隧道力学作业Ansys数值模拟不同埋深隧道的围岩应力

隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟

隧道衬砌支护结构的ANSYS数值模拟摘要：为了确保隧道施工及运行的安全性，必须对其支护结构进行受力分析。

本文以城市长大隧道为例，基于ANSYS有限元分析软件平台建立隧道支护的荷载—结构模型，并从结构变形、弯矩、轴力和剪力等方面实现对隧道支护结构的数值模拟，从分析结论及安全性的角度出发，为隧道结构的优化设计和现场施工提供依据和指导。

关键词：隧道；支护结构；ANSYS；数值模拟目前，伴随岩土力学的发展和计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元数值分析已成为隧道结构分析中发展最迅速的方法。

在参数选取合理的情况下，通过对隧道开挖过程进行仿真分析，可判定隧道围岩应力大小以及应力区和塑性区的范围，能够预测隧道施工中的险情，保证隧道施工安全和稳定性。

一、有限元数值模拟方法有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元并设定节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，在每一个单元中假设一近似差值函数以表示单元场中场函数的分布规律，利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题，一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数[1]。

在实际工程应用中，有限元法可以考虑岩土介质的非均匀性、各向异性、非连续性和几何非线性等，适用于各种边界条件，结合大型通用有限元软件ANSYS能较好实现隧道结构的数值计算。

基本建模流程包括选择分析模型类别、创建物理环境、建立模型和划分网格、施加约束和荷载、建立有限元模型、求解和后处理等。

当前，对隧道支护结构体系一般按照荷载—结构模型进行演算，分析过程中将围岩视为隧道结构上的荷载，且为结构本身的一部分，两者间的相互作用通过围岩的弹性支撑对结构施加约束来实现。

二、隧道结构受力分析实例2.1 设计概况目标隧道为双向六车道设计，含多种断面衬砌类型，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。

复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析

复杂断面洞室围岩应力数值模拟分析摘要：本文对复杂断面洞室围岩的应力数值模拟进行分析，首先简要介绍了研究背景和目的，接着列举了模拟过程中所使用的关键词，然后重点阐述了数值模拟的具体过程和结果，最后对结果进行了讨论并总结了结论。

