基于數值仿真的“隧道工程”課程教改及實踐

李根

[摘 要] 大規模的數值仿真是現代計算力學的主要特征之一，對于深入分析隧道工程中材料破壞本質、工程支護和穩定性評價以及采取相應的預測和防護措施都有很積極的意義。通過將傳統隧道工程教學改革為一種新型實驗教學模式，使其具有了經濟性、拓展性、直觀性和綜合性等優點。利用高性能服務器對圍巖、襯砌和支護結構變形與破裂過程進行數值仿真，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且可以通過數值仿真深刻理解許多單憑書本所無法理解的原理和重要觀察得來的信息，認識工程結構變形破壞機理，掌握最新的計算方法，對于提高高等學校重要課程的教學水平，培養應用創新型人才具有重要的實踐價值。

[關鍵詞] 數值仿真;隧道工程;教學改革;變形破壞

[基金項目] 2020年度大連理工大學教學改革基金項目“基于數值仿真的‘隧道工程課程教學改革實踐”（YB2020042）

[作者簡介] 李 根（1982—），男，遼寧沈陽人，博士，大連理工大學建設工程學部副教授，主要從事巖土工程的教學研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）42-0069-04? ?[收稿日期] 2021-05-25

一、引言

進入21世紀，隨著人類文明發展，人們的生存空間受到挑戰，逐漸向地下空間發展，以緩解土地資源緊張而帶來的各種壓力，地下空間是“潛在而豐富的自然資源”已經成為共識。世界各國城市紛紛把開發利用地下空間資源作為解決城市人口、資源和環境危機，實現可持續集約化發展的重要措施[1，2]。這也給土木工程學科指明了未來的發展方向，正如東京宣言所講，21世紀必將成為地下空間開發的世紀?！八淼拦こ獭闭n程作為土木工程（地下工程方向）的專業重要主干課程之一，服務于當代地下工程建設的基礎知識需求[3] 。

由于這是一門認識性強與實際工程緊密結合的課程，其中需要學生深刻理解的概念和力學現象特別多，并要求能夠聯系實際解釋一些實際問題。傳統教學采用書本和靜態圖片往往難以形象化的理解，特別是對于不同視角的情況。在講授圍壓、襯砌和支護的教學中，巖石的拉、壓、剪等巖石破壞基本概念，都是非常重要的教學內容。然而，在實際上隧道圍巖、襯砌混凝土等材料非均質性和非連續性較強，同時含有較多天然缺陷，在復雜條件下現有的力學解析理論很難準確的描述圍巖和襯砌真實的變形和破壞情況。因此，目前有關概念上的理解教學，主要依賴于現場實際觀測和實驗室物理試驗?，F場觀測是一種直觀、真實的方法，但現場觀測嚴重受現場條件的限制，需要一定的人力、物力和財力支持，另外，安全問題也至關重要，在常規的教學中很難實施;物理試驗是認識實際、指導實際的有效方法，但隧道模型試驗制作過程、試驗條件和監測復雜，巖石和混凝土非均質性較強，試驗重復性差，并且各學校的實驗室條件差異性大，常規教學概念的認識往往很難通過物理試驗來展示隧道工程各部位內容。所以傳統的教學內容和手段已經不適應當下隧道工程的快速發展，不能滿足新時代的教育理念和創新型人才培養的要求。

基于現代計算力學的新理論、新方法，研究隧道工程中圍巖和混凝土等材料結構的變形、破壞和穩定性特征，利用先進的計算機可視化技術實時動態的展示計算結果，是隧道工程教學改革的新方向，是一種新的教學輔助手段，重復性強，可突破傳統現場實際觀測和實驗室物理實驗的各種條件限制?；诟咝阅苡嬎愕臄抵捣抡孳浖苣M復雜結構和大型工程問題，使學生掌握計算理論和方法，能分析認識復雜結構的變形、破壞及內在機制，這樣不僅能達到數值實驗輔助教學的目的，也能將科研和教學相結合，實現“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”這一教學目標。

二、數值仿真的重要價值

21世紀是信息科技的時代，科學計算和理論、試驗一樣，已成為科學研究的一種重要手段，是21世紀科技領域中重要的組成部分。隨著高性能計算機的出現，人們可以通過計算機模擬研究試驗參數、規模和復雜度遠超物理試驗條件限制的各種情況?？梢哉f，計算機仿真在理解科學現象、對復雜工程系統建模方面發揮著越來越重要的作用。數值仿真有別于注重再現已知現象的數值模擬，對于一些由于人力、物力和財力限制的難以在實驗室開展的試驗，數值仿真可以方便地計算模擬，它注重于通過仿真計算對未知現象進行虛擬顯現和認識[4]。

