基于數(shù)值仿真的“隧道工程”課程教改及實(shí)踐

李根

[摘 要] 大規(guī)模的數(shù)值仿真是現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的主要特征之一，對(duì)于深入分析隧道工程中材料破壞本質(zhì)、工程支護(hù)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及采取相應(yīng)的預(yù)測(cè)和防護(hù)措施都有很積極的意義。通過(guò)將傳統(tǒng)隧道工程教學(xué)改革為一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使其具有了經(jīng)濟(jì)性、拓展性、直觀性和綜合性等優(yōu)點(diǎn)。利用高性能服務(wù)器對(duì)圍巖、襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與破裂過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，不僅具有通用性強(qiáng)、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)數(shù)值仿真深刻理解許多單憑書(shū)本所無(wú)法理解的原理和重要觀察得來(lái)的信息，認(rèn)識(shí)工程結(jié)構(gòu)變形破壞機(jī)理，掌握最新的計(jì)算方法，對(duì)于提高高等學(xué)校重要課程的教學(xué)水平，培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)值仿真;隧道工程;教學(xué)改革;變形破壞

[基金項(xiàng)目] 2020年度大連理工大學(xué)教學(xué)改革基金項(xiàng)目“基于數(shù)值仿真的‘隧道工程課程教學(xué)改革實(shí)踐”（YB2020042）

[作者簡(jiǎn)介] 李 根（1982—），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部副教授，主要從事巖土工程的教學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）42-0069-04? ?[收稿日期] 2021-05-25

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人類文明發(fā)展，人們的生存空間受到挑戰(zhàn)，逐漸向地下空間發(fā)展，以緩解土地資源緊張而帶來(lái)的各種壓力，地下空間是“潛在而豐富的自然資源”已經(jīng)成為共識(shí)。世界各國(guó)城市紛紛把開(kāi)發(fā)利用地下空間資源作為解決城市人口、資源和環(huán)境危機(jī)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)集約化發(fā)展的重要措施[1，2]。這也給土木工程學(xué)科指明了未來(lái)的發(fā)展方向，正如東京宣言所講，21世紀(jì)必將成為地下空間開(kāi)發(fā)的世紀(jì)?！八淼拦こ獭闭n程作為土木工程（地下工程方向）的專業(yè)重要主干課程之一，服務(wù)于當(dāng)代地下工程建設(shè)的基礎(chǔ)知識(shí)需求[3] 。

由于這是一門(mén)認(rèn)識(shí)性強(qiáng)與實(shí)際工程緊密結(jié)合的課程，其中需要學(xué)生深刻理解的概念和力學(xué)現(xiàn)象特別多，并要求能夠聯(lián)系實(shí)際解釋一些實(shí)際問(wèn)題。傳統(tǒng)教學(xué)采用書(shū)本和靜態(tài)圖片往往難以形象化的理解，特別是對(duì)于不同視角的情況。在講授圍壓、襯砌和支護(hù)的教學(xué)中，巖石的拉、壓、剪等巖石破壞基本概念，都是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。然而，在實(shí)際上隧道圍巖、襯砌混凝土等材料非均質(zhì)性和非連續(xù)性較強(qiáng)，同時(shí)含有較多天然缺陷，在復(fù)雜條件下現(xiàn)有的力學(xué)解析理論很難準(zhǔn)確的描述圍巖和襯砌真實(shí)的變形和破壞情況。因此，目前有關(guān)概念上的理解教學(xué)，主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室物理試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是一種直觀、真實(shí)的方法，但現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)嚴(yán)重受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，需要一定的人力、物力和財(cái)力支持，另外，安全問(wèn)題也至關(guān)重要，在常規(guī)的教學(xué)中很難實(shí)施;物理試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)實(shí)際、指導(dǎo)實(shí)際的有效方法，但隧道模型試驗(yàn)制作過(guò)程、試驗(yàn)條件和監(jiān)測(cè)復(fù)雜，巖石和混凝土非均質(zhì)性較強(qiáng)，試驗(yàn)重復(fù)性差，并且各學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室條件差異性大，常規(guī)教學(xué)概念的認(rèn)識(shí)往往很難通過(guò)物理試驗(yàn)來(lái)展示隧道工程各部位內(nèi)容。所以傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和手段已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)下隧道工程的快速發(fā)展，不能滿足新時(shí)代的教育理念和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

