基于数值仿真的“隧道工程”课程教改及实践

李根

[摘 要] 大规模的数值仿真是现代计算力学的主要特征之一，对于深入分析隧道工程中材料破坏本质、工程支护和稳定性评价以及采取相应的预测和防护措施都有很积极的意义。通过将传统隧道工程教学改革为一种新型实验教学模式，使其具有了经济性、拓展性、直观性和综合性等优点。利用高性能服务器对围岩、衬砌和支护结构变形与破裂过程进行数值仿真，不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点，而且可以通过数值仿真深刻理解许多单凭书本所无法理解的原理和重要观察得来的信息，认识工程结构变形破坏机理，掌握最新的计算方法，对于提高高等学校重要课程的教学水平，培养应用创新型人才具有重要的实践价值。

[关键词] 数值仿真;隧道工程;教学改革;变形破坏

[基金项目] 2020年度大连理工大学教学改革基金项目“基于数值仿真的‘隧道工程课程教学改革实践”（YB2020042）

[作者简介] 李 根（1982—），男，辽宁沈阳人，博士，大连理工大学建设工程学部副教授，主要从事岩土工程的教学研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）42-0069-04   [收稿日期] 2021-05-25

一、引言

进入21世纪，随着人类文明发展，人们的生存空间受到挑战，逐渐向地下空间发展，以缓解土地资源紧张而带来的各种压力，地下空间是“潜在而丰富的自然资源”已经成为共识。世界各国城市纷纷把开发利用地下空间资源作为解决城市人口、资源和环境危机，实现可持续集约化发展的重要措施[1，2]。这也给土木工程学科指明了未来的发展方向，正如东京宣言所讲，21世纪必将成为地下空间开发的世纪。“隧道工程”课程作为土木工程（地下工程方向）的专业重要主干课程之一，服务于当代地下工程建设的基础知识需求[3] 。

由于这是一门认识性强与实际工程紧密结合的课程，其中需要学生深刻理解的概念和力学现象特别多，并要求能够联系实际解释一些实际问题。传统教学采用书本和静态图片往往难以形象化的理解，特别是对于不同视角的情况。在讲授围压、衬砌和支护的教学中，岩石的拉、压、剪等岩石破坏基本概念，都是非常重要的教学内容。然而，在实际上隧道围岩、衬砌混凝土等材料非均质性和非连续性较强，同时含有较多天然缺陷，在复杂条件下现有的力学解析理论很难准确的描述围岩和衬砌真实的变形和破坏情况。因此，目前有关概念上的理解教学，主要依赖于现场实际观测和实验室物理试验。现场观测是一种直观、真实的方法，但现场观测严重受现场条件的限制，需要一定的人力、物力和财力支持，另外，安全问题也至关重要，在常规的教学中很难实施;物理试验是认识实际、指导实际的有效方法，但隧道模型试验制作过程、试验条件和监测复杂，岩石和混凝土非均质性较强，试验重复性差，并且各学校的实验室条件差异性大，常规教学概念的认识往往很难通过物理试验来展示隧道工程各部位内容。所以传统的教学内容和手段已经不适应当下隧道工程的快速发展，不能满足新时代的教育理念和创新型人才培养的要求。

基于现代计算力学的新理论、新方法，研究隧道工程中围岩和混凝土等材料结构的变形、破坏和稳定性特征，利用先进的计算机可视化技术实时动态的展示计算结果，是隧道工程教学改革的新方向，是一种新的教学辅助手段，重复性强，可突破传统现场实际观测和实验室物理实验的各种条件限制。基于高性能计算的数值仿真软件能模拟复杂结构和大型工程问题，使学生掌握计算理论和方法，能分析认识复杂结构的变形、破坏及内在机制，这样不仅能达到数值实验辅助教学的目的，也能将科研和教学相结合，实现“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”这一教学目标。

二、数值仿真的重要价值

21世纪是信息科技的时代，科学计算和理论、试验一样，已成为科学研究的一种重要手段，是21世纪科技领域中重要的组成部分。随着高性能计算机的出现，人们可以通过计算机模拟研究试验参数、规模和复杂度远超物理试验条件限制的各种情况。可以说，计算机仿真在理解科学现象、对复杂工程系统建模方面发挥着越来越重要的作用。数值仿真有别于注重再现已知现象的数值模拟，对于一些由于人力、物力和财力限制的难以在实验室开展的试验，数值仿真可以方便地计算模拟，它注重于通过仿真计算对未知现象进行虚拟显现和认识[4]。

