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地铁盾构隧道掘进过程数值模拟分析具体做法如下：⑴采用在掘削面施加顶进压力的方法来模拟开挖面土体的移动；⑵采用施加注浆压力的方法来模拟盾尾注浆过程；⑶采用更换注浆层材料参数的方法来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果。
由于目前计算软件的限制，难以模拟盾构机推进过程中对土体的扰动，这里简化处理。
即假定盾构隧道开挖后，随机进行注浆。
计算时，只需将开挖不断地向前推进，同时在后面进行注浆、换材料参数等操作，即可实现盾构隧道的动态开挖过程，详细的计算操作见后面的求解过程。
工程问题的描述地铁盾构隧道管片衬砌内径为 5.4m，外径为D=6m，埋深为12m 自上至下，根据土层的物理性质参数不同将其分为 3 层，各层的材料参数和厚度如下：第一层：厚8m，E=3.94Mpa，v=0.35，ρ=18.28KN/m3第二层：厚18m，E=20.6Mpa，v=0.3，ρ=20.62KN/m3第三层：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 模型的建立!进入前处理器FINISH/CLE/PREP7 !进入前处理器ET,1,SOLID45 !定义实体单元ET,2,MESH200,6 !定义非求解单元，辅助面网格的划分! 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，即地表浅层覆土、盾构隧道所在土层和基岩及管片衬砌和注浆层。
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 !第一层土层材料参数MP,PRXY,1,0.35MP,DENS,1,1828MP,EX,2,20.6E6 !第二层土层材料参数MP,PRXY,2,0.30MP,DENS,2,2160MP,EX,3,500E6 !第三层土层材料参数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,4,27.6E9MP,PRXY,4,0.2MP,DENS,4,2500!注浆层，参数按水泥土取值MP,EX,5,1E9MP,PRXY,5,0.2MP,DENS,5,2100!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 ! 设置局部直角坐标系原点坐标(0,0,0)LOCAL,12,1,0,0,0 ! 设置局部柱坐标系原点坐标(0,0,0) CSYS,11WPCSYS,-1CYL4,,,,,2.7,90CYL4,0,0,2.7,0,3,9 0CYL4,0,0,3,0,3.2,9 0RECTNG,0,4.5,0,4.5 AOVLAP,ALL NUMMRG ,ALL !创建开挖土体所在的面!创建管片!压缩编号!将当前坐标系转化为局部直角RECTNG,4.5,31.5,0,4.5NUMMRG ,ALLNUMCMP,ALL!划分单元MSHAPE,0,2D !采用四边形单元划分网格MESHKEY ,1 !映射网格划分TYPE,2LESIZE,1,,,6LESIZE,2,,,6LESIZE,3,,,6AMESH,1LESIZE,4,,,6LESIZE,8,,,2LESIZE,9,,,2AMESH,2LESIZE,5,,,6LESIZE,10,,,1LESIZE,11,,,1AMESH,3LESIZE,12,,,3LESIZE,13,,,3LESIZE,6,,,3LESIZE,7,,,3LESIZE,14,,,8,2LESIZE,16,,,8,0.5AMAP,4,7,6,8,10AMAP,5,9,8,11,12!利用对称性，得到下半部分模型ARSYM,Y ,ALL !通过坐标轴对称建立面NUMMRG ,ALLNUMCMP,ALLALLSEL,ALL!建立隧道下方土层模型RECTNG,0,4.5,-4.5,-26RECTNG,4.5,31.5,-4.5,-26NUMMRG ,ALLNUMCMP,ALLLESIZE,28,,,3LESIZE,29,,,5,0.5LESIZE,30,,,5,2LESIZE,32,,,5,0.5LESIZE,31,,,8,2ASEL,S,AREA,,11,12,1!建立隧道土方土层模型AMESH,ALLRECTNG,0,4.5,4.5,15RECTNG,4.5,31.5,4.5,15NUMMRG ,ALLNUMCMP,ALLLESIZE,34,,,3LSEL,S,LINE,,35,36,1LSEL,A,LINE,,33LESIZE,ALL,,,4LSEL,S,LINE,,37LESIZE,37,,,8,0.5AMESH,13AMESH,14NUMMRG ,ALLNUMCMP,ALL!利用对称性得到平面内的全部模型ALLSEL,ALLARSYM,X,ALLNUMMRG ,ALLNUMCMP,ALL!建立体模型。
