盾构隧道设计与施工综合虚拟仿真实验项目
虚拟实验采用虚拟情景化教学方法，目的是让学生体验：盾构隧道结构构造、土体荷载的计算方法、结构内力计算方法、土体与结构共同作用的稳定性分析、盾构隧道施工与实时监测的整个过程，在此过程中将相关知识点（如隧道结构受力的来源、土体和结构受力后引起的变形以及施工过程的实时监测等）有效融入虚拟情景中，在提高学生认识和专注度的基础上，理解和消化更多的专业知识。 基于虚拟情景化教学思路，软件利用虚拟现实场景、3D建模技术构建了实际尺寸的隧道洞身结构和施工现场环境，并设计了“受力计算-计算结果显示-结构稳定性”等虚拟场景，在此基础上，根据结构设计，基于土压平衡盾构的原理，进行施工过程实施监测位移变化调整施工过程参数的虚拟的场景。总体实施过程如下图所示：
盾构隧道结构设计通过在虚拟结构设计中，将场景、受力特征与计算原理等相关知识展示给学生，并让学生参与学习和计算。
(1)信息展示主要有3D描述和2D描述两种方法。其中3D描述主要采用三维虚拟模型的形式表示盾构隧道拟建场地的外观、结构和组合关系等内容，学生可以利用鼠标拖动的方式，自由、多角度的进行查看；2D描述主要针对土体物理力学实验获得参数及隧道构造等信息进行介绍，属性信息以面板文字的形式描述，灾害以虚拟图书的形式进行描述。见下图所示。
(2)虚拟土体和结构受力计算分析，运用以获得的土体和结构参数，学生根据地铁构造和土体环境，依据地铁结构设计规范进行计算步骤操作，获得正确结果后方能进行下一步操作，在计算完成土体受力和盾构管片内力后，通过判断土体的地表沉降量和管片的允许变形量是否符合规范和现场施工预警值，进而确定是否进行施工步骤的操作。见下图所示。
盾构隧道施工教学在虚拟施工现场进行，主要以人机交互式虚拟施工过程操作为手段，同时配以响应的文字、图片、视频及判断题进行展示和操作。
(1)虚拟盾构机掘进操作，学生通过点击鼠标设置地表沉降监测点和盾构机的推进力，根据不同土层，观察掘进过程中监测曲线的运动轨迹，判断出土量，调整掘进推进力。系统按照正确的操作步骤和技术要求，自动引导学生完成相应的操作动作。此步只有当学生正确完成当前步骤后才能继续进行后续的操作。
(2)辅助信息展示，虚拟施工操作之前以及过程中，虚拟实验系统会在有关的步骤中展示盾构机的构造、土压平衡盾构原理以及施工中遇到的土体大变形和管片破坏的情景，并辅以判断题强化知识点，穿插一定的文字介绍、图片或者视频演示，以便学生更全面的掌握此步骤中涉及到的知识点。见下图所示。
施工过程中存在的灾害分析教学在虚拟施工中进行，主要通过对照查看、因果分析的方法进行教学。
对照查看虚拟仿真实验结果和现场施工过程中存在的灾害，同时出现监测曲线的突变和土体位移或管片开裂等虚拟场景，学生判断掘进参数是否正确，若掘进参数正确，那么出现灾害的原因为为设计的结构不合理，因此需要返回修改结构设计参数；若掘进参数错误那么就返回修改推进力。通过施工认识结构设计、修正设计这样的过程，让学生认知结构设计与施工的紧密关系，进而更好的进行结构设计和施工，以达到安全施工和运营的目的。
基于情景化方法，虚拟实验利用VR技术，构建虚拟盾构隧道结构和施工情景，保证虚拟实验具有更多的融入感和带入感，学生在学习过程中思路清晰，精力集中，能有效提升学生的积极思考分析能力。