本科土木工程三年级：短锚钉支护创新工艺流程实训教案

本科土木工程三年级：短锚钉支护创新工艺流程实训教案

一、课程教学总览

（一）课程归属与定位

本模块隶属于土木工程专业三年级核心课程“地下工程与边坡支护”，课程代码CE3012。该模块为“锚固技术及其创新发展”单元的子任务，前置课程为土力学、岩石力学与材料力学。本实训教案聚焦于短锚钉支护技术的创新工艺全流程，着力打通从经典锚固理论到工业化智能建造的最后一公里。

（二）课时编排与场地

总设计学时为6学时，其中理论剖析与虚拟仿真1.5学时，实体工艺实训4学时，成果答辩与工法优化0.5学时。实施场地位于校内岩土工程实训基地锚固作业区及数字挛生实验室。

（三）授课对象特征

授课对象为已完成基础力学及常规支护设计课程的本科三年级学生。学生已掌握锚杆杆体强度验算、砂浆锚固机理，但对于“短密快”新型锚钉体系缺乏系统认知，对全螺纹玻璃钢锚钉、自钻式中空锚钉等新型材料的施工适配性普遍存在盲区。【重要】学生在传统长锚杆实训中表现出较强的工艺执行能力，但在面对复杂地质突变时应急调整意识薄弱，工程思维尚停留于标准图集套用阶段。

二、教学内容深度解构

（一）教材与行业标准参照

以“十四五”规划教材《岩土锚固与喷射混凝土》（第三版）第九章为基础，融入中国工程建设标准化协会标准《短锚钉支护技术规程》（CECS876-2025）征求意见稿的核心创新点，结合近三年软弱围岩隧道拱顶沉降控制实际案例，构建理实一体内容体系。

（二）知识技能图谱

本模块完整覆盖短锚钉支护从机理认知、工艺创新到质量检验的全链条。核心知识点包括：短锚钉尺寸效应与群钉效应协同机制；【非常重要】自钻式锚钉钻进—注浆—杆体一体化工艺参数耦合；【难点】速凝树脂锚固剂在富水地层中的凝胶时间调控；智能垫片应力监测系统的数据判读。【热点】

三、教学目标矩阵

（一）知识迁移目标

学生能准确复述短锚钉与传统砂浆锚杆在传力机制、长径比阈值、施工工序上的本质差异；【重要】能默绘出短锚钉支护的“三快一密”创新工艺流程（快速成孔、快速安装、快速封闭、小间距密布）；能阐述锚钉—围岩界面剪应力分布的非线性特征及其对钉长的决定作用。【高频考点】

（二）技能实操目标

能够依据给定工程水文地质参数，独立完成短锚钉支护平面布置图的钉长、倾角、间距的初步校准；【难点】能够以小组为单位，在仿真实训台完成至少三根自钻式锚钉的全流程模拟钻进、注浆与张拉锁固；能依据智能垫片回传的轴力数据初步判断锚固质量缺陷。【非常重要】

（三）工程素养目标

养成“一孔一策”的精细化施工管理意识，树立基于动态监测信息的设计—施工一体化反馈理念；在团队作业中自觉落实“三检制”与安全风险双控机制；【热点】理解短锚钉在减少圬工用量、降低碳排放方面的绿色建造价值。

四、教学靶点与破解策略

（一）核心教学重点

短锚钉“短密快”工艺体系与传统长锚杆的流程异同。重点破解学生对“缩短钉长为何可通过加密实现等同承载力”的认知阻抗。解决路径：引入颗粒流数值模拟动画，直观展示钉群应力泡叠加效应。【非常重要】

（二）教学难点攻坚

难点一：自钻式锚钉在卵石层中的钻进扭矩与注浆压力匹配关系。攻坚手段：使用1：1足尺锚固实训台，设置不同密实度地层模块，让学生在反复试错中建立扭矩—进尺速度的敏感度。难点二：树脂锚固剂卷破袋搅拌的时机把握。攻坚手段：透明亚克力管模拟锚孔，高黏度硅油替代树脂，可视化搅拌全过程。【难点】【高频考点】