基于現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的新理論、新方法，研究隧道工程中圍巖和混凝土等材料結(jié)構(gòu)的變形、破壞和穩(wěn)定性特征，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展示計(jì)算結(jié)果，是隧道工程教學(xué)改革的新方向，是一種新的教學(xué)輔助手段，重復(fù)性強(qiáng)，可突破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)的各種條件限制?；诟咝阅苡?jì)算的數(shù)值仿真軟件能模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大型工程問(wèn)題，使學(xué)生掌握計(jì)算理論和方法，能分析認(rèn)識(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變形、破壞及內(nèi)在機(jī)制，這樣不僅能達(dá)到數(shù)值實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的目的，也能將科研和教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”這一教學(xué)目標(biāo)。

二、數(shù)值仿真的重要價(jià)值

21世紀(jì)是信息科技的時(shí)代，科學(xué)計(jì)算和理論、試驗(yàn)一樣，已成為科學(xué)研究的一種重要手段，是21世紀(jì)科技領(lǐng)域中重要的組成部分。隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究試驗(yàn)參數(shù)、規(guī)模和復(fù)雜度遠(yuǎn)超物理試驗(yàn)條件限制的各種情況?？梢哉f(shuō)，計(jì)算機(jī)仿真在理解科學(xué)現(xiàn)象、對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)建模方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。數(shù)值仿真有別于注重再現(xiàn)已知現(xiàn)象的數(shù)值模擬，對(duì)于一些由于人力、物力和財(cái)力限制的難以在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的試驗(yàn)，數(shù)值仿真可以方便地計(jì)算模擬，它注重于通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)未知現(xiàn)象進(jìn)行虛擬顯現(xiàn)和認(rèn)識(shí)[4]。

隨著許多大型隧道工程的相繼實(shí)施，如“川藏鐵路”“南水北調(diào)工程”“錦屏工程”等重大項(xiàng)目，都涉及眾多工程安全和穩(wěn)定性問(wèn)題。這些工程對(duì)數(shù)值仿真的單元規(guī)模和計(jì)算能力提出了更高的要求，仿真建模的范圍通?？蛇_(dá)幾百米甚至幾千米，模型也越來(lái)越復(fù)雜，另外，工程中的破壞失穩(wěn)問(wèn)題是一個(gè)從變形起始到最終破壞失穩(wěn)的過(guò)程，例如理解新奧法支護(hù)的原理，這一過(guò)程涉及的網(wǎng)格重劃分、單元消去與再生、節(jié)點(diǎn)釋放和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理都是非常復(fù)雜的處理過(guò)程，也是非常漫長(zhǎng)的，傳統(tǒng)的內(nèi)存和串行CPU也都無(wú)力計(jì)算這些大規(guī)模的問(wèn)題。對(duì)于圍巖變形的非線性分析通常需要幾百步的非線性迭代計(jì)算，計(jì)算時(shí)間多達(dá)數(shù)天到數(shù)十天。針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值仿真是現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的主要特征之一，這種由一點(diǎn)一時(shí)的狀態(tài)計(jì)算到整個(gè)空間和時(shí)間上的全程模擬是有限元方法的一個(gè)重大發(fā)展。采用大規(guī)模的科學(xué)與工程計(jì)算，提高計(jì)算速度和能力，對(duì)于深入分析隧道工程中圍巖和支護(hù)材料變形破壞本質(zhì)、工程支護(hù)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及采取相應(yīng)的預(yù)測(cè)和防護(hù)措施都有很積極的意義[4]。

