1 引 言
随着西部地区开发进程的不断推进，基础设施建设规模持续扩大，高速公路隧道对于车道数的需求也越来越大，三车道和四车道的大断面隧道逐渐增多，这给隧道工程施工带来了新的挑战。如何选择安全可靠、经济合理的施工方法，已成为当前隧道工程领域亟待解决的关键技术难题。
超大断面隧道具有扁平率低、跨度大、开挖工序复杂等特点。基于此，众多学者提出了多种创新工法：周捷等提出了一种适用于大断面深埋隧道的施工工法——扩大拱脚台阶法，通过设置初期支护大拱脚，将拱部荷载传递至拱脚围岩，从而提高拱部初期支护的承载能力和稳定性。张俊儒等提出了一种钢架岩墙的方法，可快速施工超大扁平断面隧道。王志杰等结合水平旋喷桩加固技术，验证了采用三台阶加临时仰拱法在大断面深埋风积沙隧道中施工的适用性。王圣涛则论证了钢架岩墙组合支撑工法在Ⅳ级灰质岩超大扁平断面隧道中使用的合理性。卿伟宸等采用三台阶“外锚”替换“内撑”及“锚索取代临时横撑”的施工工法，成功实现了特大跨度隧道的台阶法施工。熊造通过对比动态分部工法与三台阶法、CRD 法、CD 法及双侧壁导坑法等传统工法，系统揭示了动态分部工法的技术经济性。洪军等针对全风化花岗岩富水地层中开挖跨度达 30.3m 的超大断面隧道段，提出采用“靴型大边墙+加劲拱”复合工法开挖。姜封国等研究表明，在软弱围岩条件下施工隧道，双侧壁导坑法在控制隧道变形和地表沉降方面优于 CRD 法 。 孙明彪提出采用全断面超前注浆技术结合大管棚超前支护和大拱脚三台阶七步开挖法，不仅能有效堵水和挤水，实现富水糜棱岩地层的排水固结，还有效控制了围岩变形，保证施工安全。
综上所述，超大断面隧道工程可采用多种工法施工，传统 CRD 法及双侧壁导坑法虽然能控制围岩变形与衬砌的应力，但其施工工艺复杂，施工进度缓慢，难以满足快速施工的要求。为此，业界提出了很多新型的施工方法，旨在确保施工安全的同时加快施工进度。本文以天邛高速公路控制性工程梨花山隧道为依托，综合采用数值模拟与现场实测方法，对比研究双侧壁导坑法与钢架岩墙法施工后的围岩稳定性以及钢架岩墙法不同施工顺序下围岩稳定性，通过分析现场测试初期支护的拱顶变形以及轴力数据，验证钢架岩墙法的安全性，得出钢架岩墙法最佳的施工顺序，研究结果可为类似工程提供参考。
2 工程背景
梨花山隧道为天邛高速公路控制性工程，位于成都市新津区永商镇，由两座中隧道组成。隧道按双向六车道高速公路标准设计，设计速度为 120km/h；
隧道建筑限界设计为 17.75 m×5.0m，最大开挖断面为 21.74 m×13.99m（断面面积 232.52㎡），采用单洞三车道路基同宽的大断面分离式结构。梨花山 2 号隧道右线起讫桩号为 K2+643～K3+205，长 562m，
隧道左线起讫桩号为 ZK2+675～ZK3+199，长 524m；
隧道最大埋深为 102m。梨花山 2号隧道洞身段山体完整稳定，山顶多为林地，地表覆盖层植被发育，
局部基岩出露。隧道穿越地层主要为泥质粉砂岩和长石砂岩，属软岩，其中泥质粉砂岩以中厚—厚层状构造为主，岩层产状较平缓。地质纵断图如图 1
所示。
图 1 梨花山 2 号隧道地质纵断面图
ZK2+715~ZK2+778 段隧道原设计采用双侧壁导
坑法施工（图 2），但由于施工进度缓慢，经现场设计变
更后采用钢架岩墙法施工（图 3），开挖遵循由上至下的施工原则，衬砌施工遵循由下而上的施工原则。
图 2 双侧壁导坑法施工示意
图 3 钢架岩墙法施工示意
3 数值模型及参数
3.1 模型尺寸及边界
根据梨花山隧道的工程地质条件和施工方案，
选取右线隧道进口浅埋段 ZK2+716~ZK2+779 区间开展研究。采用 ABAQUS 有限元软件建立三维数值计算模型。为消除边界效应，模型尺寸为 150m
（长）×63m（宽）×80m（高），均大于 3 倍隧道半径，隧道埋深取 25m，如图 4 所示。
模型边界条件设置为：X 方向边界上施加 X 方向位移约束；Y方向边界上施加 Y方向位移约束；底部边界上施加 X、Y和 Z 方向位移约束；模型 Z 方向的顶部边界被视为自由边界。
