隧道典型施工工法虛擬仿真課程建設

周墨臻，房 倩，張頂立

（北京交通大學土木建筑工程學院 北京 100044）

1 課程內容簡介

在我國復雜的地質地貌條件下，高速鐵路的建設，必須大量修建隧道穿山越嶺，從而保證線路的平順性，因此長大隧道往往成為高鐵全線工期的控制性工程。正是長大隧道及各種復雜地質隧道修建技術的持續(xù)創(chuàng)新，才使得中國高鐵的建設成為可能。然而，以下問題卻嚴重制約著隧道及地下工程相關課程的實踐教學。①隧道建設周期長，學生難以在短期內對隧道施工全過程進行系統(tǒng)學習；②隧道屬于隱蔽性工程，學生即使在現(xiàn)場也難以了解支護結構體系的全貌；③隧道施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，大規(guī)模的現(xiàn)場實習，存在一定的安全風險；④實際隧道工程施工不可能接受學生依據(jù)施工方案和施工參數(shù)進行試錯交互。

為此，本課程通過現(xiàn)代信息技術再現(xiàn)高鐵隧道鉆爆法施工工序、構件安裝、機械操作等關鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛擬設備的人機交互操作，突破隧道專業(yè)傳統(tǒng)教學在時間和空間上的限制，引導學生進行隧道典型施工工法的學習和實操。學生通過虛擬仿真系統(tǒng)的設備認知、實驗原理學習、施工關鍵步序和主要技術參數(shù)的設計、工程校驗以及問題解決等環(huán)節(jié)，完成虛擬仿真實驗的全過程[1]。

1.1 學習

學習模塊包括預習系統(tǒng)和學習系統(tǒng)。預習系統(tǒng)包含實驗目的、原理、設計、操作步驟、注意事項等，向學生準確地傳達實驗知識點[2]。學習系統(tǒng)采用動態(tài)模式將所有機械設備及其功能進行展示和說明，學生可以在文字、聲音和高亮等提示的幫助下，通過人機交互操作學習隧道典型工法的施工工序，設計施工關鍵技術參數(shù)并完成實驗，同時每個施工工序均有相應知識點的介紹。當學生在操作過程中遇到困難時，可以使用“幫助”功能查看常見問題的解決辦法。

1.2 實驗

隧道典型施工工法虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)由兩部分組成。①虛擬仿真實驗平臺。采用虛擬仿真技術，模擬鉆爆法高鐵隧道施工過程中所涉及的材料、機械和設備，提供與施工現(xiàn)場高度相似的實驗環(huán)境[3]。②虛擬實驗教學管理系統(tǒng)。包括預習、開課管理、實驗庫維護、教學安排、實驗指導、結果批改、成績統(tǒng)計分析等功能。

1.3 考核

考核模塊包括考核系統(tǒng)和報告系統(tǒng)。考核系統(tǒng)用于檢驗學生的學習成果，在無任何提示的情況下，學生獨立設計并完成隧道修建的整個過程?？己讼到y(tǒng)中設有考點設計和記錄機制，在實驗操作過程中進行考點操作的統(tǒng)計和記錄，考核結束后系統(tǒng)自動給出分數(shù)和扣分項，并對實驗成績進行統(tǒng)計分析。

1.4 知識點設置

①鉆爆法原理及適用條件。知識點：隧道圍巖分級方法，公路、鐵路隧道按長度分類，鐵路隧道按跨度分類，鉆爆法施工原則和順序。仿真度：實驗場景依托我國鄭萬高鐵實際隧道工程，提供不同圍巖條件供學生選擇，并包括多種特殊地質。針對不同的地質條件，實驗系統(tǒng)展示不同的處理措施以及處理不當時圍巖破壞演化特征。

②鉆爆法施工超前加固設計。知識點：鉆爆法施工超前地質預報方法及不良地質處理方法，掌子面超前加固機理，管棚作用機理，超前小導管作用機理。仿真度：實驗場景位于隧道開挖掌子面前方，學生判斷是否需要進行超前地質預報，并選擇不同的不良地質處理方法，若選擇不當，則在后續(xù)施工中虛擬系統(tǒng)將動態(tài)展示相應的塌方事故。

