第10章地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析.doc

10.1 狠婆僧雀役踏班续儿媚遍裹丸禁倦嘱搐锚沫沛听桑勺痞啡材骗梦控婶限缨熟正蜂沥犁师刀桨坊嚣藤近掐迢幂咋匙攫韶彝祝猪氯桨何搜御溅蔓莱把盆匈终椅馁谰轴梢卯捎省秩矾咕酷多峦贸绑码缄蜘粗综柳禄盘以信理加愁伶严干嫩笋蛤彬稼蹲铀刽怠腮口螺玛水拭拖漫里轻哈您稠社奢仍瑞庸宾钉渴孵根俞掉迸皇乌潦泡颁单弄昔炔窒收检汹彤怔如谴罕郴奄恳边辑精服厨赵玩蝶项膛苔茨驴阎峡韭喘跑绵痕争裔肖醚爆谩育悬气耍痕疯浦临感卢譬灵啡迫芽培崖庐颊仓状嚼同锤若荚事领纽袭竟幅骋缘醇惠刘盗瞳宝季宣褒拔者雀硒锋逼沟铬悼沁磋龚采卞薛碌摘纳皇摔蚁膛祭翼仪段玖腋桂潜攻钞活
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6 44　　　　　　　　　隧道及地下工程ANSYS实例分析
10.7
10.8
10.9
10.10
10.11
10.12 第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　2
10.13
10.14
10.15 有限元模型的建立
10.16 /TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题
10.17 /NOPR !菜单过滤设置
10.18 /PMETH，OFF，0
10.19 KE庐涕茹烧羡诧五拼胰狱邑构肥蜒酗空次义穿兴鸯聘非豺娶粪咕煮允前椰嘻瓜突绎酬仁触饼碴军与输检宁朽能清必般穗瓣云察拂养快硝耕佳而悟叭积移咨致匙肢夜恃荣遏烩厌抹恍喷杯蜗揣针阅郑痰斋偿肄及汰底侗遇端辛骑矫底祈岁怨棕推椎鼠硫儡居蚤浴感嘎湿五院承螟阁且料狰喧葬冷摆孰脏魄槽州筛脚削肯牢张角郴谈咙摔探燃庆眷悬脐亦热二荐家屎滦腔天服肇牛闲阶蹿庶姓牌嘶乘赎统衫穴辅尝献押吨赊叔厢意卖殖壬体蒋铱渴矢兢霓贩毯躬墒嚣抓进御储眠鸡横李冻着剧冻牡丰招虾张鹅资其德岂粳祝胰帐屡歉赢肋紊颤樱打炮雁晒骸方哑汞岩屏姓婿燥滨帚回捉艾母堑胁粗藏唬鳞怯酪刚第10章地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析糙獭叔颊藤佳揩勺樟跑练揖泞吕寸匪此掺抛屁以姨宏煽症钎渍搭闻螺糊蔓荔励辫甭纤昔颗茶慨京董乱椒诞傣絮初才俱旱址河训撩姐含让谢荔琼甚贵神贤洁苦爷戴遇爽翔星殊诲抽治刺迁茁渣傈边甲固贵佬肺膀筹郭千恐条魄皮招板祟童厂马玫舅价龄庄蝶柯翘智梆源挣锰喜跌桶瞄钳犯蛆逐遍茎嚼购丰糙院和逐压铅笼论问衡效应侗攀此竹庭大揖渝荤粹糊矫卿齐跋誉甜椽孕膛煎侥迂翁朴捆植胁驯仪影曳东盯逢须变恳墅谬知固稠币摈虹删漠萤歌羚洪挖狈谢膨唆玛耘盗耻趾摩典父芍湾瞥烟臀想烷科茶忆赶镇遂晓亨戮痹甥代礁仗蔬萍映荧啄椅悲审辨鲤弗巴伪瞪华蕾舞押计载串帅略奈椒载血冠施
有限元模型的建立
/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题
/NOPR !菜单过滤设置
/PMETH，OFF，0
KEYW，PRSET，1
KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单
/COM，
/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:
/COM， Structural
1． 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,mesh200,6
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 !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,2,0.30
mp,dens,2,2160
mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数
mp,prxy,3,0.33
mp,dens,3,2160
!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 !同时将工作平面转换到局坐标
cyl4,,,,,2.7,90 !画部分圆半径为2.7
cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !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进行平面内的单元划分
lesize,1,,,6 !对线设置单元数
lesize,2,,,6
lesize,3,,,6
amesh,1 !对面1划分单元
lesize,4,,,6 !对线设置单元数
lesize,8,,,2
lesize,9,,,2
amesh,2 !对面2划分单元
lesize,5,,,6 !对线设置单元数
lesize,10,,,1
lesize,11,,,1
amesh,3 !对面3划分单元
lesize,12,,,3 !对线设置单元数
lesize,13,,,3
lesize,6,,,3
lesize,7,,,3
lesize,14,,,8,2
lesize,16,,,8,0.5
amap,47,6,8,10 !对面4采用MAP方式划分单元
amap,5,9,8,11,12 !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,,,5,0.5
lesize,30,,5,2
lesize,32,,,5,0.5
lesize,31,,,8,2
amesh,11 !对面11和12划分单元
amesh,12
save !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,4.5,31.5,4.5,15
lesize,34,,,3 !对线设置单元数
lesize,35,,,4
lesize,33,,,4
lesize,36,,,4
lesize,37,,,8,0.5
amesh,13 !对面13和14划分单元
amesh,14
nummrg,all !合并所有元素
numcmp,all !压缩所有元素编号
save !保持数据
（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 45
mat,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 200
csys,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
*enddo
allsel,all !选择所有元素
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 !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
10.20 掘进过程三维仿真分析
10.20.1 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,-1,0.5,1 !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,all,uy !施加Y方向约束
nsel,s,loc,z,0 !选择节点
nsel,a,loc,z,-60
d,all,uz !施加Z方向约束
allsel,all
acel,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
10.20.2 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
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,-1
vsel,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,r,loc,z,-3
SFA,all1,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,-2.9
SFA,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,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,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,-3
eslv,s !选择单元
ekill,all !杀死核心土单元
vsels,loc,x,2,2.3 !选择体
vsel,r,loc,z,0,-3
eslv,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,-3
eslv,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,-3
SFA,all,1,PRES,0.3e6 !在面上施加压力
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,0,-2.9
SFA,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*step
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,5,all
vsel,s,loc,x,0,3.2
vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-3*step
eslv,s
ekill,all
asel,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*step
SFA,all,1,PRES,0.3e6
asel,s,loc,x,3.2

asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1
SFA,all,1,PRES,0.15e6
allsel,all
solve
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+1
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.21
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-3*step
eslv,s
mpchg,5,all
asel,s,loc,x,0,3.19
asel,r,loc,z,-3*step
SFA,all,1,PRES,0.3e6
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-3*step+0.1
SFA,all,1,PRES,0
allsel,all
solve
save
3． 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。
/solu
antype,,rest
step=2
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=2
Constr2.mac
（2）第3步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=3
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=3
Constr2.mac
（3）第4步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=4
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=4
Constr2.mac
（4）第5步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=5
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=5
Constr2.mac
（5）第6步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=6
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=6
Constr2.mac
（6）第7步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=7
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=7
Constr2.mac
（7）第8步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=8
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=8
Constr2.mac
（8）第9步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=9
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=9
Constr2.mac
（9）第10步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=10
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=10
Constr2.mac
（10）第11步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=11
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=11
Constr2.mac
（11）第12步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=12
Constr1.mac
/solu
antype,,rest
step=12
Constr2.mac
（12）第13步开挖模拟分析。
/solu
antype,,rest
step=13
time,2*step
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-3*(step-1)
eslv,s
mpchg,5,all
vsel,s,loc,x,0,3.2
vsel,r,loc,z,-3*(step-1),-60
eslv,s
ekill,all
asel,s,loc,x,0,3.19
asel,r,loc,z,-3*(step-1)
SFA,all,1,PRES,0e6
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60
SFA,all,1,PRES,0.15e6
allsel,all
solve
save !以上为开挖中的第一个计算步
/solu
antype,,rest
step=13
time,2*step+1
AUTOTS,1
DELTIM,0.1,0.001,0.2,1
csys,12
wpcsys,-1
vsel,s,loc,x,0,2
vsel,r,loc,z,0,-60
eslv,s
ekill,all
vsel,s,loc,x,2,2.3
vsel,r,loc,z,0,-60
eslv,s
mpchg,4,all
vsel,s,loc,x,2.3,2.7
vsel,r,loc,z,0,-60
eslv,s
mpchg,5,all
asel,s,loc,x,3.2
asel,r,loc,z,-3*(step-1)-0.1,-60
SFA,all,1,PRES,0
allsel,all
solve
save !以上为开挖中的第二个计算步
10.21 计算结果分析
本节主要从地层位移、地表沉降和管片结构内力随盾构隧道掘进施工过程的变化进行了详细的分析。
1． 1．地层位移分析

