基于桐梓隧道數(shù)值仿真的“隧道工程”教學(xué)模式探索

［摘 要］ “隧道工程”作為土木工程學(xué)院城市地下工程方向以及橋梁與隧道專業(yè)的核心課程，在現(xiàn)有的教學(xué)模式上存在許多不足，課程安排越來越難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。通過分析“隧道工程”教學(xué)的不足，以桐梓隧道為工程背景，將課程與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合，提出采用“一課一師一輔導(dǎo)”的教學(xué)模式以及增加小學(xué)期課程的方式，對“隧道工程”課程內(nèi)容及教學(xué)安排做出了補(bǔ)充完善，旨在提高“隧道工程”課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，采取以教師為引導(dǎo)、以學(xué)生為主體的模式，增強(qiáng)學(xué)生對“隧道工程”課程的實踐應(yīng)用能力和高效利用數(shù)值模擬軟件的能力。

［關(guān)鍵詞］ 隧道工程；教學(xué)改革；數(shù)值模擬；教學(xué)模式

［基金項目］ 2021年度國家級一流本科專業(yè)建設(shè)“土木工程”（教高廳函〔2022〕14號）；2020年度貴陽軌道交通3號線一期項目管理公司“貴陽城市軌道交通區(qū)間隧道下穿既有鐵路關(guān)鍵技術(shù)研究”（GD3-FW-YJ-05-2020-13-ZB）；2022年度貴州省自然科學(xué)基金“直剪條件下不共面非貫通節(jié)理巖體破壞模式和機(jī)理及強(qiáng)度模型研究”（黔科合基礎(chǔ)-ZK〔2022〕一般082）

［作者簡介］ 劉遠(yuǎn)明（1975—），男，貴州銅仁人，博士，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院教授，主要從事隧道工程研究；王義乾（1999—），男，貴州遵義人，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院2022級土木工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為隧道工程；楊 超（1998—），男，貴州遵義人，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院2022級土木工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為隧道工程。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）35-0105-04 ［收稿日期］ 2023-08-21

引言

“隧道工程”是土木工程專業(yè)地下工程方向的一門專業(yè)性、實踐性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)課程［1］。該課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生掌握隧道工程的基本概念、基本構(gòu)造、設(shè)計理念、施工方法以及行業(yè)規(guī)范等，初步具備在隧道工程勘察、設(shè)計和計算、施工和監(jiān)理行業(yè)的從業(yè)能力［2］。

目前，在“隧道工程”課程改革方面，很多學(xué)者做了大量的研究。王迎超等［3］從文獻(xiàn)檢索、現(xiàn)場調(diào)研和課前案例教學(xué)準(zhǔn)備等方面對“隧道工程”教學(xué)進(jìn)行了調(diào)整。李化云等［4］將“互聯(lián)網(wǎng)+”與“隧道工程”教學(xué)相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。張學(xué)民等［5］分析了“隧道工程”教學(xué)的矛盾，從教材的強(qiáng)化、一課多人上的教學(xué)方式和科研助教等方面對這門課程實行了教學(xué)改革。李根［6］使用數(shù)值仿真模擬軟件對“隧道工程”的教學(xué)方式進(jìn)行了改進(jìn)。

綜上所述，在提升“隧道工程”課程的教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生的工程實踐能力方面，許多學(xué)者提出了有益的改革方法。針對貴州大學(xué)本科課程“隧道工程”的教學(xué)現(xiàn)狀，本文以桐梓隧道為工程背景，以提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生能力為目標(biāo)，結(jié)合數(shù)值模擬對現(xiàn)有的“隧道工程”教學(xué)模式進(jìn)行了改革。同時，致力于提升學(xué)生對專業(yè)知識的理解水平，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)能力和實踐應(yīng)用能力。

一、“隧道工程”教學(xué)存在的問題

“隧道工程”是橋梁與隧道工程和城市地下空間工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，包含隧道工程勘察設(shè)計、隧道的主體建筑結(jié)構(gòu)、隧道附屬建筑、圍巖分級及圍巖壓力、隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算、隧道施工方法與隧道施工組織等，涵蓋內(nèi)容廣泛且復(fù)雜。同時，這門課程不僅影響學(xué)生的績點，更與畢業(yè)設(shè)計、學(xué)生未來的就業(yè)息息相關(guān)，所以，針對貴州大學(xué)目前“隧道工程”課程存在的不足，結(jié)合貴州第一深埋公路長隧道桐梓隧道，聯(lián)系數(shù)值模擬對教學(xué)方案進(jìn)行了改革。

首先，貴州大學(xué)在“隧道工程”教學(xué)中采用“一師一課”的教學(xué)模式?！耙粠熞徽n”是指“隧道工程”課程只有一名教師負(fù)責(zé)本門課程，但是這門課程的內(nèi)容復(fù)雜且繁多，同時包括課程設(shè)計，因此，在課時被嚴(yán)重壓縮的情況下，由一名教師在有限的課時時限內(nèi)，將本門課程講解透徹比較困難。