随着许多大型隧道工程的相继实施，如“川藏铁路”“南水北调工程”“锦屏工程”等重大项目，都涉及众多工程安全和稳定性问题。这些工程对数值仿真的单元规模和计算能力提出了更高的要求，仿真建模的范围通常可达几百米甚至几千米，模型也越来越复杂，另外，工程中的破坏失稳问题是一个从变形起始到最终破坏失稳的过程，例如理解新奥法支护的原理，这一过程涉及的网格重划分、单元消去与再生、节点释放和数据存储管理都是非常复杂的处理过程，也是非常漫长的，传统的内存和串行CPU也都无力计算这些大规模的问题。对于围岩变形的非线性分析通常需要几百步的非线性迭代计算，计算时间多达数天到数十天。针对大规模复杂系统的数值仿真是现代计算力学的主要特征之一，这种由一点一时的状态计算到整個空间和时间上的全程模拟是有限元方法的一个重大发展。采用大规模的科学与工程计算，提高计算速度和能力，对于深入分析隧道工程中围岩和支护材料变形破坏本质、工程支护和稳定性评价以及采取相应的预测和防护措施都有很积极的意义[4]。

三、数值仿真在隧道工程课程中的实践应用

随着数值计算方法与计算机仿真技术的发展，是一种新的数值试验方法，为隧道工程提供新的辅助教学手段，已成为国内外土木与工程力学专家追求的新目标。自主开发的软件系统RFPA教学版本基于有限元理论和统计损伤理论，是一款能够实现工程模拟和力学研究的数值实验软件[5]。目前，RFPA软件已在清华大学、大连理工大学、东北大学、重庆大学、中南大学、香港大学、香港理工大学、Laurentian大学、Lulea大学等知名院校得到广泛使用，十余所学校已成立岩土工程数值仿真实验室，该软件在“岩石力学”“隧道工程”等课程教学和大量的工程模拟中发挥出越来越重要的作用[6]。

利用建工学部高性能计算中心的联想深腾1800服务器，在土木工程、水利工程专业的本科生、研究生的教学工作中，开展基于数值仿真技术的“隧道工程”课程教学，在高性能服务器上，实现隧道围岩、支护体系变形破坏过程的大规模科学计算教学，建立一种“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的创新教学平台。

“隧道工程”主要通过讲授的教学方式介绍交通隧道的基本概念与功能、隧道勘测设计、主体建筑与附属建筑、围岩分类与围岩压力、衬砌结构的设计与计算、隧道施工方法与工艺、新奥法理论与技术、隧道的营运管理与养护维修等。课程采用多种方法协同教学，充分发挥实物图片、flash动画、视频和数值仿真软件（RFPA、ANSYS、FLAC等）的各自优势，使学生能理解、能判断、能设计、能分析各部分内容。课程的一些目标和具体实践应用如下。

1.要求学生掌握隧道勘测设计的原理和技能，了解隧道主体及附属建筑。采用flash动画的形式展示隧道工程的基本概念、特点、种类及作用，世界及我国“隧道工程”的历史和发展以及该课程的主要内容;实物照片图展示隧道限界与净空的关系、隧道防排水设施的类型與设置。结合视频展示隧道工程地质调查的方法与内容;基于RFPA仿真展示地质情况、地应力状况对洞口位置合理选定（通过衬砌结构变形破坏定性说明）和影响，包括对隧道线路设计考虑的因素。通过软件系统的前处理功能建立几何模型展示隧道衬砌断面设计、隧道洞身支护结构、洞门结构及明洞结构（这些模拟可以为后续的进一步力学分析所使用），并且通过前处理功能建立几何模型，展示地下隧道的各种附属建筑物。

2.学习判断围岩稳定性的分析方法，掌握围岩分级，了解围岩压力的特性及计算方法;掌握衬砌结构计算的基本方法，具备隧道结构设计的基本能力。通过数值模型均质度对隧道变形和破坏的影响，来深入体会围岩分级的工程目的及分级方法;结合国标《工程岩体分级标准》《公路隧道设计规范》《铁路隧道设计规范》等相关规范，讲解分级体系，围岩分级涉及的具体内容、技术和方法。通过RFPA软件系统建立的数值几何模型展示隧道围岩的概念、围岩的工程性质及围岩的稳定性，熟悉围岩压力与隧道结构的关系及围岩压力的确定方法，计算分析各类岩石试样的变形破坏全过程，深入介绍岩石的强度特征。

通过ANSYS仿真软件和RFPA软件建立隧道结构体系的计算模型，展示结构力学方法与岩体力学方法得到的隧道支护结构变形过程;通过RFPA仿真软件进行隧道洞门结构计算、隧道抗震计算，讲解数值模拟的理念和大概方法。如图1示意隧道支护体系的数值仿真建模与分析计算过程，模拟了在支护条件下浅埋隧道的坍塌范围，与工程实际情况相符合。数值仿真能帮助对施工方法、设计与计算等教学内容的直观认识与理解。

3.熟悉隧道各种施工方法的特点，学习现代新奥法理论及其设计与施工的特点，了解隧道施工的各种工艺。

通过RFPA仿真软件模拟的各种概念模型来展示矿山法施工方法，如新奥法施工方法、传统矿山法、洞口段施工方法、明洞施工方法、辅助施工措施及特殊地质地段隧道施工;通过FLAC3D仿真软件模拟的各种概念模型和flash动画来协同展示钻爆开挖、出碴与运输、支护技术、模筑混凝土衬砌施工。

