第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析
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
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实例分析连拱隧道开挖命令流
!III级围岩，二维，全断面开挖/cle/filname,ch-three-2D,1!几何参数!计算外围区域*set,x1,-60*set,x2,60*set,y1,-30*set,y2,50*set,l1,3.5 !锚杆长度*set,r1,0.0125 !锚杆半径*set,th1,0.15 !初次衬砌厚度*set,th2,0.05 !中导洞喷层厚!材料参数!中隔墙*set,ec25,29.5e9*set,uc25,0.2*set,dens25,2500!喷射混凝土*set,ec20,21e9 *set,uc20,0.2*set,dens20,2200!锚杆*set,el,170e9*set,ul,0.3*set,densl,7800!围岩*set,er,6e9*set,ur,0.28*set,densr,2500 *set,cr,0.8e6*set,fir,40/prep7!定义单元类型et,1,plane42keyopt,1,3,2 !平面应变问题et,2,beam3keyopt,2,6,1 !打开输出内力选项et,3,link1!定义实常数r,1,th1,th1/12,th1r,2,th2,th2/12,th2r,3,3.1415926*r1**2!几何建模!建中隔墙k,1,-3,-1.69k,2,-3,-0.89k,3,-3,-0.37k,4,-1.33552,-0.37k,5,-0.95134,1.57593k,6,-1.25121,3.53662k,7,1.25121,3.53662k,8,0.95134,1.57593k,9,1.33552,-0.37k,10,3,-0.37k,11,3,-0.89k,12,3,-1.69l,1,2l,2,3l,3,4larc,4,6,5larc,6,7,5,3larc,7,9,8l,9,10l,10,11l,11,12l,12,1!左侧围岩及锚杆圈k,13,-3,0.81k,14,-2.52524,2.42963 k,15,-1.483023,4.11778 k,16,-1.77650,4.67036 k,17,-2.058364,5.09399k,18,-2.37658,5.49104 k,19,-2.734606,5.864085 k,20,-3.12567,6.20235 k,21,-5.88951,7.72342 k,22,-9,8.25k,23,-12.11049,7.72342 k,24,-14.8743,6.20235 k,25,-16.57763,3.97894 k,26,-17.02812,1.21456 k,27,-16.9,-0.89k,28,-20.4,-0.89k,29,-20.51567,0.91966 k,30,-19.7906,5.36705 k,31,-17.05,8.944k,32,-13.26253,11.02838 k,33,-9,11.75k,34,-4.146154,10.80594 k,35,0,8.11142k,36,1.143324,6.85081!导洞左侧圈l,3,13 larc,13,6,14 !左侧开挖圈larc,6,16,15 larc,16,18,17 larc,18,20,19 larc,20,22,21 larc,22,24,23 larc,24,26,25 l,26,27!锚杆圈l,28,29 larc,29,31,30 larc,31,33,32 larc,33,35,34 l,35,36!内圈线合并lcomb,15,16 lcomb,15,17 lcomb,15,18 lcomb,15,19!外圈线合并lcomb,20,21lcomb,20,22lcomb,20,23numcmp,allldiv,14,,,2ldiv,15,,,36ldiv,16,,,36ldiv,17,,,2kdele,19,22,1kdele,25,27,1numcmp,allkdele,17numcmp,all!锚杆线（40根，含建3维时可用的另外20根锚杆）l,16,21l,22,93l,17,20*do,i,23,57,1*enddol,18,19l,18,2numcmp,all!内层细化区域k,100,-16.9,-1.69 k,101,-20.4,-1.69 k,102,-24.9,-1.69 k,103,-24.9,-0.89 k,104,-24.9,16.25625 k,105,,16.25625k,106,x1,-1.69k,107,x1,16.25625 k,108,-24.9,y2k,109,-24.9,y1l,1,100l,100,101l,101,102l,102,103l,104,105l,19,103l,70,104l,18,100l,19,101l,102,109l,102,106l,104,107l,104,108!左侧线镜像至右并建立各面allslsymm,x,11,143,1rectng,x1,x2,y1,y2asbl,1,allnummrg,all,,,low numcmp,alllcomb,287,288lcomb,289,290lcomb,294,295 lcomb,296,297 lcomb,130,292 numcmp,allalls!定义材料属性!岩体*do,i,1,6,1mp,ex,i,ermp,prxy,i,ur mp,dens,i,densr tb,dp,itbdata,1,cr,fir*enddo!中导洞及隧道初支*do,i,7,10,1mp,ex,i,ec20mp,prxy,i,uc20 mp,dens,i,dens20*enddo!