ansys隧道开挖实例
隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力
Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力1.理论基础围岩在隧道开挖过程中会经历三种应力状态，依次为初始应力状态、二次应力状态和三次应力状态。
（1）初始应力状态初始应力状态，又称一次应力状态，泛指隧道开挖前的岩体的初始静力场，它的形成与岩体的构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。
（2）二次应力状态隧道开挖后，导致围岩应力重新分布，此时称为二次应力状态。
（3）三次应力状态隧道开挖后围岩应力进行了重分布，当修筑衬砌并达到稳定时围岩应力状态称之为三次应力状态。
2.计算实例现对一平地进行开挖，开挖半径5m（拱形），拟定三种不同埋深13.25m、30m、50m。
利用ansys数值模拟山体的原始应力场以及开挖后不加支护的应力状态。
围岩属性见下表：3.输出结果（1）初始地应力场图1.1第一主应力状态图1.2第三主应力状态图1.3应力矢量图（2）拱形隧道、13.25m埋深图2.1第一主应力状态图2.2第三主应力状态图2.3应力矢量图（3）拱形隧道、30m埋深图3.1第一主应力状态图3.2第三主应力状态图3.3应力矢量图（4）拱形隧道、50m埋深图4.1第一主应力状态图4.2第三主应力状态图4.3应力矢量图4.总结随着隧道的日益增多,隧道的绝对埋深越来越大,与隧道埋深有关的问题也越来越多，此次作业正是通过ansys模拟不同埋深隧道的应力状态情况。
由图可得，在原始应力状态下，围岩应力呈层状分布。
开挖过后，坑道附近围岩应力开始出现明显变化，13m埋深的时候，顶部和底部都出现了拉应力，30m埋深和50m埋深的时候拉应力逐渐消失，呈受压状态。
同时随着埋深的增加，隧道顶部、底部、侧壁所受的压应力也在增加，同时应该意识到，侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆的主要原因之一，而且，常常是整个隧道丧失稳定的主要原因，在设计中我们应该予以足够的重视。
第3章ANSYS隧道工程应用实例分析
中国
澳大利亚
奥地利 日本
弹性地基圆环
局部支撑弹性地 局部支撑弹性地基圆 基圆环 环、 经验法加测试、 FEM 埋深<2D： 顶部无 支撑的弹性地基 圆环 埋深>3D： 全周支 撑的弹性地基圆 环或 FEM 埋深 <2D：顶部无支撑 的弹性地基圆环 埋深 >3D：全周支撑的 弹性地基圆环或 FEM
弹性地基框架、FEM、 弹 性 地 基 框 特征曲线法 架、FEM
第 3 章 ANSYS 在隧道工程中的应用分析 构体系，故又称为围岩—结构共同作用模型。这种模型中，围岩是直接的承载单元，支护结构 只是用来约束和限制围岩的变形，这一点刚好与第一种模型相反。这种模型主要用于由于围岩 变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护 结构原理的一种设计方法，需采用岩石力学方法进行计算。应当指出，支护体系不仅是指衬砌 与喷层等结构物，而且还包括锚杆、钢筋及钢拱架等支护在内。 围岩—结构共同作用模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为 它符合当前施工技术水平，采用快速和超强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松 动压力的产生。这种模型还可以考虑各种几何形状、围岩特性和支护材料的非线性特性、开挖 面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等。 利用此模型进行隧道设计的关键问题是， 如何确定围岩初始应力场和表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决 了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力及位移状态。 这种模型中只有一些特殊隧道可以用解析法或收敛—约束法图解，绝大部分隧道求解时因 数学上的困难必须依赖数值方法，借助计算机来进行分析求解。
3.1.3 隧道荷载
参照相关隧道设计规范，隧道设计主要考虑荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，详 见表 3-2。 其中最重要的是围岩的松动压力， 支护结构的自重可按预先拟定的结构尺寸和材料重 度计算确定。在含水地层中，静水压力可按最底水位考虑。在没有仰拱结构中，车辆荷载直接
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,11WPCSYS,-1CYL4,,,,,2.7,90CYL4,0,0,2.7,0,3,9 0CYL4,0,0,3,0,3.2,9 0RECTNG,0,4.5,0,4.5 AOVLAP,ALL NUMMRG ,ALL !创建开挖土体所在的面!创建管片!压缩编号!将当前坐标系转化为局部直角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,,11,12,1!建立隧道土方土层模型AMESH,ALLRECTNG,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。
ANSYS实例分析连拱隧道开挖
ANSYS实例分析连拱隧道开挖摘要：主要介绍了采用基于岩石力学方法的围岩-结构模型进行高速公路隧道施工力学数值模拟分析，也包括问题的描述，建模，加载与求解和计算结果分析。
荷载-结构模型主要用于明挖浅埋结构和山岭隧道的二次衬砌结构设计中的内力和变形分析，从而根据计算结果进行配筋计算。
而围岩-结构模型则多用于隧道及地下工程施工力学行为分析，包括施工过程中围岩的稳定性判断和初期支护参数的选择等关键词：ansys，连拱隧道1连拱式高速公路隧道设计本例以高速公路连拱隧道为例，介绍该工程的地质地理条件，设计技术标准，隧道横截面设计。
等1,1 地形地质条件该高速公路隧道位于山岭区。
设计为连拱式。
左线长1000m，右线长1010m。
进口接线半径为1500m.，出口接线半径为2500m，洞内为直线段，设计纵坡为2%。