选取新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路线上的别岩槽隧道某断面.该断面设计单位采用的支护结构如图3-3所示。
为保证结构的安全性.采用了荷载—结构模型.利用ANSYS 对其进行计算分析。
主要参数如下：●隧道腰部和顶部衬砌厚度是65cm.隧道仰拱衬砌厚度为85cm。
●采用C30钢筋混凝土为衬砌材料。
●隧道围岩是Ⅳ级,洞跨是5.36米.深埋隧道。
●隧道仰拱下承受水压.水压0.2MPa。
图 3-3 隧道支护结构断面图隧道围岩级别是Ⅳ级.其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3-3所示。
根据《铁路隧道设计规范》.可计算出深埋隧道围岩的垂直匀布力和水平匀布力。
对于竖向和水平的分布荷载.其等效节点力分别近似的取节点两相临单元水平或垂直投影长度的一般衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。
自重荷载通过ANSYS程序直接添加密度施加。
隧道仰拱部受到的水压0.2MPa按照径向方向载置换为等效节点力,分解为水平竖直方向加载。
3.3.3 GUI操作方法3.3.3.1 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\example301”.在“Job Name”栏输入文件名“Support”。
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 Support Structural Analysis”.单击“OK”.如图3-4所示。
盾构隧道荷载计算方法我折腾了好久盾构隧道荷载计算方法，总算找到点门道。
咱先说说土压力这一块的荷载计算吧。
一开始我真是瞎摸索，就知道土压力肯定和土的重量啊，隧道的深度之类的有关系。
我做过这么个尝试，就按照土力学里最基础的公式来算静止土压力，也就是认为土层是静止不动的这么个状态去计算压力。
我就把土的重度，隧道埋深那些数值往里套，感觉挺简单的是不？但实际上，这可差点让我吃了大亏。
后来我才发现这种计算方法太理想化了，像在软土地层里就非常不准确。
再来说说盾构推进过程中的附加荷载。
这个就很复杂啦。
你可以想象盾构机就像个在土里慢慢往前挤的大虫子。
我试过很多方法去估算这个附加荷载。
我有一次按照平均扩散角的方法去计算附加荷载，就是假设盾构机给土层的力量是沿着一个角度扩散开的，就像是把一个东西放在沙堆上，周围的沙子呈现一定角度散开那样。
可是我在考虑土层性质的时候就搞混了，不同的土层刚度不一样，这个扩散角肯定也不一样啊，我当时就简单地用了同一个数值，结果算得那叫一个离谱。
后来我就慢慢总结出来，在计算盾构隧道荷载的时候，一定要搞清楚地层的情况。
比如地层是软土还是岩石土，这个区别可大了。
如果是软土，很可能需要考虑土体受到盾构机挤压后的变形，这个变形又会反过来影响荷载。
如果是岩石土，那可能更多要考虑岩石的节理裂隙那些状况。
关于计算水压力的荷载，这也是我走过弯路的地方。
有水的情况下可不能简单的就用静水压力的公式。
像在有渗透的情况下，水压力就不是单纯的只和水深有关系了。
我之前没考虑到这个，结果就完全不对。
就是说在实际工程中，地下水的流动啊，排水效果啊这些都会影响水压力荷载。
还有就是建筑物附加荷载。
要是盾构隧道周边有建筑物，那就得考虑建筑物的自重给地层增加的压力，以及这个压力会怎么传播到盾构隧道上。
我只记得大概的方法，就是要根据建筑物基础的类型，比如是桩基础还是筏板基础，再根据它们和隧道的相对位置啊之类的去计算。
但是这里面具体的系数和计算方法在不同规范或者实际工程里还可能有变化，这个我还不是特别确定，不过我觉得多看实际工程案例的计算书肯定能搞明白。
