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25Φ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/mkN）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 3.60.32370.6C25钢筋混凝土25 - 29.50.15542.42锚杆79.6 - 1700.3-- 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 ElementTypes”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，在该对话框左面滚动栏中选择“Link”，在右边的滚动栏中选择“2D Spar 1”，单击“Apply”。
又弹出一个如图3-61所示的对话框。
图3-60 定义LINK1单元对话框d.设定PLANE42单元选项：在图3-61对话框中选中“Type 2 PLANE42”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE42 element Type options”对话框，如图3-62所示。
在“Element behavior K3”栏后面的下拉菜单中选取“Plane strain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。
图3-62 PLANE42单元库类型选项对话框图3-63 BEAM3单元库类型选项对话框e.设定BEAM3单元选项：图3-61对话框中选中“Type 1 BEAM3”，单击“Options”按钮，弹出一个“BEAM3 element Type options”对话框，如图3-63所示。
在“Member force +moment output K6”栏后面的下拉菜单中选取“Include output”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。
◆通过设置PLANE42单元选项“K3”为“Plane strain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。
◆PLANE42单元用来模拟隧道周围围岩和隧道初次衬砌。
◆BEAM3单元用来模拟隧道二次衬砌。
◆设置BEAM3单元选项“K6”为“Include output”来设定输出梁内力。
8）定义材料属性a.定义衬砌材料属性：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图3-64所示。
图 3-64 定义材料本构模型对话框在图3-64中右边栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出如图3-65所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.95E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.2”，单击“OK”。
再在选中“Density”并双击，弹出如图3-66所示“Density for Material Number 1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道衬砌混凝土材料的密度“2500”，单击“OK”按钮，返回图3-64对话框中。
再次在图3-64中右边的栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”后，又弹出一个如图3-67所示对话框。
在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“2.42E6”，在“Fric Angle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“54”，单击“OK”按钮，弹出图3-68所示对话框。
图 3-65 线弹性材料模型对话框图 3-66材料密度输入对话框图3-67 定义DP材料对话框图3-68 定义完衬砌材料属性后对话框图3-69 定义材料编号对话框b.定义围岩材料属性：在图3-68对话框中，单击“Material> New Model…”，弹出一个“Define Material ID”对话框，如图3-69所示，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。
弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“Material Model Number 2”，和定义混凝土材料一样，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又弹出一个“Linear Isotropic Properties for Material Number 2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3.69E9”，在“PRXY”后面的输入栏输入“0.32”，单击“OK”。
再选中“Density”并双击，弹出一个“Density for Material Number 2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2200”，再单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
在弹出对话框中右边栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”，又弹出一个如图3-70所示对话框。
在在“Cohesion”栏添入C25混凝土的内聚力“0.6E6”，在“Fric Angle”栏添入C25混凝土的内摩擦角“37”，单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
图3-70 定义DP材料对话框c.定义挖去土体材料性质：方法和定义围岩材料性质一样，输入的数据一样，只是材料号为3，这是为后面求解便于操作。