基于隧道工程模型實驗平臺建設的實踐教學改革

張旭 許有俊

[摘 要] 針對當前“隧道工程”課程實驗教學環(huán)節(jié)中，對于實踐能力培養(yǎng)所遇到的困難，構建了服務于學生課堂教學和科學研究的隧道工程模型實驗平臺，以“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為依托，通過學生自主研制和改造實驗裝置并開展項目研究，著力培養(yǎng)學生解決實際隧道工程難題的能力。結果表明，這種培育模式進一步深化了產(chǎn)學研融合，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和工程實踐素質(zhì)為關鍵，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與實踐教學有機銜接，通過實驗教學有效提高了學生的實踐能力。

[關鍵詞] 隧道工程;模型實驗;平臺建設;實踐教學;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）03-0069-04? ? [收稿日期] 2020-08-31

面向2035年，土木結構工程技術將向可持續(xù)、高性能和長壽命方向發(fā)展，特別注重抵御多重災害的綜合能力[1] 。中國大規(guī)模交通隧道建設技術的不斷進步，培養(yǎng)了一大批創(chuàng)新能力強的隧道工程高素質(zhì)專業(yè)人才[2]?！八淼拦こ獭闭n程涉及土力學、工程造價、工程地質(zhì)、工程力學、鋼筋混凝土結構等內(nèi)容，包含的交叉領域的知識廣泛[3]。隧道工程具有較強的實踐性，在培養(yǎng)學生扎實理論功底和解決工程問題能力方面，實踐教學環(huán)節(jié)必不可缺[4，5]。

2015年，國務院辦公廳發(fā)布了《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》（國辦發(fā)〔2015〕36號）[6]。我國的“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽是深化大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的生動實踐，引領科研成果的轉(zhuǎn)化[7，8]。依托校內(nèi)實驗平臺，開展隧道工程模型試驗，能夠幫助學生增強專業(yè)素養(yǎng)、鞏固知識技能、提高分析水平、鍛煉實踐能力。目前，大學實驗教學大多圍繞書本內(nèi)容，無法調(diào)動學生的學習興趣。正是由于傳統(tǒng)實驗教學效果不佳，基于高校實驗室條件和任課教師負責科研項目，建設隧道工程模型實驗平臺，極大地激發(fā)了學生投身創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的熱情，解決了學生在“隧道工程”學習中所遇到實踐難題。模型實驗全過程都有學生的參與，進而可以培養(yǎng)他們的實踐能力和綜合素質(zhì)。

一、隧道工程模型實驗平臺建設

（一）隧道工程模型實驗平臺建設思路

模型試驗是將真實的結構或構件，根據(jù)相似原理做成縮小尺寸的模型，在實驗室進行測試，具有成本較低、操作簡單、反復觀察、容易理解的優(yōu)點，能夠輔助結構設計分析以及驗證其合理性。依托內(nèi)蒙古科技大學土木工程實驗室和礦山安全與地下工程院士工作站，探索一種充分發(fā)揮學生自主性的“科研服務于工程、工程反哺于教學”的規(guī)范性實驗教學模式，以工程問題為導向，充分調(diào)動學生的科研興趣?；谒淼拦こ棠Ｐ驮囼炂脚_建設，最大限度地體現(xiàn)學生的獨立自主能力，強化實驗教學環(huán)節(jié)的范圍及深度，并不斷豐富已有的模型實驗平臺資源。學生組建團隊參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，根據(jù)專業(yè)興趣選定隧道課題名稱，成立專門研發(fā)小組，由隧道工程任課教師指導，將模型實驗融入課程教學中，編制一套完整的實驗方案，聯(lián)系廠家定制實驗平臺部件。學生自主開展實驗，最后將研究成果應用于隧道實踐，以解決實際問題?；谒淼拦こ棠Ｐ蛯嶒炂脚_建設的實踐教學改革模式如圖1所示。

