“隧道工程”課程圍巖力學(xué)問題可視化教學(xué)研究

王章瓊，陳 為，余浩延，王亞軍

武漢工程大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430073

教學(xué)方法

“隧道工程”課程圍巖力學(xué)問題可視化教學(xué)研究

王章瓊，陳 為，余浩延，王亞軍

武漢工程大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430073

隧道施工過程中對圍巖的開挖、支護(hù)以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用等圍巖力學(xué)問題，是“隧道工程”課程的核心內(nèi)容之一。分析了“隧道工程”課程中主要圍巖力學(xué)問題及其教學(xué)難點，利用數(shù)值分析軟件FLAC-3D模擬和分析了圍巖初始應(yīng)力場、開挖過程中圍巖應(yīng)力重分布情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況以及特殊地質(zhì)背景下的圍巖力學(xué)問題，將模擬結(jié)果制作成視頻和圖片進(jìn)行可視化教學(xué)，取到了良好的教學(xué)效果。

隧道工程；可視化；數(shù)值模擬；教學(xué)研究

tunnel engineering；visualization；numerical simulation；teaching research

一、引言

近年來，隨著我國高速公路、鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的隧道工程[1]。與此同時，隧道工程所處的地質(zhì)背景日益復(fù)雜，施工難度日趨增大。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長大隧道工程中，經(jīng)常出現(xiàn)圍巖塌方事故，輕則導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、失效，重則造成機器損毀、人員傷亡、延誤工期等嚴(yán)重后果[2]。熟悉圍巖的力學(xué)特性并進(jìn)行適時、合理支護(hù)，是確保隧道施工安全、保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提。

“隧道工程”是土木工程專業(yè)交通土建方向及道路橋梁與渡河工程專業(yè)的專業(yè)主干課程[3]，該課程主要介紹隧道的發(fā)展歷史、勘察、設(shè)計、施工、運營管理與維護(hù)等相關(guān)知識和理論[4-6]。由于隧道工程通常采用暗挖法施工，施工過程具有隱蔽性，加之地質(zhì)體性狀的諸多不確定性，使得隧道施工具有難度大、不確定因素多、危險性高等特點，隧道施工是“隧道工程”課程的核心內(nèi)容。隧道施工中的開挖、支護(hù)等，都是直接與圍巖發(fā)生作用，隧道施工過程，實際上是圍巖受擾動并被施加約束的過程，也是圍巖受力狀態(tài)經(jīng)過多期調(diào)整的過程。了解和熟悉圍巖特性，才能更好地指導(dǎo)施工。然而，這些力學(xué)問題僅憑數(shù)學(xué)表達(dá)式或語言描述，往往無法直觀地呈現(xiàn)出來，導(dǎo)致學(xué)生對相關(guān)理論和知識點理解不透徹，這在一定程度上影響了該部分內(nèi)容的教學(xué)效果。

筆者結(jié)合自身從事的地下工程研究項目，利用巖土數(shù)值分析軟件將上述圍巖力學(xué)問題通過圖片及視頻的形式展現(xiàn)出來，探索性地開展可視化教學(xué)，以增強教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量。

二、隧道圍巖力學(xué)問題及教學(xué)難點

隧道工程施工是“隧道工程”課程中的重點內(nèi)容，隧道施工過程，簡單地說是開挖巖土體并進(jìn)行支護(hù)的過程，其實質(zhì)是圍巖從初始平衡狀態(tài)到開挖后的不平衡狀態(tài)，再到支護(hù)后的相對平衡狀態(tài)，也是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互作用的力學(xué)過程(圖1)。

其中，圍巖應(yīng)力重分布過程及規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用，是隧道施工過程中力學(xué)問題的核心，也是正確理解為何要進(jìn)行支護(hù)、采用何種方式支護(hù)、支護(hù)時機的選擇等問題的關(guān)鍵所在。

隧道施工過程中的圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)、開挖后圍巖的變形及穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用等，是隧道施工過程中的關(guān)鍵問題，這直接影響到隧道圍巖的穩(wěn)定性、施工過程的安全性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性。

