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。
地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析
挖步包含两个计算步 ： 第一计算步模拟开挖 、 施加盾尾注浆压 力 ； 第二计算 步模拟上管片衬 砌和注浆层硬化。为避免建模时的重复 操作 ， 本计算 以命 令流的方式 进行 ， 型材料选取 与实 际较相近 模 的 Ｓ ＬＤ ５和用于划分平 面网格 的辅助单元 ＭＥ Ｈ ０ 。以下是 Ｏ Ｉ４ Ｓ ２０ 土体分层后 的模型及 网格划分 图。
道 上 ， 围高楼林立 以及城市管道的复杂分布情 况 ， 周 稍有不慎 ， 均 （ 此处将土层加以简化 ，将土层各参数较为接近 的合并 为一个整 会 引起 巨大的损 失。因此 ， 有效 的对地下工 程施 工进行预测成为 体 ）各层的材料参数 和层厚为 ： ， 迫切的需要 。现利用大型仿真数值模拟计算软件 Ａ Ｓ Ｓ 通过对 ＮＹ ， 表 １各 土层参数 盾构隧道在 掘进过程 中 ， 这一动 态变化进行数 值模拟分 析 ， 详细 Ｔ ｂ ｅ Ｓ ｉ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｌｌ ｏｌ ａ ａ ｔ ｒ
了解开挖 、 盾尾注 浆 、 上管片衬砌 以及 注浆层硬 化等每一 步地表 沉降及周 围土体扰动变形 ， 为设 计 、 可 监控量测 及预测提 供相关 依据。
１ 隧 道及 地 下 工 程 施 工 力 学数 值 模 拟
随着现代轨 道交 通的兴起 ， 城市地 铁以及深山隧道 因为其经 济适用愈发成为 国家发展的首选之一 。伴 随而来的是相关各学科 的兴起 与发展 ， 最近十多年 ， 隧道 结构的动静力 学计算成 为 当今 依据相应 的工程 经验得知 ：施工 中的顶进压力 为 ０３ ａ盾 ．ＭＰ ， 世界一项比较复杂及亟待解决的课题 。地层岩土介质和隧道结构 尾 注浆 压 力 为 ０１Ｍ ａ ． Ｐ。 ５ 相互作用过程相 当复杂ｌ 引 。只有那些均质 、 同性 的线弹性体 系 ， 才 ３ 模 型 的建 立 能得到 比较精确 的计算结果。但对非线性 岩土和几何外形较 为复 本 文以某城市拟建盾构 区间 为例 ，利 用 Ａ Ｓ Ｓ计算软件对 ＮＹ 杂的隧道结构 ， 其力学计算必须借助数值分析方法才能进行 。 盾 构掘进过程进行有限元分析 。选 取施工过程 中的几个 节段作为 现在 一般用 于隧道 开挖 、 护过程 的数 值分析 方法 ： 支 有 有限元 基本模 型进行模拟计算 ， 在本计算 实例 中， 每步２年第３期
ANSYS地铁明挖和暗挖隧道施工过程仿真分析
8.1普通暗挖法施工三维数值模拟分析8.1.1 有限元模型建立1．启动程序/TITLE，Mechanical analysis on sectional metro tunnel based on mine method ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单2．单元参数和几何参数定义（1）定义相关几何参数。
Fini iu/cle*set,x1,-12 !以下为面2的几何参数，该面为矩形，最左下角顶点!坐标为x1和y1，矩形的宽度为w1、高为h1。
*set,y1,-12 !所有长度单位为m*set,w1,28.9*set,h1,30.15*set,x2,-25 !面3的几何参数*set,y2,-12*set,w2,13*set,h2,30.15*set,x3,16.9 !面4的几何参数*set,y3,-12*set,w3,13*set,h3,30.15*set,x4,-25 !面5的几何参数*set,y4,-30*set,w4,54.9*set,h4,18*set,th,0.4 !支护结构的厚度*set,length_z,50 !隧道纵向的长度，这里为了简化计算，只是说明应用情况，!取纵向长度为50m，每天开挖5米，10天施工完成。
（3）定义单元类型、实常数、材料属性。
/prep7et,1,mesh200,2 !3-D线单元2节点第1章大型有限元软件ANSYS简介2 et,2,mesh200,6 !3-D面单元4节点et,3,SHELL63 !用于模拟支护结构的壳单元et,4,SOLID45 !用于模拟围岩的三维实体单元r,1,th !壳单元的厚度，单位！定义材料属性mp,ex,1,3.0e10 !支护结构材料属性，弹性模型，单位Pamp,prxy,1,0.2mp,dens,1,2700mp,ex,2,2.5e8 !围岩材料属性mp,prxy,2,0.32 !泊松比，无单位mp,dens,2,2200mp,ex,3,2.5e8 !开挖部分土体的材料属性与围岩材料一样mp,prxy,3,0.32mp,dens,3,2200 !材料密度，单位kg/m3save !保存数据库3．建立几何模型（1）创建隧道支护结构上的关键点。
完整word版盾构隧道结构ansys计算方法