（二）隧道工程模型實驗平臺建設內(nèi)容

1.城市淺埋暗挖隧道工程模型實驗平臺。本實驗平臺以解決呼和浩特地鐵淺埋暗挖中的關鍵理論、建造技術和適用范圍為目標，實驗平臺以砂卵石地層的淺埋暗挖隧道建造技術實驗模擬系統(tǒng)為主，可模擬不同地應力環(huán)境下單、雙洞隧道襯砌變形及漸進破壞等情況。模型實驗教學項目有不同圍巖等級、施工方案情況下淺埋暗挖隧道開挖對地層變形影響模型實驗，通過配制不同砂卵石地層相似材料，采用石膏粉、硅藻土和水制作襯砌相似模型，對隧道開挖與支護中的土壓力、襯砌內(nèi)力、變形、地表沉降進行動態(tài)監(jiān)測。該模型實驗有利于學生對淺埋暗挖理論的理解。

2.蓋挖逆作地鐵車站工程模型實驗平臺。本實驗平臺以解決呼和浩特市蓋挖逆作法地鐵車站結構設計中的關鍵技術為目標，針對新華廣場站、中山路站和大學西街站設計采用的新型明、暗雙牛腿節(jié)點，通過縮尺模型實驗，研究鋼管混凝土柱—鋼筋混凝土梁結構抗剪設計參數(shù)的合理性及雙牛腿互相協(xié)作過程，為設計院設計方案時提供依據(jù)和參考。模型實驗教學項目有不同牛腿數(shù)量、牛腿參數(shù)條件下節(jié)點剪切實驗，制作不同尺寸、配筋率、牛腿類型的結構試件，進行鋼筋與砼材性實驗，確定實驗室加卸載方案和量測選項，對結構破壞形態(tài)及裂縫發(fā)展進行研究。

3.管廊以及頂管隧道工程模型實驗平臺。本實驗平臺以解決管廊及頂管隧道工程承插接頭力學性能、變形機制和防水失效機理為目標，基于包頭地下綜合管廊和呼和浩特市矩形頂管隧道工程，按實際設計尺寸確定實驗構件的配筋和承插接頭構造，選擇拱頂和拱底進行承插接頭的抗彎與抗剪實驗，由于這種承插接頭設計沒有明確的標準和規(guī)范，通過該實驗研究這種承插接頭彎矩—相對轉(zhuǎn)角的理論模型，直觀呈現(xiàn)承插接頭的破壞規(guī)律，增強學生對接頭設計參數(shù)及控制標準的理解，加深對內(nèi)蒙古自治區(qū)管廊及頂管隧道接頭設計理念的認識，提高學生的實踐能力。

（三）隧道工程模型實驗平臺建設特點

1.實驗教學與科研相輔相成。以任課教師團隊基于在研項目所研制的實驗平臺或?qū)W生自主研制的隧道模型實驗裝置為載體，依托國家級項目和橫向課題、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、畢業(yè)及課程設計等進行實驗，以解決實際工程問題為出發(fā)點，通過學生互相協(xié)作完成項目研究的方式，提高課程實驗教學環(huán)節(jié)的培養(yǎng)質(zhì)量。

2.極大提升學生的實踐能力。學生所參與的科研項目能夠解決實際工程中的關鍵技術和難題。學生能夠去現(xiàn)場進行短期實習，與設計方和施工方溝通掌握工程現(xiàn)狀，有利于實驗方案的編制和實施。在模型實驗臺架設計、結構構件制作、監(jiān)測方案布置等方面，以學生為主體來進行，充分發(fā)揮學生的積極性，任課教師輔助指導。

3.豐富實驗教學內(nèi)容和活力。學生從工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題，開展有針對性的研究實驗，不斷補充“隧道工程”課程的實驗教學內(nèi)容，對學生研制出色的實驗項目進行保存，任課教師制定和完善相應的教學大綱，形成完整的實驗平臺管理規(guī)范。聘請隧道領域?qū)I(yè)技術人員對實驗內(nèi)容進行評定，將實驗結果在工程中應用，提升實驗教學的活力。

