基于桐梓隧道数值仿真的“隧道工程”教学模式探索

［摘 要］ “隧道工程”作为土木工程学院城市地下工程方向以及桥梁与隧道专业的核心课程，在现有的教学模式上存在许多不足，课程安排越来越难以提高学生的学习效率。通过分析“隧道工程”教学的不足，以桐梓隧道为工程背景，将课程与数值模拟软件相结合，提出采用“一课一师一辅导”的教学模式以及增加小学期课程的方式，对“隧道工程”课程内容及教学安排做出了补充完善，旨在提高“隧道工程”课程的教学质量，激发学生的学习兴趣，采取以教师为引导、以学生为主体的模式，增强学生对“隧道工程”课程的实践应用能力和高效利用数值模拟软件的能力。

［关键词］ 隧道工程；教学改革；数值模拟；教学模式

［基金项目］ 2021年度国家级一流本科专业建设“土木工程”（教高厅函〔2022〕14号）；2020年度贵阳轨道交通3号线一期项目管理公司“贵阳城市轨道交通区间隧道下穿既有铁路关键技术研究”（GD3-FW-YJ-05-2020-13-ZB）；2022年度贵州省自然科学基金“直剪条件下不共面非贯通节理岩体破坏模式和机理及强度模型研究”（黔科合基础-ZK〔2022〕一般082）

［作者简介］ 刘远明（1975—），男，贵州铜仁人，博士，贵州大学土木工程学院教授，主要从事隧道工程研究；王义乾（1999—），男，贵州遵义人，贵州大学土木工程学院2022级土木工程专业硕士研究生，研究方向为隧道工程；杨 超（1998—），男，贵州遵义人，贵州大学土木工程学院2022级土木工程专业硕士研究生，研究方向为隧道工程。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）35-0105-04 ［收稿日期］ 2023-08-21

引言

“隧道工程”是土木工程专业地下工程方向的一门专业性、实践性和综合性很强的专业课程［1］。该课程的教学目标和教学任务是使学生掌握隧道工程的基本概念、基本构造、设计理念、施工方法以及行业规范等，初步具备在隧道工程勘察、设计和计算、施工和监理行业的从业能力［2］。

目前，在“隧道工程”课程改革方面，很多学者做了大量的研究。王迎超等［3］从文献检索、现场调研和课前案例教学准备等方面对“隧道工程”教学进行了调整。李化云等［4］将“互联网+”与“隧道工程”教学相结合，改变了传统的教学方式。张学民等［5］分析了“隧道工程”教学的矛盾，从教材的强化、一课多人上的教学方式和科研助教等方面对这门课程实行了教学改革。李根［6］使用数值仿真模拟软件对“隧道工程”的教学方式进行了改进。

综上所述，在提升“隧道工程”课程的教学质量、促进学生的工程实践能力方面，许多学者提出了有益的改革方法。针对贵州大学本科课程“隧道工程”的教学现状，本文以桐梓隧道为工程背景，以提高教学质量和学生能力为目标，结合数值模拟对现有的“隧道工程”教学模式进行了改革。同时，致力于提升学生对专业知识的理解水平，培养他们的学习能力和实践应用能力。

一、“隧道工程”教学存在的问题

“隧道工程”是桥梁与隧道工程和城市地下空间工程专业的专业核心课程，包含隧道工程勘察设计、隧道的主体建筑结构、隧道附属建筑、围岩分级及围岩压力、隧道衬砌结构计算、隧道施工方法与隧道施工组织等，涵盖内容广泛且复杂。同时，这门课程不仅影响学生的绩点，更与毕业设计、学生未来的就业息息相关，所以，针对贵州大学目前“隧道工程”课程存在的不足，结合贵州第一深埋公路长隧道桐梓隧道，联系数值模拟对教学方案进行了改革。

首先，贵州大学在“隧道工程”教学中采用“一师一课”的教学模式。“一师一课”是指“隧道工程”课程只有一名教师负责本门课程，但是这门课程的内容复杂且繁多，同时包括课程设计，因此，在课时被严重压缩的情况下，由一名教师在有限的课时时限内，将本门课程讲解透彻比较困难。