其次，在如今的時代，各行各業(yè)都與計算機(jī)緊密聯(lián)系，但在目前的“隧道工程”課程中，我們僅簡單地利用PPT結(jié)合板書進(jìn)行教學(xué)，并沒有很好地運用多媒體資源，仍以教師講課為主，然而學(xué)生須主動參與學(xué)習(xí)，而非被動接受知識，只有這樣才能提升教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能。在講授某一些章節(jié)時，比如隧道的施工工法，如果按照書上的內(nèi)容講解全斷面法、臺階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工步驟，然后展示一些簡單的圖片，沒有充分利用計算機(jī)的優(yōu)勢，易導(dǎo)致學(xué)生只對這個知識點有大概的理解，對很多細(xì)節(jié)之處不能很好地理解和掌握。

最后，“隧道工程”課程有許多難以理解和計算的地方，包括隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算、隧道拱頂?shù)某两怠⒌孛娉两档?，這些內(nèi)容包括很多的理論推導(dǎo)和專業(yè)性解釋。對于學(xué)生而言，如果只是照本宣科的話，不僅不能達(dá)到理想的教學(xué)效果，還會讓學(xué)生感覺枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)心理。

二、數(shù)值仿真與課程教學(xué)相結(jié)合

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，貴州發(fā)生了很大的變化。在縣縣通高速的基礎(chǔ)上，在貴州多山地區(qū)，高速公路的建設(shè)涉及許多的隧道，桐梓隧道作為一條雙向六車道，單向長度大于10公里，在貴州乃至全國都具有代表性。同時，隨著計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，很多軟件被用于土木工程模擬計算，如有限差分法軟件FLAC 3D、有限元軟件Midas GTS NX、ABAQUS、ANSYS等，具有一定的可靠性。對于土木行業(yè)而言，使用數(shù)值模擬是這個專業(yè)的趨勢，所以將數(shù)值模擬運用于課堂之上，提高教學(xué)質(zhì)量勢在必行。

針對“隧道工程”課程教學(xué)改革，嘗試將數(shù)值模擬軟件與教學(xué)實際相結(jié)合，根據(jù)“隧道工程”教學(xué)的不足，有針對性地提出解決方法。本次教學(xué)改革思路主要體現(xiàn)在以下三點：一是將原本“一師一課”變更為“一課一師一輔導(dǎo)”教學(xué)模式；二是在現(xiàn)有課時的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加課時；三是增加一個數(shù)值軟件的后處理教學(xué)（基于FLAC 3D）。

基于以上三點，對本次教學(xué)改革方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

首先，對于“一課一師一輔導(dǎo)”教學(xué)模式，可以理解為在原本“一師一課”的基礎(chǔ)上，給“隧道工程”課程增加一個熟悉一種或多種模擬軟件的輔導(dǎo)教師，這名輔導(dǎo)教師的主要工作是結(jié)合“隧道工程”課本進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，比如，當(dāng)講述隧道的施工工法時，輔導(dǎo)教師可以基于數(shù)值軟件（FLAC3D）建立常見的施工工法，如全斷面法、三臺階法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，從建模開始，講解如何模擬地層、錨桿、初期支護(hù)等，然后進(jìn)行一步一步開挖，到最后施工結(jié)束。輔導(dǎo)教師可以利用其他時間，將上述過程制作成視頻，再結(jié)合相應(yīng)的文字介紹，向?qū)W生講解這個過程中的一些細(xì)節(jié)及注意事項。當(dāng)學(xué)生看完整個視頻之后，讓他們分組討論整個流程，然后邀請某些學(xué)生闡述整個過程，同組成員可以進(jìn)行補(bǔ)充說明。這不僅帶動了課堂氛圍，而且提高了學(xué)習(xí)效率，讓教師作為一個引導(dǎo)者，以學(xué)生自由探索為主展開教學(xué)。

其次，在教學(xué)過程中，會出現(xiàn)一些難以理解且枯燥乏味的知識點，如在講解第六章《隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算》時，涉及許多理論與計算，這對于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都是比較復(fù)雜的，但目前，有很多數(shù)值模擬軟件可以通過計算機(jī)解決這個問題，不用我們一步步去計算。那么就需要輔導(dǎo)教師結(jié)合相關(guān)的數(shù)值模擬軟件（如Midas GTS NX），指導(dǎo)學(xué)生如何利用計算機(jī)解決這個問題。在本科階段，推薦教師使用一款巖土適用軟件Midas GTS NX，這個軟件為中文版，易于學(xué)習(xí)，也容易開展教學(xué)。教師可以給學(xué)生講解什么是前處理模式、后處理模式等，教他們?nèi)绾尾榭磻?yīng)力云圖、變形云圖、塑性區(qū)、初期支護(hù)的內(nèi)力等，如何提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，也可以結(jié)合相關(guān)的畫圖軟件（origin）畫出圍巖的拱頂沉降隨開挖的變化曲線，以避免煩瑣的理論計算，大大減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，提供了一種便捷的方式解決難題，便于讓學(xué)生提前了解科研。通過數(shù)值軟件教學(xué)，可以提高學(xué)生的動手能力，有效地減少學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)軟件的激情，為之后的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