五、教学资源与场域构建

（一）硬件资源

岩土锚固全真实训操作台四组，每组配置变频锚杆钻机一台、注浆泵一台、数显扭矩扳手两把；自钻式中空锚钉杆体及钻头（直径25mm，长度2.2m）十套；全螺纹玻璃钢锚钉二十套；速凝树脂锚固剂卷模拟料及实体料若干；无线轴力智能垫片监测系统一套；三维地质力学模型试验槽两座。

（二）数字资源

短锚钉—围岩相互作用机理虚拟仿真实验平台；CECS短锚钉规程交互式电子书；近五年国内十二例短锚钉应用失败案例归因数据库（匿名处理）。

六、教学实施过程深度展开（核心篇幅）

（一）课前诊断与情境植入

教师于授课前四十八小时通过超星学习通发布“锚固技术迭代路线图”互动式时间轴，要求学生将已有锚杆知识拖拽至相应年代节点，系统自动生成班级群体认知热力图。依据热图锁定三大共性问题：短锚钉是否仅为长锚杆的缩短版？注浆工艺是否完全相同？为何目前仅在铁路隧道推广？此阶段为【一般】知识唤醒层级，但为后续针对性纠偏提供了精准靶向。

（二）课内启动：冲突创设与标准发布（0.2学时）

教师播放十五秒短视频，呈现某公路边坡采用传统9米长锚杆因施工台车无法就位而延误工期，切换至同一工地采用2.5米短锚钉群机械臂快速加固的平行时空对比片段。随即发布本堂课核心挑战任务：“受训工程师团队需在四小时内完成某强风化岩层深基坑东侧坡面短锚钉支护方案编制与关键工序实操，并接受业主与监理（教师及企业导师）的现场验收。”此时教师明确抛出本次实训的质量、成本、安全三大刚性约束指标，【非常重要】将工程伦理与工艺精度直接锚定。

（三）机理破冰：短锚钉传力机制的数智化透视（0.5学时）

此环节摒弃传统板书推导，采用全息投影将单根锚钉与群钉体系的应力场叠加动态呈现在实训台中央。教师手持点触笔逐层剥离围岩，暴露钉体界面。重点强调剪应力沿钉长非均匀分布特性——峰值点距孔口仅0.8至1.2米，这正是短钉得以成立的力学内核。教师在此处连续三次设问：“若将钉长由3米增至6米，承载力能否线性倍增？”学生通过虚拟仿真平台即时修改参数，观测到超过临界锚固长度后，尾部剪应力趋近于零，平台立即生成材料浪费与无效钻孔的成本数据。此时全班发出一致惊呼，认知冲突成功转化为求解动力。本段嵌入【非常重要】【高频考点】标记。

（四）工艺流拆解：传统锚杆与短锚钉工序并排对比精讲（0.8学时）

教师在中央演示区同时开启两路工业摄像头，投影分屏左侧为传统砂浆锚杆“先注浆后插杆”全流程，右侧为短锚钉创新工艺“钻—注—插一体化”动态演示。讲解颗粒度细化至以下层级：其一，成孔环节差异。左侧显示潜孔锤冲击回转，右侧显示自钻式锚钉前端十字合金钻头旋转切削，钻杆即杆体，钻孔完毕锚钉同步就位。教师在此处放慢六倍速特写，强调整孔、清孔工序在短钉工艺中被压缩为同步动作，【重要】此乃工期缩减百分之四十的核心秘密。其二，注浆工艺创新。左侧为返浆式注浆，右侧短钉工艺演示中空杆体中心注浆，浆液自钻头小孔喷出，自下而上充填环状间隙。教师立即展示实体剖分模型，让学生触摸浆液流出孔位置，对比注浆管埋设差异。其三，锚固剂类型迭代。展示速凝树脂锚固剂卷在富水模拟环境中的水下固化实验录像，强调短钉对早期锚固力的迫切需求。本段密集标注【热点】【难点】。针对树脂卷搅拌速度与推进力这两个极易导致“白条”废孔的操作，教师使用高速摄像回放正确手法与错误手法下锚固剂卷的破碎路径差异，学生发出阵阵顿悟式感叹。