锚杆左右侧*do,i,11,12,1 mp,ex,i,elmp,prxy,i,ul mp,dens,i,densl*enddo!中隔墙mp,ex,13,ec25 mp,prxy,13,uc25 mp,dens,13,dens25!中导洞初支!左侧type,2mat,7real,2lsel,s,line,,1,2,1lesize,1,,,1 lesize,2,,,1 lesize,11,,,2 lesize,12,,,6 lmesh,all!右侧mat,8real,2lsel,s,line,,8,9,1 lsel,a,line,,259,260,1 lsel,a,line,,5 lesize,9,,,1 lesize,8,,,1 lesize,260,,,2 lesize,259,,,6 lesize,5,,,4 lmesh,all!左侧隧道初支mat,9real,1lsel,s,line,,13,15,1lsel,a,line,,288 lesize,13,,,3 lesize,all,,,1 lmesh,all!右侧隧道初支mat,10real,1lsel,s,line,,139,140,1 lsel,a,line,,142,176,1 lsel,a,line,,286 lsel,a,line,,292 lesize,286,,,3 lesize,all,,,1 lmesh,all!左隧道锚杆type,3mat,11real,3lsel,s,line,,89,123,2 lsel,a,line,,263,269,3lsel,a,line,,210 lsel,a,line,,266 lesize,263,,,3 lesize,269,,,3 lesize,271,,,1 lesize,279,,,1 lesize,210,,,1 lesize,266,,,1 lesize,all,,,5,2 lmesh,all!右隧道锚杆type,3mat,12real,3lsel,s,line,,212,246,2 lsel,a,line,,277,280,3 lsel,a,line,,265 lsel,a,line,,270lsel,a,line,,87 lsel,a,line,,17 lesize,277,,,3 lesize,280,,,3 lesize,265,,,1 lesize,270,,,1 lesize,87,,,1 lesize,17,,,1 lesize,all,,,5,2 lmesh,all!中墙type,1mat,1lsel,s,line,,1,10,1 lesize,3,,,2 lesize,4,,,8 lesize,6,,,8 lesize,7,,,2 lesize,10,,,8 amesh,97!左中导洞mat,2 amesh,2!右中导洞mat,3 amesh,3!左隧道内岩体mat,4lsel,s,line,,124 lesize,124,,,20 amesh,101!右隧道内岩体mat,5lsel,s,line,,261 lesize,261,,,20 amesh,102!导洞上方围岩mat,6lsel,s,line,,264,267,3lsel,a,line,,281lsel,a,line,,268,278,10lsel,a,line,,272lesize,264,,,3lesize,278,,,3lesize,all,,,1!左侧锚杆加固圈lsel,s,line,,88,122,2 !还有264,267,281为扩展到3维的锚杆lesize,all,,,5,2lsel,s,line,,53,86,1lsel,a,line,,16lsel,a,line,,287lesize,all,,,1!右侧锚杆加固圈lsel,s,line,,211,245,2 !还有278,87,17为扩展到3维的锚杆lesize,all,,,5,2 lsel,s,line,,177,209,1 lsel,a,line,,291,294,3 lsel,a,line,,141 lesize,all,,,1!小外围上部lsel,s,line,,64,86,1 lsel,a,line,,188,209,1 lsel,a,line,,294 lccat,alllsel,a,line,,130,132,1 lsel,a,line,,252 lesize,130,,,46 lesize,132,,,8,2 lesize,252,,,8,2 amesh,103!小外围左lsel,s,line,,53,63,1 lsel,a,line,,287lccat,alllsel,s,line,,129 lsel,a,line,,131 lesize,129,,,13 lesize,131,,,8,2 amesh,99!小外围右lsel,s,line,,291 lsel,a,line,,177,187,1 lsel,a,line,,141 lccat,alllsel,a,line,,250 lesize,250,,,13 lsel,a,line,,251 lesize,251,,,8,2 amesh,100!小外围下lsel,s,line,,128lsel,s,line,,127 lesize,127,,,8,2lsel,s,line,,133,134,1 lesize,all,,,1lsel,s,line,,126 lesize,126,,,5,2lsel,s,line,,125 lesize,125,,,20lsel,s,line,,262 lesize,262,,,20lsel,s,line,,253,254,1 lesize,all,,,1lsel,s,line,,247 lesize,247,,,5,2lsel,s,line,,249 lesize,249,,,1lsel,s,line,,248 lesize,248,,,8,2 amesh,42,43 amesh,1,4,3 amesh,82,83!