城市地下工程實踐教學平臺建設

李 濤, 任宏偉, 劉 波, 韓 茜

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院, 北京 100083)

自中央審議通過《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》[1],“雙一流”成為中國高等教育領域繼“211工程”“985工程”之后的又一國家戰略,對提升中國高等教育綜合實力和國際競爭力有重大推動作用[2]。在新一輪產業變革的背景下,國家和社會對高科技創新人才的需求加大,對高校發展和建立一流人才培養基地也提出了更高的要求[3]。另一方面,隨著城市化進程的推進,以及為解決我國城市擁堵問題,國家加大對城市地下空間的開發利用,人才匱乏問題日益凸顯,社會急需具有扎實地下工程基礎、掌握城市地下工程設計和施工技術的專業型人才。高校作為主要輸送人才之地,培養具有城市地下空間建設能力、掌握城市地下工程先進技術的高水平人才意義重大。

為解決學生城市地下工程實踐能力弱、實際工程經驗不足的問題,應采取實踐教學模式提高學生動手能力和創新能力。實踐教學平臺作為學生樹立創新思維、提升專業能力的重要途徑,對教學環境和實驗室建設提出了很高的要求。實驗室作為實踐教學平臺的重要組成部分,是學生獲得知識、培育綜合能力的基礎,是城市地下工程技術創新研究和成果轉化的條件[4-5]。因此,緊跟時代需求,建設城市地下工程實踐教學平臺對學生自身發展及推動“雙一流”建設影響深遠。

1 城市地下工程實驗室建設

城市地下工程實驗室是構建實踐教學平臺的基礎,通過室內實驗對實際工程進行模擬,能夠直觀反映施工現場情況并得出相關結論[6-7]。城市地下工程實驗室主要由6部分構成：模型箱、加載控制系統、數據采集系統、水壓模擬系統、凍結系統及工作站。工作原理如圖1所示。

圖1 城市地下工程實踐教學平臺實驗系統

通過傳感器實現模型箱內模擬材料與采集儀的連接,由加載控制系統控制模型箱內模擬材料所受應力,再由線纜經數據采集系統將數據傳輸至工作站,所采集數據經分析后顯示并存儲于計算機內,形成成果文件,用于后續城市地下工程實驗的研究和分析[8-9]。

1.1 模型箱及加載控制系統

模型箱來自中國礦業大學(北京)擁有自主知識產權的城市地下工程模擬系統,是實驗中盛放模擬材料(主要為土體)的載體。模型箱主要由內箱與外箱2部分組成,箱體尺寸為2 030 mm×2 030 mm×2 000 mm,可實現大比尺的實驗模擬。模型箱側壁處留有方形開口,可用于模擬地下工程始發端,便于模擬隧道開挖工序,也便于觀察地下工程實驗中的復雜施工環境。

模型箱通過加載控制系統對箱內模擬材料進行受力加載。加載系統由水平加載及豎直加載組成,水平方向共8組水平加載板,垂直方向共12組加載板,加載板通過連接桿與加載油缸相連,水平油缸可提供15 t荷載,垂直油缸可提供10 t荷載。加載控制系統共45組控制鍵,包括水平方向進退8組、垂直方向進退12組、油缸控制2組和1個總控開關鍵。加載控制系統能夠實現水平、垂直各個方向的單獨加載控制,還能滿足各方向多維度組合聯動加載控制,進而實現實驗的真三維加載條件。

1.2 數據采集系統

城市地下工程實驗室的數據采集系統主要由傳感器和數據采集儀2部分組成。不同的實驗條件和參數需求決定了傳感器的不同選型,如用于測量試件應變的應變片,用于測量土壓力的土壓力盒,用于測量位移的位移計,以及溫度傳感計、熱電偶傳感器等。數據采集儀以數顯式多功能靜態應力應變采集儀(型號為TDS-303)為主,應力應變儀具有上千個可連接傳感器的測點,可實現最多對80個通道的數據監視。

在數據采集前,通過靜態應變測試分析系統軟件,對傳感器所需的物理量進行設置,包括傳感器橋路連接方式、連接形式、電阻、彈模、泊松比、工作單位等基本信息,還要設定預警上下限和報警上下限,以防止實驗中當數據超出相應范圍時造成儀器設備的損壞。在進行實驗時,傳感器一端與實驗模型相連,另一端與數據采集儀相連,需注意相應傳感器與應力應變儀的橋路連接方式,組成全橋、半橋、1/4橋電路,再進行通道檢查,并記錄各點的初始值。

1.3 水壓模擬系統及凍結系統

水壓模擬系統與模型箱外箱相連,用于模擬地下工程受地下水影響的實驗。沿模型箱的垂直方向設置3層水平進水管,并安裝單獨閥門、高壓水泵及排水管,來控制各土層含水情況,用于模擬實際工程中的地下水情況,實現水土耦合條件下的城市地下工程實驗研究。