通过数值软件和flash动画的联合应用来展示新奥法的概念、新奥法隧道施工过程的力学分析;通过RFPA仿真软件模拟的完整施工流程，了解和掌握新奥法的施工技术与工艺;通过大量现场图片和视频展示新奥法监控量测、量测的手段与数据处理。

通过flash动画和视频介绍隧道辅助坑道的工程特点、类型与应用;施工通风与防尘、压缩空气供应、施工供水与排水、施工照明与供电。通过实物图片展示隧道掘进机的特点、类型、构造与适应条件;结合flash动画的形式展示掘进机配套的支护结构，它们的类型、适应条件及施工方法。

4.结合高性能计算，依托高性能服务器，实现隧道开挖—支护—形变控制全过程仿真的教学。使学生掌握基本的软件使用和分析能力。

研究高性能计算方法，进行软件的编写与开发，建立适合教学与科研相结合的隧道工程仿真演示系统，并编写完善软件使用说明书，模拟各类概念模型，整理计算的结果，录制典型操作算例的视频过程。

开展相应的数值课程，通过教学演示对学生进行基本的软件培训，介绍RFPA的基本原理和适用范围，模型设置方面各参数的意义和影响，重点讲解均质度的概念和特点;演示软件的基本操作步骤，具体可用软件建立不同尺寸，不同单元数的模型或者将CAD等软件建立的模型导入RFPA，并进行单元划分与赋值;针对不同的实际问题讲解RFPA中如何设置相应的边界条件，以及控制条件中的求解类型、求解步数等;对计算完的模型进行后处理查看，讲解不同的应力云图、声发射图等，以及不同位置、不同单元的单元信息数据查看和导出，将导出的数据绘制不同的曲线，结合云图进行应力、位移、破裂演化过程等分析，同时根据结果进行模型方案的优化改进，为实际工程的设计施工提供指导。

编写数值实验指导书。对学生进行分组，采取小组合作的方式完成小作业。针对隧道工程的几个关键问题开展数值实验，包括比较深埋隧道和浅埋隧道的不同，隧道的洞型选择，隧道的不同开挖方法（如一步开挖、分步开挖等）对隧道变形、破坏和稳定性的影响，不同支护方式的比选和效果评价，隧道不同部位的应力、应变等变化规律，还有其他隧道问题，最后提交数值实验报告。为了调动大家积极性，充分发挥团队合作，控制小组人数和数值实验工作量，不同的小组采用不同的参数。

四、结语

本研究是对传统隧道工程教学改革的一种新型实验教学模式，具有经济性、拓展性、直观性和综合性等优点。采用数值仿真教学软件、高性能计算机和课堂教学相结合，构建一种隧道工程理论教学与实践教学相衔接，工程本身与数值试验相对应多种教学形式和内容体系，探索由理论探讨与交流、仿真与实践、思维学习与科研探索组成的实验教学体系。通过长期的实践应用将会取得如下显著教学效果。

1.通过合理的课程建设使学生体验含义丰富生动概念的隧道工程知识，使学生脱离于传统课堂文字教学的枯燥学习，在乐趣和生动中学习隧道工程的内容，对课程的难点、重点能全方位的认识理解。

2.掌握数值仿真的基本流程和操作，激发学生对数值仿真的兴趣，可参加与土木工程及相关专业的模型设计竞赛。充分发挥学生的聪明才智，促进学生创新思维，锻炼学生的创新能力﹑设计能力﹑实践能力和团队协作能力，形成良好的竞争氛围，培养初步的学术能力。

3.完成能丰富生动概念展示隧道工程的PPT课件，开发的教学与科研相结合的隧道工程仿真演示系统可提供给其他高校教学使用;“教与学的互动、理论与实践的结合、能力与兴趣的共增”的创新教学平台适用于同类型课程的开发和实践。

4.经过本课程的学习之后学生除了能掌握基本概念外，还可以具备从事隧道与地下工程设计、施工及组织管理的基本能力，能根据实际工程问题查找相关规范并结合规范进行结构选择和设计，达到有关技术和研究工作的基本素质和能力。

参考文献

[1]中國岩石力学与工程学会.中国城市地下空间发展蓝皮书（2018）[R].2018.

[2]洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望[J].隧道建设，2015，35（2）：95-107.

[3]陈志敏，欧尔峰，马丽娜.隧道及地下工程[M].北京：清华大学出版社，2014：1-100.

[4]梁正召.三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究[D].沈阳：东北大学，2005.

[5]张晓君，郑怀昌，张军.数值试验矿压模拟实验教学探讨[J].高校实验室工作研究，2012（3）：9-10.

[6]包春燕，罗琳，李安原，等.基于数值实验的本科“岩石力学”教学模式改革探讨[J].绍兴文理学院学报（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