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(jiǎn)介

在我國(guó)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(zhǎng)大隧道往往成為高鐵全線工期的控制性工程。正是長(zhǎng)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(guó)高鐵的建設(shè)成為可能。然而，以下問(wèn)題卻嚴(yán)重制約著隧道及地下工程相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)。①隧道建設(shè)周期長(zhǎng)，學(xué)生難以在短期內(nèi)對(duì)隧道施工全過(guò)程進(jìn)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(chǎng)也難以了解支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的全貌；③隧道施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；④實(shí)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(jìn)行試錯(cuò)交互。

為此，本課程通過(guò)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(jī)械操作等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的人機(jī)交互操作，突破隧道專業(yè)傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行隧道典型施工工法的學(xué)習(xí)和實(shí)操。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)備認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)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(jì)、工程校驗(yàn)以及問(wèn)題解決等環(huán)節(jié)，完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的全過(guò)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(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、設(shè)計(jì)、操作步驟、注意事項(xiàng)等，向?qū)W生準(zhǔn)確地傳達(dá)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)[2]。學(xué)習(xí)系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)模式將所有機(jī)械設(shè)備及其功能進(jìn)行展示和說(shuō)明，學(xué)生可以在文字、聲音和高亮等提示的幫助下，通過(guò)人機(jī)交互操作學(xué)習(xí)隧道典型工法的施工工序，設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)并完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)每個(gè)施工工序均有相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的介紹。當(dāng)學(xué)生在操作過(guò)程中遇到困難時(shí)，可以使用“幫助”功能查看常見問(wèn)題的解決辦法。

1.2 實(shí)驗(yàn)

隧道典型施工工法虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由兩部分組成。①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用虛擬仿真技術(shù)，模擬鉆爆法高鐵隧道施工過(guò)程中所涉及的材料、機(jī)械和設(shè)備，提供與施工現(xiàn)場(chǎng)高度相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[3]。②虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。包括預(yù)習(xí)、開課管理、實(shí)驗(yàn)庫(kù)維護(hù)、教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、結(jié)果批改、成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

1.3 考核

考核模塊包括考核系統(tǒng)和報(bào)告系統(tǒng)?？己讼到y(tǒng)用于檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，在無(wú)任何提示的情況下，學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成隧道修建的整個(gè)過(guò)程。考核系統(tǒng)中設(shè)有考點(diǎn)設(shè)計(jì)和記錄機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中進(jìn)行考點(diǎn)操作的統(tǒng)計(jì)和記錄，考核結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)給出分?jǐn)?shù)和扣分項(xiàng)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 知識(shí)點(diǎn)設(shè)置

①鉆爆法原理及適用條件。知識(shí)點(diǎn)：隧道圍巖分級(jí)方法，公路、鐵路隧道按長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景依托我國(guó)鄭萬(wàn)高鐵實(shí)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(duì)不同的地質(zhì)條件，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示不同的處理措施以及處理不當(dāng)時(shí)圍巖破壞演化特征。

②鉆爆法施工超前加固設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)：鉆爆法施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及不良地質(zhì)處理方法，掌子面超前加固機(jī)理，管棚作用機(jī)理，超前小導(dǎo)管作用機(jī)理。仿真度：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景位于隧道開挖掌子面前方，學(xué)生判斷是否需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并選擇不同的不良地質(zhì)處理方法，若選擇不當(dāng)，則在后續(xù)施工中虛擬系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)展示相應(yīng)的塌方事故。

③鉆爆法爆破設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)提供爆破設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(hù)設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)：隧道支護(hù)―圍巖作用關(guān)系及圍巖特性曲線、支護(hù)特性曲線，隧道初期支護(hù)鋼架類型，鎖腳錨桿作用機(jī)理，錨桿作用機(jī)理，注漿錨桿施作工藝，噴射混凝土的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)及噴射方式，仰拱作用機(jī)理。仿真度：虛擬場(chǎng)景位于隧道開挖掌子面處，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示圍巖與支護(hù)特征曲線，引導(dǎo)學(xué)生理解支護(hù)―圍巖相互作用關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的隧道支護(hù)參數(shù)。若支護(hù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)展示可能導(dǎo)致的事故及真實(shí)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(shì)學(xué)科，學(xué)科團(tuán)隊(duì)全面支持了我國(guó)高速鐵路隧道的大規(guī)模安全建設(shè)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將長(zhǎng)期科學(xué)研究形成的科研成果融入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)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(chǎng)實(shí)習(xí)無(wú)法認(rèn)知施工全貌及全過(guò)程的教學(xué)瓶頸。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決實(shí)際復(fù)雜高鐵隧道施工難題的能力。

2.2 多輸入交互實(shí)現(xiàn)高鐵隧道差異化施工

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于隧道學(xué)科基礎(chǔ)理論及科學(xué)原理，對(duì)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(jì)了差異化輸入。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生針對(duì)不同的圍巖條件等特征參量，合理設(shè)計(jì)并選擇相應(yīng)的工程措施，例如支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)。仿真系統(tǒng)采用可視化計(jì)算過(guò)程，呈現(xiàn)圍巖特性曲線等關(guān)鍵理論的計(jì)算結(jié)果，并實(shí)時(shí)反饋給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)查缺補(bǔ)漏，提升學(xué)習(xí)效果。