本隧道所处的地质条件比较好，以III级为主，其隧道的埋深从50m到220m.1,2 设计标准本隧道设计采用高速公路山区标准，根据《公路隧道设计规范》的规定，采用的主要技术技术标准如下：·设计车辆荷载：汽车—超20级，挂车，120级·设计车速：80km/h。
·地震基本烈度：VI度·隧道建筑界限：9.75m*5.0米·行车方式：双向隧道，单向行驶·卫生标准：CO的长期允许浓度为150ppm。
·烟尘长期允许浓度为0.0075m-1。
·车行横洞建筑界限：4.5m*5.0km。
·人行横洞界限：2.0m*2.5m。
1,3 隧道横断面设计衬砌门内轮廓设计考虑的主要因素有：衬砌要元顺，受力要合理；结合运营，衬砌断面要满足洞内风量和风速的要求；有设置排水沟，各种电缆沟，消防管道的空间；有满足设备内部装修的净空；并充分考虑施工时的难易程度。
根据公路隧道设计规范，隧道建筑限界的净高5.0m，净宽10.5m，其中行车道宽2*3.75m，行车道两侧设有0.5m的路缘带及0.25m 的余宽，隧道内行车方向的左侧设0.75m宽的检修道，高于路面0.25m。
ANSYS土木工程应用实例命令流(第二版)》
ANSYS土木工程应用实例命令流（第二版）》!隧道模拟开挖命令流!希望能够得到加分!!土体的弹性摸量增加/comfini/cle*set,x1,-12*set,y1,-12*set,w1,28.9*set,h1,30.15*set,x2,-25*set,y2,-12*set,w2,13*set,h2,30.15*set,x3,16.9*set,y3,-12*set,w3,13*set,h3,30.15*set,x4,-25*set,y4,-30*set,w4,54.9*set,h4,18*set,th,0.4 !厚度*set,length_z,50 !洞的进深 /prep7et,1,mesh200,2 !用于3-D的2节点线et,2,mesh200,6 !用于3-D的4节点四边形et,3,shell63et,4,solid45r,1,th !壳的厚度mp,ex,1,3.0e10 !壳的材料,C30混凝土mp,prxy,1,0.2 mp,dens,1,2500 mp,ex,2,4.5e8 !保留岩石的材料mp,prxy,2,0.32 !tb,dp,2!tbdata,1,20,30, mp,dens,2,2700mp,ex,3,4.51e8 !挖去岩石的材料 mp,prxy,3,0.32 !tb,dp,3!tbdata,1,20,30, mp,dens,3,2700k,,0,0k,,0,3.85k,,0.88,5.5k,,2.45,6.15k,,4.02,5.5k,,4.9,3.85k,,4.9,0larc,1,2,6,8.13 !定义两点之间的圆弧线，larc,p1,p2,pc,radlarc,2,3,6,3.21 larc,3,4,6,2.22 larc,4,5,2,2.22 larc,5,6,2,3.21 larc,6,7,2,8.13 larc,7,1,4,6a,1,2,3,4,5,6,7 !产生面1!blc4,x1,y1,w,h1 !block4,xcorner,ycorner,width,height,depth!blc4,x2,y2,w,h2 !block4,xcorner,ycorner,width,height,depth 产生面3 blc4,x1,y1,w1,h1 !产生面2 blc4,x2,y2,w2,h2 !产生面3blc4,x3,y3,w3,h3 !产生面4 blc4,x4,y4,w4,h4 !产生面5 /pnum,area,1 aovl,1,2,3,4,5 !布尔操作重叠，得到面3 nummrg,all,,,,low numcmp,all l,1,8 !从四个角点上连接出四条线 l,7,9l,6,10l,2,11lsel,s,line,,21,22,1 !用线分割面 lsel,a,line,,7asbl,5,alllsel,s,line,,21,24,3 lsel,a,line,,1asbl,7,alllsel,s,line,,22,23,1 lsel,a,line,,6asbl,8,allnummrg,all,,,,low numcmp,alllsel,s,line,,2,5,1 LCCAT,alllesize,all,,,3lsel,s,line,,9,11,2 lsel,a,line,,6lsel,a,line,,1lesize,all,,,8lsel,s,line,,8,10,2 lsel,a,line,,7lesize,all,,,12lsel,s,line,,21,24,1 lesize,all,,,10,2type,2asel,s,area,,5,8,1 amesh,all!mopt,split,on !指定网格划分选项，四边形单元如果违背了单元形状则将其分解为三角形单元!mopt,split,err !mopt,split,warn !mopt,qmesh,main !选用四边形网格划分器，当这种操作失败时，不调用备用的网格划分器asel,s,area,,1amesh,1lsel,s,line,,12,13,1 lesize,all,,,8lsel,s,line,,15,18,1 lesize,all,,,6,2 asel,s,area,,2,3,1 amesh,all lsel,s,line,,14 lesize,all,,,24 lsel,s,line,,19,20,1lesize,all,,,6,2 lsel,s,line,,15,17,2 lsel,a,line,,8LCCAT,allasel,s,area,,4amesh,allLSEL,s,LCCALDELE,allnummrg,all,,,,low numcmp,allallsel!以下开始拉伸成实体单元!首先拉伸成壳单元k,1000,,,-length_z l,1,1000/view,1,1,1,1/replotEXTOPT,ESIZE,10,0, LSEL,S,LINE,,1,7,1 ADRAG,all,,,,,,25 gplot type,3real,1mat,1ASEL,S,loc,z,-25 APLOTlsel,s,loc,z,-25 lesize,all,,,10 MSHAPE,0,2DMSHKEY,1amesh,all!拉伸岩石的实体ASEL,invertaplotEXTOPT,ESIZE,10,0, EXTOPT,ACLEAR,1 TYPE,4MAT,2asel,r,area,,2,8,1 VDRAG,all,,,,,,25 allsel!