大外围网格划分lsel,s,line,,274,276,2 lsel,a,line,,136,137,1 lsel,a,line,,256,257,1 lsel,a,line,,282,285,3 lesize,all,,,18,2.5lsel,s,line,,273,283,10 lsel,a,line,,135,255,120 lesize,all,,,15,2.5lsel,s,line,,275,284,9 lsel,a,line,,138,258,120 lesize,all,,,18,2.5lsel,s,line,,290,295,5lesize,290,,,46 lesize,295,,,74lsel,s,line,,289,293 lesize,all,,,14lsel,s,line,,128,129 lccat,alllsel,s,line,,249,250 lccat,alllsel,s,line,,125,127,1 lsel,a,line,,10lsel,a,line,,262 lsel,a,line,,247,248,1 lccat,allamesh,allallslsel,s,lccatldele,all numcmp,allallselsave,data!施加约束allsnsel,s,loc,x,x1 nsel,a,loc,x,x2 d,all,uxnsel,s,loc,y,y1d,all,uyallsacel,,10fini/soluantype,static pred,onlnsrch,on nlgeom,on nropt,full outress,all,all deltim,0.1,0.05,0.2!荷载步1time,1esel,s,type,,2,3,1ekill,allesel,allesel,s,livensle,snsel,inved,all,all,0nsel,allesel,all! iswrite,1 !生成初应力文件solvesave,s1,db!荷载步2time,2esel,s,mat,,2,3,1ekill,allesel,s,mat,,7,8,1ealive,all nsle,sddele,all,all esel,allesel,s,live nsle,snsel,inved,all,allesel,s,mat,,1 mpchg,13,all allssolvesave,s2,db!荷载步3 time,3esel,s,mat,,4,7,3 ekill,allesel,s,mat,,9,11,2 esel,a,mat,,3 ealive,all nsle,sddele,all,all esel,allesel,s,livensle,snsel,inved,all,allallssolvesave,s3,db!荷载步4time,4esel,s,mat,,5,8,3 esel,a,mat,,3 ekill,allesel,s,mat,,10,12,2 ealive,allnsle,sddele,all,all esel,allesel,s,livensle,snsel,inved,all,allallssolvesave,s4,dbfini/post1!载荷步1结果resume,s1,dbfile,ch-three-2D,rst/pbc,all,,0 !不显示边界约束等条件set,1,lastesel,s,liveplnsol,u,sum,0,1.0plnsol,u,xplnsol,u,yplnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,s,eqvplnsol,eppl,eqv,0,1!载荷步2结果resume,s2,db/pbc,all,,0esel,s,liveesel,u,mat,,13plnsol,u,sum,0,1 !未减去自重引起的合位移云图plnsol,u,x !未减去自重引起的位移plnsol,u,y !未减去自重引起的位移plnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,s,eqvplnsol,eppl,eqv,0,1esel,s,mat,,13plnsol,u,yplnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,s,eqv!中导洞初支内力esel,s,liveesel,r,ename,,3 !选择beam3单元类型etable,fx_i,smisc,1etable,fx_j,smisc,7etable,fy_i,smisc,2etable,fy_j,smisc,8etable,mz_i,smisc,6etable,mz_j,smisc,12plls,mz_i,mz_j,-0.2 !显示弯矩plls,fx_i,fx_j,0.2 !显示轴力plls,fy_i,fy_j,0.2 !显示剪力!查看位移场file,ch-three-2D,rstset,2,lastesel,s,liveesel,u,mat,,13lcdef,1,1 !定义第1个载荷步为工况1lcoper,sub,1 !当前载荷步的结果减去工况1的结果(位移结果有问题）esel,s,liveplnsol,u,sum !显示合位移云图plnsol,u,xplnsol,u,y!载荷步3结果resume,s3,db/pbc,all,,0esel,s,liveesel,u,mat,,13plnsol,s,eqvplnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,eppl,eqv,0,1!中墙等效应力场esel,s,mat,,13plnsol,s,eqvplnsol,s,1plnsol,s,3!中导洞初支及左隧道衬砌内力esel,s,liveesel,r,ename,,3 !