最后，如果上述方案能實施，那么課程時間將會被進(jìn)一步壓縮，教學(xué)效果會被進(jìn)一步減弱，高校就須增加課時以保證教學(xué)成效。結(jié)合貴州大學(xué)實際，由于貴州大學(xué)有小學(xué)期，那么可以將課程設(shè)計與軟件教學(xué)放在小學(xué)期，不占用原本課時，同時，小學(xué)期沒有很多的專業(yè)課程，課程難度不大，所以將“隧道工程”的課程設(shè)計和軟件教學(xué)放在小學(xué)期，學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力也不會太大。這樣做不但可以彌補(bǔ)小學(xué)期課程存在的問題，也可以合理安排教學(xué)時間。

下面以桐梓隧道為工程背景，結(jié)合工程實際，以FLC3D軟件為例，講解軟件教學(xué)規(guī)劃。

第一步，根據(jù)桐梓隧道地勘報告，選擇合適的斷面進(jìn)行數(shù)值模擬研究，然后選擇適用外置建模軟件（如犀牛、Midas GTS NX）或者FLAC3D的內(nèi)置建模板塊進(jìn)行隧道三維模型的建立，如使用軟件建立三臺階開挖、CD法開挖和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的模型如圖1所示。

第二步，編寫命令流。命令流的大致過程可以分為：首先導(dǎo)入前面建的模型，開始對地層賦值，施加邊界條件，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，之后再清除位移，對需要監(jiān)測的項目進(jìn)行監(jiān)測，然后按照開挖順序開挖隧道，并進(jìn)行初期支護(hù)，采用shell單元模擬，而二次襯砌作為安全儲備，就不再進(jìn)行建模計算。直至隧道開挖完成，隧道開挖的整個過程大致如上述所示。例如用FLAC 3D軟件模擬CD法開挖隧道，開挖順序如下，如圖2所示。

1.先開挖左上的隧道區(qū)域，然后進(jìn)行初支以及中隔墻的支護(hù)。

2.再開挖左下的隧道區(qū)域，然后進(jìn)行支護(hù)以及中隔墻的支護(hù)，此時中隔墻支護(hù)完成。

3.接下來開挖右上部分并支護(hù)。

4.最后開挖右下部分及支護(hù)，拆除中隔墻。

5.重復(fù)以上步驟開挖隧道即可。

隧道開挖完之后，進(jìn)入后處理模塊，查看圍巖的豎向變形、水平變形，同時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如基于桐梓隧道，研究埋深為200 m的三臺階開挖的隧道的相關(guān)云圖。

第三步，輔導(dǎo)教師可以使用Midas GTS NX軟件模擬上述過程（FLAC3D軟件學(xué)習(xí)難度較高），并將其錄制成視頻，結(jié)合視頻進(jìn)行講解，然后鼓勵學(xué)生嘗試使用軟件解決一個簡單的問題（比如二維的問題），讓學(xué)生對比與其他同學(xué)計算結(jié)果上的差異，分析自己在過程中存在的問題，當(dāng)然，教師要適當(dāng)解答，讓學(xué)生更快更好地適應(yīng)這個軟件。

結(jié)語

“隧道工程”是土木工程學(xué)院隧道與橋梁工程及地下工程方向的專業(yè)課程，涵蓋的知識點廣泛、實踐性強(qiáng)、內(nèi)容復(fù)雜且繁多，對于學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計以及以后的職業(yè)發(fā)展非常重要。

在本文中，以桐梓隧道為背景的數(shù)值模擬、“一課一師一輔導(dǎo)”教學(xué)模式以及改變課程時間安排等手段，能有效解決教學(xué)中遇到的一些難題，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強(qiáng)學(xué)生使用數(shù)值軟件解決實際問題的能力，培養(yǎng)復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)

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［5］張學(xué)民，陽軍生，彭立敏.國家精品課程“隧道工程”教學(xué)模式探討［J］.當(dāng)代教育理論與實踐，2011，3（10）：82-83.

［6］李根.基于數(shù)值仿真的“隧道工程”課程教改及實踐［J］.教育教學(xué)論壇，2021（42）：69-72.

Exploration of Tunnel Engineering Teaching Mode Based on Tongzi Tunnel Numerical Simulation

LIU Yuan-ming， WANG Yi-qian， YANG Chao

（College of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： Tunnel Engineering， as a core course in the direction of urban underground engineering and bridge and tunnel majors in the School of Civil Engineering， has many deficiencies in the existing teaching mode， and the arrangement of the course is increasingly unable to improve the learning efficiency of students. Therefore， this paper analyzes the deficiencies in the teaching of “Tunnel Engineering” and takes Tongzi Tunnel as the engineering background， supplements the content and teaching arrangements of the course by combining the course with numerical simulation software， proposes a “one-lesson， one-teacher， one-tutor” teaching model， and small semester courses. It aims to improve the teaching quality of the course “Tunneling Engineering”， cultivate students’ interest in learning， enhance students’ practical application of this course and their ability to utilize numerical simulation software efficiently in a teacher-guided， student-led mode.

Key words： tunnel engineering; reform of the teaching profession; numerical simulation; educational model