挖去部分岩石的实体MAT,3VDRAG,1,,,,,,25 EPLOTnummrg,all,,,,low numcmp,all!约束两侧面的X方向的约束asel,s,loc,x,x2 asel,a,loc,x,x2+w4 da,all,ux,0alls!约束地面的Y方向的约束asel,s,loc,y,y4 da,all,uy,0allsasel,s,loc,z,-length_zasel,a,loc,z,0 da,all,uz,0allselacel,,10fini/soluantype,staticdeltim,0.1,0.05,0.2 autots,on !使用自动时间步 pred,on !打开时间步长预测器 lnsrch,on !打开线性搜索nlgeom,on !打开大位移效果nropt,full !设定牛顿-拉普森选项cnvtol,f,,0.02,2,0.5esel,s,type,,3 !选择梁单元，杀死ekill,allesel,allesel,s,live !选择活的单元nsle,s !选择活单元上的节点nsel,invert !反向选择，即选择了死单元上的节点 d,all,all,0 !将死单元上的节点约束所有位移，使其不参与矩阵运算nsel,allesel,all/PBC,ALL,,1gplotsolve*do,ii,1,10,1esel,s,mat,,3 !选择挖去的岩石，杀死nsle,snsel,r,loc,z,0.1-(ii-1)*5,-(5.1+(ii-1)*5)esln,r,1ekill,allesel,s,type,,3 !激活挖去的岩石对应的壳单元,并将其节点上的约束删除nsle,snsel,r,loc,z,0.1-(ii-1)*5,-(5.1+(ii-1)*5)esln,r,1ealive,allnsle,sddele,all,allesel,allesel,s,live !选择活单元，此时应该包含两部份，一是梁单元，二是未挖去的岩石单元nsle,snsel,invert !反向选择，将死单元上的节点约束所有自由度d,all,all,0nsel,allesel,allsolve*enddo/post1/DEVICE,VECTOR,1 ESEL,S,type,,3 SET,1,LAST,1, PLNSOL,U,Y,0,1SET,2,LAST,1, PLNSOL,U,Y,0,1 SET,6,LAST,1, PLNSOL,U,Y,0,1 SET,11,LAST,1, PLNSOL,U,Y,0,1!*dim ,VUY_1!*dim ,VUY_2!*dim ,VUY_6!*dim ,VUY_11!SET,1,LAST,1, !PLNSOL,U,Y,0,1 !PLNSOL,U,SUM,0,1 !ETABLE,EUY_1,U,Y ! PLETAB,EUY_1,AVG !PRETAB,EUY_1!*vget,VUY_1,node,387,U,Y!SET,2,LAST,1, !PLNSOL,U,Y,0,1 !PLNSOL,U,SUM,0,1 !ETABLE,EUY_2,U,Y ! PLETAB,EUY_2,AVG !PRETAB,EUY_2!*vget,VUY_2,node,387,U,Y!SET,6,LAST,1, !PLNSOL,U,Y,0,1 !PLNSOL,U,SUM,0,1 !ETABLE,EUY_6,U,Y ! PLETAB,EUY_6,AVG !PRETAB,EUY_6!*vget,VUY_6,node,323,U,Y!SET,3,LAST,1,!PLNSOL,U,Y,0,1!PLESOL,SMISC,4 !MX !PLESOL,SMISC,5 !MY !PLESOL,SMISC,6 !MXY!ETABLE,p_i,SMISC, 13 !ETABLE,p_j,SMISC, 14 !ETABLE,p_k,SMISC,15 !ETABLE,p_l,SMISC, 16!ETABLE,p_i_3,SMISC, 17 !ETABLE,p_j_3,SMISC, 18!ETABLE,p_k_4,SMISC, 20 !ETABLE,p_l_4,SMISC, 19!ETABLE,p_k_5,SMISC, 21 !ETABLE,p_l_5,SMISC, 22 !fini!/post1!etable,if,smisc,1 !etable,jf,smisc,7 !etable,im,smisc,6 !etable,jm, smisc,12大家可以在这个的基础上进一步发掘。
ansys隧道开挖+衬砌——锚杆+溶洞
图 3-56 定义角度单位对话框 7）定义单元类型： a.定义 BLEAM3 单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出 “Element Types”单元类型对话框，如图 3-57 所示，单击“Add”按钮。弹出“Library of Element
图 3-65 线弹性材料模型对话框
图 3-66 材料密度输入对话框
图 3-67 定义 DP 材料对话框
图 3-68 定义完衬砌材料属性后对话框
图 3-69 定义材料编号对话框 b.定义围岩材料属性：在图 3-68 对话框中，单击“Material> New Model…”， 弹出一个
“Define Material ID”对话框，如图 3-69 所示，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK” 按钮。弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 2”，和定义混凝 土材料一样，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出一个 “Linear Isotropic Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输 入栏输入“3.69E9”，在“PRXY” 后面的输入栏输入“0.32”，单击“OK”。再选中“Density” 并双击，弹出一个“Density for Material Number 2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧 道围岩材料的密度“2200”，再单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
ansys隧道开挖实例
3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
