“隧道工程”课程围岩力学问题可视化教学研究

2016-12-01王章琼余浩延王亚军

中国地质教育 2016年3期

关键词：隧道工程偏压应力场

王章琼，陈为，余浩延，王亚军

武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430073

教学方法

“隧道工程”课程围岩力学问题可视化教学研究

王章琼，陈为，余浩延，王亚军

武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430073

隧道施工过程中对围岩的开挖、支护以及围岩与支护结构的相互作用等围岩力学问题，是“隧道工程”课程的核心内容之一。分析了“隧道工程”课程中主要围岩力学问题及其教学难点，利用数值分析软件FLAC-3D模拟和分析了围岩初始应力场、开挖过程中围岩应力重分布情况、支护结构受力情况以及特殊地质背景下的围岩力学问题，将模拟结果制作成视频和图片进行可视化教学，取到了良好的教学效果。

隧道工程；可视化；数值模拟；教学研究

tunnel engineering；visualization；numerical simulation；teaching research

一、引言

近年来，随着我国高速公路、铁路建设的迅猛发展，出现了越来越多的隧道工程[1]。与此同时，隧道工程所处的地质背景日益复杂，施工难度日趋增大。在一些地质条件复杂的深埋长大隧道工程中，经常出现围岩塌方事故，轻则导致支护结构变形、失效，重则造成机器损毁、人员伤亡、延误工期等严重后果[2]。熟悉围岩的力学特性并进行适时、合理支护，是确保隧道施工安全、保证施工质量的基础和前提。

“隧道工程”是土木工程专业交通土建方向及道路桥梁与渡河工程专业的专业主干课程[3]，该课程主要介绍隧道的发展历史、勘察、设计、施工、运营管理与维护等相关知识和理论[4-6]。由于隧道工程通常采用暗挖法施工，施工过程具有隐蔽性，加之地质体性状的诸多不确定性，使得隧道施工具有难度大、不确定因素多、危险性高等特点，隧道施工是“隧道工程”课程的核心内容。隧道施工中的开挖、支护等，都是直接与围岩发生作用，隧道施工过程，实际上是围岩受扰动并被施加约束的过程，也是围岩受力状态经过多期调整的过程。了解和熟悉围岩特性，才能更好地指导施工。然而，这些力学问题仅凭数学表达式或语言描述，往往无法直观地呈现出来，导致学生对相关理论和知识点理解不透彻，这在一定程度上影响了该部分内容的教学效果。

笔者结合自身从事的地下工程研究项目，利用岩土数值分析软件将上述围岩力学问题通过图片及视频的形式展现出来，探索性地开展可视化教学，以增强教学效果、提升教学质量。

二、隧道围岩力学问题及教学难点

隧道工程施工是“隧道工程”课程中的重点内容，隧道施工过程，简单地说是开挖岩土体并进行支护的过程，其实质是围岩从初始平衡状态到开挖后的不平衡状态，再到支护后的相对平衡状态，也是围岩与支护结构之间相互作用的力学过程(图1)。

其中，围岩应力重分布过程及规律、支护结构与围岩相互作用，是隧道施工过程中力学问题的核心，也是正确理解为何要进行支护、采用何种方式支护、支护时机的选择等问题的关键所在。

隧道施工过程中的围岩初始应力状态、开挖后围岩的变形及稳定性、支护结构与围岩相互作用等，是隧道施工过程中的关键问题，这直接影响到隧道围岩的稳定性、施工过程的安全性以及支护结构的合理性。

图1 隧道施工过程中受力情况示意图

上述围岩力学问题可运用材料力学、结构力学及弹塑性力学中的相关理论来阐述，常规的教学方法是推导力学计算公式，或采用高度概括的示意图进行辅助讲解，然而这些方法都无法很好地直观展示围岩力学状态及其变化过程。此外，由于隧道断面形式多样、实际地质条件复杂多变，简单的数学模型无法描述这些实际问题，迫切需要探索新的教学手段、方法，以达到直观、明了的效果。

三、可视化教学方法及FLAC-3D简介

“可视化”又称信息可视化、知识可视化等，是随着信息技术的发展而快速发展起来的一种技术方法，也可称之为一门学科[7]。可视化显著的效果是可以将大量难以用语言直接表达的信息进行高度概括，通过图形化的形式表达出来，使信息接收者能够获得全面、深层次的认知。有研究表明，大部分可视化教学能够对学生学习效果产生积极影响[8]。

