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25

Φ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

/m

kN）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 3.6

0.32

37

0.6

C25钢筋混凝土25 - 29.5

0.15

54

2.42

锚杆79.6 - 170

0.3

-

- 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模拟隧道施工步骤如下：

1）建立模型。

2）施加载荷与初始应力场模拟。

3）开挖隧道，用杀死单元来模拟。

4）对隧道进行支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟。

5）做隧道仰拱。

6）施加列车荷载。

9）计算结果分析。

3.4.3 GUI操作方法

3.4.3.1 创建物理环境

1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”对话框。

2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\example302”，在“Job Name”栏输入文件名“Tunnel”。

3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。

4）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。

5）定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Tunnel Construct Modeling Analysis”，单击“OK”，如图3-55。

图3-55 定义工作标题

6）设定角度单位：Utility Menu> Parameters> Angular Units…，弹出“Angular Units for Parameters Functions”对话框，如图3-56所示。在“Units for angular”栏后面的下拉菜单中选取“Degrees DEG”，单击“OK”按钮。

图3-56 定义角度单位对话框

7）定义单元类型：

a.定义BLEAM3单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，如图3-57所示，单击“Add”按钮。弹出“Library of Element

Types”单元类型库对话框，如图3-58所示，在左面滚动栏中选取“Beam”，右边的滚动栏中选择“2D elastic 3”。然后单击“OK”按钮，这就定义了“BEAM3”单元。

3-58 定义Beam3单元对话框

b.定义PLANE42单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。弹出如图3-59所示对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad 4node 42”，单击“Apply”，就定义了“PLANE42”单元。

图3-59 定义PLANE42单元对话框

图3-57 单元类型对话框图3-60 定义完单元类型对话框

c.定义LINK1单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。又弹出一个对话框，如图3-60所示，在该对话框