一、盾构隧道结构计算模型1、惯用法(自由圆环变形法)惯用法的想法早在1960年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。
惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，不考虑管片接头部分的柔性特征和弯曲刚度下降，管片截面具有同样刚度，并且弯曲刚度均匀的方法。
这种方法计算出的管片环变形量偏小，导致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内力又过大。
地层反力假设仅在水平方向上下45°范围内按三角形规律分布，这种模型可以计算出解析解。
P 0k δ2、修正惯用法在采用惯用法的60年代，怎样评价错缝拼装效应是一个问题。
如果错缝拼装管片，可弥补管片接头存在造成的刚度下降。
于是，在对带有螺栓接头的管片环进行多次核对研究时，首次引入了η-ξ对错缝拼装的衬砌进行内力计算，即为修正惯用法。
该法将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环，将计算出的弯矩增大即（1+ξ）M，得到管片处的弯矩；将求出的弯矩减少即（1-ξ）M，得到接头处的弯矩。
其中η称为弯曲刚度有效率，ξ称为弯矩增加率，它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之比。
管片接头由于存在一些铰的作用，所以可以认为弯矩并不是全部经由管片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。
道纵向接头传递弯矩示意图二、管片计算荷载的确定1、荷载的分类衬砌设计所考虑的各种荷载，应根据不同的地质条件和设计方法进行假定并根据隧道的用途加以考虑。
衬砌设计所考虑的各种荷载见表所示。
衬砌设计荷载分类表2、计算断面选择●埋深最大断面●埋深最小断面●埋深一般断面●水位3、水土压力计算对于粘性土层，如西安地铁黄土地层、成都地铁二号线膨胀土地层等，应采用地下水位以下用饱和容重计算。
对于透水性较好的砂性地层，如西安地铁粗砂、中砂地层，成都地铁卵石土地容重计算，地下水位以下用浮容重计算。
水土压力合算与分算，主要影响管片结构侧向荷载。
一般水土分算时侧向压力更大。
4、松弛土压力将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
盾构下穿施工对隧道影响的数值模拟分析
专业知识分享版使命：加速中国职业化进程摘 要:针对某盾构隧道下穿既有地铁暗挖隧道的施工力学行为进行了三维有限元数值模拟分析。
研究结果表明: 在盾构推进至距既有隧道边缘3 m 前，隧道会发生隆起，且在此位置时隆起量最大，之后开始沉降，在盾构将要穿出既有隧道时，沉降增量最大; 隆起量随盾构推力和既有隧道刚度增大而增大，而沉降量与之相反; 盾构下穿时，既有隧道结构横截面上会产生扭转，扭转角的大小随盾构推力增大而增大，随既有隧道刚度增大而减小。
为确保下穿过程上方隧道的结构安全和列车的正常运行，在距既有隧道边缘 3 m 时采取措施控制盾构推力和提高既有隧道周围土体的强度非常有效。
关键词:隧道 盾构 下穿 数值模拟 竖向位移 横向扭转随着城市地下轨道交通的发展，下穿既有线路的情况时有发生。
由于新线穿越既有线不可避免地会引起既有隧道结构产生附加应力和沉降，而地铁运营又对既有线的轨道变形有非常严格的控制标准，依据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》，运营隧道结构水平和沉降最大位移应 ＜ 20 mm;根据《铁路线路维修规定》，轨道纵向每 10 m 的沉降差应 ＜ 4 mm 。
因此这类下穿工程对既有地铁的安全形成了严峻的考验。
分析盾构下穿既有隧道的力学行为是非常必要的。
姜忻良、赵志明等［1］用理论推导的方法，提出隧道开挖时，上覆土在不同深度处的沉降计算公式; 汪洋、何川等［2］利用模型试验和数值分析的方法，并考虑了隧道纵向和横向刚度的折减得到围岩、净距、推力对上覆隧道的位移和附加应力的分布规律; 文献［3-5］利用三维数值模拟的方法提出下穿盾构的推进与上方近接隧道结构位移的关系; 陈越峰、张庆贺等［6］通过数值模拟及实测数据的反馈，找出了上覆隧道的沉降规律; 张海波、殷宗泽等［7］运用三维数值模拟的方法得出上、下隧道间的距离和相对位置对彼此的影响。
本文以某盾构隧道下穿既有暗挖隧道工程为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型对盾构下穿既有隧道全过程进行动态模拟。
迎坡条件下地铁盾构隧道施工数值模拟分析
迎坡条件下地铁盾构隧道施工数值模拟分析摘要：主要采用数值分析方法，以广州地铁为工程背景，计算采用有限差分程序FLAC3D进行施工模拟，对地层位移、隧道洞周位移、开挖面应力、开挖面附近塑性区的计算结果进行了分析。
关键词：盾构；数值分析；数值模拟随着数值计算被普遍应用于工程设计中解决各种岩石力学问题，各种数值模拟技术在岩土力学中有了很大的发展和广泛的应用。