其次，在如今的时代，各行各业都与计算机紧密联系，但在目前的“隧道工程”课程中，我们仅简单地利用PPT结合板书进行教学，并没有很好地运用多媒体资源，仍以教师讲课为主，然而学生须主动参与学习，而非被动接受知识，只有这样才能提升教学质量，充分发挥学生的学习潜能。在讲授某一些章节时，比如隧道的施工工法，如果按照书上的内容讲解全断面法、台阶法、CD法、双侧壁导坑法的施工步骤，然后展示一些简单的图片，没有充分利用计算机的优势，易导致学生只对这个知识点有大概的理解，对很多细节之处不能很好地理解和掌握。

最后，“隧道工程”课程有许多难以理解和计算的地方，包括隧道支护结构内力的计算、隧道拱顶的沉降、地面沉降等，这些内容包括很多的理论推导和专业性解释。对于学生而言，如果只是照本宣科的话，不仅不能达到理想的教学效果，还会让学生感觉枯燥乏味，产生厌学心理。

二、数值仿真与课程教学相结合

随着西部大开发战略的实施，贵州发生了很大的变化。在县县通高速的基础上，在贵州多山地区，高速公路的建设涉及许多的隧道，桐梓隧道作为一条双向六车道，单向长度大于10公里，在贵州乃至全国都具有代表性。同时，随着计算机技术的日益成熟，很多软件被用于土木工程模拟计算，如有限差分法软件FLAC 3D、有限元软件Midas GTS NX、ABAQUS、ANSYS等，具有一定的可靠性。对于土木行业而言，使用数值模拟是这个专业的趋势，所以将数值模拟运用于课堂之上，提高教学质量势在必行。

针对“隧道工程”课程教学改革，尝试将数值模拟软件与教学实际相结合，根据“隧道工程”教学的不足，有针对性地提出解决方法。本次教学改革思路主要体现在以下三点：一是将原本“一师一课”变更为“一课一师一辅导”教学模式；二是在现有课时的基础上，适当增加课时；三是增加一个数值软件的后处理教学（基于FLAC 3D）。

基于以上三点，对本次教学改革方案进行详细介绍。

首先，对于“一课一师一辅导”教学模式，可以理解为在原本“一师一课”的基础上，给“隧道工程”课程增加一个熟悉一种或多种模拟软件的辅导教师，这名辅导教师的主要工作是结合“隧道工程”课本进行相应的数值模拟，比如，当讲述隧道的施工工法时，辅导教师可以基于数值软件（FLAC3D）建立常见的施工工法，如全断面法、三台阶法、CD法、双侧壁导坑法等，从建模开始，讲解如何模拟地层、锚杆、初期支护等，然后进行一步一步开挖，到最后施工结束。辅导教师可以利用其他时间，将上述过程制作成视频，再结合相应的文字介绍，向学生讲解这个过程中的一些细节及注意事项。当学生看完整个视频之后，让他们分组讨论整个流程，然后邀请某些学生阐述整个过程，同组成员可以进行补充说明。这不仅带动了课堂氛围，而且提高了学习效率，让教师作为一个引导者，以学生自由探索为主展开教学。

其次，在教学过程中，会出现一些难以理解且枯燥乏味的知识点，如在讲解第六章《隧道衬砌结构计算》时，涉及许多理论与计算，这对于教师教学和学生学习都是比较复杂的，但目前，有很多数值模拟软件可以通过计算机解决这个问题，不用我们一步步去计算。那么就需要辅导教师结合相关的数值模拟软件（如Midas GTS NX），指导学生如何利用计算机解决这个问题。在本科阶段，推荐教师使用一款岩土适用软件Midas GTS NX，这个软件为中文版，易于学习，也容易开展教学。教师可以给学生讲解什么是前处理模式、后处理模式等，教他们如何查看应力云图、变形云图、塑性区、初期支护的内力等，如何提取相应的数据，也可以结合相关的画图软件（origin）画出围岩的拱顶沉降随开挖的变化曲线，以避免烦琐的理论计算，大大减轻学生的学习压力，提供了一种便捷的方式解决难题，便于让学生提前了解科研。通过数值软件教学，可以提高学生的动手能力，有效地减少学生的学习压力，激发他们学习软件的激情，为之后的课程设计和毕业设计打下坚实的基础。

