基于隧道工程模型实验平台建设的实践教学改革

张旭 许有俊

[摘 要] 针对当前“隧道工程”课程实验教学环节中，对于实践能力培养所遇到的困难，构建了服务于学生课堂教学和科学研究的隧道工程模型实验平台，以“互联网+”大学生创新创业项目为依托，通过学生自主研制和改造实验装置并开展项目研究，着力培养学生解决实际隧道工程难题的能力。结果表明，这种培育模式进一步深化了产学研融合，以培养学生创新创业精神和工程实践素质为关键，推动创新创业与实践教学有机衔接，通过实验教学有效提高了学生的实践能力。

[关键词] 隧道工程;模型实验;平台建设;实践教学;创新创业

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）03-0069-04    [收稿日期] 2020-08-31

面向2035年，土木结构工程技术将向可持续、高性能和长寿命方向发展，特别注重抵御多重灾害的综合能力[1] 。中国大规模交通隧道建设技术的不断进步，培养了一大批创新能力强的隧道工程高素质专业人才[2]。“隧道工程”课程涉及土力学、工程造价、工程地质、工程力学、钢筋混凝土结构等内容，包含的交叉领域的知识广泛[3]。隧道工程具有较强的实践性，在培养学生扎实理论功底和解决工程问题能力方面，实践教学环节必不可缺[4，5]。

2015年，国务院办公厅发布了《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》（国办发〔2015〕36号）[6]。我国的“互联网+”大学生创新创业大赛是深化大学创新创业教育改革的生动实践，引领科研成果的转化[7，8]。依托校内实验平台，开展隧道工程模型试验，能够帮助学生增强专业素养、巩固知识技能、提高分析水平、锻炼实践能力。目前，大学实验教学大多围绕书本內容，无法调动学生的学习兴趣。正是由于传统实验教学效果不佳，基于高校实验室条件和任课教师负责科研项目，建设隧道工程模型实验平台，极大地激发了学生投身创新创业的热情，解决了学生在“隧道工程”学习中所遇到实践难题。模型实验全过程都有学生的参与，进而可以培养他们的实践能力和综合素质。

一、隧道工程模型实验平台建设

（一）隧道工程模型实验平台建设思路

模型试验是将真实的结构或构件，根据相似原理做成缩小尺寸的模型，在实验室进行测试，具有成本较低、操作简单、反复观察、容易理解的优点，能够辅助结构设计分析以及验证其合理性。依托内蒙古科技大学土木工程实验室和矿山安全与地下工程院士工作站，探索一种充分发挥学生自主性的“科研服务于工程、工程反哺于教学”的规范性实验教学模式，以工程问题为导向，充分调动学生的科研兴趣。基于隧道工程模型试验平台建设，最大限度地体现学生的独立自主能力，强化实验教学环节的范围及深度，并不断丰富已有的模型实验平台资源。学生组建团队参加“互联网+”大学生创新创业大赛，根据专业兴趣选定隧道课题名称，成立专门研发小组，由隧道工程任课教师指导，将模型实验融入课程教学中，编制一套完整的实验方案，联系厂家定制实验平台部件。学生自主开展实验，最后将研究成果应用于隧道实践，以解决实际问题。基于隧道工程模型实验平台建设的实践教学改革模式如图1所示。

（二）隧道工程模型实验平台建设内容

1.城市浅埋暗挖隧道工程模型实验平台。本实验平台以解决呼和浩特地铁浅埋暗挖中的关键理论、建造技术和适用范围为目标，实验平台以砂卵石地层的浅埋暗挖隧道建造技术实验模拟系统为主，可模拟不同地应力环境下单、双洞隧道衬砌变形及渐进破坏等情况。模型实验教学项目有不同围岩等级、施工方案情况下浅埋暗挖隧道开挖对地层变形影响模型实验，通过配制不同砂卵石地层相似材料，采用石膏粉、硅藻土和水制作衬砌相似模型，对隧道开挖与支护中的土压力、衬砌内力、变形、地表沉降进行动态监测。该模型实验有利于学生对浅埋暗挖理论的理解。

2.盖挖逆作地铁车站工程模型实验平台。本实验平台以解决呼和浩特市盖挖逆作法地铁车站结构设计中的关键技术为目标，针对新华广场站、中山路站和大学西街站设计采用的新型明、暗双牛腿节点，通过缩尺模型实验，研究钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁结构抗剪设计参数的合理性及双牛腿互相协作过程，为设计院设计方案时提供依据和参考。模型实验教学项目有不同牛腿数量、牛腿参数条件下节点剪切实验，制作不同尺寸、配筋率、牛腿类型的结构试件，进行钢筋与砼材性实验，确定实验室加卸载方案和量测选项，对结构破坏形态及裂缝发展进行研究。