引言：随着地下空间利用的日益广泛，复杂断面洞室围岩的应力数值模拟已成为工程实践中重要的研究课题。

本文旨在通过对复杂断面洞室围岩进行数值模拟分析，为工程实践提供理论支持和技术指导。

关键词：复杂断面洞室，围岩，应力，数值模拟，有限元法数值模拟分析：本文采用有限元法对复杂断面洞室围岩进行数值模拟分析。

根据工程实际建立物理模型，包括断面形状、围岩材料等特征。

然后，利用ANSYS软件实现网格划分、边界条件设置等数值模拟过程。

在分析过程中，重点考虑围岩的力学性质、断面形状对围岩应力的影响等因素。

结果及其讨论：通过数值模拟分析，本文得到了不同断面形状、围岩材料等条件下的围岩应力分布情况。

结果表明，断面形状对围岩应力有显著影响，圆形断面表现出较低的围岩应力水平，而矩形断面则表现出较高的应力水平。

同时，围岩材料的力学性质对围岩应力分布也有一定影响。

在相同条件下，硬质围岩表现出较高的应力水平，而软质围岩则表现出较低的应力水平。

在讨论中，本文进一步分析了这些结果产生的原因，并从工程实践的角度出发，对这些结果进行了评估。

结果表明，对于复杂断面洞室的应力分析，需要充分考虑断面形状和围岩材料的影响。

在实际工程中，可以通过优化断面形状、选择合适的围岩加固措施等方法来降低围岩应力水平，提高工程的安全性和稳定性。

总结：本文对复杂断面洞室围岩的应力数值模拟进行分析，通过有限元法建立了物理模型并进行了数值模拟过程。

结果表明，断面形状和围岩材料对围岩应力有显著影响。

对于圆形断面，其围岩应力水平较低，而对于矩形断面，其围岩应力水平较高。

硬质围岩表现出较高的应力水平，而软质围岩则表现出较低的应力水平。

这些结果对于复杂断面洞室的设计和施工具有一定的指导意义。

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。

基于ANSYS分析不同截面的地铁隧道开挖变形和应力分布

工程技术建筑技术开发·79·Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第48卷第6期2021年3月隧道工程围岩变形和受力一直是岩石力学工作者比较关心的问题，随着人类对生存空间的不断探索，利用地下空间的实例越来越多，如地铁隧道。

软土地基区段的变形灾害问题日益突出，所以对于隧道开挖过程中围岩变形的研究很有必要，也是人们非常关心的课题[1]。

意大利的G.Galli 等[2]利用有限单元法模拟了隧道的开挖和支护过程，深入分析了隧道施工过程中掌子面的位移及围岩—衬砌的相互作用；Weishen Zhu 等[3]运用施工过程力学（CPM ）原理和有限元的数值模模拟方法，通过对各种不同岩性、开挖方式和不同支护系统下隧道围岩的破坏和变形的预测，来分析隧道的稳定性；Sung O.Choi 和Hee-Soon shin [4]通过借助于HB 隧道，采用FLAC 3D 数值软件，不仅分析了在软弱围岩隧道中各支护形式的优缺点，同时对开挖后的力学受力情况进行了研究。

周毅等[5]针对地质条件复杂，围岩破碎且隧道埋深变化较大的兰渝铁路两水隧道，采用FLAC 软件对隧道施工过程进行数值模拟分析，研究了不同埋深隧道施工过程中开挖进尺对围岩变形的影响。

并以此确定了隧道的埋深与开挖进尺之间的影响关系，确定了在不同埋深的情况下的最优循环进尺，为施工方案的选择提供依据；张志强等[6]运用有限元方法建立了不同条件下土层的三维力学模型，并研究地面沉降的规律。

王清标等[7]采用数值差分软件FLAC 3D 研究了不同工法下隧道交叉区域围岩的应力变化以及对于既有线路的影响规律，根据结果对施工工法进行了比选。

可以看出国内外诸多学者对隧道开挖、盾构后围岩的变形及应力情况进行了分析，有的对比了不同的施工工艺下隧道围岩变形及应力分布；有的利用数值分析模拟等手段分析地表的变形规律；有的推导出地面沉降公式。

隧道开挖ansys模拟分析

隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。

建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。

在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。

考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。

根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。

因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。

对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。

（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。

两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。

在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。

在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。

对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。

弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1）式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。

基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析

基于 ANSYS 模拟隧道衬砌结构的内力分析刘莉莎;郎秋玲;黄非【摘要】This paper simulates the internal force of tunnel supporting structure by using finite element a-nalysis software ANSYS,calculates and analyzes stress,bending moment,displacement etc.,in order to de-termine the most dangerous section and the part of the largest stress of tunnel supporting structure,thus to achieve reasonably determine the tunnel excavation,optimize the structure of tunnel support design,and re-duce the construction cost.%运用有限元分析软件 ANSYS 模拟隧道支护结构的内力，对隧道支护结构的轴力、弯矩、位移等进行计算分析，从而确定最危险截面和受力最大的部位，达到合理确定隧道开挖、优化隧道支护结构设计，降低其建设成本的目标。

【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P14-16)【关键词】ANSYS;隧道;轴力;弯矩;位移【作者】刘莉莎;郎秋玲;黄非【作者单位】长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021;长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021【正文语种】中文【中图分类】U451.40 引言目前，伴随着岩土力学的发展，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。

ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用

ANSYS有限元分析在隧道工程中的应用摘要：结合某公路隧道的现场实际施工情况，利用ANSYS有限元分析软件，对隧道开挖引起的地表沉降、围岩应力变化、塑性区变化等进行了计算分析，研究结果对于现场施工起到了一定的指导意义，并值得类似工程的借鉴。