然而，这些数值分析方法其理论本身以及采用的算法都有着各自的局限性。
快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of continua，简称FLAC)，则是在较好地吸取上述方法的优点和克服其缺点的基础上形成的一种数值分析方法。
1盾构隧道施工过程的数值模拟方法1.1掘进过程的模拟(1)开挖的实现FLAC3D中有内置一种“零模型”，通常用来模拟岩土体被开挖或移除。
零区域的应力被设置为零，在这些区域中没有体力作用。
可以通过单元性质的改变来实现后期的回填或支护。
(2)管片安装采用零模型来模拟开挖时，结合盾构机的施工推进速度，按每环1.5米进行开挖。
管片采用弹性圆环体模型来模拟，杨氏模量按《混凝土结构设计规范》选取为35.SGPa，考虑节头效应弹性模量乘以折减系数0.65，取为18GPa，钢筋混凝土的泊松比为0.17。
土体采用D-P模型来模拟。
盾构隧道开挖过程见图1所示，管片的拼装落后于开挖面4-6m。
在FLAC3D中，岩土体的力学参数采用的是体积模量K和剪切模量G，因此，须在参数输入前进行转换。
图1盾构隧道开挖示意图(3)工作面支护力的施加盾构施工工作面支护力应在极限主动土压力和极限被动土压力之间，在数值计算中，参照现场工作面支护压力的统计结果，确定工作面支护力的具体取值(不同坡度条件下其取值不同)。
1.2注浆层的简化(1)盾尾空隙计算盾构推过过程产生的土体沉降主要是由地层损失引起的，即隧道施工中实际开挖的土体体积与竣工体积之差，横断面的地层损失可以通过空隙厚度G来表示，Loet(1984)作过相关论述：（1）其中，（2）上式中△为盾尾壳体的厚度，为安装衬砌所需的空隙厚度，为开挖面应力释放导致开挖面及其前方土体的三维运动，使得土体塌落到开挖面造成的超挖土量，为施工因素(包括盾构的纠编、叩头、后退)及操作技术的影响产生的土体损失，为考虑土体后期固结产生的土体位移。
隧道盾构法施工的三维有限元数值模拟分析
隧 道 盾 构 法 施 工 的 三 维 有 限 元 数 值 模 拟 分 析
程 彬
（ １ ． 中煤科工集团西安研究院有限公司 ， 陕西 西安
卢 靖
７ １ ０ ０ ７ ７ ； ２ ． 中铁西安勘察 设计研 究院有限责任公 司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ５ ４ ）
摘
要： 根据有 限元的基本原理 ， 对隧道盾构法施工过程进行 了三维 数值模 拟分析 ， 研 究了盾构施工推进过程 中隧道 围岩 的应 力、
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
位移和地表 的沉 降及衬 砌结构受力情况 ， 为以后的设计和施工提供相关依据 。
关键词 ： Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ， 有限元 ， 数值模拟 ， 隧道 ， 盾构法
中图 分 类 号 ： Ｕ ４ ５ ５ 文献标识码 ： Ａ
随着大型有 限元 软件 的迅猛发展 ， 近年来 隧道 的设 计水 平也 第③ 层为弱风化砂岩 ， 厚度大于 ２ ０ ｍ。隧道埋 深约 １ ５ ｍ， 洞身位
相应得到 了很大 进步 ， 通 过计算 机 的三维 数值模 拟 分析 ， 使我 们 于第 ② 层 强 风 化 砂岩 中 ， 隧道 衬 砌 内径 为 ５ ． ４ ｍ， 衬 砌 厚度 为
在施工前后可 以进行 工程 风险评 估 ， 建 立施工 动态数 据 信息 ， 减 ０ ． ６ ｍ。各 围岩的分布及主要物理 、 力学性 质见表 １ 。 小施工 风险 ， 同时对设计工作 提供更进一步的依据 。 国内外 专家学者对盾构法施工 的研究方法 可归 纳为 ： 经验公
④衬砌
⑤ 注浆层
２ ． ５
２ ． １
２ ８ Ｏ ０ ｏ
ｌ ０ ０ ０
Ｏ ． ２
Ｏ ． ２
１ 工 程概况
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。
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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范围内的体!ESLV,S !选择与体相关的单元!EKILL,ALL !杀死单元，向前开挖土体!ASEL,S,LOC,X,0,3.19 !选择面!ASEL,S,LOC,Z,-3*(STEP-1)!SFA,ALL,1,PRES,0 !将前一步计算时施加的注浆压力取消!ASEL,S,LOC,X,0,3.19!ASEL,R,LOC,Z,-3*STEP!SFA,ALL,1,PRES,0.3E6 !施加盾构机顶进压力!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 !施加注浆压力!ALLSEL,ALL!SOLVE!FINISH!*END!