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摘要：

現(xiàn)階段的隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算都采用電算，無論是設(shè)計(jì)、施工及研究都需要掌握隧道結(jié)構(gòu)電算相關(guān)知識(shí)，但是《隧道結(jié)構(gòu)電算》課程在一些學(xué)校沒有開設(shè)或課時(shí)較少。該門課程教學(xué)明顯不夠成熟，且具有理論性強(qiáng)、實(shí)踐性要求高等特點(diǎn)，本文通過分析隧道工程專業(yè)本科生的就業(yè)現(xiàn)狀，對(duì)教學(xué)的目的、內(nèi)容及教學(xué)方式展開了探討，可為《隧道結(jié)構(gòu)電算》課程的教學(xué)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：

隧道工程；隧道電算；有限元

結(jié)構(gòu)受力計(jì)算如果采用手算需要大量的人力、物力和時(shí)間，并且精度可能達(dá)不到要求，而電算可以解決這些問題。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)計(jì)算已經(jīng)基本采用電算。隧道結(jié)構(gòu)電算在上世紀(jì)80年代起步并獲得了一定的發(fā)展，比如：1981年4月21~27日在成都舉行了第一次隧道專業(yè)電算交流會(huì)[1]；1984年3月18~22日在北京召開了專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作會(huì)議[2]；1987年3月20~24日在成都召開了鐵道部基建系統(tǒng)隧道專業(yè)第三次電算歸口會(huì)議[3]等。這些會(huì)議的召開對(duì)隧道電算的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，由此也可以看出隧道電算受到隧道工程專業(yè)人員的高度重視。目前，并非所有具有隧道工程專業(yè)的學(xué)校都開設(shè)了《隧道結(jié)構(gòu)電算》課程，但是它是隧道工程專業(yè)必須學(xué)習(xí)的重要專業(yè)課程，因而《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)值得探討。該課程具有自身的特點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)是考慮圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用或先計(jì)算出荷載直接作用于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的高度統(tǒng)一，使學(xué)生能夠運(yùn)用有限元軟件完成簡(jiǎn)單的、常見隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

1《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)的目的

課程的教學(xué)目的與學(xué)生畢業(yè)后所從事的工作密切相關(guān)，全國范圍內(nèi)土木工程專業(yè)本科生就業(yè)去向主要有施工和讀研兩大類，隧道工程專業(yè)畢業(yè)生也不例外。從目前的施工技術(shù)水平來講，施工單位應(yīng)對(duì)一般隧道工程項(xiàng)目的技術(shù)相當(dāng)成熟，但是遇到特殊地質(zhì)狀況時(shí)需要工程變更。由于地勘資料不可能完整反映整個(gè)隧道開挖及影響范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，所以在隧道施工過程中變更常常存在。隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算書是設(shè)計(jì)圖變更及施工工藝變更的重要支撐材料。對(duì)于立志進(jìn)一步深造的同學(xué)更應(yīng)該學(xué)好電算計(jì)算理論和軟件應(yīng)用，因?yàn)檫@是目前主流及常用的研究手段之一。總之，《隧道結(jié)構(gòu)電算》對(duì)隧道工程專業(yè)的學(xué)生都非常重要。由上述分析可知，《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)應(yīng)使學(xué)生了解隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的當(dāng)前狀況和技術(shù)水平，理解一般隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本理論、計(jì)算方法和手段，掌握一種計(jì)算方法和一種計(jì)算軟件，能夠獨(dú)立使用電算軟件完成二維隧道結(jié)構(gòu)模型計(jì)算（包括荷載——結(jié)構(gòu)法和地層——結(jié)構(gòu)法），為畢業(yè)后從事隧道工程相關(guān)工作或研究奠定基礎(chǔ)。