隧道开挖ansys模拟分析
隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。
建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。
在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。
考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。
根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。
因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。
对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。
（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。
两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。
在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。
在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。
对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。
弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1） 式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。
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3.4 ANSYS隧道开挖模拟实例分析3.4.1 实例描述选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道正下方存在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。
主要参数如下：◆隧道衬砌厚度为30cm。
◆采用C25钢筋混凝土为衬砌材料。
◆隧道围岩是Ⅳ级,隧道洞跨是13m，隧道埋深是80m。
◆溶洞近似圆型，溶洞半径是3.6m,溶洞与隧道距离12.8m。
◆围岩材料采用Drucker-Prager模型。
◆隧道拱腰到拱顶布置30根25Φ锚杆。
隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表3-7所示。
表3-7 物理力学指标名称容重γ（3/mkN）弹性抗力系数K（MPz/m）弹性模量E（GPa）泊松比v内摩擦角ϕ（。
）凝聚力C（MPa）Ⅳ级围岩22 300 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重、外部恒载、列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。
利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际所采用的设计和施工方案是否安全可行。
3.4.2 ANSYS模拟施工步骤ANSYS模拟计算范围确定原则：通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小了，所以，一般情况下，计算范围一般取隧道洞跨3倍。
但因为本实例隧道下部存在溶洞，所以，垂直方向：隧道到底部边界取为洞跨的5倍，隧道顶部至模型上部边界为100米，然后根据隧道埋深情况将模型上部土体重量换算成均布荷载施加在模型上边界上；水平方向长度为洞跨的8倍。
模型约束情形：本实例模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外未受任何约束。
围岩采用四节点平面单元（PLANE42）加以模拟，初期支护的锚杆单元用LINK1单元来模拟，二次衬砌支护用BEAM3来模拟，计算时首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再根据上述方法模拟开挖过程。
ANSYS模拟隧道施工步骤如下：1）建立模型。
2）施加载荷与初始应力场模拟。
3）开挖隧道，用杀死单元来模拟。
4）对隧道进行支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟。
5）做隧道仰拱。
6）施加列车荷载。
9）计算结果分析。
3.4.3 GUI操作方法3.4.3.1 创建物理环境1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”对话框。
2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\example302”，在“Job Name”栏输入文件名“Tunnel”。
3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。
4）过滤图形界面：Main Menu> Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
5）定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Tunnel Construct Modeling Analysis”，单击“OK”，如图3-55。
图3-55 定义工作标题6）设定角度单位：Utility Menu> Parameters> Angular Units…，弹出“Angular Units for Parameters Functions”对话框，如图3-56所示。
在“Units for angular”栏后面的下拉菜单中选取“Degrees DEG”，单击“OK”按钮。
图3-56 定义角度单位对话框7）定义单元类型：a.定义BLEAM3单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，如图3-57所示，单击“Add”按钮。