关键字：ANSYS软件；有限元分析；隧道工程1.引言隧道工程处于地面以下，岩土的构成复杂，且难于直接观察，而有限元分析则可把数值结果形象化，把内部结构相互作用过程展示出来，有很大的实用价值。

诸如隧道开挖过程中较为普遍的塌方冒顶现象，若根据地质勘察，了解场地断层、裂隙和节理的走向与密度，借助于试验方法，可以确定岩石本身的力学性能及岩体夹层和界面的力学特性、强度条件。

在此基础上，通过有限元分析可以确定开挖过程中硐室的应力分布、判断硐室是否稳定[4]。

隧道开挖有限元计算的重点是评估隧道开挖引起的地面沉降，研究和评估整体和局部结构由此产生的反应，研究施工过程中隧道衬砌和岩土体的相互作用。

2. 工程背景及有限元模型的建立2.1隧道工程概况某隧道为上下行分离的双向八车道高速公路隧道，建筑限界宽度为17.25m，净高5m。

左右主线隧道均采用四车道，最大毛洞开挖跨度为19.9m，高度10.838m，项目场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，线路沿北西向穿越低山丘陵区，地质复杂，施工难度大。

隧道左洞全长319m；右洞全长315m。

左洞拱顶埋深最大为18.182m，右洞拱顶埋深最大为8.732m，两隧道中心线间距31.37m。

隧道左右隧道间距为小净距(最小11m左右)，为特大断面小净距隧道。

图2.1隧道设计断面图图2.2魁岐隧道出洞口图2.2材料参数选择根据已有现场施工、勘察资料，近似将场地分为四类岩土层，最上一层为坡积亚粘土层，其下部分别为强风化花岗岩层、弱风化花岗岩层、微风化花岗岩层。

各岩土层厚度及材料参数分别如表1示。

表1各岩土层厚度及材料参数隧道初期支护采用锚杆加喷射混凝土支护，锚杆加固围岩形成锚杆加固区，根据经验，该区域内岩石材料参数较加固前提高20%，该分析中将相关参数提高20%用于分析计算。

隧道明洞允许回填高度ANSYS数值模拟分析实例

明洞堆载数值模拟报告1数值建模采用ANSYS软件对明洞的回填过程进行数值模拟，以平面应变法进行计算，采用PLANE42实体单元模拟明洞、周围土体及片石混凝土，采用LINK1杆单元模拟钢筋。

由于其为明挖结构，因此不考虑周围土体的拱效应。

明洞左右各取3倍的跨径作为计算范围，明洞底部取单倍洞高作为计算范围，顶部土体取为4m。

对于6m、8m、10m、12m的回填土，以在隧道顶部施加均布荷载的方式进行模拟，压载土的容重为1950kg/m3。

设置其为拉普拉森算法。

设计参数：钢筋直径取为Φ25，明洞为C30混凝土，锁定回填为C15片石混凝土。

堆载14m时，下部4m采用回填土，土的容重取为1950kg/m3，上部10m 采用炉渣填筑，炉渣的容重取为1300kg/m3，较常规的800 kg/m3，1.625的安全系数。

表1 数值模型参数表图2.1明洞与周围土体单元网格图2.2模型加载土图2.3明洞衬砌与配筋图图2.4明洞结构配筋图图2.5明洞结构与片石混凝土网格图根据《公路隧道设计规范》，C30混凝土的极限弯曲抗压强度为R W=28.1MPa，极限抗拉强度为R l=2.2MPa。

2计算结果2.1回填土高8m图2.1填土高度为8m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.25MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。

若进一步增加填土，则该位置混凝土有可能产生拉裂。

图2.2填土高度为8m时的衬砌第三主应力分析明洞结构在回填土高为8m时的第三主应力可见，主压应力主要产生在拱脚内侧，拱角位置的主压应力最大，量值为3.96MPa，远小于C30混凝土的弯曲抗压极限，即28.1MPa。