隨著許多大型隧道工程的相繼實施，如“川藏鐵路”“南水北調工程”“錦屏工程”等重大項目，都涉及眾多工程安全和穩定性問題。這些工程對數值仿真的單元規模和計算能力提出了更高的要求，仿真建模的范圍通常可達幾百米甚至幾千米，模型也越來越復雜，另外，工程中的破壞失穩問題是一個從變形起始到最終破壞失穩的過程，例如理解新奧法支護的原理，這一過程涉及的網格重劃分、單元消去與再生、節點釋放和數據存儲管理都是非常復雜的處理過程，也是非常漫長的，傳統的內存和串行CPU也都無力計算這些大規模的問題。對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算，計算時間多達數天到數十天。針對大規模復雜系統的數值仿真是現代計算力學的主要特征之一，這種由一點一時的狀態計算到整個空間和時間上的全程模擬是有限元方法的一個重大發展。采用大規模的科學與工程計算，提高計算速度和能力，對于深入分析隧道工程中圍巖和支護材料變形破壞本質、工程支護和穩定性評價以及采取相應的預測和防護措施都有很積極的意義[4]。

三、數值仿真在隧道工程課程中的實踐應用

隨著數值計算方法與計算機仿真技術的發展，是一種新的數值試驗方法，為隧道工程提供新的輔助教學手段，已成為國內外土木與工程力學專家追求的新目標。自主開發的軟件系統RFPA教學版本基于有限元理論和統計損傷理論，是一款能夠實現工程模擬和力學研究的數值實驗軟件[5]。目前，RFPA軟件已在清華大學、大連理工大學、東北大學、重慶大學、中南大學、香港大學、香港理工大學、Laurentian大學、Lulea大學等知名院校得到廣泛使用，十余所學校已成立巖土工程數值仿真實驗室，該軟件在“巖石力學”“隧道工程”等課程教學和大量的工程模擬中發揮出越來越重要的作用[6]。

利用建工學部高性能計算中心的聯想深騰1800服務器，在土木工程、水利工程專業的本科生、研究生的教學工作中，開展基于數值仿真技術的“隧道工程”課程教學，在高性能服務器上，實現隧道圍巖、支護體系變形破壞過程的大規模科學計算教學，建立一種“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的創新教學平臺。

“隧道工程”主要通過講授的教學方式介紹交通隧道的基本概念與功能、隧道勘測設計、主體建筑與附屬建筑、圍巖分類與圍巖壓力、襯砌結構的設計與計算、隧道施工方法與工藝、新奧法理論與技術、隧道的營運管理與養護維修等。課程采用多種方法協同教學，充分發揮實物圖片、flash動畫、視頻和數值仿真軟件（RFPA、ANSYS、FLAC等）的各自優勢，使學生能理解、能判斷、能設計、能分析各部分內容。課程的一些目標和具體實踐應用如下。

1.要求學生掌握隧道勘測設計的原理和技能，了解隧道主體及附屬建筑。采用flash動畫的形式展示隧道工程的基本概念、特點、種類及作用，世界及我國“隧道工程”的歷史和發展以及該課程的主要內容;實物照片圖展示隧道限界與凈空的關系、隧道防排水設施的類型與設置。結合視頻展示隧道工程地質調查的方法與內容;基于RFPA仿真展示地質情況、地應力狀況對洞口位置合理選定（通過襯砌結構變形破壞定性說明）和影響，包括對隧道線路設計考慮的因素。通過軟件系統的前處理功能建立幾何模型展示隧道襯砌斷面設計、隧道洞身支護結構、洞門結構及明洞結構（這些模擬可以為后續的進一步力學分析所使用），并且通過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.學習判斷圍巖穩定性的分析方法，掌握圍巖分級，了解圍巖壓力的特性及計算方法;掌握襯砌結構計算的基本方法，具備隧道結構設計的基本能力。通過數值模型均質度對隧道變形和破壞的影響，來深入體會圍巖分級的工程目的及分級方法;結合國標《工程巖體分級標準》《公路隧道設計規范》《鐵路隧道設計規范》等相關規范，講解分級體系，圍巖分級涉及的具體內容、技術和方法。通過RFPA軟件系統建立的數值幾何模型展示隧道圍巖的概念、圍巖的工程性質及圍巖的穩定性，熟悉圍巖壓力與隧道結構的關系及圍巖壓力的確定方法，計算分析各類巖石試樣的變形破壞全過程，深入介紹巖石的強度特征。

通過ANSYS仿真軟件和RFPA軟件建立隧道結構體系的計算模型，展示結構力學方法與巖體力學方法得到的隧道支護結構變形過程;通過RFPA仿真軟件進行隧道洞門結構計算、隧道抗震計算，講解數值模擬的理念和大概方法。如圖1示意隧道支護體系的數值仿真建模與分析計算過程，模擬了在支護條件下淺埋隧道的坍塌范圍，與工程實際情況相符合。數值仿真能幫助對施工方法、設計與計算等教學內容的直觀認識與理解。

3.熟悉隧道各種施工方法的特點，學習現代新奧法理論及其設計與施工的特點，了解隧道施工的各種工藝。

通過RFPA仿真軟件模擬的各種概念模型來展示礦山法施工方法，如新奧法施工方法、傳統礦山法、洞口段施工方法、明洞施工方法、輔助施工措施及特殊地質地段隧道施工;通過FLAC3D仿真軟件模擬的各種概念模型和flash動畫來協同展示鉆爆開挖、出碴與運輸、支護技術、模筑混凝土襯砌施工。