圖1 隧道施工過程中受力情況示意圖

上述圍巖力學(xué)問題可運用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及彈塑性力學(xué)中的相關(guān)理論來闡述，常規(guī)的教學(xué)方法是推導(dǎo)力學(xué)計算公式，或采用高度概括的示意圖進(jìn)行輔助講解，然而這些方法都無法很好地直觀展示圍巖力學(xué)狀態(tài)及其變化過程。此外，由于隧道斷面形式多樣、實際地質(zhì)條件復(fù)雜多變，簡單的數(shù)學(xué)模型無法描述這些實際問題，迫切需要探索新的教學(xué)手段、方法，以達(dá)到直觀、明了的效果。

三、可視化教學(xué)方法及FLAC-3D簡介

“可視化”又稱信息可視化、知識可視化等，是隨著信息技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展起來的一種技術(shù)方法，也可稱之為一門學(xué)科[7]?？梢暬@著的效果是可以將大量難以用語言直接表達(dá)的信息進(jìn)行高度概括，通過圖形化的形式表達(dá)出來，使信息接收者能夠獲得全面、深層次的認(rèn)知。有研究表明，大部分可視化教學(xué)能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生積極影響[8]。

目前，常見的可視化教學(xué)形式主要有視頻、圖片等，一般采用計算機軟件將數(shù)據(jù)、過程轉(zhuǎn)化為視頻、圖片，如MATLAB平臺[9]、可視化編程工具VB6.0[10]、Maple[11]等圖形繪制軟件，以及Flash、JavaScript等動畫制作軟件[12]。

FLAC-3D是美國Itasca公司開發(fā)的有限差分程序仿真計算軟件，在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該軟件具有顯式計算的優(yōu)點，能有實時顯示計算過程，因而可以直觀展現(xiàn)計算過程中模型的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)的變化過程。此外，該軟件還可以自動將計算過程保存成avi格式的視頻文件，供計算結(jié)束后查看。本文采用該軟件進(jìn)行隧道自重應(yīng)力場生成、隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用等圍巖力學(xué)問題分析，并將計算結(jié)果制作成視頻、圖片，用于可視化教學(xué)。

四、隧道圍巖力學(xué)問題可視化

1.圍巖初始應(yīng)力場

在隧道開挖之前，圍巖中就存在初始應(yīng)力，這種在長期地質(zhì)歷史過程中形成的應(yīng)力場即為初始應(yīng)力場。初始應(yīng)力場是與時間和空間有關(guān)的變量，受地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地溫等因素的影響，通常情況下自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢。自重應(yīng)力場是由上覆巖層的自重形成的壓應(yīng)力，一般由巖體重度與縱向厚度的乘積來表示。構(gòu)造應(yīng)力場則是巖層在經(jīng)歷過地質(zhì)運動改造后，殘余構(gòu)造應(yīng)力的空間分布狀態(tài)，構(gòu)造應(yīng)力一般以壓應(yīng)力為主，此外還有剪應(yīng)力等形式。

初始應(yīng)力場是巖體力學(xué)及地下工程中重要的課題之一，準(zhǔn)確理解初始應(yīng)力場的形成原因和分布規(guī)律，是理解隧道開挖參數(shù)及圍巖支護(hù)參數(shù)選擇的重要基礎(chǔ)。通過數(shù)值仿真模擬地應(yīng)力場的形成過程、分布規(guī)律，并以視頻的形式進(jìn)行動態(tài)展示，有助于學(xué)生對上述概念的深入理解(圖2)。

2.圍巖開挖過程中應(yīng)力重分布情況

隧道開挖施工前，圍巖處于相對穩(wěn)定的初始應(yīng)力狀態(tài)。隧道開挖后，隨著臨空面的出現(xiàn)及應(yīng)力的釋放，圍巖初始平衡狀態(tài)被打破，逐漸向隧洞空間發(fā)生松弛變形，其實質(zhì)是應(yīng)力逐漸釋放、調(diào)整的過程，直觀上表現(xiàn)為圍巖變形、掉塊過程。理解隧道開挖后圍巖應(yīng)力調(diào)整過程、變形發(fā)展過程及其特征，是合理選擇支護(hù)時機和支護(hù)方式的關(guān)鍵所在。

通過FLAC-3D數(shù)值模擬，可以將該過程以動畫的形式展現(xiàn)出來，如在一定地質(zhì)條件、一定隧道斷面形式及一定開挖方式下，隧道圍巖哪些部位變形最大，哪些部位應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，各部位變形形式如何等等(圖3)。