明洞结构不会因上部堆载而产生混凝土压裂。

2.2回填土高10m图2.3填土高度为10m时的衬砌第一主应力分析明洞结构在回填土高为10m时的第一主应力可见，主拉应力主要产生在拱脚底部、拱顶内侧与仰拱位置，拱角位置的主拉应力最大，量值为1.38MPa，小于C30混凝土的抗拉极限，即2.2MPa。

隧道开挖ansys模拟分析

隧道台阶法开挖的有限元模拟分析1.力学模型的建立岩体的性质是十分复杂的，在地下岩体的力学分析中，要全面考虑岩体的所有性质几乎是不可能的。

建立岩体力学模型，是将一些影响岩石性质的次要因素略去，抓住问题的主要矛盾，即着眼于岩体的最主要的性质。

在模型中，简化的岩体性质有强度、变形、还有岩体的连续性、各项同性及均匀性等。

考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，采用的模型有弹性、塑性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等。

根据对隧道的现场调查及试验结果分析，围岩具有明显的弹塑性性质。

因此，根据隧道的实际情况，考虑岩体的弹塑性性质，在符合真实施工工序和支护措施的基础上，在数值模拟过程中将计算模型简化成弹塑性平面应变问题，采用Drucker—Prager屈服准则来模拟围岩的非线性并且不考虑其体积膨胀，混凝土材料为线弹性且不计其非线性变形。

对地下工程开挖进行分析，一般有两种计算模型：（1）“先开洞，后加载”在加入初始地应力场前，首先将开挖掉的单元从整体刚度矩阵中删除，然后对剩余的单元加入初始地应力场进行有限元计算。

（2）“先加载，后开洞”这种方法是首先在整个计算区域内作用地应力场，然后在开挖边界上施加反转力，经过有限元计算得到所需要的应力、位移等物理量。

两种方法对线弹性分析而言，所得到的应力场是相同的，而位移场是不同的，模型（2）（即：“先加载，后开洞”）更接近实际情况。

在实际地下工程开挖中部分岩体已进入塑性状态，必须用弹塑性有限元进行计算分析，而塑性变形与加载的路径有关，所以模拟计算必须按真实的施工过程进行，即在对地下工程开挖进行弹塑性数值模拟过程中，必须遵循“先加载，后开洞”的原则。

在有限元法中，求解非线性问题最常采用的方法是常刚度初应力法。

对于弹塑性问题，由于塑性变形不可恢复，应力和应变不再是一一对应的关系，即应力状态与加载路径有关，因此应该用增量法求解。

弹塑性应力增量与应变增量之间的关系可近似地表示为}{}]{[}]){[]([}{][}{0σεεεσd d D d D D d D d p ep +=-== （1）式中，][D —弹性矩阵，][p D —塑性矩阵。

隧道力学特征及数值模拟方法

2隧道力学特征及数值模拟方法2.1隧道开挖生成的围岩二次应力场特征岩体在开挖前处于初始应力状态，初始应力主要是由于岩体的自重和地质构造所引起的。

在岩体进行开挖后改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力状态重新分布，引起岩体变形甚至破坏。

在这个时间工程中，地层应力是连续变化的，特别地，洞室开挖后在未加支护的情况下，地层应力所达到的新的相对平衡称为围岩的二次应力状态。

一般来说，二次应力场是三维场。

在隧道施工过程中，横向的二次应力作用使得洞周围岩的应力状态和变形状态发生了显著的变化，可将洞周围岩从周边开始逐渐向深部分为4个区域：(1)松动区由于施工扰动(例如施工爆破)，区内岩体被裂隙切割，越靠近洞室周围越严重，其内聚力趋近于零，内摩擦角也有所降低，强度明显削弱，基本无承载能力，在重力的作用下，产生作用在支护上的松动压力。

