隧道典型施工工法虚拟仿真课程建设

周墨臻，房 倩，张顶立

（北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044）

1 课程内容简介

在我国复杂的地质地貌条件下，高速铁路的建设，必须大量修建隧道穿山越岭，从而保证线路的平顺性，因此长大隧道往往成为高铁全线工期的控制性工程。正是长大隧道及各种复杂地质隧道修建技术的持续创新，才使得中国高铁的建设成为可能。然而，以下问题却严重制约着隧道及地下工程相关课程的实践教学。①隧道建设周期长，学生难以在短期内对隧道施工全过程进行系统学习；②隧道属于隐蔽性工程，学生即使在现场也难以了解支护结构体系的全貌；③隧道施工现场环境复杂，大规模的现场实习，存在一定的安全风险；④实际隧道工程施工不可能接受学生依据施工方案和施工参数进行试错交互。

为此，本课程通过现代信息技术再现高铁隧道钻爆法施工工序、构件安装、机械操作等关键环节，实现虚拟设备的人机交互操作，突破隧道专业传统教学在时间和空间上的限制，引导学生进行隧道典型施工工法的学习和实操。学生通过虚拟仿真系统的设备认知、实验原理学习、施工关键步序和主要技术参数的设计、工程校验以及问题解决等环节，完成虚拟仿真实验的全过程[1]。

1.1 学习

学习模块包括预习系统和学习系统。预习系统包含实验目的、原理、设计、操作步骤、注意事项等，向学生准确地传达实验知识点[2]。学习系统采用动态模式将所有机械设备及其功能进行展示和说明，学生可以在文字、声音和高亮等提示的帮助下，通过人机交互操作学习隧道典型工法的施工工序，设计施工关键技术参数并完成实验，同时每个施工工序均有相应知识点的介绍。当学生在操作过程中遇到困难时，可以使用“帮助”功能查看常见问题的解决办法。

1.2 实验

隧道典型施工工法虚拟仿真实验教学系统由两部分组成。①虚拟仿真实验平台。采用虚拟仿真技术，模拟钻爆法高铁隧道施工过程中所涉及的材料、机械和设备，提供与施工现场高度相似的实验环境[3]。②虚拟实验教学管理系统。包括预习、开课管理、实验库维护、教学安排、实验指导、结果批改、成绩统计分析等功能。

1.3 考核

考核模块包括考核系统和报告系统。考核系统用于检验学生的学习成果，在无任何提示的情况下，学生独立设计并完成隧道修建的整个过程。考核系统中设有考点设计和记录机制，在实验操作过程中进行考点操作的统计和记录，考核结束后系统自动给出分数和扣分项，并对实验成绩进行统计分析。

1.4 知识点设置

①钻爆法原理及适用条件。知识点：隧道围岩分级方法，公路、铁路隧道按长度分类，铁路隧道按跨度分类，钻爆法施工原则和顺序。仿真度：实验场景依托我国郑万高铁实际隧道工程，提供不同围岩条件供学生选择，并包括多种特殊地质。针对不同的地质条件，实验系统展示不同的处理措施以及处理不当时围岩破坏演化特征。

②钻爆法施工超前加固设计。知识点：钻爆法施工超前地质预报方法及不良地质处理方法，掌子面超前加固机理，管棚作用机理，超前小导管作用机理。仿真度：实验场景位于隧道开挖掌子面前方，学生判断是否需要进行超前地质预报，并选择不同的不良地质处理方法，若选择不当，则在后续施工中虚拟系统将动态展示相应的塌方事故。

③钻爆法爆破设计。知识点：钻爆法炮孔布置方式及分类，光面爆破和预裂爆破的区别，钻爆法隧道超挖、欠挖含义。仿真度：实验提供爆破设计的原则和图纸，引导学生深入理解如何正确布置炮眼及确定数量。实验系统根据学生选择的炮眼布置方式和装药量，展示爆破效果。

④钻爆法支护设计。知识点：隧道支护―围岩作用关系及围岩特性曲线、支护特性曲线，隧道初期支护钢架类型，锁脚锚杆作用机理，锚杆作用机理，注浆锚杆施作工艺，喷射混凝土的特点、优缺点及喷射方式，仰拱作用机理。仿真度：虚拟场景位于隧道开挖掌子面处，实验系统展示围岩与支护特征曲线，引导学生理解支护―围岩相互作用关系，设计合理的隧道支护参数。若支护环节出现错误，系统会相应展示可能导致的事故及真实案例。

2 课程建设特色

2.1 科教融合全面展示高铁隧道隐蔽性工程

隧道工程是北京交通大学的传统优势学科，学科团队全面支持了我国高速铁路隧道的大规模安全建设。项目团队将长期科学研究形成的科研成果融入实验系统，实现了地质条件、工程响应及安全效应的“透明化”，再现了高铁隧道施工的26 道关键工序，突破了短期现场实习无法认知施工全貌及全过程的教学瓶颈。实验项目将锚杆、注浆、初支等一系列隐蔽性工程措施与围岩、二衬之间极其抽象的多体系统相互作用形象地还原，使学生深刻理解隧道学科的核心基础知识，培养学生分析与解决实际复杂高铁隧道施工难题的能力。

2.2 多输入交互实现高铁隧道差异化施工

实验项目基于隧道学科基础理论及科学原理，对围岩安全性、隧道埋深、隧道尺度等一系列影响隧道施工的特征参量设计了差异化输入。在实验过程中，学生针对不同的围岩条件等特征参量，合理设计并选择相应的工程措施，例如支护参数和支护时机。仿真系统采用可视化计算过程，呈现围岩特性曲线等关键理论的计算结果，并实时反馈给学生，实现查缺补漏，提升学习效果。