三、數(shù)值仿真在隧道工程課程中的實(shí)踐應(yīng)用

隨著數(shù)值計(jì)算方法與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，是一種新的數(shù)值試驗(yàn)方法，為隧道工程提供新的輔助教學(xué)手段，已成為國(guó)內(nèi)外土木與工程力學(xué)專家追求的新目標(biāo)。自主開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)RFPA教學(xué)版本基于有限元理論和統(tǒng)計(jì)損傷理論，是一款能夠?qū)崿F(xiàn)工程模擬和力學(xué)研究的數(shù)值實(shí)驗(yàn)軟件[5]。目前，RFPA軟件已在清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、東北大學(xué)、重慶大學(xué)、中南大學(xué)、香港大學(xué)、香港理工大學(xué)、Laurentian大學(xué)、Lulea大學(xué)等知名院校得到廣泛使用，十余所學(xué)校已成立巖土工程數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)室，該軟件在“巖石力學(xué)”“隧道工程”等課程教學(xué)和大量的工程模擬中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用[6]。

利用建工學(xué)部高性能計(jì)算中心的聯(lián)想深騰1800服務(wù)器，在土木工程、水利工程專業(yè)的本科生、研究生的教學(xué)工作中，開(kāi)展基于數(shù)值仿真技術(shù)的“隧道工程”課程教學(xué)，在高性能服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖、支護(hù)體系變形破壞過(guò)程的大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算教學(xué)，建立一種“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)。

“隧道工程”主要通過(guò)講授的教學(xué)方式介紹交通隧道的基本概念與功能、隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)、主體建筑與附屬建筑、圍巖分類與圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、隧道施工方法與工藝、新奧法理論與技術(shù)、隧道的營(yíng)運(yùn)管理與養(yǎng)護(hù)維修等。課程采用多種方法協(xié)同教學(xué)，充分發(fā)揮實(shí)物圖片、flash動(dòng)畫(huà)、視頻和數(shù)值仿真軟件（RFPA、ANSYS、FLAC等）的各自優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生能理解、能判斷、能設(shè)計(jì)、能分析各部分內(nèi)容。課程的一些目標(biāo)和具體實(shí)踐應(yīng)用如下。

1.要求學(xué)生掌握隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)的原理和技能，了解隧道主體及附屬建筑。采用flash動(dòng)畫(huà)的形式展示隧道工程的基本概念、特點(diǎn)、種類及作用，世界及我國(guó)“隧道工程”的歷史和發(fā)展以及該課程的主要內(nèi)容;實(shí)物照片圖展示隧道限界與凈空的關(guān)系、隧道防排水設(shè)施的類型與設(shè)置。結(jié)合視頻展示隧道工程地質(zhì)調(diào)查的方法與內(nèi)容;基于RFPA仿真展示地質(zhì)情況、地應(yīng)力狀況對(duì)洞口位置合理選定（通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)變形破壞定性說(shuō)明）和影響，包括對(duì)隧道線路設(shè)計(jì)考慮的因素。通過(guò)軟件系統(tǒng)的前處理功能建立幾何模型展示隧道襯砌斷面設(shè)計(jì)、隧道洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)、洞門(mén)結(jié)構(gòu)及明洞結(jié)構(gòu)（這些模擬可以為后續(xù)的進(jìn)一步力學(xué)分析所使用），并且通過(guò)前處理功能建立幾何模型，展示地下隧道的各種附屬建筑物。

2.學(xué)習(xí)判斷圍巖穩(wěn)定性的分析方法，掌握圍巖分級(jí)，了解圍巖壓力的特性及計(jì)算方法;掌握襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本方法，具備隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本能力。通過(guò)數(shù)值模型均質(zhì)度對(duì)隧道變形和破壞的影響，來(lái)深入體會(huì)圍巖分級(jí)的工程目的及分級(jí)方法;結(jié)合國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，講解分級(jí)體系，圍巖分級(jí)涉及的具體內(nèi)容、技術(shù)和方法。通過(guò)RFPA軟件系統(tǒng)建立的數(shù)值幾何模型展示隧道圍巖的概念、圍巖的工程性質(zhì)及圍巖的穩(wěn)定性，熟悉圍巖壓力與隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)系及圍巖壓力的確定方法，計(jì)算分析各類巖石試樣的變形破壞全過(guò)程，深入介紹巖石的強(qiáng)度特征。