图 4 钢架岩墙法数值计算模型
3.2 本构关系及计算参数
岩体、二次衬砌、初期支护及中隔壁均采用实体单元建模，锚杆则采用梁单元建模。其中，锚杆、二
次衬砌、初期支护及中隔壁采用弹性本构模型，岩体采用 Mohr-Coulomb 本构模型。根据工程地质勘察
资料确定各种材料的物理力学性质，其中初期支护采用 C25喷射混凝土，中隔壁采用 I20b钢拱架和
C25喷射混凝土，二次衬砌采用 C35钢筋混凝土，锚杆采用直径 25mm 的中空锚杆，各种材料的具体计算参数详见表 1。
对于护结构中的钢筋，通过刚度等效的原则转换为提高混凝土的弹性模量来实现。计算原则如下：
式中：E 为等效弹性模量（MPa）；E0为混凝土弹性模量（MPa）；Eg 为钢筋的弹性模量（MPa）；Sg 为钢筋的截面积（m2）；Sc为钢筋的弹性模量（MPa）。
表 1 主要材料参数
3.3 数值模拟计算工况
建立四种施工方案的数值模型，包括原设计双侧壁导坑法施工方案和针对钢架岩墙法不同施工顺序设计的三种施工方案（四步、五步和六步钢架岩墙法，各施工方案对围岩的扰动不同，施工效率也有所差异）。本文通过对比研究钢架岩墙法在不同施工顺序下的围岩稳定性，并与原施工方案双侧壁导坑法进行对比，提出适合超大断面隧道施工的最优施工方案。不同工况下的施工顺序如图 5 所示，开挖循环进尺取 3m，台阶长度取 6m。
图 5 不同工况下的施工顺序示意
4 模拟结果与分析
4.1 围岩变形分析
为消除边界效应的影响，选取数值模型中间的一环作为研究对象（下同）。隧道拱顶、拱底隆起和水平收敛随开挖步的变化曲线如图 6~图 8 所示。
由图 6 可知，工况一～工况四对应的隧道最终拱顶下沉值分别为 7.7mm、7.5mm、7.8mm 和 7.2mm。
拱顶沉降速率在中隔壁拆除后至二次衬砌施作前达到峰值，此阶段需要特别注意，待二次衬砌施作完成后，拱顶沉降趋于稳定。其中，双侧壁导坑法施工拱顶沉降最小，而五步钢架岩墙法拱顶沉降最大，四种工况的拱顶沉降值最大差值为 0.6mm。
由图 7 可知，工况一～工况四对应的隧道最终拱
底隆起值分别为 8.2mm、8.2mm、8.2mm 和 7.7mm。
拱底隆起变化速率在中隔壁拆除后、二次衬砌施作前达到最大。其中，双侧壁导坑法施工拱底隆起最小，其他三种工法施工拱底隆起值相同，对拱底隆起的最终值几乎没有影响，只是在开挖过程中拱底隆起的时间不同。四种工况下的拱底隆起值最大差值为 0.5mm。
由图 8 可知，工况一～工况四隧道最终水平收
敛值分别为 0.8mm、0.8mm、0.8mm 和 0.7mm。四种工况下隧道水平收敛总的趋势为先增大后减小最后趋于稳定。其中，双侧壁导坑法施工水平收敛最小，其他三种工法施工水平收敛相同（三种施工顺序对水平收敛的最终值几乎没有影响），仅是对开挖过程中水平收敛的变化轨迹有影响。四种工况下的水平收敛值最大差值为 0.1mm。
综上所述，从围岩变形特征来看，四种工况下的拱顶沉降、拱底隆起和水平收敛均满足施工控制要求。但通过进一步对比围岩变形可知：工况四＜工况二＜工况一＜工况三。
图 6 拱顶竖向位移时程曲线
图 7 拱底竖向位移时程曲线
图 8 水平收敛位移时程曲线
4.2 初期支护应力分析
不同工况下初期支护应力云图如图 9 所示，从图 9 可知：
（1）工况一~工况三，当开挖隧道右上台阶时，该分部断面面积最大且初期支护跨度最大，最大拉应力均出现在初期支护拱顶偏右内侧，其值分别为2.68MPa、2.82MPa 和 2.86MPa。该区域受到的围岩压力作用较大，导致初期支护内部受拉严重，是初期支护最薄弱的位置。
（2）工况四，开挖中部土体时，该断面面积最大且初期支护跨度较大，拱顶与拱底的拉应力较大，最
大拉应力出现在初期支护拱顶中部，为 1.72MPa，为初期支护最薄弱的位置。
（3）工况一~工况四，受隧道开挖跨度的较大影响，两侧土体对初期支护的挤压作用比较明显，致使最大压应力都出现在两侧拱腰处，其值分别为7.73MPa、
