CN107862157A - 基于ansys的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于，其过程为：1)在ANSYS中选用SOLID186实体单元建立隧道模型、岩土模型、管片模型；2)赋予模型材料属性，最初整个模型均赋予岩土材料参数，根据模型形状分别划分映射网格和自由网格，有限元模型创建完毕；3)对模型施加边界条件及载荷：模型下部为竖直方向约束，模型两侧采用法相约束，轴向尾部断面采用法相约束，为整个模型施加重力加速度g，模拟岩土自重，岩土模型上表面施加2.0MPa的均布压力载荷，用来模拟地表建筑物或其他载荷。利用这一方法更真实恰当的模拟了全断面盾构机的挖掘及支护过程中隧道周围岩土的受力和变形沉降隆起情况。
Description
技术领域
本发明属于地下盾构施工设备领域，尤其是涉及一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法。
背景技术
盾构法是利用盾构进行隧道开挖，衬砌等作业的施工方法。盾构机掘进隧道是全断面同时进行的，使用传统的只模拟隧道截断平面内的分步开挖方法是不妥当的，现有的隧道开挖模拟多是只模拟一个或几个断面的开挖过程和步骤，而不是全断面的分步开挖模拟，不能真实的模拟盾构机开挖及支护过程中，隧道的受力、变形、及沉降隆起情况，无法达到预期的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，可以更真实恰当的模拟全断面盾构机的挖掘及支护过程中隧道周围岩土的受力和变形沉降隆起情况。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其过程如下：
1、在ANSYS中选用20节点SOLID186实体单元建立隧道模型、岩土模型、管片模型。
2、赋予模型材料属性，最初整个模型均赋予岩土材料参数，网格划分采用尺寸控制法，根据模型形状分别划分映射网格和自由网格，有限元模型创建完毕。
3、对模型施加边界条件及载荷：模型下部为竖直方向约束，模型两侧采用法相约束，轴向尾部断面采用法相约束，为整个模型施加重力加速度g，模拟岩土自重，岩土模型上表面施加2.0MPa的均布压力载荷，用来模拟地表建筑物或其他载荷。
进一步的，在步骤三中的加载求解过程如下：
第一步：先计算出岩土开挖前在自重及地表载荷作用下整个模型的变形沉降及内力分步情况，为模型提供初始的载荷及内力分布。
第二步：采用全断面的方式开挖第一环管片长度0-2m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。
第三步：采用全断面的方式开挖第二环管片长度2m-4m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。
第四步：采用全断面的方式开挖第三环管片长度4m-6m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。
进一步的，在步骤一中，模型纵向长度6m(三环管片长度)，模型宽度取30m，高度30m，隧道外径8m，管片厚度400mm，隧道埋深取20m。
进一步的，加载求解过程中第二步的具体操步骤为：杀死从端面到2m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第一环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第一环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.16MPa，管片顶端最大变形值为0.00152m，地表最大沉降值为0.00192m。
进一步的，加载求解过程中第三步的具体操步骤为：杀死从2m到4m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第二环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第二环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.49MPa.，管片顶端最大变形值为0.00159m，地表最大沉降值为0.00196m。
进一步的，加载求解过程中第四步的具体操步骤为：杀死从4m到6m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第三环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第三环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.65MPa.，管片顶端最大变形值为0.00165m，地表最大沉降值为0.002m。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：采用全断面步进轴向开挖模拟，使用生死单元法来模拟岩土的开挖和管片的支护，掘进施工时杀死有限元模型中的开挖岩土体，然后用单元激活法模拟支护管片结构的添加，一次挖掘和一次支护完成一环管片距离的掘进和支护。利用这一方法更真实恰当的模拟了全断面盾构机的挖掘及支护过程中隧道周围岩土的受力和变形沉降隆起情况。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明隧道体几何模型及有限元模型图。
图2为本发明隧道体第一段开挖支护后变形及应力云图。
图3为本发明隧道体第二段开挖支护后变形及应力云图。
图4为本发明隧道体第三段开挖支护后变形及应力云图。
图5为本发明隧道开挖支护完成后衬砌管片变形及应力云图
图6为本发明混凝土衬砌管片作用两侧沿壁厚方向的应力变化曲线示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本方法是利用有限元分析软件ANSYS模拟盾构机开挖隧道过程。使用生死单元法杀死开挖岩土体以及用单元激活法模拟支护结构的添加，开挖和支护紧随进行，更真实的模拟盾构机开挖及支护过程中，隧道的受力、变形、及沉降隆起情况。这里截取开挖体的一部分(三环管片长度)作为研究对象，将这部分隧道开挖和支护分为三个载荷步，每一步开挖一个管片长度，模拟盾构机掘进和支护过程中的周围围岩的受力及变形情况，包括地表的沉降及隆起情况。模拟方法是基于ANSYS的生死单元法，开挖过程中依次杀死被挖掘掉的岩土单元，支护过程中则激活衬砌管片的单元体，三个开挖步则重复三次这个过程。这个方法能更好的模拟载荷的逐步施加及隧道岩土变形和应力的累积变化。
一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其过程如下：