通過數值軟件和flash動畫的聯合應用來展示新奧法的概念、新奧法隧道施工過程的力學分析;通過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與工藝;通過大量現場圖片和視頻展示新奧法監控量測、量測的手段與數據處理。

通過flash動畫和視頻介紹隧道輔助坑道的工程特點、類型與應用;施工通風與防塵、壓縮空氣供應、施工供水與排水、施工照明與供電。通過實物圖片展示隧道掘進機的特點、類型、構造與適應條件;結合flash動畫的形式展示掘進機配套的支護結構，它們的類型、適應條件及施工方法。

4.結合高性能計算，依托高性能服務器，實現隧道開挖—支護—形變控制全過程仿真的教學。使學生掌握基本的軟件使用和分析能力。

研究高性能計算方法，進行軟件的編寫與開發，建立適合教學與科研相結合的隧道工程仿真演示系統，并編寫完善軟件使用說明書，模擬各類概念模型，整理計算的結果，錄制典型操作算例的視頻過程。

開展相應的數值課程，通過教學演示對學生進行基本的軟件培訓，介紹RFPA的基本原理和適用范圍，模型設置方面各參數的意義和影響，重點講解均質度的概念和特點;演示軟件的基本操作步驟，具體可用軟件建立不同尺寸，不同單元數的模型或者將CAD等軟件建立的模型導入RFPA，并進行單元劃分與賦值;針對不同的實際問題講解RFPA中如何設置相應的邊界條件，以及控制條件中的求解類型、求解步數等;對計算完的模型進行后處理查看，講解不同的應力云圖、聲發射圖等，以及不同位置、不同單元的單元信息數據查看和導出，將導出的數據繪制不同的曲線，結合云圖進行應力、位移、破裂演化過程等分析，同時根據結果進行模型方案的優化改進，為實際工程的設計施工提供指導。

編寫數值實驗指導書。對學生進行分組，采取小組合作的方式完成小作業。針對隧道工程的幾個關鍵問題開展數值實驗，包括比較深埋隧道和淺埋隧道的不同，隧道的洞型選擇，隧道的不同開挖方法（如一步開挖、分步開挖等）對隧道變形、破壞和穩定性的影響，不同支護方式的比選和效果評價，隧道不同部位的應力、應變等變化規律，還有其他隧道問題，最后提交數值實驗報告。為了調動大家積極性，充分發揮團隊合作，控制小組人數和數值實驗工作量，不同的小組采用不同的參數。

四、結語

本研究是對傳統隧道工程教學改革的一種新型實驗教學模式，具有經濟性、拓展性、直觀性和綜合性等優點。采用數值仿真教學軟件、高性能計算機和課堂教學相結合，構建一種隧道工程理論教學與實踐教學相銜接，工程本身與數值試驗相對應多種教學形式和內容體系，探索由理論探討與交流、仿真與實踐、思維學習與科研探索組成的實驗教學體系。通過長期的實踐應用將會取得如下顯著教學效果。

1.通過合理的課程建設使學生體驗含義豐富生動概念的隧道工程知識，使學生脫離于傳統課堂文字教學的枯燥學習，在樂趣和生動中學習隧道工程的內容，對課程的難點、重點能全方位的認識理解。

2.掌握數值仿真的基本流程和操作，激發學生對數值仿真的興趣，可參加與土木工程及相關專業的模型設計競賽。充分發揮學生的聰明才智，促進學生創新思維，鍛煉學生的創新能力﹑設計能力﹑實踐能力和團隊協作能力，形成良好的競爭氛圍，培養初步的學術能力。

3.完成能豐富生動概念展示隧道工程的PPT課件，開發的教學與科研相結合的隧道工程仿真演示系統可提供給其他高校教學使用;“教與學的互動、理論與實踐的結合、能力與興趣的共增”的創新教學平臺適用于同類型課程的開發和實踐。

4.經過本課程的學習之后學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計、施工及組織管理的基本能力，能根據實際工程問題查找相關規范并結合規范進行結構選擇和設計，達到有關技術和研究工作的基本素質和能力。

參考文獻

[1]中國巖石力學與工程學會.中國城市地下空間發展藍皮書（2018）[R].2018.

[2]洪開榮.我國隧道及地下工程發展現狀與展望[J].隧道建設，2015，35（2）：95-107.

[3]陳志敏，歐爾峰，馬麗娜.隧道及地下工程[M].北京：清華大學出版社，2014：1-100.

[4]梁正召.三維條件下的巖石破裂過程分析及其數值試驗方法研究[D].沈陽：東北大學，2005.

[5]張曉君，鄭懷昌，張軍.數值試驗礦壓模擬實驗教學探討[J].高校實驗室工作研究，2012（3）：9-10.

[6]包春燕，羅琳，李安原，等.基于數值實驗的本科“巖石力學”教學模式改革探討[J].紹興文理學院學報（教育版），2020，40（1）：57-62.

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