同样将第一步开挖，第二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，并将其文件命名为EXCA2.MAC,代码如下!*******************EXCA2.MAC************!*CREATE,’EXCA2’,’MAC’,’’!TIME,2*STEP+1!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!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+1 !SFA,ALL,1,PRES,0!ALLSEL,ALL!SOLVE!FINISH!*END!************第2步开挖*************/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=2EXCA1.MAC !调用名为EXCA1的宏文件/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=2EXCA2.MAC !调用名为EXCA2的宏文件!******************第3步开挖******************** /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=3EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=3EXCA2.MAC!*******************第4步开挖***************/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=4/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=4EXCA2.MAC!******************第5步开挖******************** /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=5EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=5EXCA2.MAC!***************第6步开挖********************* /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=6EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=6!*********************第7步开挖******************** /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=7EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=7EXCA2.MAC!******************第8步开挖********************/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=8EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=8EXCA2.MAC!******************第9步开挖********************/SOLUANTYPE,,RESTEXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=9EXCA2.MAC!******************第10步开挖******************** /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=10EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=10EXCA2.MAC!******************第11步开挖******************** /SOLUANTYPE,,RESTSTEP=11EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTEXCA2.MAC!******************第12步开挖********************/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=12EXCA1.MAC/SOLUANTYPE,,RESTSTEP=12EXCA2.MAC!