(2)塑性强化区这一区域是围岩产生变形的根源。

隧道开挖后破坏了地层的原状力线，在洞体四周产生了很高的应力集中，此时，该处只存在切向应力和指向隧道中心的径向不平衡力，切向应力由承载拱承担，而对于径向应力，毛洞是无法承担的，所以要释放(在有支护的情况下一部分被初期支护承担)。

这就造成了洞体开挖后四周的围岩向隧道中心发生位移，周边的径向应力逐渐趋向零，而切向应力随着径向位移而增大。

这一应力状态的变化导致岩体从初始的二轴(这里只考察平面应力状态)受压状态转变为单轴受压状态，使得这一区域围岩处于非常不利的受力状态，当这一应力状态超过岩体的强度极限时，洞室周围出现了塑性区域或者破坏区域，产生塑性变形。

如果洞室周围塑性区域扩展不大，随着径向位移的出现，地层塑性区域达到稳定的平衡状态，围岩没有达到承载能力的极限值；但是如果塑性区域继续扩展，则必须采取支护措施约束地层运动，才能保持洞室围岩处于稳定状态，这时为了阻止地层运动，就显出塑性变形压力。

(3)弹性变形区域这一区域内岩体在二次应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力都超过原岩的应力，应力解除后能恢复到原岩应力状态。

基于ANSYS的隧道二衬内力计算[详细]

后处理
• 执行Main Menu>General Postproc>Read Results>Last Set命令，读取计算结果。
• 查看隧道衬砌支护结构变形图：Main Menu • >General Postproc>Plot Results>Deformed shape，弹
出一个“Plot Deformed Shape”的对话框，选中 “Def+undeformed”并单击“OK”，出现隧道衬砌支护结构变形图。
14单元网格划分：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，在Element Attributes栏选择Lines，单击右边Set按钮，选中L1后单击OK，弹出为线分配单元属性对话框，为L1选取1号材料、1号实常数、1号单元和1号截面。单击OK回到 MeshTool对话框。
通过Excel工作表将各等效节点荷载整理为命令流。
小技巧：把荷载命令列、节点号列、荷载属性列、荷载大小列现在Excel里编好，再另存为CSV类型，出现对话框都确定。然后用记事本打开。
• 18、施加等效节点荷载
• 将命令流粘贴到ANSYS输入窗口中，回车。单击SAVE-DB存盘。
• 19、施加径向弹簧
• 3、选择文件菜单，将文件输出成SAT文件类型并进行保存。
•
ANSYS中操作
• 1、打开ansys软件 • 在ansys 软件中将保存
的sat文件打开，过程如图。
• 2、sat文件在ansys中的显示，选择front view 平面图。
3、选择重新设置
4、显示面域 plot →areas

浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件

浅谈ANSYS系统在隧道结构计算中的应用条件摘要：在公路隧道设计与施工中，为了提前判断在开挖和支护工程中隧道的结构安全性，隧道结构计算的数值研究方法就成为了一种重要的设计依据和施工控制措施。

本文提供了一种方法，即利用ANSYS软件模拟隧道结构在开挖个步骤中的计算模式与应用条件。

关键词：隧道结构ANSYS模拟隧道的结构分析是利用工程力学原理，选取合理的介质，通过相似模型体系对其结构进行计算，具体过程一般通过两个途径来进行，其一是利用相似性理论，采取合理的相似系数，在室内通过模型试验来模拟实际的工程问题。

其二是数值计算，这种方法伴随着计算机的发展有了长足的进步。

目前，伴随着岩土力学的发展，再加上计算机的普遍使用及其性能的不断提高，有限元法成为发展最迅速的用于隧道结构分析的数值计算方法。

有限元法先将结构分解为有限的小单元，在每一个单元上，利用弹性力学、弹塑性力学等力学理论建立力学性能参数之间的关系，然后根据位移或者应力协调条件把这些小单元组合起来，求出整体结构的力学特征。