5.1二次衬砌结构力学分析/TITLE，Mechanical analysis on railway tunnel 2nd lining ! 确定分析标题/NOPR !菜单过滤设置/PMETH，OFF，0KEYW，PR_SET，1KEYW，PR_STRUC，1 !保留结构分析部分菜单/COM，/COM，Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM，Structural!/PREP7 !进入前处理器ET，1，BEAM3 !设置梁单元类型ET，2，COMBIN14 !设置弹簧单元类型R，1，0.4，0.0053333，0.4，，，，!设置梁单元几何常数R，2，400e6，，，!设置弹簧单元几何常数MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，EX，1，，30.0e9 !输入弹性模量MPDATA，PRXY，1，，0.2 !输入泊松比MPTEMP，，，，，，，，!设置材料模型MPTEMP，1，0MPDATA，DENS，1，，2500 !输入密度SAVE !保存数据库1．建立几何模型K, 1, , , , !创建关键点（隧道二次衬砌）K, 2, 4.71, -1.82, ,K, 3, -4.71, -1.82, ,K, 4, 0, -3.75, ,K, 5, 0, 5.05, ,K, 20, 5.6, -2.162, , !创建关键点（地层弹簧）K, 30, -5.6, -2.16, ,K, 40, 0, -4.75, ,K, 50, 0, 6, ,!创建隧道衬砌线LARC, 2, 5, 1, 5.05, !创建圆弧线（拱顶部）LARC, 5, 3, 1, 5.05,LARC, 2, 3, 4 !创建圆弧线（仰拱部）第1章大型有限元软件ANSYS简介2 ! 创建地层弹簧线LARC, 20, 50, 1, 6, !创建圆弧线（拱顶部）LARC,50, 30, 1, 6,LARC, 20, 30, 40 !创建圆弧线（仰拱部）SAVE !保存数据2．单元网格划分设置单元大小并将所有直线划分单元，其单元图如图5-8所示。
盾构法隧道等代层参数反演的ansys方法
隧道工程中，代层参数是对地质地形的描述，是隧道地质施工的重要依据。
在盾构施工中，代层参数可以帮助工程师确定掘进工作面的工作条件和防止隧道坍塌等安全问题。
因此，正确地测量和分析代层参数非常重要。
ANSYS是一款强大的工程仿真软件，可以帮助工程师模拟隧道代层参数的反演过程。
通过ANSYS，工程师可以建立一个三维模型，模拟隧道的设计和施工过程，并掌握每个代层参数的变化。
首先，工程师需要利用现有数据建立一个三维的地质模型。
这个模型包括地层、构造、岩性、孔隙率等信息，能够模拟隧道施工地理环境的所有要素。
在这个模型基础上，可进行力学分析、有限元分析等操作，定量测量只能测量特定点位的所有参数。
然后，结合测量数据，利用ANSYS进行数值分析和优化。
ANSYS 能够根据已有的数据，反演出每个代层参数的数值，并根据实际的建构过程，对数值进行反复地调整和优化，以适应现场环境的变化。
最后，工程师可基于ANSYS的分析结果，制定相应的代层参数处理方案，以便更好地指导实际的隧道施工。
ANSYS方法为隧道施工的精细化管理提供了重要支持，可提高施工质量、降低风险，为隧道工程的安全高效完成奠定了坚实的基础。
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。
一、盾构隧道结构计算模型
1、惯用法(自由圆环变形法)
惯用法的想法早在1960年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。
惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，不考虑管片接头部分的柔性特征和弯曲刚度下降，管片截面具有同样刚度，并且弯曲刚度均匀的方法。
这种方法计算出的管片环变形量偏小，导致在软弱地基中计算出的管片截面内力过小，而在良好地基条件下计算出的内力又过大。
地层反力假设仅在水平方向上下45°范围内按三角形规律分布，这种模型可以计算出解析解。
P 0
k δ
2、修正惯用法
在采用惯用法的60年代，怎样评价错缝拼装效应是一个问题。
如果错缝拼装管片，可弥补管片接头存在造成的刚度下降。
于是，在对带有螺栓接头的管片环进行多次核对研究时，首次引入了η-ξ对错缝拼装的衬砌进行内力计算，即为修正惯用法。
该法将衬砌视为具有刚度ηEI的均质圆环，将计算出的弯矩增大即（1+ξ）M，得到管片处的弯矩；将求出的弯矩减少即（1-ξ）M，得到接头处的弯矩。
其中η称为弯曲刚度有效率，ξ称为弯矩增加率，它为传递给邻环的弯矩与计算弯矩之比。
管片接头由于存在一些铰的作用，所以可以认为弯矩并不是全部经由管片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻接管片。
隧
道
纵
向
接头传递弯矩示意图
二、管片计算荷载的确定
1、荷载的分类
衬砌设计所考虑的各种荷载，应根据不同的地质条件和设计方法进行假定并根据隧道的用途加以考虑。
衬砌设计所考虑的各种荷载见表所示。
衬砌设计荷载分类表
2、计算断面选择
埋深最大断面
埋深最小断面
埋深一般断面
水位
3、水土压力计算
