摘要：本文针对土木工程专业隧道工程课程中融入有限元计算软件教学展开探讨。文中结合教学实例叙述了有限元软件教学的优势以及难点，相对于传统专业课程教学，在课程中融入仿真计算教学是对本门课程一定的改革和改进，待学生快速入门后，不仅可以激发学习动力，同时能够多方位思考各种工艺工法的优点及适用性。掌握有限元仿真计算，将有助于学生顺利地从事隧道工程方面的技术工作。
关键字：隧道工程；有限元软件教学；改革和改进
引言
隧道工程是一门理论与实践并重的专业课，土木工程专业研究生通常会将该门课程作为选修课进行教学。课程主要介绍隧道工程全生命周期的实践过程，重点介绍内容包括勘测、设计计算、施工工法、防排水以及管理养护等。通过本课程的学习，要求学生掌握隧道工程的基本概念、基本理论和施工方法。掌握隧道工程的特点及技术要领，了解其发展趋势，并快速接受融入这一领域内的新技术、新理论和新进展。
本文通过个人教学实践，结合研究生一年级知识学习储备需求，考虑在隧道工程专业课课程中融入有限元软件计算教学。通过教授有限元仿真计算方法，不仅能够让研究生在本专业课中学习实用的分析计算软件，同时可在其他相关专业推广应用[1-3]。
一、有限元软件教学的优势
隧道工程的施工工法是教学中最为注重的章节，更多的需要通过岩土工程相关理论的应用进行分析隧道稳定性，但是由于岩土力学等课程难度较大，并且即使掌握了相关基本理论，在复杂的地层条件或施工方法等条件下，学生只能够定性的分析，难以定量进行计算。
通过有限元软件的教学可以解决以上问题，并让研究生掌握一项分析计算工具[4,5]。在讲授有限元软件的过程中，应遵循软件开发的考虑，逐步进行教学，本文以某隧道工程施工作为案例阐述有限元软件教学应用的优势。案例以某实际隧道工程为背景，包括隧道位置、走向、地貌条件、地层条件等，在这里不做具体说明。
有限元仿真计算要求：选取隧道V级围岩段作为模拟对象，隧道埋深15m，隧道断面为圆形，其外轮廓直径9.0m，初期支护厚度按30cm计；锚杆类型为全长粘结型锚杆，不考虑二衬；围岩本构模型采用莫尔-库仑模型。模型的横断面尺寸可参照图1，为74.0m67.0m10m（可自行调整），采用三维模型，隧道长度取20m~50m。
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围岩参数选取根据现场地勘资料以及规范《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086－2015），《公路隧道设计规范》（JTG D 70-2014）相关要求，锚杆参数可查阅相关类似资料。需计算的结果：采用数值仿真软件模拟该隧道断面分别采用全断面开挖和三台阶开挖方法，对比两种施工方式下围岩的应力和变形的不同。
在仿真计算的过程中，参数选取非常重要，这里可放宽让研究生自行查阅资料，有助于明确参数重要性排序以及深刻理解各参数在计算过程中体现的作用。布置仿真计算作业对数值模拟计算过程的教学非常有利，研究生可通过教学+自学快速上手。按照本门课程的经验，通常专业课与仿真计算教学同时进行的情况，学生可在1~2个月内完成仿真计算基本技能。通过在隧道工程专业课中渗透有限元软件教学，能够对本专业课教学起到如下几点明显作用：
（1）明确隧道工程施工工法
在进行有限元数值模拟的过程中，学生必须充分了解工程的施工流程以及相应要求，才能将模拟与实际更加贴近，因此，仿真的过程可加深隧道工程施工工法的认识。
（2）物理力学变化规律
通过仿真计算可得到隧道中各结构的受力以及变形情况，例如隧道围岩中锚杆的应力状态分析其对围岩支护的作用，衬砌的变形可为判定支护情况的良好提供依据。仿真计算还能通过过程分析，了解隧道中结构物的物理力学变化规律，有助于研究生对隧道中各结构物的作用有更为深刻理解。
（3）不同工法定量对比
建立数值模型是有限元计算的重要步骤，不同的隧道施工工法需要通过不同的模型来反映，例如，多台阶开挖法、不同支护形式等对隧道围岩的稳定性会产生不同的影响，通过仿真模拟计算结果，可定量分析不同工法的支护效果。
二、有限元软件教学的难点
1.有限元软件使用入门
当前有限元软件众多，例如，Ansys、Abaqus、Midas和FLAC3D等，研究生在软件选择过程中需要结合自身需求来考虑。各个软件的界面、前处理和后处理不大一样，对学生学习入门产生一定的难度。并且各个软件各具特点，Ansys功能集成强大，在结构工程仿真中应用广泛；Abaqus开放材料或结构的本构设计，为科研人员提供更加灵活的计算方法；Midas结合工程特点开发了更贴合实际工程的仿真过程，极大的简化了编程程序；FLAC3D主要针对岩土工程问题设计，软件需要输入代码，但软件简洁易于上手。
2.实际工程实践欠缺
学生在数值模拟过程中普遍存在不理解工程的实施步骤，导致计算结果与实际情况相差甚远，造成这一情况的主要原因是学生缺少工程实践经验，难以从书本中理解隧道工程中各项工序时间空间关系。隧道工程中大部分工序属于隐蔽工程，而且不同的工程地质条件所采用的施工工艺也不尽相同，这是开展隧道工程数值仿真工作的难点之一。
三、总结与建议
在土工工程专业研究生中开展隧道工程课程的有限元软件教学既有优势也存在难点。笔者认为相对于传统专业课程教学，在课程中融入仿真计算教学是对本门课程一定的改革和改进，需要结合教师耐心的教导，梳理软件学习的难点。待学生快速入门后，不仅可以激发学习动力，同时能够多方位思考各种工艺工法的优点及适用性。通过隧道工程有限元软件教学，让学生掌握有限元仿真计算，同时参考及运用有关规范，有助于将来顺利地从事隧道工程方面的技术工作，分析和解决隧道工作中的问题。
参考文献：
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