版主案例丨隧道开挖实例一标准隧
感谢版主“bananaliuchao”分享“隧道开挖实例（一）——标准隧道开挖模拟”
/08/24updat：
有些宝宝反映说CAE无法正常运行。这主要有两个原因：
1.文件中考虑了两种初始的开挖状态，一个是从边界就开始一环环开挖，另一个是从第15环开始一环环开挖（为了消除边界的影响）。宝宝们根据自己的需求，在Intraction里面进行修改就是了，有点动手能力好不好哇~
2.为了考虑注浆硬化等因素，还需导出inp文件进行修改，这个后续小胖会专门做一个教程。我放CAE的目的只是为了大家在建模的时候有个参考哇~包括每一步的设置等。
还有宝宝问这么多分析步还有st还有modlchang还有荷载的施加，一个个弄不累死了。小胖说：当然不可能！Python给了你是玩的吗？当然要用Python进行参数化建模啦！后边我会讲一些建模中有用的命令，敬请期待。
正文开始
小胖读博的前几年净跟有限元开挖模拟较劲了。想当年客串救火队员的时候，也是一个月内上手ABAQUS并拿出项目报告，每天没事就翻Simw和帮助文件，现在想想也是蛮拼的。
正题开始前，说句题外话。ABAQUS虽然好，但水比较深。浅尝辄止的学习很难在实际工程中得到满意的分析结果。如果时间比较紧，推荐使用Plaxis和Midas。
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好吧，那我们开始吧。
话说有限元模拟隧道开挖有好多种方法。有应力释放法（手贱想加参考文献了....），收敛位移法，以及“什么乱七八糟的因素都考虑”的方法，tc。目前大家最喜欢用的是最后一种方法。这种方法最早始于年左右发表的一篇文章（还是不加参考文献了），基本是伴随着商软的发展和可视化技术的提高而逐渐发展和流行的。前面两种方法也有其市场，小胖会在以后择机为大家总结一下。今天我们主要讨论最后一种方法。先放张隧道开挖的示意图镇楼，以盾构隧道为例。
有经验的宝宝一眼就能看出隧道开挖模拟的实质——就是应力释放和支护的过程。因此，大名鼎鼎的“单元生死法”就出现了。其实这个技术只是名字唬人，我们来看看ABAQUS的帮助文件怎么说的：
具体代码是怎么个方法实现的，小胖没在达索工作过，母鸡啊~~~
该方法中土体的开挖、盾构机的前进，衬砌及注浆层的激活都是通过modlchang来实现的。CAE中可在intraction中进行设定，inp中通过“*modlchang,typ=lmnt”实现。一个简单的模拟过程如下图所示。
上面就是一个典型的盾构隧道开挖模拟的过程，目前是最广泛采用的模拟方法。或许有一些变种，比如考虑了盾构机的锥度，注浆的时空效应等，但都大同小异。
下边以上海长江西路隧道浦东试掘进段为背景，简单说一下模拟的过程和需要注意的地方。
（一）几何及网格
小胖从ABAQUS6.5一直用到，不得不承认，其CAE界面越做越好，bug越来越少。但说实话，网格的划分方面并没有太大的进步。似乎达索也并没有发展这方面的打算。毕竟网格划分方面HyprMsh已经是一个bug级的存在，而其他专业的网格划分软件如Cubit、Gambit等也随便爆ABAQUS一整条街，这方面除了收购，估计也没别的好办法了。
小胖习惯使用ABAQUS+HyprMsh+ABAQUS流程，即在ABAQUS生成模型的几何文件，推荐使用igs格式，将几何文件导出至HyprMsh进行网格的划分。然后将网格信息以inp文件的格式由HM导出，然后ABAQUS导入，最后装配至一个Assmbly。这只是个人习惯，宝宝们在生成几何文件时也可以使用AutoCAD、Catia等。
导入网格的模型在ABAQUS中属于Orphan类型，无法使用很多针对几何的python命令。在选择surfac时，推荐大家采用byangl模式，可以大大提高建模效率。小胖已为大家附上模型的HM文件以及CAE文件（6.12版本），大家可以按照文章开头的方法获取。下图为生成的模型概况。