因为有限元法是利用矩阵代数方法求解方程组，而矩阵代数建立的方程组非常方便与计算机的存储与求解，所以，有限元法非常适用于分析复杂的地下结构。

1模型的建立利用ANSYS来模拟隧道开挖过程，有两种建模方法，一个是建立真三维的模型，三维模型不仅可考虑围岩的流变特性，还能考虑开挖和支护的空间效应，能保证较好的计算精度。

但是建模复杂，计算时间长，且费用较高。

另一种建模方法是建立二维模型，即按平面应变问题来处理，隧道在长度方向的尺寸比横截面的尺寸大得多,在忽略掘进的空间效应及岩石流变效应的影响时,计算模型取为平面应变是可行的。

另外，可以通过各阶段相应的初始应力释放系数来考虑开挖过程和支护时间早晚对围岩及支护受力的影响。

本文采用后者建立有限元模型。

相对于整个岩体而言，开挖所引起的应力重分布的区域是有限的，因而要确定计算模型的范围。

实践和理论分析表明，对于地下洞室开挖后的应力应变，仅在洞室周围距洞室中心点3～5倍洞室开挖宽度（或高度）的范围内存在实际影响。

隧道及地下工程ANSYS分析地铁盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析

第十章/TITLE, 3D analysis on shield tunnel in Metro ! 拟定分析标题/NOPR !菜单过滤设立/PMETH, OFF, 0KEYW, PR_SET, 1KEYW, PR_STRUC, 1 !保存结构分析部分菜单/COM,/COM, Preferences for GUI filtering have been set to display: 1．/COM, Structural2．材料、实常数和单元类型定义/clear !更新数据库/prep7 !进入前解决器et,1,solid45 !设立单元类型et,2,mesh200,6save !保持数据（2）定义模型中的材料参数。

!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,2,0.30mp,dens,2,2160mp,ex,3,500e6 !基岩地层参数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,4,27.6e9 !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save !保持数据3．建立平面内模型并划分单元（1）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2.7cyl4,0,0,2.7,0,3,90 !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save !保持数据（2）划分单元, 如图10-1所示。

公路隧道施工过程的数值模拟及ANSYS实现

在 AN S YS/ Mechanical 和 AN S YS/ L S2D YNA 产品中 ,可以用杀死和激活单元来模拟材料的消去和添加。利用 AN S YS 这种单元的生死功能 ,可以简单有效地模拟隧道的开挖和支护过程。
杀死单元时 ,程序将通过用一个非常小的数乘以单元的刚度 ,并从总质量矩阵消去单元的质量来实现“杀死”单元。无活性的载荷 (压力、热通量、热应变等等) 被设置为零。隧道开挖时 ,可直接选择将被开挖掉的单元 ,然后将其杀死 (ekill) ,即可实现开挖的模拟。
“施加虚拟支撑力逐步释放法”对隧道施工过程的模拟连续进行 ,不需要应力和位移的叠加 ,使得分析过程更为简单 ,也更符合施工实际。
图 1 “施加虚拟支撑力逐步释放法” 隧道施工过程模拟示意图
2 隧道施工过程模拟的 ANSYS 实现 21 1 初始地应力的模拟
在 AN S YS 程序中 ,有两种方法可用来模拟初始地应力 ,一种是只考虑岩体的自重应力 ,忽略其构造应力 ,在分析的第一步 ,首先计算岩体的自重应力场。这种方法计算简单方便 ,只需给出岩体的各项参数即可计算。不足之处在于计算出的应力场与实际应力场有偏差 ,而且岩体在自重作用下还产生了初始位移 ,在继续分析后续施工工序时 ,得到的位移结果是累加了初始位移的结果 ,而现实中初始位移
在一些情况下 ,单元的生死状态可以根据 AN2 S YS 的计算结果来决定 ,如应力、应变等。利用这一功能 ,在模拟过程中根据计算结果 ,可以将超过许用应力 (线弹性分析时) 或许用应变 (弹塑性分析时) 的单元杀死 ,以此来模拟围岩或结构的破坏。
AN S YS 单元生死功能在杀死或激活单元时 , 对单元的内在属性 ,如应力、位移等 ,作了有效的处理。因此使用单元的生死功能来模拟隧道的开挖和支护 ,比单纯使用“空单元”模拟开挖和改变材料号来模拟支护更为准确 ,结果更为可靠。 21 oint 西部交通科技