凍結系統通過凍結管與模型箱連接,由冷媒循環系統、制冷劑壓縮循環系統、冷卻水循環系統和溫度監測系統組成。制冷設備通過凍結管與分液器相連,分液器上分布的多組凍結孔便于凍結實驗材料。以氯化鈣溶液作為冷凍循環鹽水,經凍結管、分液器,在溫度監測系統監測下,可將土體最低冷凍至-30 ℃,充分滿足實驗的凍結需求。

城市地下工程實驗室的模型箱不僅能實現真三維實驗模擬,還可以與水模擬系統、凍結系統擴展組合,從而實現地下工程在水壓影響、負溫條件下的模擬實驗。

1.4 工作站

城市地下工程實驗室的工作站由數據分析、三維仿真模擬等系統組成。

數據分析系統包含3個模塊：控制模塊、分析模塊和顯示模塊?？刂颇K是核心,主要起控制收集數據的作用：首先是控制應力應變儀記錄、收集測量數據,并且將數據傳輸至分析模塊等待處理；其次是控制模塊向應力應變儀發送信息,以實現控制傳感器采集數據的頻率和方式。分析模塊承接控制模塊輸出數據,將相應的數據結果按照表格設置要求輸出,并將數據以時間順序進行繪圖,便于進一步的數據研究。顯示模塊承接來自分析模塊的數據,最終輸出數據結果,并顯示數據圖形。

三維仿真模擬系統主要基于ANSYS、FLAC3D及Matlab等數據仿真模擬軟件,將通過數據采集系統采集并經過分析系統分析的數據進行進一步的實驗分析,結合城市地下工程實踐教學平臺提供的現場監測系統的數據,將實驗數據與真實監測數據進行對比分析,最終得出實驗結論。

我們的城市地下工程實驗室建設過程中,對模型箱進行了創新設計,更便于實驗的直觀觀測,采用了自動化數據采集系統,提高了實驗數據采集效率。相較于其他城市地下工程實驗室,其通用性更強,實現了真三維實驗加載及水力條件下的實驗模擬,同時引入凍結系統,進一步提升了綜合實驗室的設備水平。

2 城市地下工程實踐教學平臺建設

在“雙一流”背景下,需要培養研究型人才和創新型人才[10],在人才培養模式上,應注重理論與實踐相結合,進而提高人才綜合素質。在工業模式不斷創新的背景下,工業化與信息化將更加深度融合。根據巖土工程等城市地下工程未來發展趨勢,培養能夠適應新一輪產業升級所需要的新型人才十分迫切。構建創新型城市地下工程實踐教學平臺,是培養新型人才的重要途徑。

基于改進的高度信息化的城市地下工程綜合實驗室,為學生提供高水平的實驗平臺。結合實踐教學平臺設計的適應未來國家發展戰略的實踐課程,促進了學生主動參與課程實踐的積極性,激發了學生的創造精神。城市地下工程實踐教學平臺系統如圖2所示,在城市地下工程實驗室的硬實力建設基礎上,從教學團隊、教學機制、科研交流體系、校企合作及導師科研項目等5個方面進一步完善城市地下工程實踐教學平臺。

圖2 城市地下工程實踐教學平臺系統

2.1 加強師資梯隊建設,完善實踐課程體系

一支高素質、高水平的實踐教學團隊是引領學生進步的重要啟蒙者,一套完善的城市地下工程實踐課程體系是為學生打下扎實基礎的重要保證。

教師既是實踐教學環節的執行者,又是一流實驗室建設發展的推動者。為實現將實驗室教學團隊建設成為一流教師隊伍的目標,通過人才引進和交流培養的方式,不斷完善師資梯隊建設,組建了一支包括院士、教授、研究員、副教授、高級工程師及實驗師在內的優秀教學團隊。為提高實驗教學質量,采取了更加完善的考核評價體系,加強了課程體系設置的合理性及適用性。經過多年教學平臺建設,團隊積累了豐富的實踐教學經驗,具備強大的科研和教學能力,開設了多門精品課程,2012年被評為“北京市工人先鋒號”。

加強實踐教學團隊建設、完善城市地下工程課程體系,對一流實驗室及一流高校的建設至關重要,也為學生高效地使用實踐教學平臺提供了基礎保障。

2.2 創新本科生導師制,提升學生創新能力

我校對學生的實踐創新能力非常重視,秉持培養研究型本科生的教學理念,建立并完善了本科生導師制度[11],積極鼓勵本科生參與大學生創新訓練[12]。

面向全體本科生實行了全程導師制,構建了教學與科研全方位融合的全員、全過程、全方位育人體系,導師全程指導本科生的規劃、學習、研究和發展,學生在導師指導下參加創新活動,培養綜合能力,形成了一對一輔導本科生的教育體系。

基于城市地下工程實踐教學平臺,以教師指導、學長帶動的方式,鼓勵本科生主動投身實驗室研究,使本科生的綜合創新能力在實踐教學中得到了很大提高。

2.3 強化科研交流體系,培養學生國際視野

為進一步開拓學生視野,聘請國內外相關領域著名專家,以實驗室報告會的形式為學生提供接觸新思想、新理念、新技術的機會。鼓勵學生在聽取報告時主動提問,會后組織學生討論學習收獲,并撰寫學習心得,強化科研學習成果。

