挖核心土体!VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)!选择在0到-3范围内的核心土!ESLV,S!选择与体相关的单元!EKILL,ALL!杀死核心土体单元!VSEL,S,LOC,X,2,2.3!选择盾构管片!VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)!选择在0到-3范围内的管片!ESLV,S!选择与体相关的单元!MPCHG,4,ALL!将材料属性改为管片单元的材料属性!VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7!选择注浆加固区的体!VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)!选择0到-3范围注浆加固区体!ESLV,S!选择与体相关的单元!MPCHG,5,ALL!将材料属性改为注浆加固区材料属性!VSEL,S,LOC,X,0,3.2!选择体!VSEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1),-3*STEP!选择位置在-3到-6