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。

ANSYS隧道结构受力实例分析

矿业软件与应用——Ansys考试试题学院：资源与安全工程学院指导老师： xxx姓名： xxx学号： xxxxxxxx时间： 2014年6月21日ANSYS隧道结构受力实例分析某隧道工程为三心拱隧道，隧道位于地表以下10米处，洞直径10米，其具体尺寸见下图。

根据工程地质勘探报告，岩土各参数为：密度为2700kg/m3，E=1.4×1010Pa，u=0.27，黏聚力c=2.72×106Pa，内摩擦角Φ=35°。

地面上主要为交通荷载，根据估计每米有2.5吨的荷载直接作用于地基上。

计算要求如下：（1）交通载荷已经存在。

（2）计算结果报告中包括约束条件、荷载；位移、Y方向应力等值线图，塑性区等结果。

进行力学特性分析。

（3）提供建模、计算过程地GUI命令。

操作过程一、创建物理环境⒈在“开始”菜单中选取“所有程序>ANSYS Product launcher”并点击；⒉选中File Management，在Working Directory栏输入工作目录“C:\Users\dell \李懿鑫”，在“Job Name”栏输入文件名“020*******”。

⒊单击“RUN”按钮，进入ANSYS的GUI操作界面。

⒋过滤图形界面：Main Menu>Preferences,弹出Preferences for GUI Filtering对话框，选中Structural来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤，如图1-1。

图1-1⒌定义工作标题：Utility Menu>File>Change Title，在弹出的对话框中输入020*******，单OK按钮，如图1-2。

图1-2⒍定义单元类型1）定义PLANE82单元：Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击Add按钮。

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。

ANSYS模拟隧道施工过程应用

根据隧道围岩的力学性质介绍了ansys软件模拟隧道施工过程的应用就边界条件和初始应力场施工过程的模拟分步释放荷载的模拟开挖爆破影响的模拟等作了具体论述以推广有限元法在复杂地下结构中的应用
ANSYS模拟隧道施工过程应用
ANSYS模拟隧道施工过程应用
根据隧道围岩的力学性质的模拟、分步释放荷载的模拟、开挖爆破影响的模拟等作了具体论述,以推广有限元法在复杂地下结构中的应用.
作者：胡岩松 HU Yan-song 作者单位：中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡,721006 刊名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)：2010 36(3) 分类号：U455 关键词：隧道施工 ANSYS 模拟应用

基于 ANSYS 有限元软件的隧道开挖支护数值模拟分析

基于 ANSYS 有限元软件的隧道开挖支护数值模拟分析党晓宇;陈蔚;吴志伟;唐冉松【摘要】In order to explore the stress of structure in the process of tunnel excavation,this paper,based on Fenshui tunnel project inChongqing,simulates the real excavation process of highway tunnel by using fi-nite element analysis software.It mainly analyzes changes of stress,displacement and bending moment during the tunnel excavation process in order to judge the stability of surrounding rock in the different stages of con-struction .The calculation results show that the stress concentration mainly appear in the side walls,vaults and the bottom of arches,therefore the support in these key areas should be properly strengthened.%为了探究隧道开挖过程中结构的受力情况，文章依托位于重庆的分水隧道工程，利用有限元软件模拟公路隧道真实开挖过程，通过分析隧道围岩开挖过程中结构的应力、位移和弯矩的变化，实时判断施工各阶段围岩的稳定性。

计算结果表明，在隧道开挖过程中，应力集中主要出现在边墙、拱顶和拱底，因此应适当加强这些重点部位的支护。