ANSYS数值模拟分析：地铁盾构隧道掘进过程研究

【问题描述】

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/m^3

第2层（隧道所在层）：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，ρ＝20.62kN/m^3

第3层：厚15m，E=500Mpa，v=0.33，ρ＝21.6kN/m^3

施工中掘削面顶进压力为0.3MPa，盾尾注浆压力为0.15MPa。

试采用ANSYS模拟此过程。

【建模要点】：

1、建模过程充分使用对称性建模的方便，使用到的对称性命令为 arsym

2、网格划分辅助mesh200的使用，建模思路为通过建立面，采用mesh200划分面，拉伸面成体，从而形成实体单元。

3、注意在第2步采用面拉伸成体单元后，体单元材料属性的重新赋值。

4、自重应力场的求解。

5、利用重启动以及生死单元来模拟盾构掘进的过程。

【建模过程】：

1、首先建立隧道附近的四分之一模型，注意网格的局部细分。

2、利用对称性，建立二分之一隧道模型，并建立隧道上方和下方土体模型。

3、利用对称性，建立整个隧道平面模型

4、利用面拉伸成体的思路，通过辅助单元建立实体单元，这里实体单元采用soild186进行模拟。

注意拉伸时的一个额外命令的使用：

extopt,aclear,1

该命令意思也即是在拉伸完成后删除母体单元mesh200

5、由于在拉伸时候都是默认的材料号为1，拉伸完成后需根据不同的位置，选择不同的土体进行材料参数的改变。

6、约束条件的设置，本次约束取土地地面为全约束，各侧边约束为平行法向方向固定约束。顶面除四周边界线有约束外，其余地方皆无约束。整个示意图如下：

7、自重应力场的求解。

8、利用重启动和单元生死功能，模拟盾构掘进过程。

【结果查看】

1、自重应力场求解后的相关结果

Y方向应力云图：

位移云图：

2、地层位移分析

地层位移本例是指相对于自重固结下的位移，因而在分析地层位移时需要采用荷载工况的手段减去第一步在自重计算下的结构位移。例如在计算开挖第一步时的计算命令流如下：

/POST1

LCDEF,1,1, ,                    

LCDEF,2,3, ,                      

LCASE,2,                        

LCOPER,SUB,1, , ,            

开挖第一步的位移云图如下：

开挖第四步的位移云图如下：

开挖第七步的位移云图如下：

隧道贯通后的位移云图如下：

从结果可见，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。

3、地表沉降分析

通过选择地表表面的节点和单元，可以绘制地表的沉降分布云图。标准的命令流格式如下：

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

通过更改工况号，即可得到不同工况作用下的地表沉降情况，下图分布表示了第二步地层位移分析对应的地表沉降情况。

开挖第一步地表沉降位移云图：

开挖第四步地表沉降位移云图：

开挖第七步地表沉降位移云图：    

隧道贯通后的地表沉降位移云图如下：

       通过云图可以看出，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。

4、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,            

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。

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