最后，如果上述方案能实施，那么课程时间将会被进一步压缩，教学效果会被进一步减弱，高校就须增加课时以保证教学成效。结合贵州大学实际，由于贵州大学有小学期，那么可以将课程设计与软件教学放在小学期，不占用原本课时，同时，小学期没有很多的专业课程，课程难度不大，所以将“隧道工程”的课程设计和软件教学放在小学期，学生的学习压力也不会太大。这样做不但可以弥补小学期课程存在的问题，也可以合理安排教学时间。

下面以桐梓隧道为工程背景，结合工程实际，以FLC3D软件为例，讲解软件教学规划。

第一步，根据桐梓隧道地勘报告，选择合适的断面进行数值模拟研究，然后选择适用外置建模软件（如犀牛、Midas GTS NX）或者FLAC3D的内置建模板块进行隧道三维模型的建立，如使用软件建立三台阶开挖、CD法开挖和双侧壁导坑法的模型如图1所示。

第二步，编写命令流。命令流的大致过程可以分为：首先导入前面建的模型，开始对地层赋值，施加边界条件，进行初始地应力平衡，之后再清除位移，对需要监测的项目进行监测，然后按照开挖顺序开挖隧道，并进行初期支护，采用shell单元模拟，而二次衬砌作为安全储备，就不再进行建模计算。直至隧道开挖完成，隧道开挖的整个过程大致如上述所示。例如用FLAC 3D软件模拟CD法开挖隧道，开挖顺序如下，如图2所示。

1.先开挖左上的隧道区域，然后进行初支以及中隔墙的支护。

2.再开挖左下的隧道区域，然后进行支护以及中隔墙的支护，此时中隔墙支护完成。

3.接下来开挖右上部分并支护。

4.最后开挖右下部分及支护，拆除中隔墙。

5.重复以上步骤开挖隧道即可。

隧道开挖完之后，进入后处理模块，查看围岩的竖向变形、水平变形，同时对监测数据进行处理，例如基于桐梓隧道，研究埋深为200 m的三台阶开挖的隧道的相关云图。

第三步，辅导教师可以使用Midas GTS NX软件模拟上述过程（FLAC3D软件学习难度较高），并将其录制成视频，结合视频进行讲解，然后鼓励学生尝试使用软件解决一个简单的问题（比如二维的问题），让学生对比与其他同学计算结果上的差异，分析自己在过程中存在的问题，当然，教师要适当解答，让学生更快更好地适应这个软件。

结语

“隧道工程”是土木工程学院隧道与桥梁工程及地下工程方向的专业课程，涵盖的知识点广泛、实践性强、内容复杂且繁多，对于学生的毕业设计以及以后的职业发展非常重要。

在本文中，以桐梓隧道为背景的数值模拟、“一课一师一辅导”教学模式以及改变课程时间安排等手段，能有效解决教学中遇到的一些难题，有利于提高教学质量，激发学生的学习主动性，增强学生使用数值软件解决实际问题的能力，培养复合型人才。

参考文献

［1］王章琼，肖尊群，王亚军.隧道工程课程六位一体教学模式探索与实践［J］.高等建筑教育，2019，28（1）：88-92.

［2］王志兵，余文成，于啸波.“双万计划”背景下“隧道工程”课程教学改革与探索［J］.科教导刊，2022（31）：121-124.

［3］王迎超，靖洪文，耿凡.“隧道工程”课程教学改革思路探讨［J］.煤炭高等教育，2013，31（6）：116-118.

［4］李化云，舒志乐，刘钢，等.“互联网+”模式在“隧道工程”课程教学模式中的应用探索［J］.教育教学论坛，2022（36）：115-118.

［5］张学民，阳军生，彭立敏.国家精品课程“隧道工程”教学模式探讨［J］.当代教育理论与实践，2011，3（10）：82-83.

［6］李根.基于数值仿真的“隧道工程”课程教改及实践［J］.教育教学论坛，2021（42）：69-72.

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