“最佳”隧道形状实际上取决于其预期用途和周围环境条件。一般而言，“圆形横截面”通常被认为是抵抗外部压力的最佳形状，因为其均匀的曲率可以均匀分布应力，最大限度地减少应力集中，并在给定周长下提供最大的面积。这使得圆形隧道尤其适用于内部压力是主要考虑因素的水管或污水管道。
然而，当隧道需要容纳车辆或轨道交通时，通常需要平坦的地面。在这种情况下，D形（或节段式）隧道——本质上是拱形顶部和平整底部的组合——往往是首选。这种设计保留了拱形的许多优点（高效的荷载分布），同时提供了更适合交通的平坦地面。
常见隧道形状及其应用分析：
1. 圆形隧道
圆形隧道广泛应用于软土或高水压环境。其弯曲的设计可以均匀分布应力，最大限度地降低变形风险。
优点：
① 由于能够抵抗外部压力，非常适合水下隧道（例如英法海峡隧道）。
② 适用于高效挖掘圆形断面的隧道掘进机 (TBM)。
局限性：
交通隧道上部空间浪费，需要进行额外的衬砌调整。
2. 马蹄形（半圆形）隧道
这种形状结合了弧形顶棚和垂直墙体，在稳定性和空间利用率之间取得平衡。
应用：
① 常见于岩石隧道（例如阿尔卑斯山隧道），拱形隧道将荷载转移到周围的岩石上。
② 用于地铁系统（例如纽约地铁），以容纳铁路线路和公用设施。
工程考虑：
需要在破碎岩体中进行稳固支撑以防止坍塌。
3. 矩形或箱形隧道
箱形隧道是浅埋城市项目的首选。
用例：
① 明挖回填式地铁隧道（例如伦敦地铁），可有效利用有限的地面空间。
② 人行地下通道和公用设施隧道。
挑战：
由于应力集中在拐角处，在高压环境下效率较低。
4. 椭圆形和复合形状
混合设计可满足独特的地质或功能需求。
示例：
① 瑞士圣哥达基线隧道采用复合形状来应对变化的岩石应力。
② 地震带可能采用椭圆形设计来吸收地面运动。
5. 影响形状选择的关键因素
① 地质条件：硬岩适合采用马蹄形；软土则需要圆形隧道掘进机。
② 水文条件：水压决定了隧道剖面的形状为圆形或椭圆形。
③ 功能：铁路隧道优先考虑净空；公路隧道需要考虑通风。
④ 成本：TBM 减少了劳动力，但需要高额的前期投资。
“最佳”隧道形状取决于具体情况。现代工程利用先进的建模工具（例如有限元分析）和材料来优化设计。正如结构工程指南所述，“设计简洁往往与可靠性相符”，但在充满挑战的环境中，创新仍在不断突破极限。