二、隧道工程模型實驗平臺應用

（一）隧道工程項目案例

1.城市連拱隧道襯砌結構破壞實驗。以包頭市運營的公路連拱隧道為依托，基于連拱隧道壁后空洞、襯砌減薄、裂縫和滲漏水等病害的現(xiàn)場檢測結果，學生掌握了相似理論并研究病害存在條件下運營連拱隧道的安全狀態(tài)及結構破壞過程，然后在已有的模型實驗臺基礎上自行設計模型實驗方案。任課教師團隊目前與內(nèi)蒙古交通設計研究院有限責任公司取得了聯(lián)系，能夠獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)建設的連拱隧道設計圖紙。該實驗項目由礦山安全與地下工程院士工作站支撐，自主設計平面及三維隧道模型實驗臺，考慮圍巖與整體式及復合式襯砌的作用。

2.地鐵車站梁柱節(jié)點牛腿剪切實驗。針對呼和浩特地鐵車站設計的新型牛腿形式，按照工程中梁柱節(jié)點設計方案，確定幾何相似比為1∶4，配筋率和混凝土材質(zhì)均與實際工程保持一致，實驗構件由梁、柱和牛腿組成，其中牛腿分為明、暗兩種牛腿形式。梁的兩端固定支座，在柱的頂端單調(diào)加載，柱的上端安裝千斤頂加載裝置。實驗臺自身主要由反力架、框架梁和墊塊組成。任課教師團隊與中鐵二十局集團呼和浩特市項目部簽署橫向服務合同，針對蓋挖逆作地鐵車站設計關鍵技術進行研究，掌握了工程現(xiàn)場施工動態(tài)及基本資料，能夠為學生提供素材。

3.矩形頂管隧道承插接頭力學實驗。近年來，土壓平衡矩形頂管技術成功運用于內(nèi)蒙古自治區(qū)隧道工程建設中。呼和浩特市城市軌道交通2號線盾構下穿矩形頂管法修建的人行過街通道工程，在國內(nèi)外實屬罕見，對于矩形頂管隧道承插接頭的變形機理尚不明確，因此學生自主選定題目“矩形頂管隧道承插接頭力學性能實驗研究”，通過ABAQUS數(shù)值模擬和室內(nèi)原型實驗，對基于隧道工程模型實驗平臺建設的實踐教學模式進行了案例研究。該實驗由國家自然科學基金項目與礦山安全與地下工程院士工作站基金項目資助。

（二）實驗平臺應用過程

1.實驗項目團隊創(chuàng)建。土木工程學院擁有土木、交通、工管、造價和力學5個專業(yè)，以專業(yè)互補為原則，創(chuàng)建由土木專業(yè)的巖土和結構方向、交通專業(yè)的隧道與地下工程和力學專業(yè)為主體的3人以上組成的項目團隊，同時交叉數(shù)學、安全科學、機械工程等其他學科。項目團隊就感興趣的問題開展研究，主動聯(lián)系指導教師編寫實驗方案，由土木工程學院科技創(chuàng)新中心主任為團隊成員講述“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽的要求和流程。矩形頂管隧道承插接頭變形規(guī)律實驗項目源自企業(yè)工程中的技術難題，學生在已有實驗平臺的基礎上進行改造和設計。

2.實驗項目過程實施。學生首先采用有限元程序ABAQUS建立三維接頭模型，通過調(diào)試加載方案和實驗條件對接頭抗彎和抗剪力學性能進行研究，揭示承插接頭的破壞演化規(guī)律，為模型實驗設計提供依據(jù)。在指導教師的幫助下確定實驗方案，包括試件設計、材料選定、加載方案和監(jiān)測方案，之后，學生聯(lián)系廠家加工模具制作構件模型，設計效果如圖2所示。在此過程中，學生不僅掌握了AutoCAD繪制設計圖紙的技術，學習到數(shù)值模擬優(yōu)化實驗方案的方法，還通過制作隧道模型、安裝監(jiān)測儀器和調(diào)試實驗裝置等鍛煉了動手能力。

