隧道施工过程是一个隧道围岩应力场不断调整的过程中，揭示开挖过程中隧道结构受力动态变化规律对于隧道工程设计具有重要意义。由于隧道开挖过程中，施工扰动多、爆破工程风险大、地质条件复杂，通过室内模型试验大部分仅能开展单因素的研究，且费用高、周期长、参与学生非常有限。鉴于此，有必要通过利用岩土工程领域的有限差分软件FLAC，借助数字可视化软件，研制矿山法隧道施工过程中的力学仿真实验系统。通过多因素数值仿真，让学生掌握不同地质条件、施工方法、支护手段条件下，隧道围岩应力场变化规律，并通过可视化软件直观呈现。

城市地下工程盾构隧道为装配式衬砌，管片之间通过螺栓连接，施工过程稍有不当会造成管片破碎如千斤顶偏心受压、盾构机姿态不良导致管片受到盾尾挤压等。由于盾构管片体积和重量大、造价高等原因，很难在室内开展相关的室内测试，更难通过模型实验对实际运营过程中管片破坏进行分析。鉴于此，通过有限元数值模拟软件，研制城市地下工程盾构隧道管片破碎仿真实验系统，对隧道盾构管片进行三维建模，通过数值仿真对管片的受力进行分析就具有十分重要的意义。

盾构法是隧道施工主要工法之一，但由于盾构机造价昂贵，高校主要通过盾构机模型进行教学。学生现场实习过程中，虽然可以看到盾构机，但时间很短，学生无法有效地领悟盾构隧道掘进机理和周边环境响应特征，因此，有必要建立盾构隧道掘进对周边环境影响的数值仿真实验系统。通过盾构模型、盾构施工动画、盾构施工视频以及数值模拟相结合的方法，为同学们搭建一个从盾构机结构认识、运行原理、施工工序到施工环境模拟一体化的仿真实验，从而直观显示盾构机的切削、管片拼装、渣土外运等连续过程，动态显示盾构施工对周边岩土体的影响，直观显示地表沉降等结果。

（1）矿山法隧道施工过程的力学行为仿真实验系统

功能简介：

利用现场工程地质水文地质资料和施工设计方案，建立矿山法隧道施工过程力学行为数值仿真的数值计算模型；将模型导入FLAC有限差分软件，根据不同的材料和施工工序，选择不同的计算参数和荷载加载方式；通过数值模拟，了解不同工况下隧道结构的受力特性及主要影响因素（图1）。通过该实验，可以使学生深入理解隧道结构的受力特性，深入理解新奥法隧道施工的设计和施工理念，激发学生对城市地下工程专业的学习兴趣，并达到提高学生数值计算的能力。

教学效果：

该实验将增强教学的直观性、趣味性，有利于提高学生对新奥法理论体系的理解和掌握。

图1 矿山法隧道施工中的结构受力动态模拟

实验项目（表1）：

表1 矿山法隧道施工过程的力学行为仿真实验

（2）城市地下工程盾构隧道管片破碎仿真实验系统

功能简介：

本实验通过ABAQUS、ANSYS有限元软件建立复杂的精细化的盾构管片三维模型，用于分析盾构施工过程管片破碎，管片裂缝发展规律，实现盾构管片破碎的可视化模拟仿真，可极大地促进学生学习及掌握盾构管片破碎演化规律及特征，加深学生对盾构施工过程中管片安装和质量监控环节的理解，提高学生的学习兴趣（图2）。

教学效果：

通过有限元模拟实验，直观呈现不同围岩条件、不同开挖断面下盾构管片的受力变形状态，增强学生对盾构隧道施工、围岩与管片结构相互作用的认识，加深对隧道设计施工理念及技术的理解。

实验项目（表2）：

表2 城市地下工程盾构隧道管片破碎仿真实验

（3）盾构隧道掘进过程及对周边环境影响的数值仿真实验系统

功能简介：

通过模型，让学生了解盾构机的结构和工作原理，利用动画演示盾构刀盘切削、渣土输送、管片拼装等系列过程，并将建立的模型导入ANSYS有限元软件，动态分析盾构施工过程中围岩应力场变化以及施工过程中周边环境的响应状态（图3），让学生领悟盾构隧道掘进机理和周边环境响应特征，提升对盾构掘进力学机理的认识，强化学生对盾构掘进作用下周边环境响应特征的理解，激发学生的学习兴趣，培养学生的学科知识融合意识，增强本科教学效果。

图3 盾构隧道掘进及周边环境响应仿真实验效果图

教学效果：

直观演示盾构掘进动态过程及其对周边环境的影响，提升学生对盾构掘进机理和周边环境响应特征的认识水平，增强学生土木工程和机械工程专业知识融合和创新意识。

实验项目（表3）：

表3 盾构隧道掘进过程及对周边环境影响的数值仿真实验