2《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)的內(nèi)容

《隧道結(jié)構(gòu)電算》是一門專業(yè)課程，在學(xué)習(xí)該門課程之前，應(yīng)該先修《線性代數(shù)》、《材料力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、及《彈性力學(xué)》等課程，除此之外《數(shù)值分析》、《計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)》及《有限元》等相關(guān)課程知識(shí)也是學(xué)習(xí)這門課程的重要基礎(chǔ)。然而，一些學(xué)校的隧道工程專業(yè)并未全部開設(shè)這些課程。《隧道結(jié)構(gòu)電算》的課時(shí)一般較少，在短時(shí)間內(nèi)要完整、系統(tǒng)和深入的完成這門課程教學(xué)比較難。隧道電算有很多計(jì)算方法，包括：有限元法、有限差分法及邊界元法等方法。目前國內(nèi)外隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算使用較多方法是有限元法和有限差分法，本文以有限元法為例進(jìn)行探討。針對(duì)《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)的實(shí)際情況，推薦理論部分主要教學(xué)內(nèi)容為：有限元法的計(jì)算過程，離散，單元計(jì)算理論（桿單元、梁?jiǎn)卧皩?shí)體單元），邊界條件及處理，求解方法，結(jié)果分析等知識(shí)點(diǎn)。該門課程除理論教學(xué)之外，還需要上機(jī)練習(xí)以提高實(shí)踐能力。上機(jī)練習(xí)應(yīng)該以實(shí)例教學(xué)為主，主要完成荷載——結(jié)構(gòu)法和地層——結(jié)構(gòu)法的實(shí)例練習(xí)。

3《隧道結(jié)構(gòu)電算》教學(xué)的方式

《隧道結(jié)構(gòu)電算》的理論部分涉及多門課程，知識(shí)面廣，有些課程雖已經(jīng)學(xué)過但是時(shí)間已經(jīng)比較久遠(yuǎn)，又由于理論性較強(qiáng)因而教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程都比較困難。結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本課程教學(xué)應(yīng)注重加強(qiáng)思路、方法和步驟講解，而不是以具體的推導(dǎo)和演算教學(xué)為重點(diǎn)。但是重要的知識(shí)點(diǎn)，未學(xué)知識(shí)點(diǎn)有必要深入講解。對(duì)于有限元法來講，位移函數(shù)、單元?jiǎng)偠染仃嚒⒖傮w剛度矩陣等重要知識(shí)點(diǎn)可以通過例題講解。求解方法則應(yīng)以講解各種求解方法的思路及優(yōu)勢(shì)為主，若以例題講解則比較繁瑣且容易出錯(cuò)，實(shí)例講授方法不適用于該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)。《隧道結(jié)構(gòu)電算》上機(jī)練習(xí)之前，應(yīng)該簡(jiǎn)單講解所用軟件的功能，界面菜單及操作流程。操作流程應(yīng)結(jié)合有限元理論，比如：定義單元類型、材料參數(shù)、單元特性、建立幾何模型、劃分單元、施加荷載和約束、求解及后處理。在軟件計(jì)算過程中應(yīng)考慮初始地應(yīng)力，施工過程：超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)和二襯等施工階段。計(jì)算完成后，根據(jù)計(jì)算目的獲得計(jì)算結(jié)果。上機(jī)課程應(yīng)設(shè)計(jì)荷載——結(jié)構(gòu)法和地層——結(jié)構(gòu)法的實(shí)例練習(xí)，使學(xué)生進(jìn)一步理解電算計(jì)算理論和掌握隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算過程與方法。

4結(jié)語

《隧道結(jié)構(gòu)電算》是隧道工程專業(yè)需要學(xué)習(xí)的重要課程，但是課時(shí)少、內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、實(shí)踐性要求高，本文通過分析隧道工程專業(yè)本科生的就業(yè)現(xiàn)狀，歸納了教學(xué)目的，提出了教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，探討了理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。

作者：周元輔 單位：重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭天中.隧道專業(yè)第一次電算經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊,1981,(6):49.

[2]陳唯一.全路隧道專業(yè)電算歸口會(huì)議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊,1984,(4):49.

[3]鄭天中.鐵路隧道專業(yè)第三次電算歸口會(huì)議在成都召開[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊,1987,(5):49.