目前，常见的可视化教学形式主要有视频、图片等，一般采用计算机软件将数据、过程转化为视频、图片，如MATLAB平台[9]、可视化编程工具VB6.0[10]、Maple[11]等图形绘制软件，以及Flash、JavaScript等动画制作软件[12]。

FLAC-3D是美国Itasca公司开发的有限差分程序仿真计算软件，在岩土工程领域得到广泛应用。该软件具有显式计算的优点，能有实时显示计算过程，因而可以直观展现计算过程中模型的应力、应变等参数的变化过程。此外，该软件还可以自动将计算过程保存成avi格式的视频文件，供计算结束后查看。本文采用该软件进行隧道自重应力场生成、隧道开挖后围岩应力重分布、支护结构与围岩相互作用等围岩力学问题分析，并将计算结果制作成视频、图片，用于可视化教学。

四、隧道围岩力学问题可视化

1.围岩初始应力场

在隧道开挖之前，围岩中就存在初始应力，这种在长期地质历史过程中形成的应力场即为初始应力场。初始应力场是与时间和空间有关的变量，受地层岩性、地形地貌、地质构造、岩体结构、地下水、地温等因素的影响，通常情况下自重应力与构造应力占优势。自重应力场是由上覆岩层的自重形成的压应力，一般由岩体重度与纵向厚度的乘积来表示。构造应力场则是岩层在经历过地质运动改造后，残余构造应力的空间分布状态，构造应力一般以压应力为主，此外还有剪应力等形式。

初始应力场是岩体力学及地下工程中重要的课题之一，准确理解初始应力场的形成原因和分布规律，是理解隧道开挖参数及围岩支护参数选择的重要基础。通过数值仿真模拟地应力场的形成过程、分布规律，并以视频的形式进行动态展示，有助于学生对上述概念的深入理解(图2)。

2.围岩开挖过程中应力重分布情况

隧道开挖施工前，围岩处于相对稳定的初始应力状态。隧道开挖后，随着临空面的出现及应力的释放，围岩初始平衡状态被打破，逐渐向隧洞空间发生松弛变形，其实质是应力逐渐释放、调整的过程，直观上表现为围岩变形、掉块过程。理解隧道开挖后围岩应力调整过程、变形发展过程及其特征，是合理选择支护时机和支护方式的关键所在。

通过FLAC-3D数值模拟，可以将该过程以动画的形式展现出来，如在一定地质条件、一定隧道断面形式及一定开挖方式下，隧道围岩哪些部位变形最大，哪些部位应力集中现象明显，各部位变形形式如何等等(图3)。

在此基础上，可以改变地质条件、隧道断面形式等，引导学生开展研究性学习，分析不同工况下围岩应力场可能出现的变形规律。一方面，可以锻炼学生运用已掌握的专业知识分析和解决实际工程问题的能力；另一方面，可以增强课堂的趣味性，提高学生学习的积极性。

3.支护结构受力情况

隧道支护结构一般包括初衬和二衬两部分，其中初衬以锚喷支护结构为主，属于柔性支护；二衬为钢筋混凝土衬砌，属于刚性支护。二衬本身是钢筋混凝土结构，其结构构造较为简单，但作为隧道支护结构的衬砌，自始至终与围岩发生相互作用，使得其受力、变形特性极为复杂。

图2 初始应力场形成过程视频

图3 无支护条件下隧道围岩应力重分布过程视频

为此，对二衬在工作状态下的应力场分布规律进行数值计算，并利用FLAC-3D强大的后处理功能查看二衬结构应力云图(图4)。该云图不仅可以直观展示二衬在工作状态下的受力特点，还可以引导学生根据应力分布情况，思考如何对二衬截面尺寸及配筋进行优化设计。

4. 偏压隧道围岩力学问题

偏压是指由于地形不对称或岩层产状因素，造成隧道结构两侧荷载不对称的现象，偏压常见于浅埋隧道。按照造成偏压的原因，偏压隧道可分为地形偏压和构造偏压两种。前者是当隧道上部山体表面坡度较大时，坡面附近应力发生偏转，且隧道两侧围岩自重应力不对称，导致隧道两侧应力场不对称；后者是当隧道围岩呈层状产出，且岩层面倾斜时，隧道围岩变形具有不对称性，从而对支护结构产生不均匀围岩压力。传统的隧道断面及支护结构均为对称结构，偏压对支护结构的受力极为不利。