隧道开挖的例子
某地铁盾构隧道管片衬砌内径为5.4m，外径为D=6m，埋深为2D。从上至下，根据土层的物性参数不同将其分为3层，各层的材料参数和层厚为：第1层：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，ρ＝18.28kN/m3
第2层（隧道所在层）：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，ρ＝20.62kN/m3
第3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。
6.5.2模型的建立
（1）以交互方式从开始菜单启动ANSYS程序。路径：开始>主程序>ANSYS8.0>Configure ANSYS Products。
（2）设置工作路径和文件名。单击“File Management”选项卡，在目录中输入“D:\AnsysFX\CH6Examp4”，在项目名中输入“Z6DTDGSD”。
（3）定义分析类型。路径：Main Menu> Preferences。在系统弹出的的对话框中，选中“Structural”（结构）复选项，然后单击OK按钮。此项设置表明本次进行的有限元分析为结构类，可以过滤许多菜单，如关于热分析的和磁场分析的菜单等。同时，程序的求解方法采用h-method。
（4）进入前处理器，定义所需的单元类型。对于该问题而言，模型中只含有Solid 45一种单元，但为了建模的方便，还需定义一种用于划分平面网格的辅助单元mesh 200，该单元在由面拖拉生成体时可以自动删除，不影响计算。因为采用的是Solid 45单元划分体，因而还需将mesh 200的KEYOPT(1)设置为6。对应的命令流如下：
/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
（5）定义模型中的材料参数。模型**有5种材料，其中土体有3种：地表浅层覆土、盾构隧道所在土层、基岩，另外还包括管片衬砌和注浆层。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，等效时对其原有刚度进行折减。定义材料参数的命令流如下：
!土体材料参数
mp,ex,1,3.94e6 !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
（6）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 !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
!***划分单元，如图6-77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,4,7,6,8,10 !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
!利用对称性，得到下半部分模型，如图6-78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
!建立隧道下方土层模型，如图6-79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
!建立隧道上方土层模型，如图6-80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
nummrg,all !合并所有元素
numcmp,all !压缩所有元素编号
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
!利用对称性得到平面内的全部模型，如图6-81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
（7）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,1,20 !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6-82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
（8）分层赋给土体材料参数。拉伸成体模型时为了方便，统一将所有土体的材料参数号都设为1，而该实例中考虑了土体特性的分层，如前面建立模型前设置了三种类型的土体，因而需将不同地层赋予不同类型的材料参数，命令流如下。
!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
建立好后的模型如图6-83所示。
6.5.3加载与求解
（1）施加边界条件，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
!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）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
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，判断准确无误后再进行下面的计算。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：
/POST1
PLNSOL,S,Y,0,1 !SY应力云图
PLNSOL,U,Y,0,1 !UY应力云图
分别如图6-84和图6-85所示。
（3）第1步开挖，进尺3m。
第一个计算步的命令流如下：
!****第1步开挖，第1个计算步******
/solu
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,all,1,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
求解完成后，继续进行第二个计算步的计算，命令流如下：
!****第1步开挖，第2个计算步******
/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
vsel,s,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
（4）进行开挖循环。
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exca1.mac，代码如下：
!*******exca1.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
同样，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exca2.mac，代码如下：
!*******exca2.mac*******
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,-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
在前面exca1.mac和exca2.mac的基础上，进行第2步到第16步的开挖，命令流如下，需要说明的是，exca1.mac和exca2.mac命令流中的中文注释同第1步，所以省去重复介绍。
!****第2步开挖******
!以下的中文说明也同第一步开挖，在此省去。
/solu
antype,,rest
step=2
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=2
exca2.mac
!****第3步开挖******
/solu
antype,,rest
step=3
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=3
exca2.mac
!****第4步开挖******
/solu
antype,,rest
step=4
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=4
exca2.mac
!****第5步开挖******
/solu
antype,,rest
step=5
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=5
exca2.mac
!****第6步开挖******
/solu
antype,,rest
step=6
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=6
exca2.mac
!****第7步开挖******
/solu
antype,,rest
step=7
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=7
exca2.mac
!****第8步开挖******
/solu
antype,,rest
step=8
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=8
exca2.mac
!****第9步开挖******
/solu
antype,,rest
step=9
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=9
exca2.mac
!****第10步开挖******
/solu
antype,,rest
step=10
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=10
exca2.mac
!****第11步开挖******
/solu
antype,,rest
step=11
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=11
exca2.mac
!****第12步开挖******
/solu
antype,,rest
step=12
exca1.mac
/solu
antype,,rest
step=12
exca2.mac
!****第13步开挖，开挖余下的24m******
/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
!*******下面完成开挖的最后一个计算步********
/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
6.5.4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第6.4.4节中的loadcase.mac命令流对所关心的计算步进行工况组合运算，才能获得其相对位移，使用方法同前面。计算第1步开挖引起的地层位移命令流为：
!*******loadcase.mac*******
/POST1
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
运行上面的命令流便可以得到第1步开挖引起的地层位移，在隧道开挖中，我们通常关心的是竖向位移UY，通过下面的命令可以绘出第1步开挖引起的竖向位移云图：
ESEL,S,LIVE !选择活状态下的单元
PLNSOL,U,Y,0,1 !绘制节点结果，Y方向位移图
如图6-86所示。以此类推，将第5、7、9、11、……、27读入荷载工况2，就可以得到第2步、第3步、……、第13步开挖引起的地层位移。图6-87到图6-89显示了第4步、第7步和隧道贯通后的地层位移云图。可以看出，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，仰拱处产生最大上隆约4.9cm。
2．地表沉降分析
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
就可以得到地表的沉降分布云图。通过更改loadcase.mac的中工况号，可以得到不同时刻的地表沉降，如图6-90到图6-93所示。可以看出，在盾构机的顶进作用下，地表发生了前隆后沉的现象。随着盾构机的推进，开挖面后方的沉降槽越来越宽，最大沉降量也越来越大，隆起区域也逐步向前推进。地表最大沉降量约为1.2cm，最大隆起量约为0.3cm。
3．管片结构受力分析
进行管片受力分析时，不需要进行工况组合，直接将没每步的计算结果读入内存即可。如绘制第一步开挖完毕后管片衬砌的Mises等效应力云图的命令流为：
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
通过选取不同的管片衬砌，及读入不同的计算步，可以计算出各个开挖步结束时的管片衬砌的等效Mises应力云图，如图6-94到图6-97所示。
这个例子解释的很细致，有助于理解，好帖啊 谢谢分享 我刚学abaqus感觉你这个ANSYS的例子也挺有用的 这个例子解释的很细致，有助于理解，感谢楼主 楼主费心了，感谢
收藏啦 谢谢楼主 楼主腻害
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