**********第13步开挖，开挖余下来的24m**************** /SOLURESCONTROL,FILE_SUMMARYANTYPE,,RESTSTEP=13TIME,2*STEPNSUBST,10,1000,5CSYS,12WPCSYS,-1VSEL,S,LOC,X,0,2VSEL,R,LOC,Z,0,-3*(STEP-1)EKILL,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),-60 ESLV,SEKILL,ALLASEL,S,LOC,X,0,3.19ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1) SFA,ALL,1,PRES,0ASEL,S,LOC,X,3.2ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)-0.1,-60 SFA,ALL,1,PRES,0.15E6 ALLSEL,ALLSOLVE!************开挖的最后一个计算步************** /SOLURESCONTROL,FILE_SUMMARYANTYPE,,RESTSTEP=13TIME,2*STEP+1NSUBST,10,1000,5CSYS,12WPCSYS,-1VSEL,S,LOC,X,0,2VSEL,R,LOC,Z,0,-60ESLV,SEKILL,ALLVSEL,S,LOC,X,2,2.3VSEL,R,LOC,Z,0,-60ESLV,SMPCHG,4,ALLVSEL,S,LOC,X,2.3,2.7VSEL,R,LOC,Z,0,-60ESLV,SMPCHG,5,ALLASEL,S,LOC,X,3.2ASEL,R,LOC,Z,-3*(STEP-1)-0.1,-60SFA,ALL,1,PRES,0ALLSEL,ALLSOLVEFINISH!计算结果分析!1.地层位移分析本实例中分析地层位移仍然是相对于自重固结下的位移，因而分析地层位移时需采用命令流编写宏文件，对所关心的计算步进行工况组合运算，才能获得相对位移!***************LOADCASE.MAC****************!LCDEF,1,1 !将第一计算步结果定义为荷载工况1!LCDEF,2,3 !将第N计算步的结果定义为荷载工况N!LCASE,N !读入荷载工况2!LCOPER,SUB,1 !将荷载工况2减去荷载工况1!**********第1步开挖引起的地层位移*************/POST1N=3LOADCASE.MACFINISH!**********第2步开挖引起的地层位移*************/POST1N=5LOADCASE.MACFINISH!**********第3步开挖引起的地层位移************* /POST1N=7LOADCASE.MACFINISH!**********第4步开挖引起的地层位移************* /POST1N=9LOADCASE.MACFINISH!**********第5步开挖引起的地层位移************* /POST1N=11LOADCASE.MACFINISH!**********第6步开挖引起的地层位移************* /POST1N=13LOADCASE.MACFINISH!**********第7步开挖引起的地层位移************* /POST1N=15LOADCASE.MACFINISH!**********第8步开挖引起的地层位移************* /POST1N=17LOADCASE.MACFINISH!**********第9步开挖引起的地层位移************* /POST1N=19LOADCASE.MACFINISH!**********第10步开挖引起的地层位移************* /POST1N=21LOADCASE.MACFINISH!**********第11步开挖引起的地层位移************* /POST1N=23LOADCASE.MACFINISH!**********第12步开挖引起的地层位移************* /POST1N=25LOADCASE.MACFINISH!**********第13步开挖引起的地层位移************* /POST1N=27LOADCASE.MACFINISH图1.1 第1步开挖引起的地层位移（m ） 图1.2 第2步开挖引起的地层位移（m ）图1.3 第3步开挖引起的地层位移（m ） 图1.4 第4步开挖引起的地层位移（m ）图1.5 第5步开挖引起的地层位移（m ） 图1.6 第6步开挖引起的地层位移（m ）图1.7 第7步开挖引起的地层位移（m ） 图1.8 第8步开挖引起的地层位移（m ）图1.9 第9步开挖引起的地层位移（m ） 图1.10 第10步开挖引起的地层位移（m ）图1.11 第11步开挖引起的地层位移（m ） 图1.12 第12步开挖引起的地层位移（m ）图1.13 第13步开挖引起的地层位移（m）综合分析地层位移云图，可以发现地层位移的最大值出现在隧道的拱顶和仰拱处，其中拱顶产生最大下沉约4.5cm，仰拱处产生最大隆起约4.9cm。