《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Numerical assessment of plasticity development and energy expenditure of ant-like microtunnelling
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本文针对传统隧道全断面开挖方法存在的稳定性与能耗问题，受蚂蚁分阶段掘进行为启发，采用有限元法系统对比了单次开挖与分阶段开挖两种策略。研究发现，在特定地质条件下（如低表观凝聚力），分阶段开挖能通过应力重分布形成自支撑拱效应，显著降低塑性区范围、开挖推力（28-33%）、扭矩（15-22%）及总能耗（18-25%），并改变塑性区形态复杂性（分形维数降低约0.1）。该研究为优化微隧道工程提供了仿生设计新思路，论文发表于《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》。
在隧道与地下工程建设中，如何安全、经济地开挖并维持洞室稳定是一个永恒的挑战。传统的一次性全断面开挖方法虽然施工效率高，但在软弱或复杂地层中容易引发围岩过大变形甚至塌方，且掘进设备需要克服巨大的掌子面压力与侧壁摩擦，导致能耗居高不下。自然界中，诸如收获蚁等生物经过亿万年的进化，形成了高效、节能的掘洞策略。观察发现，蚂蚁并非一次性挖通整个巢穴通道，而是采用类似“剥洋葱”的方式，分多个阶段由小到大逐步扩挖隧道直径。这种奇妙的生物行为能否为人类的隧道工程技术带来启示？是否可能通过模仿这种分阶段开挖策略，在保证洞室稳定的同时，显著降低开挖过程中的机械能耗？这正是本研究试图探索的核心问题。
为了回答上述问题，研究团队发表在《TUNNELLING ANDUNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》上的论文，开展了一项系统的数值模拟研究，旨在从力学机理和能量消耗两个维度，定量比较一次性开挖（模拟常规工程实践）与分阶段开挖（模拟蚂蚁筑巢行为）两种策略的优劣。研究通过构建精细的二维有限元模型，模拟了在不同地质参数（如深度直径比、土体弹性模量、表观凝聚力c'、内摩擦角φ等）组合下，圆形隧道的开挖过程。研究人员采用收敛-约束法来等效三维开挖效应，并运用莫尔-库仑弹塑性模型来描述围岩的力学行为。研究的关键在于量化两种开挖方法完成后，隧道周围形成的塑性区（即发生不可逆剪切变形的区域）的特征，以及估算开挖过程所需的总推力、扭矩和机械能。
本研究主要依赖于几个关键的技术方法。首先是有限元法，用于模拟隧道开挖过程中的应力场和位移场变化。其次，采用了收敛-约束法来将三维隧道推进问题简化为二维平面应变问题进行分析，有效模拟了开挖面前方的空间效应。为了刻画开挖后围岩塑性区的复杂形态，研究引入了分形维数（包括盒维数Db和差分盒维数DDBC）和闵可夫斯基泛函（M0, M1, M2）等形态学指标。最后，基于模拟得到的应力场，结合工程经验公式估算了开挖机所需的推力、扭矩和总机械能。
塑性区特征对比
研究结果显示，开挖方法显著影响隧道周围塑性区的发育。分阶段开挖诱导的塑性区，其最大塑性剪切应变（εs,p)max和平均塑性剪切应变（εs,p)mean在大多数工况下均低于单次开挖。更重要的是，塑性剪切应变的变异系数CVεs,p在分阶段开挖中更高，表明其塑性应变分布更不均匀，存在明显的应变局部化现象，这往往与剪切带的形成有关，反而有助于应力释放和拱效应的形成。
塑性区形态学分析
通过分形维数和闵可夫斯基泛函对塑性区轮廓进行量化分析发现，分阶段开挖形成的塑性区其边界复杂程度（盒维数Db）和内部灰度强度变化（差分盒维数DDBC）通常低于单次开挖。这意味着分阶段开挖产生的塑性区形态相对更简单、更紧凑。闵可夫斯基泛函分析进一步证实，分阶段开挖塑性区的边界长度和欧拉特征数也发生相应变化，反映了其不同的连通性和拓扑结构。
开挖能耗评估
在能量消耗方面，分阶段开挖展现出明显优势。对于深度直径比（D/d）较大或土体表观凝聚力c'较低的情况，分阶段开挖所需的总推力FT、扭矩T和总机械能WT均显著低于单次开挖。例如，在特定参数组合下，推力可降低28-33%，扭矩降低15-22%，总能耗降低18-25%。这种节能效应主要归因于分阶段开挖过程中，每一步较小的开挖量引起的应力重分布，在围岩中逐步形成了自支撑的“压力拱”，从而分担了部分上覆岩土体的重量，降低了对隧道支护结构的压力，进而减少了掘进机需要克服的阻力。
参数敏感性分析
斯皮尔曼秩相关分析揭示了不同地质参数对开挖结果的影响程度。深度直径比（D/d）和表观凝聚力c'是对塑性区特征和开挖能耗影响最显著的两个参数。值得注意的是，从单次开挖切换到分阶段开挖时，c'与塑性应变变异系数CVεs,p的负相关性增强，同时c'与总推力FT的正相关性也增强。这表明，在低凝聚力土体中，分阶段开挖更能发挥其通过应力重分布优化受力的优势，但也对土体的自稳性（即c'）提出了要求。
该研究的结论明确指出，受蚂蚁掘洞行为启发的分阶段开挖策略，在特定地质条件下（尤其是具有一定表观凝聚力的非饱和砂土中）是一种极具潜力的、更节能且有利于围岩稳定的隧道开挖方法。其核心优势在于通过多次、小规模的应力释放和重分布，激活并利用了围岩的自承能力，形成了有效的拱效应，从而降低了作用于隧道结构上的荷载和开挖所需的外部能量输入。这不仅为理解生物掘洞策略的力学原理提供了定量依据，更重要的是为现代微隧道工程、水平定向钻探等非开挖施工技术的优化提供了新的仿生学设计思路。将这种“分阶段、渐进式”的智慧应用于实际工程，有望在保证安全的前提下，显著降低地下空间开发的环境影响和能源消耗，推动隧道工程向更绿色、更可持续的方向发展。然而，研究也指出，这种策略的效益高度依赖于地质条件，特别是在缺乏足够凝聚力的土体中，拱效应难以形成，其优势会减弱。因此，在实际应用中，需要根据具体的地层参数进行精细的评估和设计。