选择beam3单元类型etable,fx_i,smisc,1etable,fx_j,smisc,7etable,fy_i,smisc,2etable,fy_j,smisc,8etable,mz_i,smisc,6etable,mz_j,smisc,12plls,mz_i,mz_j,-0.2 !显示弯矩（0.2为显示比例) plls,fx_i,fx_j,0.2 !显示轴力plls,fy_i,fy_j,0.2 !显示剪力!查看锚杆轴力esel,s,liveesel,r,ename,,1etable,forx,smisc,1plls,forx,forx,0.05!查看位移场file,ch-three-2D,rstset,3,lastlcdef,1,1 !定义第1个载荷步为工况1 lcoper,sub,1 !当前载荷步的结果减去工况1的结果esel,s,liveesel,u,mat,,3plnsol,u,sum !显示合位移云图plnsol,u,xplnsol,u,y!载荷步4结果resume,s4,db/pbc,all,,0esel,s,liveesel,u,mat,,13plnsol,s,eqvplnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,eppl,eqv,0,1!中墙等效应力场esel,s,mat,,13plnsol,s,eqvplnsol,s,1plnsol,s,3plnsol,u,y!左及右隧道衬砌内力esel,s,liveesel,r,ename,,3 !选择beam3单元类型etable,fx_i,smisc,1etable,fx_j,smisc,7etable,fy_i,smisc,2etable,fy_j,smisc,8etable,mz_i,smisc,6etable,mz_j,smisc,12plls,mz_i,mz_j,-0.2 !显示弯矩（0.2为显示比例) plls,fx_i,fx_j,0.2 !显示轴力plls,fy_i,fy_j,0.4 !显示剪力!查看锚杆轴力esel,allesel,r,ename,,1etable,forx,smisc,1plls,forx,forx,0.05!查看位移场file,ch-three-2D,rstset,4,lastlcdef,1,1 !定义第1个载荷步为工况1 lcoper,sub,1 !当前载荷步的结果减去工况1的结果esel,s,liveesel,u,mat,,3plnsol,u,sum !显示合位移云图plnsol,u,xplnsol,u,y。
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。
公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现
2
王文正 夏永旭 胡庆安
早就结束 ,对隧洞的开挖不产生影响 ,因此在以后的 每个施工阶段分析位移场时 ,需减去初始位移场 。
在进行结构分析时 , AN S YS 中可以使用输入 文件来把初应力指定为一种载荷 ,因此当具有实测 的初始地应力资料时 ,可将初始地应力写成初应力 载荷文件 ,然后读入 AN S YS 作为载荷条件 ,就可直 接进行第一步的开挖计算 。所得应力场和位移场就 是开挖后的实际应力场和位移场 ,无需进行加减 。 21 2 开挖与支护过程的模拟
0 引言
公路隧道研究的方法有物理实验方法 、工程类比方法和数值模 拟方法 。物理实验方法费用高 ,时间长 ,工程类比方法由于划分比 较粗造 ,与实际有时差距较大 ,因而 ,有限元数值分析方法是目前公 路隧道研究的常用方法 。但是 ,在应用有限元数值方法模拟隧道的 施工过程中 ,有关隧道围岩初始应力的释放 ,不仅需要技术 ,而且要 有一个合适的分析软件 。本文提出了“施加虚拟支撑力逐步释放 法”,并试图通过 AN S YS 分析软件完成这种围岩卸载方法的实施 。
Key words : Tunnel co nst ruction ; Nu2 merical simulation ; St ress relief
(11 长安大学公路学院 ,陕西 西安 710064 ; 21 北京市市政工程总公司 ,北京 100045)
摘 要 :正确模拟围岩的卸载过程是地下工程数值模拟的一个重要
AN S YS 程序中的载荷步 (Load Step) 功能可以 实现不同工况间的连续计算 ,用来模拟隧道的连续 施工过程方便有效 。
开始建立整体有限元模型 ,包括将来要杀死或 激活的部分 ,模拟的过程中不需重新划分网格 。在 一个载荷步计算结束后 ,可直接进行下道工序的施 工 :杀死 (开挖) 或激活 (支护) 单元 ,改变虚拟支撑力 等 ,然后求解计算 。如此继续一直到施工结束 。
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用
ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。
关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程1.引言隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。
诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。
在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。
隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。
2. 工程背景及有限元模型的建立2.1隧道工程概况某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。