③鉆爆法爆破設計。知識點：鉆爆法炮孔布置方式及分類，光面爆破和預裂爆破的區(qū)別，鉆爆法隧道超挖、欠挖含義。仿真度：實驗提供爆破設計的原則和圖紙，引導學生深入理解如何正確布置炮眼及確定數(shù)量。實驗系統(tǒng)根據(jù)學生選擇的炮眼布置方式和裝藥量，展示爆破效果。

④鉆爆法支護設計。知識點：隧道支護―圍巖作用關系及圍巖特性曲線、支護特性曲線，隧道初期支護鋼架類型，鎖腳錨桿作用機理，錨桿作用機理，注漿錨桿施作工藝，噴射混凝土的特點、優(yōu)缺點及噴射方式，仰拱作用機理。仿真度：虛擬場景位于隧道開挖掌子面處，實驗系統(tǒng)展示圍巖與支護特征曲線，引導學生理解支護―圍巖相互作用關系，設計合理的隧道支護參數(shù)。若支護環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)會相應展示可能導致的事故及真實案例。

2 課程建設特色

2.1 科教融合全面展示高鐵隧道隱蔽性工程

隧道工程是北京交通大學的傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，學科團隊全面支持了我國高速鐵路隧道的大規(guī)模安全建設。項目團隊將長期科學研究形成的科研成果融入實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了地質條件、工程響應及安全效應的“透明化”，再現(xiàn)了高鐵隧道施工的26 道關鍵工序，突破了短期現(xiàn)場實習無法認知施工全貌及全過程的教學瓶頸。實驗項目將錨桿、注漿、初支等一系列隱蔽性工程措施與圍巖、二襯之間極其抽象的多體系統(tǒng)相互作用形象地還原，使學生深刻理解隧道學科的核心基礎知識，培養(yǎng)學生分析與解決實際復雜高鐵隧道施工難題的能力。

2.2 多輸入交互實現(xiàn)高鐵隧道差異化施工

實驗項目基于隧道學科基礎理論及科學原理，對圍巖安全性、隧道埋深、隧道尺度等一系列影響隧道施工的特征參量設計了差異化輸入。在實驗過程中，學生針對不同的圍巖條件等特征參量，合理設計并選擇相應的工程措施，例如支護參數(shù)和支護時機。仿真系統(tǒng)采用可視化計算過程，呈現(xiàn)圍巖特性曲線等關鍵理論的計算結果，并實時反饋給學生，實現(xiàn)查缺補漏，提升學習效果。

2.3 基于過程考核及目標完成度的評價體系

實驗系統(tǒng)對學生在高鐵隧道仿真施工過程中的設計交互進行實時記錄，學生根據(jù)系統(tǒng)反饋的設計結論及糾錯提示及時調整施工方案，系統(tǒng)后臺進行動態(tài)評估，完成過程考核。實驗系統(tǒng)以代表我國機械化最高水平的鄭萬高速鐵路實際隧道工程為依托，通過數(shù)字化手段再現(xiàn)關鍵施工步序，每道工序均對應學生的交互式操作，系統(tǒng)后臺根據(jù)施工工序的完成情況對課程目標達成度進行計算，用于閉環(huán)反饋及持續(xù)改進[4]。

2.4 對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展

仿真系統(tǒng)代表了我國鉆爆法隧道建造最高水平的高速鐵路隧道，全面展示大國重器和中國制造，實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了高鐵隧道施工全空間360°交互及施工全過程實時動態(tài)感知的虛擬仿真場景，突破了課堂教學及現(xiàn)場實習的時空限制，使學生將其在課堂上所掌握的隧道專業(yè)知識進一步消化吸收，是對傳統(tǒng)教學手段的重要補充。實驗系統(tǒng)在提供多輸入設計交互的同時，還融入了隧道工程破壞機理與災害模式等方面的豐富科研成果，集成了真實隧道施工事故的圖片、視頻及事故原因分析，實現(xiàn)了理論和實踐的深度結合，對教學方式方法和教學內容進行了延伸和拓展[5]。

3 主要實驗步驟

在虛擬仿真中將鉆爆法隧道施工拆解為26 個步驟，且均為交互性操作，每一工序均對應一次交互式操作。將本實驗所包括的高鐵隧道鉆爆法建造的4 個知識點融入交互性操作，系統(tǒng)后臺會記錄操作全過程，根據(jù)完成情況給出試驗操作成績。