3.管廊以及顶管隧道工程模型实验平台。本实验平台以解决管廊及顶管隧道工程承插接头力学性能、变形机制和防水失效机理为目标，基于包头地下综合管廊和呼和浩特市矩形顶管隧道工程，按实际设计尺寸确定实验构件的配筋和承插接头构造，选择拱顶和拱底进行承插接头的抗弯与抗剪实验，由于这种承插接头设计没有明确的标准和规范，通过该实验研究这种承插接头弯矩—相对转角的理论模型，直观呈现承插接头的破坏规律，增强学生对接头设计参数及控制标准的理解，加深对内蒙古自治区管廊及顶管隧道接头设计理念的认识，提高学生的实践能力。

（三）隧道工程模型实验平台建设特点

1.实验教学与科研相辅相成。以任课教师团队基于在研项目所研制的实验平台或学生自主研制的隧道模型实验装置为载体，依托国家级项目和横向课题、“互联网+”大学生创新创业大赛、毕业及课程设计等进行实验，以解决实际工程问题为出发点，通过学生互相协作完成项目研究的方式，提高课程实验教学环节的培养质量。

2.极大提升学生的实践能力。学生所参与的科研项目能够解决实际工程中的关键技术和难题。学生能够去现场进行短期实习，与设计方和施工方沟通掌握工程现状，有利于实验方案的编制和实施。在模型实验台架设计、结构构件制作、监测方案布置等方面，以学生为主体来进行，充分发挥学生的积极性，任课教师辅助指导。

3.丰富实验教学内容和活力。学生从工程实践中发现问题，开展有针对性的研究实验，不断补充“隧道工程”课程的实验教学内容，对学生研制出色的实验项目进行保存，任课教师制定和完善相应的教学大纲，形成完整的实验平台管理规范。聘请隧道领域专业技术人员对实验内容进行评定，将实验结果在工程中应用，提升实验教学的活力。

二、隧道工程模型实验平台应用

（一）隧道工程项目案例

1.城市连拱隧道衬砌结构破坏实验。以包头市运营的公路连拱隧道为依托，基于连拱隧道壁后空洞、衬砌减薄、裂缝和渗漏水等病害的现场检测结果，学生掌握了相似理论并研究病害存在条件下运营连拱隧道的安全状态及结构破坏过程，然后在已有的模型实验台基础上自行设计模型实验方案。任课教师团队目前与内蒙古交通设计研究院有限责任公司取得了联系，能够获得内蒙古自治区内建设的连拱隧道设计图纸。该实验项目由矿山安全与地下工程院士工作站支撑，自主设计平面及三维隧道模型实验台，考虑围岩与整体式及复合式衬砌的作用。

2.地铁车站梁柱节点牛腿剪切实验。针对呼和浩特地铁车站设计的新型牛腿形式，按照工程中梁柱节点设计方案，确定几何相似比为1∶4，配筋率和混凝土材质均与实际工程保持一致，实验构件由梁、柱和牛腿组成，其中牛腿分为明、暗两种牛腿形式。梁的两端固定支座，在柱的顶端单调加载，柱的上端安装千斤顶加载装置。实验台自身主要由反力架、框架梁和垫块组成。任课教师团队与中铁二十局集团呼和浩特市项目部签署横向服务合同，针对盖挖逆作地铁车站设计关键技术进行研究，掌握了工程现场施工动态及基本资料，能够为学生提供素材。

3.矩形顶管隧道承插接头力学实验。近年来，土压平衡矩形顶管技术成功运用于内蒙古自治区隧道工程建设中。呼和浩特市城市轨道交通2号线盾构下穿矩形顶管法修建的人行过街通道工程，在国内外实属罕见，对于矩形顶管隧道承插接头的变形机理尚不明确，因此学生自主选定题目“矩形顶管隧道承插接头力学性能实验研究”，通过ABAQUS数值模拟和室内原型实验，对基于隧道工程模型实验平台建设的实践教学模式进行了案例研究。该实验由国家自然科学基金项目与矿山安全与地下工程院士工作站基金项目资助。