（五）虚拟练兵：工艺参数敏感性正交试验（0.5学时）

学生每两人一组登录虚拟仿真实验平台，进入“短锚钉工艺参数优化”模块。平台内置正交试验设计界面，因子包括：锚钉倾角（10°、15°、20°）、注浆压力（0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa）、树脂凝胶时间（30秒、60秒、90秒）。每组需完成九组虚拟试验，系统在十秒内依据离散元算法输出每根虚拟锚钉的拉拔力与注浆饱满度。各组将数据填入共享在线表格，全班数据即刻合成三维响应曲面。教师引导学生观察曲面极值区域，发现注浆压力0.4MPa、倾角15°附近存在承载力高原，而凝胶时间对富水地层拉拔力影响陡峭。通过此虚拟全覆盖试验，学生在极短时间内遍历了现场需数月才能积累的参数组合，【非常重要】深刻领悟短锚钉工艺绝非长杆参数的机械缩减，而是一套全新的匹配体系。此阶段生成的数据报告将直接作为后续实操的预设参数，实现虚拟向实物的高保真映射。

（六）实体实训：全真工况短锚钉作业循环（3.2学时）

此为整堂课的压舱石，分为四个子环节，每个环节均嵌入职业资格标准中的现场评分点。

1地层判识与钉位放样

实训台预制四种典型地层模块：全风化花岗岩、卵石土、断层泥、水平薄层板岩。各组抽签决定地层类型，并依据虚拟试验获取的经验规律，自主确定钉长、间距及排距。教师在此环节不设标准答案，只提供该地层的原位测试指标。学生需使用地质罗盘、回弹仪进行快速判识，【难点】在十五分钟内于钢质模型壁上完成钉位墨线弹放。此阶段高频出现的问题是将卵石层误判为整体性岩层而选用过短钉长，教师即时组织小组间互检，互检发现的设计偏差作为过程性评价核心依据。

2自钻式锚钉一体化钻进

学生穿戴全套劳保用品，操作变频锚杆钻机连接中空锚钉。开机前必须执行“双确认”：确认注浆泵与钻机动力头联动状态，确认树脂锚固剂卷已装入钻头储囊。教师将作业面划分为四个区域，每组配企业导师一名。重点关注：钻进速度是否与进尺异常波动形成闭环判断。例如当钻头遭遇卵石时，扭矩飙升，正确操作是略微降低推进力并保持转速，错误操作是强力推进导致钻头偏斜或杆体断裂。此处设置人为故障点，某组钻机模拟卡钻警鸣，考察小组应急处理流程。合格做法是立即停钻、反转退杆半米、改换低速档重新调节给进力。此项操作被标注为【非常重要】【高频考点】。钻进至设计深度后，钻机自动停转，注浆泵随即按虚拟试验选定的0.4MPa压力启动，浆液沿中空杆体泵至孔底，顶破钻头处密封膜，反向充填。学生需观测返浆管，待返浆连续且无气泡时关闭注浆泵。

3智能垫片安装与初凝锁定

注浆完成后，学生立即在锚钉外露端依次套入承压板、球形垫圈，并使用数显扭矩扳手紧固螺母至设计扭矩40N·m。与传统工艺不同，本环节创新性植入智能轴力垫片——一种集成应变片与近场通信芯片的环形传感器。学生需用手机贴近垫片读取初始锚固力，数据自动上传至班级云端看板。垫片读取操作规范与否直接影响数据真实性，教师巡回指导时强调垫片定位必须居中且与承压板完全接触，【重要】严禁偏载。