2.3 基于過(guò)程考核及目標(biāo)完成度的評(píng)價(jià)體系

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生在高鐵隧道仿真施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)交互進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)反饋的設(shè)計(jì)結(jié)論及糾錯(cuò)提示及時(shí)調(diào)整施工方案，系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，完成過(guò)程考核。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以代表我國(guó)機(jī)械化最高水平的鄭萬(wàn)高速鐵路實(shí)際隧道工程為依托，通過(guò)數(shù)字化手段再現(xiàn)關(guān)鍵施工步序，每道工序均對(duì)應(yīng)學(xué)生的交互式操作，系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)施工工序的完成情況對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行計(jì)算，用于閉環(huán)反饋及持續(xù)改進(jìn)[4]。

2.4 對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

仿真系統(tǒng)代表了我國(guó)鉆爆法隧道建造最高水平的高速鐵路隧道，全面展示大國(guó)重器和中國(guó)制造，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高鐵隧道施工全空間360°交互及施工全過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知的虛擬仿真場(chǎng)景，突破了課堂教學(xué)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的時(shí)空限制，使學(xué)生將其在課堂上所掌握的隧道專業(yè)知識(shí)進(jìn)一步消化吸收，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的重要補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在提供多輸入設(shè)計(jì)交互的同時(shí)，還融入了隧道工程破壞機(jī)理與災(zāi)害模式等方面的豐富科研成果，集成了真實(shí)隧道施工事故的圖片、視頻及事故原因分析，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的深度結(jié)合，對(duì)教學(xué)方式方法和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了延伸和拓展[5]。

3 主要實(shí)驗(yàn)步驟

在虛擬仿真中將鉆爆法隧道施工拆解為26 個(gè)步驟，且均為交互性操作，每一工序均對(duì)應(yīng)一次交互式操作。將本實(shí)驗(yàn)所包括的高鐵隧道鉆爆法建造的4 個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入交互性操作，系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)記錄操作全過(guò)程，根據(jù)完成情況給出試驗(yàn)操作成績(jī)。

①超前地質(zhì)探測(cè)。單擊打開工具包，選取三臂鑿巖臺(tái)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(diǎn)和處理方法。

②施作超前支護(hù)。單擊三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔，施作超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，掌握管棚的作用機(jī)理和適用條件。

③掌子面鉆孔。單擊三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行定位后，學(xué)生預(yù)設(shè)爆破參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)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(tái)車的舉升吊籃，進(jìn)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(biāo)和鍵盤完成人員與設(shè)備的移動(dòng)，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(jī)通風(fēng)15 分鐘，然后打開工具背包，單擊挖掘機(jī)配合裝載機(jī)，進(jìn)行裝渣，單擊自卸汽車，將渣土運(yùn)輸至棄碴場(chǎng)。通過(guò)試錯(cuò)，了解出碴時(shí)機(jī)的選擇，若未能充分通風(fēng)，則出現(xiàn)警告，提示會(huì)出現(xiàn)安全事故，由此強(qiáng)調(diào)施工安全注意事項(xiàng)。

⑦初噴混凝土。單擊工具背包中的濕噴機(jī)，對(duì)隧道輪廓噴射混凝土。理解隧道支護(hù)圍巖相互作用機(jī)理，深入學(xué)習(xí)圍巖特性曲線和支護(hù)特性曲線，學(xué)生可選擇不同的支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)，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(tái)車多功能臺(tái)架進(jìn)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(jī)沿隧道拱部鉆孔，學(xué)生自主選擇超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿操作，掌握超前小導(dǎo)管的作用機(jī)理。

?安裝錨桿、注漿。操作鼠標(biāo)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(jī)理。

?復(fù)噴混凝土。打開工具背包，單擊選取合適型號(hào)的混凝土噴射機(jī)實(shí)施噴射混凝土作業(yè)。點(diǎn)選不同的噴射混凝土的作用和優(yōu)缺點(diǎn)以及干噴、濕噴、潮噴三種噴射方式的特點(diǎn)。

?-?仰拱施工。單擊工具背包中的履帶自行式仰拱棧橋進(jìn)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(jī)理。

?-?二襯施工。單擊多功能臺(tái)架，依次進(jìn)行土工布和防水板鋪設(shè)及鋼筋安裝。采用軌行式模板臺(tái)車和混凝土輸送泵進(jìn)行定位和澆筑混凝土。采用自動(dòng)養(yǎng)護(hù)臺(tái)架以噴淋方式對(duì)已成型襯砌連續(xù)養(yǎng)護(hù)。

?施作排水溝。單擊選取并操作整體式電纜槽水溝模板臺(tái)車，進(jìn)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?jǐn)?shù)與結(jié)果。單擊“返回首頁(yè)”，退出系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(bǔ)了目前鉆爆法隧道實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，通過(guò)完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能。學(xué)生經(jīng)過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，自主學(xué)習(xí)能力和工程實(shí)踐能力得到明顯提升，尤其是對(duì)實(shí)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(wú)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)上線以來(lái)，實(shí)驗(yàn)瀏覽量超43000 次，實(shí)驗(yàn)人數(shù)超1300 人，實(shí)驗(yàn)通過(guò)率超95%，在2020 年11 月被教育部認(rèn)定為首批國(guó)家級(jí)一流本科課程。

今后，項(xiàng)目組將持續(xù)改進(jìn)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，增強(qiáng)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。