2.3 基于过程考核及目标完成度的评价体系

实验系统对学生在高铁隧道仿真施工过程中的设计交互进行实时记录，学生根据系统反馈的设计结论及纠错提示及时调整施工方案，系统后台进行动态评估，完成过程考核。实验系统以代表我国机械化最高水平的郑万高速铁路实际隧道工程为依托，通过数字化手段再现关键施工步序，每道工序均对应学生的交互式操作，系统后台根据施工工序的完成情况对课程目标达成度进行计算，用于闭环反馈及持续改进[4]。

2.4 对传统教学的延伸与拓展

仿真系统代表了我国钻爆法隧道建造最高水平的高速铁路隧道，全面展示大国重器和中国制造，实验系统实现了高铁隧道施工全空间360°交互及施工全过程实时动态感知的虚拟仿真场景，突破了课堂教学及现场实习的时空限制，使学生将其在课堂上所掌握的隧道专业知识进一步消化吸收，是对传统教学手段的重要补充。实验系统在提供多输入设计交互的同时，还融入了隧道工程破坏机理与灾害模式等方面的丰富科研成果，集成了真实隧道施工事故的图片、视频及事故原因分析，实现了理论和实践的深度结合，对教学方式方法和教学内容进行了延伸和拓展[5]。

3 主要实验步骤

在虚拟仿真中将钻爆法隧道施工拆解为26 个步骤，且均为交互性操作，每一工序均对应一次交互式操作。将本实验所包括的高铁隧道钻爆法建造的4 个知识点融入交互性操作，系统后台会记录操作全过程，根据完成情况给出试验操作成绩。

①超前地质探测。单击打开工具包，选取三臂凿岩台车施作超前探孔，分析复原地质情况。掌握岩溶、断层等不良地质体的类型、特点和处理方法。

②施作超前支护。单击三臂凿岩台车钻孔，施作超前大管棚进行超前支护，掌握管棚的作用机理和适用条件。

③掌子面钻孔。单击三臂凿岩台车进行定位后，学生预设爆破参数，系统自动钻孔，引导学生掌握钻爆法隧道掏槽眼、辅助眼、周边眼的定义及其作用。

④安装炸药、连线。钻孔结束后，单击三臂凿岩台车的举升吊篮，进行人工装药、连线作业，掌握光面爆破和预裂爆破的起爆顺序。

⑤爆破。操作鼠标和键盘完成人员与设备的移动，待人员、设备撤出爆破警戒区域后，单击起爆按钮完成爆破操作。

⑥出渣。爆破结束后，先采用通风机通风15 分钟，然后打开工具背包，单击挖掘机配合装载机，进行装渣，单击自卸汽车，将渣土运输至弃碴场。通过试错，了解出碴时机的选择，若未能充分通风，则出现警告，提示会出现安全事故，由此强调施工安全注意事项。

⑦初喷混凝土。单击工具背包中的湿喷机，对隧道轮廓喷射混凝土。理解隧道支护围岩相互作用机理，深入学习围岩特性曲线和支护特性曲线，学生可选择不同的支护参数和支护时机，若选择不合理，则系统显示引起隧道塌方等安全事故。

⑧⑨安装钢拱架和钢筋网。单击双台车多功能台架进行钢拱架和钢筋网的安装。

⑩施作超前小导管。选取合适的锚杆钻机沿隧道拱部钻孔，学生自主选择超前小导管进行注浆操作，掌握超前小导管的作用机理。

⑪安装锚杆、注浆。操作鼠标和键盘举升吊篮，单击锁脚锚杆和系统锚杆并完成安装及注浆，掌握不同锚杆的作用机理。

⑫复喷混凝土。打开工具背包，单击选取合适型号的混凝土喷射机实施喷射混凝土作业。点选不同的喷射混凝土的作用和优缺点以及干喷、湿喷、潮喷三种喷射方式的特点。

⑬-㉑仰拱施工。单击工具背包中的履带自行式仰拱栈桥进行仰拱施工，包括开挖仰拱土体、绑扎钢筋、浇筑混凝土等步骤，学习仰拱的作用机理。

㉒-㉕二衬施工。单击多功能台架，依次进行土工布和防水板铺设及钢筋安装。采用轨行式模板台车和混凝土输送泵进行定位和浇筑混凝土。采用自动养护台架以喷淋方式对已成型衬砌连续养护。

㉖施作排水沟。单击选取并操作整体式电缆槽水沟模板台车，进行电缆槽和排水沟施工。

至此，完成钻爆法隧道建造的关键施工步序，系统显示考核分数与结果。单击“返回首页”，退出系统，实验结束。

4 课程应用成效

本课程中，隧道典型施工工法虚拟仿真弥补了目前钻爆法隧道实验教学中存在的不足，通过完成虚拟仿真实验任务，有效调动了学生的积极性和主动性，充分发掘学生的创造潜能。学生经过虚拟仿真实验训练后，自主学习能力和工程实践能力得到明显提升，尤其是对实际复杂工程的未知性和不确定性表现出了浓厚的好奇心与探索欲，这使其无论是直接从事工程行业还是投身科研事业均打下了坚实基础。

实验项目在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上线以来，实验浏览量超43000 次，实验人数超1300 人，实验通过率超95%，在2020 年11 月被教育部认定为首批国家级一流本科课程。

今后，项目组将持续改进该虚拟仿真实验系统，增强优质教学资源的整合与共享能力，为土木工程专业人才培养开辟新的途径。