1、在ANSYS中选用20节点SOLID186实体单元建立隧道模型、岩土模型、管片模型。模型纵向长度6m(三环管片长度)，模型宽度取30m，高度30m，隧道外径8m，管片厚度400mm，隧道埋深取20m。
2、赋予模型材料属性，最初整个模型均赋予岩土材料参数，具体参数如下表，网格划分采用尺寸控制法，根据模型形状分别划分映射网格和自由网格。如图1所示，有限元模型创建完毕。
3、对模型施加边界条件及载荷：模型下部为竖直方向约束，模型两侧采用法相约束，轴向尾部断面采用法相约束。为整个模型施加重力加速度g，模拟岩土自重，岩土模型上表面施加2.0MPa的均布压力载荷，用来模拟地表建筑物或其他载荷。
加载求解过程如下：
第一步：先计算出岩土开挖前在自重及地表载荷作用下整个模型的变形沉降及内力分步情况，为模型提供初始的载荷及内力分布。
第二步：采用全断面的方式开挖第一环管片长度0-2m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。具体操步骤为：杀死从端面到2m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第一环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第一环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.16MPa，管片顶端最大变形值为0.00152m，地表最大沉降值为0.00192m。
第三步：采用全断面的方式开挖第二环管片长度2m-4m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。具体操步骤为：杀死从2m到4m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第二环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第二环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.49MPa.，管片顶端最大变形值为0.00159m，地表最大沉降值为0.00196m。
第四步：采用全断面的方式开挖第三环管片长度4m-6m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。具体操步骤为：杀死从4m到6m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第三环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第三环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.65MPa.，管片顶端最大变形值为0.00165m，地表最大沉降值为0.002m。
由于计算规模及篇幅限制，这里只模拟挖掘过程中的三个分步，即三环管片的距离。但凡是应用本方法及与本方法相关思路均在本专利的保护范围内。
模型材料参数表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于，其过程如下：
1)在ANSYS中选用20节点SOLID186实体单元建立隧道模型、岩土模型、管片模型；
2)赋予模型材料属性，最初整个模型均赋予岩土材料参数，网格划分采用尺寸控制法，根据模型形状分别划分映射网格和自由网格，有限元模型创建完毕；
3)对模型施加边界条件及载荷：模型下部为竖直方向约束，模型两侧采用法相约束，轴向尾部断面采用法相约束，为整个模型施加重力加速度g，模拟岩土自重，岩土模型上表面施加2.0MPa的均布压力载荷，用来模拟地表建筑物或其他载荷。
2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于：在步骤三中的加载求解过程如下：
第一步：先计算出岩土开挖前在自重及地表载荷作用下整个模型的变形沉降及内力分步情况，为模型提供初始的载荷及内力分布；
第二步：采用全断面的方式开挖第一环管片长度0-2m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况；
第三步：采用全断面的方式开挖第二环管片长度2m-4m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况；
第四步：采用全断面的方式开挖第三环管片长度4m-6m距离，并用衬砌管片支护，然后计算隧道及周围岩土在载荷作用下的响应情况。
3.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于：在步骤一中，模型纵向长度6m(即三环管片长度)，模型宽度取30m，高度30m，隧道外径8m，管片厚度400mm，隧道埋深取20m。
4.根据权利要求2所述的一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于：加载求解过程中第二步的具体操步骤为：杀死从端面到2m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第一环衬砌管片模型材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第一环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.16MPa，管片顶端最大变形值为0.00152m，地表最大沉降值为0.00192m。
5.根据权利要求2所述的一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于：加载求解过程中第三步的具体操步骤为：杀死从2m到4m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第二环衬砌管片模型(外径8m厚度400mm长度2m)材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第二环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.49MPa，管片顶端最大变形值为0.00159m，地表最大沉降值为0.00196m。
6.根据权利要求2所述的一种基于ANSYS的生死单元法模拟隧道的盾构开挖方法，其特征在于：加载求解过程中第四步的具体操步骤为：杀死从4m到6m长度、直径8米圆柱体内的所有岩土单元，然后将第三环衬砌管片模型材料转换为C25钢筋混凝土，并重新将第三环管片模型上的所有单元激活，然后为整个模型施加自重及地面荷载，计算得衬砌管片的最大应力值为3.65MPa.，管片顶端最大变形值为0.00165m，地表最大沉降值为0.002m。
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