隧道典型施工工法虛擬仿真課程建設(shè)

周墨臻，房 倩，張頂立

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044）

1 課程內(nèi)容簡介

在我國復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件下，高速鐵路的建設(shè)，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(fù)雜地質(zhì)隧道修建技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，才使得中國高鐵的建設(shè)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(guān)課程的實踐教學(xué)。①隧道建設(shè)周期長，學(xué)生難以在短期內(nèi)對隧道施工全過程進行系統(tǒng)學(xué)習(xí)；②隧道屬于隱蔽性工程，學(xué)生即使在現(xiàn)場也難以了解支護結(jié)構(gòu)體系的全貌；③隧道施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，大規(guī)模的現(xiàn)場實習(xí)，存在一定的安全風(fēng)險；④實際隧道工程施工不可能接受學(xué)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(shù)再現(xiàn)高鐵隧道鉆爆法施工工序、構(gòu)件安裝、機械操作等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛擬設(shè)備的人機交互操作，突破隧道專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)在時間和空間上的限制，引導(dǎo)學(xué)生進行隧道典型施工工法的學(xué)習(xí)和實操。學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)備認知、實驗原理學(xué)習(xí)、施工關(guān)鍵步序和主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)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(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)模塊包括預(yù)習(xí)系統(tǒng)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)。預(yù)習(xí)系統(tǒng)包含實驗?zāi)康摹⒃怼⒃O(shè)計、操作步驟、注意事項等，向?qū)W生準確地傳達實驗知識點[2]。學(xué)習(xí)系統(tǒng)采用動態(tài)模式將所有機械設(shè)備及其功能進行展示和說明，學(xué)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(xué)習(xí)隧道典型工法的施工工序，設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)并完成實驗，同時每個施工工序均有相應(yīng)知識點的介紹。當學(xué)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(xué)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(shù)，模擬鉆爆法高鐵隧道施工過程中所涉及的材料、機械和設(shè)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(xué)管理系統(tǒng)。包括預(yù)習(xí)、開課管理、實驗庫維護、教學(xué)安排、實驗指導(dǎo)、結(jié)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(xué)生的學(xué)習(xí)成果，在無任何提示的情況下，學(xué)生獨立設(shè)計并完成隧道修建的整個過程。考核系統(tǒng)中設(shè)有考點設(shè)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(jié)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(shè)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(xué)生選擇，并包括多種特殊地質(zhì)。針對不同的地質(zhì)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(shè)計。知識點：鉆爆法施工超前地質(zhì)預(yù)報方法及不良地質(zhì)處理方法，掌子面超前加固機理，管棚作用機理，超前小導(dǎo)管作用機理。仿真度：實驗場景位于隧道開挖掌子面前方，學(xué)生判斷是否需要進行超前地質(zhì)預(yù)報，并選擇不同的不良地質(zhì)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(yīng)的塌方事故。

③鉆爆法爆破設(shè)計。知識點：鉆爆法炮孔布置方式及分類，光面爆破和預(yù)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(shè)計的原則和圖紙，引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(shè)計。知識點：隧道支護―圍巖作用關(guān)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(dǎo)學(xué)生理解支護―圍巖相互作用關(guān)系，設(shè)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(yīng)展示可能導(dǎo)致的事故及真實案例。

2 課程建設(shè)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(xué)的傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，學(xué)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(shè)。項目團隊將長期科學(xué)研究形成的科研成果融入實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了地質(zhì)條件、工程響應(yīng)及安全效應(yīng)的“透明化”，再現(xiàn)了高鐵隧道施工的26 道關(guān)鍵工序，突破了短期現(xiàn)場實習(xí)無法認知施工全貌及全過程的教學(xué)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(xué)生深刻理解隧道學(xué)科的核心基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實際復(fù)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(xué)科基礎(chǔ)理論及科學(xué)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(shè)計了差異化輸入。在實驗過程中，學(xué)生針對不同的圍巖條件等特征參量，合理設(shè)計并選擇相應(yīng)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(guān)鍵理論的計算結(jié)果，并實時反饋給學(xué)生，實現(xiàn)查缺補漏，提升學(xué)習(xí)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(xué)生在高鐵隧道仿真施工過程中的設(shè)計交互進行實時記錄，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)反饋的設(shè)計結(jié)論及糾錯提示及時調(diào)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(guān)鍵施工步序，每道工序均對應(yīng)學(xué)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(xué)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(xué)及現(xiàn)場實習(xí)的時空限制，使學(xué)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(xué)手段的重要補充。實驗系統(tǒng)在提供多輸入設(shè)計交互的同時，還融入了隧道工程破壞機理與災(zāi)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(jié)合，對教學(xué)方式方法和教學(xué)內(nèi)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(yīng)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(zhì)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(fù)原地質(zhì)情況。掌握巖溶、斷層等不良地質(zhì)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(xué)生預(yù)設(shè)爆破參數(shù)，系統(tǒng)自動鉆孔，引導(dǎo)學(xué)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(jié)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(yù)裂爆破的起爆順序。

⑤爆破。操作鼠標和鍵盤完成人員與設(shè)備的移動，待人員、設(shè)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(jié)束后，先采用通風(fēng)機通風(fēng)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(fēng)，則出現(xiàn)警告，提示會出現(xiàn)安全事故，由此強調(diào)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(xué)習(xí)圍巖特性曲線和支護特性曲線，學(xué)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(dǎo)管。選取合適的錨桿鉆機沿隧道拱部鉆孔，學(xué)生自主選擇超前小導(dǎo)管進行注漿操作，掌握超前小導(dǎo)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(fù)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(xué)習(xí)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(shè)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(guān)鍵施工步序，系統(tǒng)顯示考核分數(shù)與結(jié)果。單擊“返回首頁”，退出系統(tǒng)，實驗結(jié)束。

4 課程應(yīng)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(xué)中存在的不足，通過完成虛擬仿真實驗任務(wù)，有效調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能。學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真實驗訓(xùn)練后，自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力得到明顯提升，尤其是對實際復(fù)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(chǔ)。

實驗項目在國家虛擬仿真實驗教學(xué)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(zhì)教學(xué)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。