基于ANSYS某地鐵盾構隧道掘進過程數值模擬分析
【問題描述】：
某地鐵盾構隧道管片襯砌內徑為5.4m，外徑為D=6m，埋深為2D。從上至下，根據土層的物性參數不同將其分為3層，各層的材料參數和層厚為：
第1層：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，ρ＝18.28kN/m^3
第2層（隧道所在層）：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，ρ＝20.62kN/m^3
第3層：厚15m，E=500Mpa，v=0.33，ρ＝21.6kN/m^3
施工中掘削面頂進壓力為0.3MPa，盾尾注漿壓力為0.15MPa。
試采用ANSYS模擬此過程。
【建模要點】：
1、建模過程充分使用對稱性建模的方便，使用到的對稱性命令為 arsym
2、網格劃分輔助mesh200的使用，建模思路為通過建立面，采用mesh200劃分面，拉伸面成體，從而形成實體單元。
3、注意在第2步采用面拉伸成體單元后，體單元材料屬性的重新賦值。
4、自重應力場的求解。
5、利用重啟動以及生死單元來模擬盾構掘進的過程。
【建模過程】：
1、首先建立隧道附近的四分之一模型，注意網格的局部細分。
2、利用對稱性，建立二分之一隧道模型，并建立隧道上方和下方土體模型。
3、利用對稱性，建立整個隧道平面模型
4、利用面拉伸成體的思路，通過輔助單元建立實體單元，這里實體單元采用soild186進行模擬。
注意拉伸時的一個額外命令的使用：
extopt,aclear,1
該命令意思也即是在拉伸完成后刪除母體單元mesh200
5、由于在拉伸時候都是默認的材料號為1，拉伸完成后需根據不同的位置，選擇不同的土體進行材料參數的改變。
6、約束條件的設置，本次約束取土地地面為全約束，各側邊約束為平行法向方向固定約束。頂面除四周邊界線有約束外，其余地方皆無約束。整個示意圖如下：
7、自重應力場的求解。
8、利用重啟動和單元生死功能，模擬盾構掘進過程。
【結果查看】
1、自重應力場求解后的相關結果
Y方向應力云圖：
位移云圖：
2、地層位移分析
地層位移本例是指相對于自重固結下的位移，因而在分析地層位移時需要采用荷載工況的手段減去第一步在自重計算下的結構位移。例如在計算開挖第一步時的計算命令流如下：
/POST1
LCDEF,1,1, ,
LCDEF,2,3, ,
LCASE,2,
LCOPER,SUB,1, , ,
開挖第一步的位移云圖如下：
開挖第四步的位移云圖如下：
開挖第七步的位移云圖如下：
隧道貫通后的位移云圖如下：
從結果可見，地層位移的最大值出現在隧道的拱頂和仰拱處，其中拱頂產生最大下沉約4.5cm，仰拱處產生最大上隆約4.9cm。
3、地表沉降分析
通過選擇地表表面的節點和單元，可以繪制地表的沉降分布云圖。標準的命令流格式如下：
CSYS,0
WPCSYS,-1
NSEL,S,LOC,Y,15 !選擇地表節點
ESLN,S !選擇附在節點上的單元
EPLOT
PLNSOL,U,Y,0,1
通過更改工況號，即可得到不同工況作用下的地表沉降情況，下圖分布表示了第二步地層位移分析對應的地表沉降情況。
開挖第一步地表沉降位移云圖：
開挖第四步地表沉降位移云圖：
開挖第七步地表沉降位移云圖：
隧道貫通后的地表沉降位移云圖如下：
通過云圖可以看出，在盾構機的頂進作用下，地表發生了前隆后沉的現象。隨著盾構機的推進，開挖面后方的沉降槽越來越寬，最大沉降量也越來越大，隆起區域也逐步向前推進。地表最大沉降量約為1.2cm，最大隆起量約為0.3cm。
4、管片結構受力分析
進行管片受力分析時，不需要進行工況組合，直接將沒每步的計算結果讀入內存即可。如繪制第一步開挖完畢后管片襯砌的Mises等效應力云圖的命令流為：
VSEL,S,LOC,X,2.3,2.7
VSEL,R,LOC,Z,0,-3
ESLV,S !選取第1環管片
SET,3,LAST,1,
PLNSOL,S,EQV,0,1
通過選取不同的管片襯砌，及讀入不同的計算步，可以計算出各個開挖步結束時的管片襯砌的等效Mises應力云圖。
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【番外篇】
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