左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。
隧道左洞全长319m；右洞全长315m。
左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。
隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。
图2.1隧道设计断面图图2.2魁岐隧道出洞口图2.2材料参数选择根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。
各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。
表1各岩土层厚度及材料参数隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3章-ANSYS隧道工程中的应用实例分析第3章ANSYS隧道工程中的应用实例分析本章重点隧道工程概述隧道施工ANSYS模拟的实现ANSYS隧道结构实例分析ANSYS隧道开挖模拟实例分析本章典型效果图156 / 156第3章-ANSYS 隧道工程中的应用实例分析157 /1563.1 隧道工程相关概念3.1.1 隧道工程设计模型为达到各种不同的使用目的，在山体或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。
在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道，称之为“隧道”。
由于地层开挖后容易变形、塌落或是有水涌入，所以在除了在极为稳固地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，称之为“衬砌”。
隧道工程建筑物是埋于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同作用。
隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，但长期以来都沿用适应地面的工程理论和方法来解决地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，是地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。
这种局面与迅速发展的地下工程现实极不相称，促使人们努力寻找新的理论和方法来解决地下工程遇到的各种问题。
地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。
在20世纪20年代以前，地下工程支护理论主要有古典的压力理论和散体压力理论，以砖、石头材料作为衬砌，采用木支撑或竹支撑的分部开挖方法进行施工。
此时，只是将衬砌作为受力结构，围岩是看作载荷作用在衬砌结构上，这种设计理论过于保守，设计出的衬砌厚度偏大。
20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐步出现。
土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展则促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步的飞跃。
同时，锚杆和喷射混凝土的作为初期支护得到广泛应用。
这种柔性支第3章-ANSYS隧道工程中的应用实例分析护允许开挖后的围岩有一定的变形，使围岩能够发挥其稳定性，从而可以大大地减小衬砌厚度。
国际隧道学会认为，目前采用的隧道设计模型主要有以下几种：◆以工程类比为主的经验设计方法。
◆以现场测试和实验室试验为主的实用设计方法（如现场和实验室的岩土力学试验、以洞周围测量值为基础的收敛—约束法以及实验室模型试验等）。
◆作用—反作用设计模型，即目前隧道设计常用的载荷—结构模型，包括弹性地基梁、弹性地基圆环等。
◆连续介质模型，包括解析法（封闭解和近似解）和数值法（以FEM为主）。
国际隧道学会于1978年成立了隧道结构设计模型研究小组，收集和汇总了各会员国目前采用的隧道工程设计模型，详见表3-1。
158 / 156注：表中NATM指新奥法，是NEW AUSTRIA TUNNELING METHOD的简称。
FEM指有限元法，是FINITE ELEMENT METHOD的简称。
各种隧道设计模型各有其适合的场合，也各有自身的局限性。
由于隧道结构设计受到各种复杂因素的影响，因此在世界各国隧道设计中，主要采用以工程类比为主的经验设计法，特别是在支护结构预设计中应用最多。
即使内力分析采用比较严格的理论，其计算结果往往也需要用经验类比加以判断和补充。
如常见公路或铁路隧道，都是选取以工程类比为主的经验设计法来进行结构参数的拟定，可见公路或铁路隧道设计规范。
但是，采用此法设计的隧道结构是不安全的和不经济的。
因为设计的隧道的地质勘探不可能做到对每一段都进行钻探，因而会出现地质条件错误判断现象，有可能实际围岩类别比设计采用的要低，这样按高类别围岩设计出的隧道结构是不安全的。
相反，若实际围岩类别比设计采用高，则采用的设计是不经济的。
随着NATM的出现，以测试为主的实用设计法为现场人员所欢迎，因为它能提供直觉的材料，以更准确地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。
其中应用最多的是收敛—约束法，其主要思想是：一边施工，一边进行洞周围量测，随着位移变化情况，来选用合适的隧道支护参数，这样就可以按实际地质条件来设计隧道支护，避免了工程类比既不安全又不经济的缺点。
收敛—约束法将支护和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，通过调整支护来控制变形，从而最大限度地发挥了围岩自身的承载能力。