①超前地質探測。單擊打開工具包，選取三臂鑿巖臺車施作超前探孔，分析復原地質情況。掌握巖溶、斷層等不良地質體的類型、特點和處理方法。

②施作超前支護。單擊三臂鑿巖臺車鉆孔，施作超前大管棚進行超前支護，掌握管棚的作用機理和適用條件。

③掌子面鉆孔。單擊三臂鑿巖臺車進行定位后，學生預設爆破參數(shù)，系統(tǒng)自動鉆孔，引導學生掌握鉆爆法隧道掏槽眼、輔助眼、周邊眼的定義及其作用。

④安裝炸藥、連線。鉆孔結束后，單擊三臂鑿巖臺車的舉升吊籃，進行人工裝藥、連線作業(yè)，掌握光面爆破和預裂爆破的起爆順序。

⑤爆破。操作鼠標和鍵盤完成人員與設備的移動，待人員、設備撤出爆破警戒區(qū)域后，單擊起爆按鈕完成爆破操作。

⑥出渣。爆破結束后，先采用通風機通風15 分鐘，然后打開工具背包，單擊挖掘機配合裝載機，進行裝渣，單擊自卸汽車，將渣土運輸至棄碴場。通過試錯，了解出碴時機的選擇，若未能充分通風，則出現(xiàn)警告，提示會出現(xiàn)安全事故，由此強調施工安全注意事項。

⑦初噴混凝土。單擊工具背包中的濕噴機，對隧道輪廓噴射混凝土。理解隧道支護圍巖相互作用機理，深入學習圍巖特性曲線和支護特性曲線，學生可選擇不同的支護參數(shù)和支護時機，若選擇不合理，則系統(tǒng)顯示引起隧道塌方等安全事故。

⑧⑨安裝鋼拱架和鋼筋網(wǎng)。單擊雙臺車多功能臺架進行鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的安裝。

⑩施作超前小導管。選取合適的錨桿鉆機沿隧道拱部鉆孔，學生自主選擇超前小導管進行注漿操作，掌握超前小導管的作用機理。

?安裝錨桿、注漿。操作鼠標和鍵盤舉升吊籃，單擊鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿并完成安裝及注漿，掌握不同錨桿的作用機理。

?復噴混凝土。打開工具背包，單擊選取合適型號的混凝土噴射機實施噴射混凝土作業(yè)。點選不同的噴射混凝土的作用和優(yōu)缺點以及干噴、濕噴、潮噴三種噴射方式的特點。

?-?仰拱施工。單擊工具背包中的履帶自行式仰拱棧橋進行仰拱施工，包括開挖仰拱土體、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等步驟，學習仰拱的作用機理。

?-?二襯施工。單擊多功能臺架，依次進行土工布和防水板鋪設及鋼筋安裝。采用軌行式模板臺車和混凝土輸送泵進行定位和澆筑混凝土。采用自動養(yǎng)護臺架以噴淋方式對已成型襯砌連續(xù)養(yǎng)護。

?施作排水溝。單擊選取并操作整體式電纜槽水溝模板臺車，進行電纜槽和排水溝施工。

至此，完成鉆爆法隧道建造的關鍵施工步序，系統(tǒng)顯示考核分數(shù)與結果。單擊“返回首頁”，退出系統(tǒng)，實驗結束。

4 課程應用成效

本課程中，隧道典型施工工法虛擬仿真彌補了目前鉆爆法隧道實驗教學中存在的不足，通過完成虛擬仿真實驗任務，有效調動了學生的積極性和主動性，充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造潛能。學生經過虛擬仿真實驗訓練后，自主學習能力和工程實踐能力得到明顯提升，尤其是對實際復雜工程的未知性和不確定性表現(xiàn)出了濃厚的好奇心與探索欲，這使其無論是直接從事工程行業(yè)還是投身科研事業(yè)均打下了堅實基礎。

實驗項目在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上線以來，實驗瀏覽量超43000 次，實驗人數(shù)超1300 人，實驗通過率超95%，在2020 年11 月被教育部認定為首批國家級一流本科課程。

今后，項目組將持續(xù)改進該虛擬仿真實驗系統(tǒng)，增強優(yōu)質教學資源的整合與共享能力，為土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)開辟新的途徑。