通過(guò)ANSYS仿真軟件和RFPA軟件建立隧道結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型，展示結(jié)構(gòu)力學(xué)方法與巖體力學(xué)方法得到的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)程;通過(guò)RFPA仿真軟件進(jìn)行隧道洞門(mén)結(jié)構(gòu)計(jì)算、隧道抗震計(jì)算，講解數(shù)值模擬的理念和大概方法。如圖1示意隧道支護(hù)體系的數(shù)值仿真建模與分析計(jì)算過(guò)程，模擬了在支護(hù)條件下淺埋隧道的坍塌范圍，與工程實(shí)際情況相符合。數(shù)值仿真能幫助對(duì)施工方法、設(shè)計(jì)與計(jì)算等教學(xué)內(nèi)容的直觀認(rèn)識(shí)與理解。

3.熟悉隧道各種施工方法的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)現(xiàn)代新奧法理論及其設(shè)計(jì)與施工的特點(diǎn)，了解隧道施工的各種工藝。

通過(guò)RFPA仿真軟件模擬的各種概念模型來(lái)展示礦山法施工方法，如新奧法施工方法、傳統(tǒng)礦山法、洞口段施工方法、明洞施工方法、輔助施工措施及特殊地質(zhì)地段隧道施工;通過(guò)FLAC3D仿真軟件模擬的各種概念模型和flash動(dòng)畫(huà)來(lái)協(xié)同展示鉆爆開(kāi)挖、出碴與運(yùn)輸、支護(hù)技術(shù)、模筑混凝土襯砌施工。

通過(guò)數(shù)值軟件和flash動(dòng)畫(huà)的聯(lián)合應(yīng)用來(lái)展示新奧法的概念、新奧法隧道施工過(guò)程的力學(xué)分析;通過(guò)RFPA仿真軟件模擬的完整施工流程，了解和掌握新奧法的施工技術(shù)與工藝;通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)圖片和視頻展示新奧法監(jiān)控量測(cè)、量測(cè)的手段與數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)flash動(dòng)畫(huà)和視頻介紹隧道輔助坑道的工程特點(diǎn)、類型與應(yīng)用;施工通風(fēng)與防塵、壓縮空氣供應(yīng)、施工供水與排水、施工照明與供電。通過(guò)實(shí)物圖片展示隧道掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)、類型、構(gòu)造與適應(yīng)條件;結(jié)合flash動(dòng)畫(huà)的形式展示掘進(jìn)機(jī)配套的支護(hù)結(jié)構(gòu)，它們的類型、適應(yīng)條件及施工方法。

4.結(jié)合高性能計(jì)算，依托高性能服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖—支護(hù)—形變控制全過(guò)程仿真的教學(xué)。使學(xué)生掌握基本的軟件使用和分析能力。

研究高性能計(jì)算方法，進(jìn)行軟件的編寫(xiě)與開(kāi)發(fā)，建立適合教學(xué)與科研相結(jié)合的隧道工程仿真演示系統(tǒng)，并編寫(xiě)完善軟件使用說(shuō)明書(shū)，模擬各類概念模型，整理計(jì)算的結(jié)果，錄制典型操作算例的視頻過(guò)程。

開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)值課程，通過(guò)教學(xué)演示對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本的軟件培訓(xùn)，介紹RFPA的基本原理和適用范圍，模型設(shè)置方面各參數(shù)的意義和影響，重點(diǎn)講解均質(zhì)度的概念和特點(diǎn);演示軟件的基本操作步驟，具體可用軟件建立不同尺寸，不同單元數(shù)的模型或者將CAD等軟件建立的模型導(dǎo)入RFPA，并進(jìn)行單元?jiǎng)澐峙c賦值;針對(duì)不同的實(shí)際問(wèn)題講解RFPA中如何設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，以及控制條件中的求解類型、求解步數(shù)等;對(duì)計(jì)算完的模型進(jìn)行后處理查看，講解不同的應(yīng)力云圖、聲發(fā)射圖等，以及不同位置、不同單元的單元信息數(shù)據(jù)查看和導(dǎo)出，將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)繪制不同的曲線，結(jié)合云圖進(jìn)行應(yīng)力、位移、破裂演化過(guò)程等分析，同時(shí)根據(jù)結(jié)果進(jìn)行模型方案的優(yōu)化改進(jìn)，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