（二）材料参数
模型土体采用修正剑桥模型。关于修正剑桥模型的相关内容，宝宝们可以参考小号的历史文章，已经比较详细了。需要注意几点：
1.模型中盾壳（shild）简化为一个钢壳子，为了考虑整个盾构机的重量，人为增加了该材料的密度，见下图
2.个别土层为砂性土，因此采用Mohr-Coulomb屈服准则，所以初级宝宝们千万不要再问“一个模型中能不能用不同的塑性本构呀”这种中二问题了。
3.为了考虑注浆层的凝固过程，采用了场变量的方法调整注浆单元的弹性模量，见下图。后期在inp文件中，需要在浆液硬化的那一步添加关键字“*fild,variabl=1”，具体的操作方法，宝宝自行百度，一搜一大坨。
4.由于shild采用了壳单元，而网格又是从HM中导入的，因此需要特别检查壳单元的厚度方向是否一致，如下图所示可以显示出shll单元的厚度
（三）装配
如果采用修正剑桥模型，需要定义初始地应力，而初始地应力的定义一般有两种方式，即CAE中prdfindfild定义，以及input文件中采用“*initialcondition,typ=strss,input=xxx.csv”。不论哪种定义方式，都默认z方向为竖向地应力的方向，因此宝宝们要养成在assmbly中将模型整体旋转至z轴竖向的方向。先ConvrtConstraints，然后就可以Rotat啦~
（四）分析步
1.分析步推荐采用Soils，考虑孔压，采用C3D8P单元。注意，小胖在文章末尾给出的文献中说（当然是我自己写的，你们在想什么~~~~！）大变形分析和小应变分析结果差不多。这在分析隧道施工扰动时是适用的，但在分析极限状态时（.g.开挖面失稳，边坡失稳）绝对不能再用smallstrain分析，就是下边图中的那个Nlgom，off就是smallstrain啦。请宝宝们切记切记。
2.如果你打算用Gostatic分析步，恭喜，你上道了。但注意下图中的设置。依据小胖的经验，对于标准的隧道开挖，几何简单，采用1-5的位移准则是可以的。但如果比较复杂的模型，宝宝们也不要太吝啬，放宽到0.5mm以下也是可以的。毕竟我们玩的是大尺度模拟，半个毫米都不一定能测得出来。在平衡地应力的过程中，Automatic和Fixd可以交替尝试一下。注意，Automatic只有个incrmnt，因此如果到了还没平衡好，宝宝可以在上次计算的应力基础上再平衡一次。
（五）荷载和接触
1.荷载没什么好说的，重力，支护力，注浆压力。其中，开挖面支护力一般是沿深度线性变化，可以参考下图设置。边界条件不说了，如果哪位宝宝还不会，出门左转淘宝当当买本书看两眼就行了。
2.Prdfindfild。这是一个比较重要的设置。以前CAE是不car你初始状态定义的。后来学乖了。在这里，你可以设置初始孔隙比、初始孔压、初始地应力，都是很基础的设置。这里有一个比较方便的平衡地应力的方法。前文提到Gostatic中Automatic平衡步有可能搞不定，这时不要灰心，保持前一个文件的odb，新建一个job，在Prdfindfild中strss进行设置，如下图
选择“从odb文件中”：
选择刚才计算好的odb文件，stp应该是第一步（1），Incrmnt选择上一个job计算终止的增量步即可。
（六）单元设置
没啥好说的。因为衬砌单元画了三层，因此基本可以放心地使用减缩积分单元。注浆层单元只画了一层，因此采用C3D8I。
（七）后处理
推荐采用python批量提取数据作图。本篇不再赘述。后边有机会小胖会专门总结一下，也挺有意思的。
参考文献：
Pilandpilgrouprsponstotunnllingusingalargdiamtrslurryshild–CasstudyinShanghai
这是小胖的一篇论文，没有权限的宝宝可以去以下地址下载：
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