（二）实验平台应用过程

1.实验项目团队创建。土木工程学院拥有土木、交通、工管、造价和力学5个专业，以专业互补为原则，创建由土木专业的岩土和结构方向、交通专业的隧道与地下工程和力学专业为主体的3人以上组成的项目团队，同时交叉数学、安全科学、机械工程等其他学科。项目团队就感兴趣的问题开展研究，主动联系指导教师编写实验方案，由土木工程学院科技创新中心主任为团队成员讲述“互联网+”大赛的要求和流程。矩形顶管隧道承插接头变形规律实验项目源自企业工程中的技术难题，学生在已有实验平台的基础上进行改造和设计。

2.实验项目过程实施。学生首先采用有限元程序ABAQUS建立三维接头模型，通过调试加载方案和实验条件对接头抗弯和抗剪力学性能进行研究，揭示承插接头的破坏演化规律，为模型实验设计提供依据。在指导教师的帮助下确定实验方案，包括试件设计、材料选定、加载方案和监测方案，之后，学生联系厂家加工模具制作构件模型，设计效果如图2所示。在此过程中，学生不仅掌握了AutoCAD绘制设计图纸的技术，学习到数值模拟优化实验方案的方法，还通过制作隧道模型、安装监测仪器和调试实验装置等锻炼了动手能力。

该项目研制了一套用于模拟矩形顶管隧道承插接头抗剪和抗弯力学性能的实验装置，能够监测到管节应变和变形、承插接头破坏过程、构件构造及尺寸均与工程实际的情况相同。前期实验准备阶段约占实验周期的一半，随后学生根据先前确定的方案开展实验，撰写工作日志并汇报实验进度，最终完成矩形顶管隧道模型实验工作，本阶段约占实验周期的四分之一。最后，学生对实验数据整理和分析，撰写研究报告，完成模型实验平台的改进与教学资源的增加，并准备大学生创新创业大赛的材料。

3.实验项目成果鉴定。依托呼和浩特市城市轨道交通2号线盾构下穿矩形顶管隧道工程，将学生凝练的接头力学性能实验成果在实际工程中进行检验，通过提出的矩形顶管隧道接头防水失效标准及建议，为盾构隧道下穿施工过程中引起的矩形顶管隧道接头变形控制提供了参考，并得到施工方的认可。然而，矩形顶管隧道接头形式十分复杂，目前还没有专门的规范和标准进行说明，研究成果还需要进一步验证，有极大的研究价值和发展空间，可作为学生的创业对象。通过校企合作模式推动学生创新创业，实验研究团队依据所开展的隧道模型实验不断改进和创新，学生致力解决工程中的关键技术难题。通过调动学校和企业的资源，建立学生实践创新制度体系，实现学校实践教学育人和创新创业教育新模式。

（三）实验平台应用效果

依托“互联网+”大学生创新创业大赛开展隧道工程方向学生的实验教学，通过学生组建项目团队提出想法，由青年导师指导帮扶，实验项目由科研项目支撑保证顺利进行。传统的隧道工程实验教学一般按照固定的模式重复以往的工作，有些实验因为造价较高、仪器老化等原因只能通过视频观摩学习，因此学生不能深刻理解实验的目的和意义，无法提升创新和实践能力。基于隧道工程模型实验平台，學生从实验台架设计、模型制备、材料配制等出发，在深入掌握实验原理和目的的条件下，独立开展实验方案设计，并以团队形式协作进行实验，有效地激发了学生从实践中寻找问题的动力。学生参与隧道工程科研项目，能够接触到工程中真实存在的难题，通过实验探索解决工程问题的过程，能够为学生就业和创业奠定良好的工作基础。学生通过参加“互联网+”大学生创新创业大赛，极大地提升了团队合作能力。转变学校基于隧道工程实验平台建设的科研优势为人才培养优势，实现服务学校创新创业人才培养的目的。

三、结语

本文以内蒙古科技大学依托“互联网+”大学生创新创业大赛进行的实验教学为例，研究了基于隧道工程模型实验平台建设的学生实践教学效果，有效提高了学生实践能力。通过实践基于隧道工程模型实验平台的学生创新创业培育模式，即学生项目团队+任课教师+科研项目组，让学生的创新想法、教师指导和课题资源互相支撑，在极大地发挥学生的兴趣和自觉性的同时，有效地丰富了学校实验平台资源，进一步推动了教学与实践相结合。学生围绕工程中遇到的关键科学问题所开展的模型实验具有较高的创新性和应用价值，通过大学生创新创业项目引导，推动创新创业与实践教学有机衔接。

参考文献

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