地鐵盾構(gòu)隧道掘進過程ANSYS數(shù)值模擬分析

1、地鐵盾構(gòu)隧道掘進過程數(shù)值模擬分析具體做法如下：(1)采用在掘削面施加頂進壓力的方法來模擬開挖面土體的移動；采用施加注漿壓力的方法來模擬盾尾注漿過程；采用更換注漿層材料參數(shù)的方法來模擬盾尾注漿對盾尾空隙的填充效果。由于目前計算軟件的限制，難以模擬盾構(gòu)機推進過程中對土體的擾動，這里簡化處理。即假定盾構(gòu)隧道開挖后，隨機進行注漿。計算時，只需將開挖不斷地向前推進，同時在后面進行注漿、換材料參數(shù)等操作，即可實現(xiàn)盾構(gòu)隧道的動態(tài)開挖過程，詳細的計算操作見后面的求解過程。工程問題的描述地鐵盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)徑為5.4m,外徑為D=6m,埋深為12m。自上至下，根據(jù)土層的物理性質(zhì)參數(shù)不同將其分為3層，各層的材料

2、參數(shù)和厚度如下：第一層：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，p=18.28KN/m3第二層：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，p=20.62KN/m3第三層：厚15m，E=500Mpa，v=0.33，p=21.6KN/m3施工中掘削面頂進壓力為0.3Mpa，盾尾注漿壓力為0.15Mpa模型的建立!進入前處理器!進入前處理器MP,EX,4,27.6E9MP,EX,4,27.6E9FINISH/CLE/PREP7!進入前處理器ET,1,SOLID45!定義實體單元ET,2,MESH200,6!定義非求解單元，輔助面網(wǎng)格的劃分!定義模型中的材料參數(shù)。模型中共有5種材料，其中土體有3種，

3、即地表淺層覆土、盾構(gòu)隧道所在土層和基巖及管片襯砌和注漿層。其中，管片襯砌為管片式的拼裝結(jié)構(gòu)，為了計算方便，將其等效為一均質(zhì)體，等效時對原有剛度進行折減。定義材料參數(shù)的命令流如下：!土體材料參數(shù)MP,EX,1,3.94E5!第一層土層材料參數(shù)MP,PRXY1,0.35MP,DENS,1,1828MP,EX,2,20.6E5!第二層土層材料參數(shù)MP,PRXY2,0.30MP,DENS,2,2160MP,EX,3,500E6!第三層土層材料參數(shù)MP,PRXY3,0.33MP,DENS,3,2160!管片材料參數(shù)，管片襯砌按各向同性計算LESIZE,6,3LESIZE,7,3LESIZE,6,3LES

4、IZE,7,3RECTNG4.5,31.5,0,4.5MP,PRXY4,0.2MP,DENS,4,2500!注漿層，參數(shù)按水泥土取值MP,EX,5,1E9MP,PRXY5,0.2MP,DENS,5,2100!建立平面內(nèi)模型并劃分單元!在隧道中心線定義局部坐標(biāo)，便于后來的實體選取LOCAL,11,0,0,0,0!設(shè)置局部直角坐標(biāo)系原點坐標(biāo)(0,0,0)LOCAL,12,1,0,0,0!設(shè)置局部柱坐標(biāo)系原點坐標(biāo)(0,0,0)CSYS,11!將當(dāng)前坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為局部直角坐標(biāo)系WPCSYS,-1!同時將工作平面恢復(fù)指定到局部直角坐標(biāo)系下CYL4,2.7,90!創(chuàng)建開挖土體所在的面CYL4,0,0,2.7

5、,0,3,90!創(chuàng)建管片CYL4,0,0,3,0,3.2,90!創(chuàng)建注漿加固圈RECTNG0,4.5,0,4.5AOVLAP,ALLNUMMRGALL!壓縮編號NUMCMP,ALL!合并圖素NUMMRGALLNUMCMP,ALL!劃分單元MSHAPE,0,2D!采用四邊形單元劃分網(wǎng)格MESHKEY,1!映射網(wǎng)格劃分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,13,3A

6、SEL,S,AREA,11,12,1AMESH,ALLASEL,S,AREA,11,12,1AMESH,ALLLESIZE,14,8,2LESIZE,16,8,0.5AMAP,4,7,6,8,10AMAP,5,9,8,11,12!利用對稱性，得到下半部分模型ARSYM,Y,ALL!通過坐標(biāo)軸對稱建立面NUMMRGALLNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!建立隧道下方土層模型RECTNG0,4.5,-4.5,-26RECTNG4.5,31.5,-4.5,-26NUMMRGALLNUMCMP,ALLLESIZE,28,3LESIZE,29,5,0.5LESIZE,30,5,2LESIZE,3

