问题描述：
如何在 PLAXIS 3D 中模拟盾构隧道的推进？
解答：
盾构隧道的衬砌通常使用预制混凝土环段建造，而环段在隧道掘进机内用螺栓连接起来。在隧道衬砌的竖立建造过程中，隧道掘进机保持静止。一旦隧道衬砌环完全竖立起来，就重新开始挖掘，直到挖出足够的土体来拼装下一个衬砌环。
因此，施工过程可以按隧道环的长度（通常为 1.5 m）来划分施工阶段，在其中的每个阶段都重复相同的步骤。施工过程需要考虑：
☆ 隧道掌子面处防止掌子面主动破坏的支撑压力
☆ TBM 盾构的锥形形状
☆ 土体挖掘和 TBM 内的孔隙水
☆ 隧道衬砌的安装以及土体与新安装的衬砌之间的空隙注浆
图 1 为盾构隧道施工示意图，模型包括：前段的盾构机，中段的注浆压力以及后段已经完成建造的衬砌环。
图 1 盾构隧道施工示意图
在结构模式中使用隧道设计器来定义隧道和盾构机的几何图形，如图 2 所示。
使用创建隧道工具后在绘图区域任意位置单击，即可弹出设计器窗口，【选择浏览器】中会显示隧道当前插入点坐标，可在此进行修改，如图 2 所示。
图 2 隧道的插入点
在【横截面】模式的【常规】选项卡中的【形状类型】中选择圆形，定义左半部分（图 3）。
图 3 隧道设计器的常规界面
切换至【线段】选项卡，定义隧道的内径。
切换到【分段】选项卡，使用生成粗线工具，在弹出的窗口中输入数值作为管片厚度（图 4）。
图 4 隧道设计器的生成粗线工具
切换到【属性】模式来定义隧道相关属性。在【切片】选项卡中右击外表面，选择创建-创建板，并赋予材料属性，板单元用于模拟盾构机（图 5）。
图 5 使用板单元模拟 TBM
一般来说，盾构机尾部的横截面积比前部小 0.5% 左右，以 9m 总长的 TBM 为例，前 7.5m 存在均匀的轮廓收缩，而尾部的最后 1.5m 具有恒定的直径。这意味着尾段具有 0.5% 的均匀收缩，其余部分具有线性收缩。
因此，选择外半圆，右击创建-创建表面收缩，然后在隧道的选择浏览器中选择表面收缩分布形式设置为轴增量，并定义 Cref=0.5%，Cinc,axial=-0.0667%/m（图 6），增量设置为负数是由于收缩在正局部 1 轴方向减小。右击外半圆，创建→负界面，来考虑土体与结构的相互作用。
图 6 创建表面收缩与界面
右击隧道外表面，选择创建-创建表面荷载，在隧道选择浏览器中将荷载的分布形式修改为“垂直，垂直增量”，并设置 σn,ref 和 σn,inc 作为注浆压力的基础值与增量。
图 7 注浆压力的模拟
为了防止掌子面坍塌，必须定义掌子面压力。切换至平面选项卡，多选两个表面，右键创建表面荷载，在选择浏览器中将荷载的分布形式修改为“垂直，垂直增量”，设置 σn,ref 与 σn,inc 作为掌子面压力，如图 8 所示。
图 8 掌子面压力的模拟
切换至【轨迹】模式定义隧道的推进路径，在【线段】选项卡中添加与路径等长的线段，随后切换至【切片】选项卡，修改切片方法为【长度】，并设置切片长度为管片厚度（图 9）。
图 9 设置轨迹与挖掘段
切换至【排序】选项卡，挖掘方法设置为 TBM，在隧道设计器的 “步骤1-1” 中进行相应操作设置。
切换至【切片】选项卡，选择隧道内的体积，停用土体并设置水力条件为 “干”。
选择外表面，在选择浏览器中激活负界面、板、表面收缩，由于这是在前部，设置表面收缩为 0%（图 10）。
切换至【平面前侧】，选择所有表面，激活使用表面荷载模拟的掌子面压力（图10）。
图 10 步骤1-1表面收缩设置
图 11 掌子面压力激活
添加一个步骤，在步骤 1-2 中停用掌子面压力，由于这是 TBM 的第二段，切换至【切片】选项卡并选择外表面设 Cref=0.1%（图 12）。继续添加三个步骤，并在【切片】选项卡中修改表面收缩的数值以模拟 TBM 的锥度（图 12）。
图 12 TBM 锥度模拟设置
图 13 步骤 1-3 到步骤 1-5 的表面收缩设置
添加步骤 1-6，由于盾尾具有恒定的直径，因此将表面收缩的分布类型修改为 “统一”，并设置 Cref=0.5%（图 14）。
图 14 步骤 1-6 的表面收缩设置
添加步骤 1-7，在掘进过程中，TBM 依靠液压千斤顶施加的推力前进，因此需要考虑千斤顶推力。
切换至【切片】选项卡，选择外表面，停用负界面、板和表面收缩，然后激活与注浆压力相对应的表面荷载（图 15）。
再切换至【平面后侧】选项卡，激活外表面的用于模拟千斤顶推力的荷载（图 16）。
图 15 激活注浆压力
图 16 千斤顶推力的模拟
最后添加步骤 1-8，在【切片】选项卡选择外表面停用表面荷载，并激活负界面。选择外体积，激活并将其材料属性修改为衬砌材料（图 17）。
切换至【平面后侧】页面，选择外表面停用与模拟千斤顶推力的表面荷载。
图 17 激活衬砌
完成隧道设计器中的隧道定义后，用户可用在分阶段施工模式中的每一个分析阶段下，选中当前隧道，在鼠标右键弹出的菜单中选择 “前进至下一隧道步骤” 选项来完成隧道在该阶段的推进。
