地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析
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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
（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：
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
/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
（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。
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
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
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
local,12,1,0,0,0 !局部极坐标
pcsys,-1 !同时将工作平面转换到局坐标
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,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
6.5 地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析
6.5.1 问题的描述
2．工程问题描述
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/m3
!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
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
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
（5）定义模型中的材料参数。模型中共有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
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
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。
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。
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
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
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
!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
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
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
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
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
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
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
*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
（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：
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
/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
（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。
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
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
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
local,12,1,0,0,0 !局部极坐标
pcsys,-1 !同时将工作平面转换到局坐标
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,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
6.5 地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析
6.5.1 问题的描述
2．工程问题描述
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/m3
!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
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
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
（5）定义模型中的材料参数。模型中共有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
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
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。
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。
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
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
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
!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
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
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
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
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
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
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