該項目研制了一套用于模擬矩形頂管隧道承插接頭抗剪和抗彎力學性能的實驗裝置，能夠監(jiān)測到管節(jié)應變和變形、承插接頭破壞過程、構件構造及尺寸均與工程實際的情況相同。前期實驗準備階段約占實驗周期的一半，隨后學生根據(jù)先前確定的方案開展實驗，撰寫工作日志并匯報實驗進度，最終完成矩形頂管隧道模型實驗工作，本階段約占實驗周期的四分之一。最后，學生對實驗數(shù)據(jù)整理和分析，撰寫研究報告，完成模型實驗平臺的改進與教學資源的增加，并準備大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的材料。

3.實驗項目成果鑒定。依托呼和浩特市城市軌道交通2號線盾構下穿矩形頂管隧道工程，將學生凝練的接頭力學性能實驗成果在實際工程中進行檢驗，通過提出的矩形頂管隧道接頭防水失效標準及建議，為盾構隧道下穿施工過程中引起的矩形頂管隧道接頭變形控制提供了參考，并得到施工方的認可。然而，矩形頂管隧道接頭形式十分復雜，目前還沒有專門的規(guī)范和標準進行說明，研究成果還需要進一步驗證，有極大的研究價值和發(fā)展空間，可作為學生的創(chuàng)業(yè)對象。通過校企合作模式推動學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，實驗研究團隊依據(jù)所開展的隧道模型實驗不斷改進和創(chuàng)新，學生致力解決工程中的關鍵技術難題。通過調(diào)動學校和企業(yè)的資源，建立學生實踐創(chuàng)新制度體系，實現(xiàn)學校實踐教學育人和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育新模式。

（三）實驗平臺應用效果

依托“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽開展隧道工程方向?qū)W生的實驗教學，通過學生組建項目團隊提出想法，由青年導師指導幫扶，實驗項目由科研項目支撐保證順利進行。傳統(tǒng)的隧道工程實驗教學一般按照固定的模式重復以往的工作，有些實驗因為造價較高、儀器老化等原因只能通過視頻觀摩學習，因此學生不能深刻理解實驗的目的和意義，無法提升創(chuàng)新和實踐能力?；谒淼拦こ棠Ｐ蛯嶒炂脚_，學生從實驗臺架設計、模型制備、材料配制等出發(fā)，在深入掌握實驗原理和目的的條件下，獨立開展實驗方案設計，并以團隊形式協(xié)作進行實驗，有效地激發(fā)了學生從實踐中尋找問題的動力。學生參與隧道工程科研項目，能夠接觸到工程中真實存在的難題，通過實驗探索解決工程問題的過程，能夠為學生就業(yè)和創(chuàng)業(yè)奠定良好的工作基礎。學生通過參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，極大地提升了團隊合作能力。轉(zhuǎn)變學?；谒淼拦こ虒嶒炂脚_建設的科研優(yōu)勢為人才培養(yǎng)優(yōu)勢，實現(xiàn)服務學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的目的。

三、結語

本文以內(nèi)蒙古科技大學依托“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽進行的實驗教學為例，研究了基于隧道工程模型實驗平臺建設的學生實踐教學效果，有效提高了學生實踐能力。通過實踐基于隧道工程模型實驗平臺的學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培育模式，即學生項目團隊+任課教師+科研項目組，讓學生的創(chuàng)新想法、教師指導和課題資源互相支撐，在極大地發(fā)揮學生的興趣和自覺性的同時，有效地豐富了學校實驗平臺資源，進一步推動了教學與實踐相結合。學生圍繞工程中遇到的關鍵科學問題所開展的模型實驗具有較高的創(chuàng)新性和應用價值，通過大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目引導，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與實踐教學有機銜接。

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