7、2,5,0.5LESIZE,31,8,2!建立隧道土方土層模型RECTNG0,4.5,4.5,15RECTNG4.5,31.5,4.5,15nummrgallNUMCMP,ALLLESIZE,34,3LSEL,S,LINE,35,36,1LSEL,A,LINE,33LESIZE,ALL,4LSEL,S,LINE,37LESIZE,37,8,0.5AMESH,13AMESH,14nummrgallNUMCMP,ALL!利用對稱性得到平面內(nèi)的全部模型ALLSEL,ALLARSYM,X,ALLnummrgallNUMCMP,ALL!建立體模型。將劃分好的平面模型通過沿隧道軸線進行拉伸,得到隧道及其所

8、在地層的三維實體模型!沿隧道軸線定義一系列關(guān)鍵點，點間距為3m*DO,I,1,20K,0,0,-3*I*ENDDO!沿著這些點建立線，便于后來體的拉伸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!定義單元坐標(biāo)系EXTOPT,ACLEAR,1CSYS,12!激活局部柱坐標(biāo)系*DO,I,1,20ASEL,S,LOC,Z,-3*(I-1)VDRAGALL,64+I*ENDDOCSYS,0!激活直角坐標(biāo)系CSYS,0!激活直角坐標(biāo)系A(chǔ)LLSEL,ALLnummrg

9、allNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!分層賦予土體材料參數(shù)。拉伸成體模型時為了方便，統(tǒng)一將所有的材料參數(shù)號都設(shè)置為1,而該實例中考慮了土層特性的分層，如前面建立模型是將土層設(shè)置為3種類型的土體，因而需將不同地層賦予不同性質(zhì)類型的材料參數(shù)!賦予隧道所在地層的材料參數(shù)CSYS,0!激活整體坐標(biāo)系NSEL,S,LOC,YANSYSR15.0JUN30201512:30:42PUTTNO.1-045152-.03466r-02417-.013678-003187.007305-17796.028287-38779.04927圖1.13第13步開挖引起的地層位移（m）綜合分析地層位移云圖，可以

10、發(fā)現(xiàn)地層位移的最大值出現(xiàn)在隧道的拱頂和仰拱處，其中拱頂產(chǎn)生最大下沉約4.5cm，仰拱處產(chǎn)生最大隆起約4.9cm。!2.地表沉降分析，利用宏文件LOADCASE,MAC文件，求解地表沉降FINISH/POST1N=3LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!選擇地表節(jié)點ESLN,S!選擇附在節(jié)點上的單元EPLOTPLNSOL,U,工0,1!顯示地表的Y方向的位移!*第2次開挖引起的地表沉降FINISH/POST1N=5LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第3次開挖引起的

11、地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=7LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15NSEL,S,LOC,Y,15WPCSYS,-1WPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1!*第4次開挖弓|起的地表沉降*FINISH/POST1N=9LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第5次開挖弓|起的地表沉降*FINISH/POST1N=11LOADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,L

12、OC,Y,15!*第 次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=13LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第7次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=15C

13、SYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=17LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第9次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINI

14、SH/POST1N=19CSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 #次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*WPCSYS,-1WPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=21LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第11次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*FINISH/POST1N=23LO

15、ADCASE.MACCSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*NSEL,S,LOC,Y,15!*第 次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*LOADCASE.MACWPCSYS,-1LOADCASE.MACWPCSYS,-1ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1FINISH/POST1N=25LOADCASE.MACCSYS,0WPCSYS,-1NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,Y,0,1!*第13次開挖引起的地表沉降*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L*L

16、*L*FINISH/POST1N=27CSYS,0NSEL,S,LOC,Y,15NSEL,S,LOC,Y,15ESLN,SEPLOTPLNSOL,U,工0,1ANSYSMLSCOTR15.0SHM993J302015圖2*第1次開挖引起的地表沉降F咖-儷廠斷-劇咖她期血曲3爾ANSYSMLSMIR15.0沁9999m302015圖一2.2第2次開挖引起的地表沉降m)-.009042-.006458-.003874-.00129,001293s-J-i.g.i.i.8B.ssr8.i-e邑日6Tzoe巨o.=i1i1.SLLHSs(m)-耳運lnnfc總tt-23SEU?(W)M=.234163軸=787272J3020