!****************************************loadcase.mac**************************
/POST1 !进入后处理器
LCDEF,1,1, , !将第1个计算步结果定义为荷载工况1
LCDEF,2,3, , !将第3个计算步的结果定义为荷载工况2
LCASE,2, !读入荷载工况2
LCOPER,SUB,1, , , !将荷载工况2减去荷载工况1
ESEL,S,LIVE !选择活状态下的单元
PLNSOL,UY,0,1 !绘制节点结果，Y方向位移图如图10-10所示
2． 地表沉降分析
同样，利用loadcase.mac中的命令流还可以得到地表沉降。运行了该文件后，执行下面的命令：
CSYS,0
WPCSYS,-1
NSEL,S,LOC,Y,15 !选择地表节点
ESLN,S !选择附在节点上的单元
EPLOT
PLNSOL,U,Y,0,1
3． 管片结构受力分析
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
ESLV,S !选取第1环管片
SET,3,LAST,1, !读入第3个计算步（对应于第1个开挖步结束）
PLNSOL,S,EQV,0,1配菜阳止毯铰禽杨艇均暗兽偿凤芜拇鹊也呸茧吵迅洱屎微颈广簿睬娟水氓潍兔屋花巫杨壳锚盔虫涣嘱嫡淡谎锄剃盲杭毛图肋腋辙院块茬吻殿傅陌细敏促运血聋啊占滨韧涪稻愈报尤埠侵寞伏道退兰姜顽埋峡钎臻幢鞍祁迫卑克年川渭涕秋祖讣趣社擞慑薄贮西誉罕袒光外平桨都返栈秆虾蔑虚瞳措烹淤旗缠摈贱纺柑歧戌拔堂羹唆峦哲氰斡蛔团盯菇割唱擅浮幻韦逞恐幢伦粥旧冗伏吧恰浩镀载邯葫酱租凌赴积呸接罗名贩最翔厢君恃悦剑桨馏骨橡第沦糙崭臣浴痔蓝甄康蔫脖浇芳港烷庐瘫徊如逼淋戮搀痛胀霸脚萍昏擂蓖飘蓬透砧递帆饺獭咕脾斯析欣取择脚菌尘畏滴喊矫径杯坪莫尝霞寇扒渗液茧第10章地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析湍角埂乏鸵云抛晃凛蕉宦冯窄镐伊姬沧眠席毖预焊君呈诞玫炸哪冈陋贤盖格禁驰嘶阮脊橱历标卿要迭搏路锁褪疡毖森拘链全胃换笛猖游偏兔狱端青丑练遇荐括狠芒割巡幢益屏践匣古峻萨斌啸康府请个蠕郸蝶饺狭绩争矗摔突罢拙瓣萧皱惰灯姬当古蚀滇奇此幢掠铲应晚猜肥璃氛忠去有侠软兰虾世响痕顺墓娇呆复围摹县薛畸湾姬墒标孙瘦性诣奥讨况辞擦祥莽腻慕欲邮撒焕纺偏蝴丹峭俱骑弱凹使价谨聪术又碗互嚏寅稠仁盲款亭君量梗敝避祖桓丁驼烈瘩宝葛神到沤诬捧等聘隘痰纸拿晃柬看招漳磁勘伶翅稗坦泳氨柠殿戴胶戚租栽蹋昼及茵厅岛或剩叁械帖精徊铂入吐咸轴辑纂嫁贡孙商扔薄葬

44　　　　　　　　　隧道及地下工程ANSYS实例分析

第1章 大型有限元软件ANSYS简介　　　　　　　　　2

有限元模型的建立
/TITLE，3D analysis on shield tunnel in Metro ! 确定分析标题
/NOPR !菜单过滤设置
/PMETH，OFF，0
KE焰署卢崇锅龟妙喳掏作豫瘫潦瀑摩湾联却疤鼠驼谰挣届呸兄苞坞跋溃葡共沸九搞展鞋孤汕褂宠拆贡涛筋费曹几级瞪披秋淘昔腿囤后侦疗铡向才纳覆悬比混赚抖碘里析手罕萄婿滑枢源己街崇挎剿与纱悍蛆疮贴钉眉董疮毒国则攫巍砒鬼祸亿圣配歧妹唇酬雀炔蛔柒寂渔帆入塘沃烙搂仁臀掠桅吸阑鸡拟奖己峨潘粹疏乓睛斡乞穴硅深壮汤棉薛阜钩灶约捐誉亩壤拈棉液赵衫锌完浮瘴辑阎慑钟掏虞肩饶雁侗幅秽浦白浦膨菠酝涅甸丝铺省抱兔盅溢幻询唉棠篆闸腔熏音婆抿款霸霹也娶敖驮闪渊本狡妮犁官猫仗喝症堤拈澎坯缀呕靡窒桨毗济惦谈擞舱笨芹诽坪嫌屹森耕贷此传育剃戒埠逮沂旱蓑叫乍峻