采用此模型，有些问题可以使用解析法求解，但大部分问题因数学上的困难必须依赖数值方法。
159 / 156第3章-ANSYS隧道工程中的应用实例分析理论计算法可用于进行无经验可循的新型隧道工程设计，因此基于作用与反作用模型和连续介质模型的计算理论成为一种特定的计算手段日益为人们重视。
由于隧道工程所处环境的复杂性，以及各种隧道设计模型各有优缺点，因此工程技术人员在设计隧道结构时，往往需要同时进行多种设计模型的比较，以作出既经济又安全的合理设计。
从各国地下结构设计实践看，目前隧道设计主要采用两种模型。
第一种模型即为传统的结构力学模型。
它是将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为载荷的来源和支护结构的弹性支撑，故又称为荷载—结构模型。
采用这种模型时，认为隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对结构施加约束来体现的，而围岩饿承载能力则在确定围岩压力与弹性支撑的约束能力时间接地考虑。
围岩承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支撑的约束支护结构变形的抗力越大。
这种模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力情形。
利用这种模型进行隧道设计关键问题是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最重要的是围岩松动压力和弹性支撑作用于支护结构的弹性抗力。
一旦解决了这两个问题，就可以运用结构力学方法求出朝静定体系的内力和位移。
因为这种模型概念清晰，计算简便，便于被工程师接受，所以至今很通用，特别是在模筑衬砌。
属于这种模型的计算方法有弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等。
当软弱地层对结构变形的约束能力较差时（或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时），隧道结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，采用假定抗力法或弹性地基法。
第二种模型叫现代岩体力学模型。
它将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，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。
160 / 156第3章-ANSYS隧道工程中的应用实例分析3.1.2 隧道结构的数值计算方法通常，隧道支护结构计算需要考虑地层和支护结构的共同作用，一般都是非线性的二维或三维问题，并且计算还与开挖方法、支护过程有关。
对于这类复杂问题，必须采用数值方法。
目前用于隧道开挖、支护过程的数值方法有：有限元法、边界元法、有限元—边界元耦合法。
其中有限元法是一种发展最快的数值方法，已经成为分析隧道及地下工程围岩稳定和支护结构强度计算的有力工具。
有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性以及几何非线性等，适用于各种实际的边界条件。
但该法需要将整个结构系统离散化，进行相应的插值计算，导致数据量大，精度相对底。
大型通用有限元软件ANSYS就可用于隧道结构的数值计算，还可以实现隧道开挖与支护以及连续开挖的模拟。
边界元法在一定程度上改进了有限元法精度，它的基本未知量只在所关心问题的边界上，如在隧道计算时，只要对分析对象的边界作离散处理，而外围的无限域则视为无边界。
但该法要求分析区域的几何、物理必须是连续的。
有限元—边界元耦合法则使采用两种方法的长处，从而可取得良好的效果。
如计算隧道结构，对主要区域（隧道周围区域）采用有限元法，对于隧道外部区域可按均质、线弹性模拟，这样计算出来的结果精度一般较高。
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，车辆荷载直接传给地层。
161 / 1563.2 隧道施工过程ANSYS模拟的实现3.2.1 单元生死3.2.1.1 单元生死的定义如果模型中加入或删除材料，对应模型中的单元就存在或消失，把这种单元的存在与消失的情形定义为单元生死。
单元的生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活所选择单元。
单元生死功能主要用于开挖分析（如煤矿开挖和隧道开挖等）、建筑物施工过程（如近海架桥过程）、顺序组装（如分层计算机的组装）以及许多其他方面应用（如用户可以根据已知单元位置来方便地激活或杀死它们）。
需要注意的是，ANSYS单元的生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical 和ANSYS/Structure产品。
此外，并非所有ANSYS单元具有生死功能，具有此生死功能的单元见表3-1。
162 / 156在一些情况下，单元生死状态可以根据ANSYS计算所得数值来决定，如温度值、应力值等。
可以利用ETABLE命令和ESEL命令来确定选择单元的相关数据，也可以改变单元的状态（如溶解、固结、破裂等）。
这个特性对因相变引起的模型效应（如焊接过程中，结构上的可熔材料的固结状态因焊接从不生效变成生效，从而使模型增加了原不生效部分）、失效面扩展以及其他相关分析的单元变化是很有效的。
3.2.1.2 单元生死的原理要实现单元生死效果，ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子ESTIF。
因子的默认值为10E-6，也可以赋予其他数值。
死单元的单元荷载将为0，从而不对荷载向量生效（但任然在单元荷载列表中出现）。