对于粘性土层，如西安地铁黄土地层、成都地铁二号线膨胀土地层等，应采用水土压力合算的方式进行荷载计算。
此时，地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用饱和容重计算。
对于透水性较好的砂性地层，如西安地铁粗砂、中砂地层，成都地铁卵石土地层等，应采用水土压力分算的方式进行荷载计算。
此时地下水位以上地层荷载用湿容重计算，地下水位以下用浮容重计算。
水土压力合算与分算，主要影响管片结构侧向荷载。
一般水土分算时侧向压力更大。
4、松弛土压力
将垂直土压力作为作用于衬砌顶部的均布荷载来考虑。
其大小宜根据隧道的覆土厚度、隧道的断面形式、外径和围岩条件等来决定。
考虑长期作用于隧道上的土压力时，如果覆土厚度小于隧道外径，一般不考虑地基的拱效应而采用总覆土压力。
但当覆土厚度大于隧道外径时，地基中产生拱效应的可能性比较大，可以考虑在计算时采用松弛土压力，一般采用泰沙基公式计算。
P 0
101
0/.tan 0/.tan 0110)1(tan )/1(B H K B H K e
P e K B c B h ϕϕγ
ϕγ--+--=
1
010/.tan 0/.tan 011)1(tan )/(B H K B H K v e
P e K B c B ϕϕϕ
γσ--+--=
)2
2
/4/cot(
01ϕπ+=R B
式中：—土的松动高度—0h
力—太沙基竖向松弛土压—v σ
ϕ
—内摩擦角
—
—
P
—上覆荷载
γ
—
—土的容重
c
—土的粘聚力
—
三、管片内力有限元计算单元选择
1、beam3单元
输入参数：
（1）实常数（Real Constants）
AREA –横截面积
IZZ –横截面惯性矩
HEIGHT –梁高
（2）材料参数（Material Properties）
EX——弹模
DENS——密度
PRXY——泊松比
其它选项采用默认即可
2、Link10单元
（1）Real Constants
AREA –横截面积，取单位面积1。
（2）Material Properties
EX ——弹模，需满足E*A=地层抗力刚度 其它选项采用默认即可 3、link1单元
（1）Real Constants
AREA – 横截面积，取单位面积1。
（2）Material Properties
EX ——弹模，为了不影响计算结果取足够小，如1。
四、结点力计算
1、均布荷载时
中间结点：
2/)(11-+-=n n x x p Fn
两端结点：
2/)(121x x p F -= 2/)(1--=N N N x x p F
2、梯形荷载时
中间结点：
[]))(2())(2(6
1
1111n n n n n n n n y y p p y y p p Fn -++-+=++--
两端结点：
[]))(2(61
12211y y p p F -+=
[]))(2(6
1
11---+=N N N N N y y p p F
五、圆形结构内力计算
1、计算参数
R=4.5m；B=1.5m；H=0.5m(厚)；
Pw1=;Pe1=;
Pw2=;Pe2=;
Q1=
Q2=
2、在自重情况下的结构内力分布
计算命令流为：
/prep7
et,1,beam3
et,2,link10
keyopt,2,3,1 !*****只受压******
R,1,,,, , , ,
R,2,1, ,
!定义混凝土衬砌材料
mp,ex,1,
mp,prxy,1,
mp,dens,1,2600
mp,ex,2,5e7
mp,prxy,2,
!建立几何模型
k,1,0,0,0
circle,1,
!设置划分单元大小为0.5m/个
Lsel,all
LESIZE,all,, , , , , , ,1
Type,1
Mat,1
Real,1
Lmesh,all
!复制建立地层弹簧
CSYS,1
wpcsys,-1
nsel,s,loc,x,,
NGEN,2,500,all, , ,1 , , ,1,
allsel,all
*do,i,1,60
type,2
real,2
mat,2
e,i,i+500
*enddo
nsel,s,loc,x,,
d,all,all
nsel,s,,,32
D,all, , , , , ,UX, , , , ,
allsel,all
csys,0
wpcsys,-1
/sol
ACEL,0,10,0,!********施加重力命令********* solve
/post1
ETABLE, ,SMISC, 1
ETABLE, ,SMISC, 7
ETABLE, ,SMISC, 2
ETABLE, ,SMISC, 8 ETABLE, ,SMISC, 6 ETABLE, ,SMISC, 12
工况一：πg＋地层反力作为主动荷载施加
工况二：πg＋地层反力作为被动荷载施加
结果比较：。
