基于ANSYS某单洞隧道开挖模拟

本文摘要（由AI生成）：

本文分享了一个使用ANSYS模拟隧道开挖的案例。介绍了从CAD建模到ANSYS分析的整个流程，包括模型导入、单元分组、生死单元处理、节点约束、初始应力场设定等关键步骤。工程概况描述了一个双车道单洞、四级围岩的公路隧道，并给出了围岩、混凝土、锚杆的材料参数。操作流程详细说明了如何在CAD中绘制模型、导入ANSYS、定义单元类型及材料、划分网格、加载与求解，并展示了结果查看的多个方面，如位移场、应力场、衬砌弯矩、轴力、锚杆轴力等。

  本次分享的案例来源于水哥的一个实际项目，做了一定简化，主要是为了给大家展示如何采用ANSYS来进行隧道开挖的模拟，本次开挖过程只考虑全断面开挖，建模及计算过程需要主要的事项如下：

1、建模首推在CAD中将模型边界及隧道界限建立完毕，然后通过sat格式导入ANSYS中；

2、为了后期利于选择需要杀死或者激活的单元，个人建议前期在建模时针对后期不同步骤的岩土体赋予不同的材料编号，即使他们的材料属性是相同的；除此之外，要善于于利用单元分组的功能，一旦后期操作步骤复杂后，单元分组的优势就越明显。

3、任何土木里面关于开挖的模拟其实都是采用单元生死来模拟，也即是我们设计软件所称呼的激活和钝化，注意生死只是一个状态的描述，在实际操作过程当中，前处理应将所有类型的单元划分出来。

4、对于生死单元的节点约束，由于杀死单元只是将单元的刚度乘以一个极小值，因而实际求解过程中杀死的单元还是存在的，为了防止这类单元的节点出现漂移现象导致结果失真，因而针对被杀死单元的节点，应进行约束，注意此处的节点应只和被杀死的单元相连，一般的操作流程如下：

esel,s,live     ！选择当前被激活的单元

nsle,s            ！选择被激活单元所包含的节点

nsel,inve      ！反选节点，也即被杀死单元所包含的节点

d,all,all         ！约束节点

5、关于初始应力场，既可以采用写应力文件然后读入的方法，也可以采用工况相减的方法，本文采用工况相减的方法。

【工程概况】

  某公路隧道，双车道单洞，四级围岩，洞跨13m，隧道埋深约45m，拱腰到拱顶共布置30根直径25锚杆，采用ANSYS分析其开挖过程，围岩采用D-P材料模型，材料参数如下：

围岩：E=3.6GPa，容重=22，u=0.32，摩擦角=37，粘聚力=0.6Mpa;

C30混凝土：E=30Gpa，容重=25，U=0.15

锚杆：E=170GPa，容重=79.6，U=0.3

【操作流程】

一、在CAD当中绘制整个模型，采用region命令生成面域，然后导出为sat格式文件，放入软件工作目录下。

二、打开ANSYS，点击file--import--sat，选择刚才生成的文件。

三、点击plotctrls--style--solid model--facets,设置值为normal faceting，然后replot一下，即可显示面。

四、定义单元类型及材料，锚杆采用杆单元link1，衬砌采用梁单元Beam3、围岩采用平面单元PLane42;

五、划分网格，梁及杆控制尺寸大小为0.5，其余为2.5，如下所示：

六、加载与求解

底边及侧向约束位移，施加重力，进行求解。

分两步：

Step 1: 选中衬砌及锚杆，杀死单元，进行初始状态的求解；

Step 2:选中衬砌及锚杆，激活单元；选中隧道中间的土体单元，杀死单元，同时对节点进行约束，进行模拟隧道开挖及支护后的求解；

七、结果查看

Step 1--初始状态

位移场：

应力场

Step2--开挖状态

衬砌弯矩

衬砌轴力

锚杆轴力

等效应力

Y方向位移场

X方向位移场：

总位移场：