在此基礎(chǔ)上，可以改變地質(zhì)條件、隧道斷面形式等，引導(dǎo)學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)，分析不同工況下圍巖應(yīng)力場可能出現(xiàn)的變形規(guī)律。一方面，可以鍛煉學(xué)生運用已掌握的專業(yè)知識分析和解決實際工程問題的能力；另一方面，可以增強課堂的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)一般包括初襯和二襯兩部分，其中初襯以錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)為主，屬于柔性支護(hù)；二襯為鋼筋混凝土襯砌，屬于剛性支護(hù)。二襯本身是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡單，但作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的襯砌，自始至終與圍巖發(fā)生相互作用，使得其受力、變形特性極為復(fù)雜。

圖2 初始應(yīng)力場形成過程視頻

圖3 無支護(hù)條件下隧道圍巖應(yīng)力重分布過程視頻

為此，對二襯在工作狀態(tài)下的應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計算，并利用FLAC-3D強大的后處理功能查看二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(圖4)。該云圖不僅可以直觀展示二襯在工作狀態(tài)下的受力特點，還可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)應(yīng)力分布情況，思考如何對二襯截面尺寸及配筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4. 偏壓隧道圍巖力學(xué)問題

偏壓是指由于地形不對稱或巖層產(chǎn)狀因素，造成隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)荷載不對稱的現(xiàn)象，偏壓常見于淺埋隧道。按照造成偏壓的原因，偏壓隧道可分為地形偏壓和構(gòu)造偏壓兩種。前者是當(dāng)隧道上部山體表面坡度較大時，坡面附近應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且隧道兩側(cè)圍巖自重應(yīng)力不對稱，導(dǎo)致隧道兩側(cè)應(yīng)力場不對稱；后者是當(dāng)隧道圍巖呈層狀產(chǎn)出，且?guī)r層面傾斜時，隧道圍巖變形具有不對稱性，從而對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻圍巖壓力。傳統(tǒng)的隧道斷面及支護(hù)結(jié)構(gòu)均為對稱結(jié)構(gòu)，偏壓對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力極為不利。

圖4 隧道襯砌受力(最大主應(yīng)力)情況

為演示上述兩種偏壓對隧道圍巖應(yīng)力場及開挖后圍巖應(yīng)力重分布、圍巖變形的影響，建立了兩種數(shù)值模擬模型。對于地形偏壓隧道，采用地表傾斜的模型(圖5)；對于構(gòu)造偏壓隧道，采用地表水平的模型，但本構(gòu)模型采用橫觀各向同性模型，以模擬順層巖體(圖6)。

五、結(jié)束語

本文系統(tǒng)歸納總結(jié)了隧道工程中主要圍巖力學(xué)問題，以可視化教學(xué)理論為指導(dǎo)，利用FLAC-3D軟件對不同條件下圍巖力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值分析，并制作成視頻、圖片文件，進(jìn)行可視化教學(xué)。該方法將理論性較強的問題進(jìn)行直觀展示，增強了課堂教學(xué)的趣味性，同時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題和運用所學(xué)專業(yè)知

識分析和解決工程問題的能力，提升了專業(yè)課教學(xué)的深度和廣度，收到了良好的效果。

圖5 地形偏壓對隧道圍巖變形影響

圖6 構(gòu)造偏壓及其對隧道圍巖變形影響

需要說明的是，本文僅采用視頻、圖片的形式進(jìn)行“隧道工程”課程可視化教學(xué)，屬于技術(shù)層面。而可視化教學(xué)除了可視化技術(shù)之外，還包括可視化教學(xué)設(shè)計，在今后的研究中，還可以將可視化技術(shù)與可視化教學(xué)設(shè)計進(jìn)行有機融合，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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G642

A

1006-9372（2016）03-0028-04

2016-03-23；

2016-04-20

2015年武漢工程大學(xué)教學(xué)研究項目—基于創(chuàng)新能力提升的《隧道工程》教學(xué)體系構(gòu)建研究與實踐。

王章瓊，男，講師，主要從事工程地質(zhì)、地下工程的教學(xué)和研究工作。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

王章瓊，陳為，余浩延，等.“隧道工程”課程圍巖力學(xué)問題可視化教學(xué)研究[J].中國地質(zhì)教育，2016，25（3）：28-31.

Title: Visual Teaching for the Mechanical Issue of Surrounding Rock in the Course of Tunnel Engineering

Author(s): WANG Zhang-qiong，CHEN Wei，YU Hao-yan，WANG Ya-jun