静载条件下八边形隧道数值模拟与钢套管替代钢筋的创新研究

本研究针对隧道设计中的变形控制难题，创新性地提出采用八边形隧道（OST）截面并以其内部钢套管替代传统钢筋。通过ETABS软件进行线性弹性分析，结果表明钢套管OST的竖向变形比传统配筋OST和等效圆形隧道分别降低5%和17.2%，且均布荷载（UDL）工况下的变形显著低于集中荷载。该研究为优化隧道结构设计提供了新思路。

　　

在隧道工程领域，变形控制始终是决定结构安全性与稳定性的核心问题。传统隧道截面形式如圆形、矩形和马蹄形虽广泛应用，但其变形特性仍有优化空间。更高效的隧道截面形状应表现出更低的变形量，这正是八边形隧道（Octal-Shaped Tunnel， OST）被研究者选为替代方案的根本原因。然而，OST在实际工程中极为罕见，这主要源于其施工难度大且缺乏适用于深埋隧道的专用掘进设备。不过，在浅埋隧道工程中，无论是硬岩还是软土地质条件，OST都具备潜在的应用可行性。

以往研究多集中于传统隧道形状的静力响应分析，而关于OST的研究文献十分匮乏。仅有一项先驱性研究探讨了OST的理想化施工工艺及其在静力和地震作用下的数值响应，但该研究采用了固定的几何参数和荷载条件。当前研究的重大创新点在于，提出用等体积钢套管替代OST内部的传统钢筋配筋。这一变革有望简化预制混凝土管片的生产工艺，特别是减少横向和纵向钢筋布置的复杂性。为了系统评估这一创新设计的有效性，研究人员开展了一项深入的数值模拟研究，重点考察不同静载条件下OST的力学响应。

本研究的实施主要依托几个关键技术方法：首先，使用ETABS v. 18.1.1这一有限元分析软件进行建模和线性弹性分析。其次，将OST简化为两端简支的二维杆单元（2-nodded line element）进行模拟，以简化计算并聚焦于整体变形行为。第三，采用了等体积替换原则，确保用于替代钢筋的钢套管体积与原配筋量相等。第四，设定了多种荷载工况，包括均布荷载（UDL）、两点荷载和三点荷载，以模拟不同的上部荷载作用情况（如均质土层压力或局部建筑荷载）。最后，通过验证（与已有OST研究结果对比）和校准（与配筋OST及等效圆形隧道对比）来确保数值模型的准确性和可靠性。

4. 结果与讨论

4.1. 隧道弯矩变化

弯矩承载能力取决于截面属性。通过改变OST的臂长、厚度以及钢套管（ST）的厚度，获得了弯矩随曲率变化的曲线。分析表明，增大OST的臂长能显著提高其弯矩承载能力，例如，5米臂长OST的最大弯矩达到了185.9 MN·m，这归因于截面惯性矩和截面模量的增加。相比之下，增加OST厚度对弯矩能力的提升幅度较小（例如，0.5米厚OST的最大弯矩为65.5 MN·m，比5米臂长OST低64.8%）。而增加钢套管厚度则能带来更明显的提升（9毫米厚ST的OST最大弯矩为172.9 MN·m，仅比5米臂长OST低7%）。这表明，通过调整OST的臂长来优化其抗弯性能最为有效。

4.2. 隧道长度的影响

隧道最大竖向位移（TMVD）随外部荷载（UDL、两点、三点荷载）的增加而逐渐增大。隧道长度是另一个关键因素，较长的隧道由于其刚度降低，会表现出更大的竖向位移。在UDL作用下，长度为35米、55米和75米的OST，其最大竖向位移分别为35.3毫米、188.8毫米和653.2毫米。与UDL相比，两点荷载和三点荷载分别导致TMVD增加了7.7%和24.6%。这种差异源于集中荷载作用下沿隧道长度的非均匀应力分布。

4.3. OST臂长的影响

OST的臂长对其竖向位移有显著影响。增加臂长可以有效减少竖向位移，因为臂长的增加带来了截面惯性矩、截面模量和刚度的提升。研究显示，与3米臂长OST相比，4米和5米臂长OST的竖向位移递减率分别达到了53.7%和73.4%。在所有荷载工况（UDL、两点、三点）下，不同臂长OST之间的位移变化率几乎保持恒定。这表明，调整OST臂长是控制变形的非常有效的参数。

4.4. OST厚度的影响

增加OST的厚度也能降低其竖向位移，但效果不如调整臂长显著。与0.3米厚OST相比，0.4米和0.5米厚OST的竖向位移最大递减率分别为18.8%和30.2%。这主要是因为厚度增加对截面面积、惯性矩和模量的提升幅度相对有限。在所有厚度情况下，两点荷载和三点荷载导致的位移增量率与UDL基准相比，分别稳定在7.7%和24.6%左右。

4.5. 钢套管厚度的影响

改变钢套管的厚度对降低隧道竖向位移的效果相对较弱。与3毫米厚钢套管OST相比，采用6毫米和9毫米厚钢套管OST的竖向位移递减率分别为约5.8-6.2%和11.5%。这反映了钢套管刚度变化对OST整体刚度的贡献相对较小。同样，两点和三点荷载相较于UDL的位移增量率仍分别为7.7%和24.6%。

4.6. OST混凝土抗压强度的影响

混凝土的抗压强度通过影响弹性模量来改变OST的刚度，进而影响位移。根据公式 E_OST (MPa) = 4700√(f'_c (MPa))，较高的抗压强度意味着更高的弹性模量和刚度。结果表明，与35 MPa抗压强度相比，40 MPa和45 MPa混凝土OST的竖向位移递减率分别为6.2%和11.2%。荷载类型的影响趋势与前文一致。

5. 结论

本研究通过线性弹性分析，系统评估了八边形隧道（OST）在不同静载条件下的最大竖向位移。其核心创新在于提出用等体积钢套管替代OST内的钢筋。主要结论如下：

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  数值模型验证结果差异在3.73%至8%之间，表明简化模型具有良好的准确性。配筋OST比钢套管OST的变形大5%，而等效圆形隧道比OST的变形大17.2%。
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  通过增加OST臂长、厚度或钢套管厚度均可提高弯矩能力，其中5米臂长OST获得了185.9 MN·m的最大弯矩。
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  在减少隧道竖向位移方面，改变OST臂长（最大递减率73.4%）最为有效，其次是增加OST厚度（30.2%）、提高混凝土强度（11.2%）和增加钢套管厚度（11.5%）。隧道长度增加则会导致位移显著增大。
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  在荷载类型方面，均布荷载（UDL）工况下的隧道变形始终小于两点荷载（增量率最高7.7%）和三点荷载（增量率24.6%）。因此，在实践中应优先考虑使作用于OST上的荷载分布均匀。

本研究聚焦于线性弹性行为和整体变形，未涉及材料各向异性、非线性失效机制等方面。未来的研究可通过OST实体试验、非线性分析和时程分析等手段，进一步深入探究其力学性能和破坏模式。尽管如此，本研究为OST在隧道工程中的潜在应用，特别是其钢套管替代钢筋的创新设计，提供了有价值的理论依据和设计参考。该论文发表于《Results in Engineering》期刊。