編寫(xiě)數(shù)值實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，采取小組合作的方式完成小作業(yè)。針對(duì)隧道工程的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展數(shù)值實(shí)驗(yàn)，包括比較深埋隧道和淺埋隧道的不同，隧道的洞型選擇，隧道的不同開(kāi)挖方法（如一步開(kāi)挖、分步開(kāi)挖等）對(duì)隧道變形、破壞和穩(wěn)定性的影響，不同支護(hù)方式的比選和效果評(píng)價(jià)，隧道不同部位的應(yīng)力、應(yīng)變等變化規(guī)律，還有其他隧道問(wèn)題，最后提交數(shù)值實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了調(diào)動(dòng)大家積極性，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作，控制小組人數(shù)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)工作量，不同的小組采用不同的參數(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究是對(duì)傳統(tǒng)隧道工程教學(xué)改革的一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具有經(jīng)濟(jì)性、拓展性、直觀性和綜合性等優(yōu)點(diǎn)。采用數(shù)值仿真教學(xué)軟件、高性能計(jì)算機(jī)和課堂教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建一種隧道工程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相銜接，工程本身與數(shù)值試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)多種教學(xué)形式和內(nèi)容體系，探索由理論探討與交流、仿真與實(shí)踐、思維學(xué)習(xí)與科研探索組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐應(yīng)用將會(huì)取得如下顯著教學(xué)效果。

1.通過(guò)合理的課程建設(shè)使學(xué)生體驗(yàn)含義豐富生動(dòng)概念的隧道工程知識(shí)，使學(xué)生脫離于傳統(tǒng)課堂文字教學(xué)的枯燥學(xué)習(xí)，在樂(lè)趣和生動(dòng)中學(xué)習(xí)隧道工程的內(nèi)容，對(duì)課程的難點(diǎn)、重點(diǎn)能全方位的認(rèn)識(shí)理解。

2.掌握數(shù)值仿真的基本流程和操作，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)值仿真的興趣，可參加與土木工程及相關(guān)專業(yè)的模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽。充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力﹑設(shè)計(jì)能力﹑實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，形成良好的競(jìng)爭(zhēng)氛圍，培養(yǎng)初步的學(xué)術(shù)能力。

3.完成能豐富生動(dòng)概念展示隧道工程的PPT課件，開(kāi)發(fā)的教學(xué)與科研相結(jié)合的隧道工程仿真演示系統(tǒng)可提供給其他高校教學(xué)使用;“教與學(xué)的互動(dòng)、理論與實(shí)踐的結(jié)合、能力與興趣的共增”的創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)適用于同類型課程的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐。

4.經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)之后學(xué)生除了能掌握基本概念外，還可以具備從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)、施工及組織管理的基本能力，能根據(jù)實(shí)際工程問(wèn)題查找相關(guān)規(guī)范并結(jié)合規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)，達(dá)到有關(guān)技術(shù)和研究工作的基本素質(zhì)和能力。

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Teaching Reform and Practice of Tunnel Engineering Course Based on Numerical Simulation

LI Gen

（Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian，

Liaoning 116024， China）

Abstract： Large-scale numerical simulation is one of the main features of modern computational mechanics， which is of great significance for in-depth analysis of the nature of material damage in tunnel engineering， engineering support and stability evaluation， and corresponding prediction and protection measures. This research is a new experiment teaching model for the reform of traditional Tunnel Engineering course teaching， which has the advantages of economy， expansibility， intuitiveness and comprehensiveness. Numerical simulation of the deformation and fracture process of surrounding rock， lining and supporting structure by using high-performance server not only has the characteristics of strong versatility， convenience， flexibility and repeatability， but also can deeply understand many things that cannot be achieved by books alone. Understanding the principles and information obtained from important observations， understanding the mechanism of deformation and failure of engineering structures， and mastering the latest calculation methods have important practical value for improving the teaching level of important courses in colleges and universities and cultivating applied innovative talents.

Key words： numerical simulation; Tunnel Engineering; teaching reform; deformation and failure