我校重視并積極開展國際交流與合作,與50余所世界著名高校和科研院所建立了合作關系,開展了形式多樣的學生交流項目?；趯嵺`教學平臺,學生可通過畢業設計、課程交流、冬令營、夏令營等項目,了解國內外最新知識和最新研究方向,激發學習熱情,增加獲取最新知識的渠道,開闊視野,成為新一輪產業升級需要的創新型人才。

2.4 增加校企合作,拓寬實踐途徑

隨著實驗實踐教學改革的深入與推廣,學生需要得到更加系統、規范的訓練,對貼近一線生產活動的實踐需求大幅提升[13]。在實踐教學中,我校借助地下工程國家重點實驗室平臺及城市地下工程實驗教學平臺,與企業展開了廣泛合作,建立了長效合作機制,增加現場實踐教學環節,為學生提供更全面深入的實習實訓機會。例如,與北京市住總集團合作建設“土建類北京高等學校市級校外人才培養基地”,為促進學生工程素養與科研能力起到了很好的作用。

每學期期末組織本科學生到與學校合作的校外科研院所、工廠企業和施工現場進行參觀交流,并根據學生的實際情況,安排短期的施工現場實習,并提供現場指導教師。校企合作機制有助于學生加深對施工工序、工藝的理解,為學生學習計劃及科研訓練的開展提供幫助。

2.5 開展科研項目訓練,激發科研能力

科研創新訓練項目是我校開展創新人才培養的重要載體,自2011 級本科生開始,學生依托科研項目發表學術論文數千篇,獲授權專利幾十項?；谖倚５叵鹿こ萄芯繄F隊研發的滿足工程監測需要的產品及自動化監測系統,例如無線高支模實時監測系統、無線深基坑監測系統、無線靜態應力應變測試系統等,為學生提供了參與實際工程監測的平臺,有助于學生加深對橋隧、邊坡基坑、礦山工程的認識。通過無線監測系統以自動化、信息化的監測方法獲取的監測數據,可以使學生驗證通過實驗平臺獲得的實驗數據的真實性。

實踐教學平臺鼓勵學生參與導師科研項目,成為學生提升學術能力的綜合平臺。所采用的實驗教學及與科研機構和企業聯合培養的教學模式,有助于學生將城市地下工程專業知識與實際施工技術發展緊密聯系起來,城市地下工程實踐教學平臺的作用得到充分發揮。

3 城市地下工程實踐教學平臺的應用效果

基于城市地下工程實踐教學平臺,在實踐教學團隊教師的指導下,學生完成了“隧道掘進支護系統穩定性模擬”“膨脹土中錨桿的預應力值變化模型實驗”“新建隧道下穿既有盾構隧道模型實驗”“深基坑支護結構受力變形實驗”等實踐課題研究,實驗如圖3、圖4所示。

圖3 城市地下工程實驗室現場模擬

圖4 城市地下工程實驗室仿真模擬圖

工程實踐教學平臺在提高學生綜合能力方面的成效體現在以下方面：

(1) 加深了對城市地下工程專業的認識,扎牢了專業知識基礎。利用城市地下工程實踐教學平臺,通過課上教學與實踐教學相結合,增強了學生對模型實驗的理論、方法和技術的理解,通過實驗直觀有效地消化了課本上的理論知識,彌補了課本學習的不足,讓學生在實踐中切實掌握基礎理論知識。

(2) 增強了動手能力,提升了實踐認知能力。城市地下工程實踐教學平臺,為學生提供了難得的實踐機會,讓學生能夠參與到工程第一現場,進而能夠直觀地學習地下工程施工工藝,通過實驗室的模擬實驗,學生學習掌握了應變片及自動采集實驗數據系統的使用方法,直接掌握了數顯式多功能靜態應力應變采集儀和靜態應變測試分析系統軟件的使用方法,增強了學生的綜合競爭力。

(3) 提高了分析問題、解決問題的能力。在導師制下,學生得到了更多的科研指導,綜合能力提升,結合大學生科研創新項目,培養了實踐創新能力。

(4) 對城市地下工程有了直觀的了解,提高了實踐能力,彌補了實踐經驗的不足,增強了對城市地下工程的認知。

4 結語

城市地下工程實踐教學平臺以良好的教學效果,被廣泛地應用于學生科研工作及實踐訓練?；诔鞘械叵鹿こ虒嵺`教學平臺的構建,加強了教學團隊的建設,提升了教學質量,激活了城市地下工程課程體系,改善了學生運用實踐教學平臺的環境,提高了學生的實踐創新能力,為創新型綜合人才的培養發揮了作用。一流實踐教學平臺的建設是一個長期任務,在今后的教學實踐中,仍需要不斷完善,以期為學生提供更好的實踐教學環境。