4群钉效应联动与质量初判

四组全部完成六根锚钉作业后，实训台整体翻转九十度，模拟临空面侧向压力。学生实时监测各智能垫片轴力波动，发现相邻锚钉张拉时会引发已锁固钉轴力微弱上升，这正是群钉应力叠加在物理空间中的直观映射。教师即刻引导回顾开篇的应力泡模拟，完成从虚拟数值模型到实体物理模型的认知闭环。各小组依据监测数据，判别是否存在锚固力离群值，并分析离群原因——锚固剂卷搅拌不匀、注浆管堵塞或垫片偏心。分析结论写入小组工艺报告。【热点】

（七）突发工况模拟与动态设计（0.3学时）

在实训作业即将结束阶段，教师发布“突遇地层软化”紧急指令。模拟降雨入渗导致某组锚固区岩体黏聚力骤降百分之三十。学生需在五分钟内启动动态设计预案：调整相邻补强锚钉的间距加密方案，并在数字孪生界面快速验算加固后安全系数。此环节极其考验知识迁移能力，【非常重要】学生需即刻调用土压力理论与群钉效应叠加原理，将钉间距由1.2米紧急加密至0.8米，部分小组还提出在钉尾增设槽钢腰梁形成整体受力体系。教师现场点评各预案力学逻辑，将“动态设计、动态施工”的岩土工程精髓思想内化于心。

（八）成品展评与工法复盘（0.5学时）

各组将实体锚钉群、智能监测数据流、优化后的设计草图集成于一份A1展板。汇报采用“三分钟陈述+两分钟答辩”模式，教师与国赛裁判员（企业导师）共同质询。质询问题直击工艺核心：为何贵组选用2.0米钉长而非2.5米？注浆压力波动如何应对？智能垫片轴力离散系数超标采取何种补救？学生应答过程中频繁闪现富有洞见的工程判断，如某组陈述：“我们根据卵石层漏浆严重的特点，主动将注浆压力提至0.55MPa，并掺入0.3%速凝剂，虽轴力离散度略高，但平均拉拔力满足设计要求，这是基于成本与工期权衡的合理偏离。”企业导师当即给予行业认证加分，此乃【热点】高阶工程思维的有效外显。

七、教学评价与反馈闭环

（一）过程性评价指标构成

评价体系彻底打破期末一卷定音，本模块过程性评价占比百分之七十。具体分解为：虚拟正交试验报告规范性（15%）；实体锚钉钻孔深度与倾角实测偏差（25%），偏差超过±2°该项不得分；注浆饱满度通过超声波无损检测仪抽检（20%）；智能垫片轴力数据与设计值吻合度（20%）；团队安全文明生产与7S管理执行（20%）。评价数据通过实训台传感器自动采集与教师观察记录双轨并行，【重要】确保客观。

（二）增值评价与诊断报告

每位学生结课后获取个人能力雷达图，对比前序锚杆实训数据，生成“短锚钉工艺核心技能增量”折线。教师从班级整体错题库中提炼出三大顽固盲区：树脂锚固剂搅拌转速感知偏差、卵石层钻进给进力阈值模糊、智能垫片数据漂移误判。这些诊断将直接输入下一轮次“智能锚固监测”课程模块的教学改进。

八、教学反思与迭代方向

（一）设计亮点

本教案最显著的突破在于实现了“机理—工艺—监测—调控”全链条贯通。传统支护工艺实训常止步于操作熟练度，而本设计通过智能垫片使看不见的锚固力变得实时可见，让群钉效应从书本曲线变成手上数据。虚拟正交试验极大压缩了工艺参数试错成本，学生带着虚拟优化后的“预判”进入实体操作，实现了由“机械模仿”向“策略执行”的跃升。

（二）待改进处

自钻式锚钉在断层泥地层的模拟真实感仍有欠缺，实训台地层模块循环使用后物性指标存在漂移。下阶段拟引入微型标准贯入试验装置，使学生在操作前能对地层硬度进行原位快速定量的自我校验。此外，树脂锚固剂卷的气味控制尚需优化，拟在实训台加装局部下吸式通风系统，进一步