弹出“Library of ElementTypes”单元类型库对话框，如图3-58所示，在左面滚动栏中选取“Beam”，右边的滚动栏中选择“2D elastic 3”。
然后单击“OK”按钮，这就定义了“BEAM3”单元。
3-58 定义Beam3单元对话框b.定义PLANE42单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。
弹出如图3-59所示对话框。
在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad 4node 42”，单击“Apply”，就定义了“PLANE42”单元。
图3-59 定义PLANE42单元对话框图3-57 单元类型对话框图3-60 定义完单元类型对话框c.定义LINK1单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。
又弹出一个对话框，如图3-60所示，在该对话框左面滚动栏中选择“Link”，在右边的滚动栏中选择“2D Spar 1”，单击“Apply”。
又弹出一个如图3-61所示的对话框。
图3-60 定义LINK1单元对话框d.设定PLANE42单元选项：在图3-61对话框中选中“Type 2 PLANE42”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE42 element Type options”对话框，如图3-62所示。
在“Element behavior K3”栏后面的下拉菜单中选取“Plane strain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。
图3-62 PLANE42单元库类型选项对话框图3-63 BEAM3单元库类型选项对话框e.设定BEAM3单元选项：图3-61对话框中选中“Type 1 BEAM3”，单击“Options”按钮，弹出一个“BEAM3 element Type options”对话框，如图3-63所示。
在“Member force +moment output K6”栏后面的下拉菜单中选取“Include output”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。
◆通过设置PLANE42单元选项“K3”为“Plane strain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。
◆PLANE42单元用来模拟隧道周围围岩和隧道初次衬砌。
◆BEAM3单元用来模拟隧道二次衬砌。
◆设置BEAM3单元选项“K6”为“Include output”来设定输出梁内力。
8）定义材料属性a.定义衬砌材料属性：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图3-64所示。
图 3-64 定义材料本构模型对话框在图3-64中右边栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出如图3-65所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.95E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。
再在选中“Density”并双击，弹出如图3-66所示“Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，单击“OK”按钮，返回图3-64对话框中。
再次在图3-64中右边的栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”后，又弹出一个如图3-67所示对话框。
在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“2.42E6”，在“Fric Angle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“54”，单击“OK”按钮，弹出图3-68所示对话框。
图 3-65 线弹性材料模型对话框图 3-66材料密度输入对话框图3-67 定义DP材料对话框图3-68 定义完衬砌材料属性后对话框图3-69 定义材料编号对话框b.定义围岩材料属性：在图3-68对话框中，单击“Material> New Model…”，弹出一个“Define Material ID”对话框，如图3-69所示，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。
弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 2”，和定义混凝土材料一样，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出一个“Linear Isotropic Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3.69E9”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.32”，单击“OK”。
再选中“Density”并双击，弹出一个“Density for Material Number 2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2200”，再单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
在弹出对话框中右边栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”，又弹出一个如图3-70所示对话框。
在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“0.6E6”，在“Fric Angle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“37”，单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
图3-70 定义DP材料对话框c.定义挖去土体材料性质：方法和定义围岩材料性质一样，输入的数据一样，只是材料号为3，这是为后面求解便于操作。