8.40MPa、7.53MPa 和 8.34MPa，均小于 C25 混凝土的轴心抗压强度标准值（16.7 MPa）。经计算，各工况对应的最小安全系数分别为2.16、1.99、2.22和2.01。
综上所述，四种工况下初期支护的最大拉应力和最大压应力对比如图 10 所示。从受力角度分析，四种工况的最大压应力都在允许范围内，通过对比最大拉应力情况可得：工况四＜工况二＜工况一＜工况三。
图 9 不同工况下初期支护应力云图
图 10 不同工况下初期支护最大应力
4.3 二次衬砌应力分析
不同工况下二次衬砌应力云图如图 11 所示，从图 11 中可知：
（1）二次衬砌先施作拱部的条件下，隧道底部围岩施加的反力导致二次衬砌拱底受拉。工况一、
工况三和工况四的最大拉应力均出现在二次衬砌拱底部位，其中，工况四的最大拉应力出现在拱底内侧，最大拉应力分别为0.059MPa、0.06MPa和0.102MPa，均小于 C35 混凝土轴心受拉强度（2.20MPa），结构是偏安全的。
（2）工况二的二次衬砌最大拉应力出现在两侧拱肩的位置，为 0.051MPa，同时拱底的拉应力相对较大。由于工况二开挖顺序的原因，导致初期支护在左右拱肩及拱腰处的受力更为不利，二次衬砌在这些位置会重分配所承受荷载，致使工况二拱肩部位拉应力略大于拱底。
（3）所有工况的最大压应力都出现在两侧拱腰附近，这一规律与初期支护的受力特征相符，其中，工况四的最大压应力出现在两侧拱腰内侧，其值分别为
0.137MPa、0.139MPa、0.135MPa 和 0.297MPa，均小于C35混凝土的轴心抗压强度标准值（23.4 MPa）。
综上所述，四种工况下二次衬砌的最大拉应力和最大压应力对比如图 12 所示。可以看出，二次衬砌受力显著小于初期支护；从受力角度分析，各工况最大压应力为：工况三＜工况一＜工况二＜工况四。
图 11 不同工况下二次衬砌应力云图
图 12 不同工况下二次衬砌最大应力值
4.4 围岩塑性区分析
不同工况下围岩塑性区的分布如图 13 所示，从图 13 中可知：
（1）工况一和工况二在左侧拱脚处均出现一处明显的塑性区，塑性区主要集中在两侧拱脚区域。两种工况的塑性区相近，但工况二的塑性指数明显大于工况一。
（2）工况三在右侧拱脚处出现一处明显的塑性区，其塑性区从两侧拱脚向拱腰附近延伸。在四种工况中，工况三的塑性区涉及隧道轮廓范围最广。
（3）工况四的塑性区仅出现在仰拱两侧区域，但其塑性区深度在四种工况中最深。该工况的开挖方式对仰拱上方围岩的支护效果较好，仰拱上方的围岩基本未进入塑性状态。
综上所述，按围岩塑性区的程度和范围可得：工况一＜工况二＜工况四＜工况三。
图 13 不同工况下围岩塑性区分布
4.5 施工方案比选
通过对围岩变形、初期支护应力、二次衬砌应力和围岩塑性区的对比分析可知：
（1）四种工况下，围岩变形最大差值为 0.6mm、
最大变形值为 8.2mm，符合施工要求。故四种工况
下的围岩变形几乎没有太大差别。
（2）工况四初期支护的最大拉应力明显小于其他三种工况，各工况初期支护受力大小的关系为：工况四＜工况一＜工况二＜工况三。
（3）工况四二次衬砌的受力明显大于其他三种工况，各工况二次衬砌受力大小的关系为：工况三＜工况一＜工况二＜工况四。由于二次衬砌受力很小，可不对四种工况进行参考。
（4）各工况围岩塑性区的大小关系为：工况一＜
工况二＜工况四＜工况三。
综合考虑现场施工进度及施工成本，将双侧壁导坑法优化为六步钢架岩墙法是可行的，同时对比三种不同施工顺序的钢架岩墙法，确定最佳施工顺序为：六步钢架岩墙法＞四步钢架岩墙法＞五步钢架岩墙法。
5 现场实测数据分析
5.1 测试方案
钢架岩墙法显著减少了中隔壁临时支撑拆除工作量，同时钢架-岩墙组合为大断面隧道施工提供了竖向支撑。如图 14 所示，该工法可实现左右导洞四个工作面+岩墙拱架工作面同步施工，有效提高了隧道施工效率。
为了监测梨花山隧道采用钢架岩墙法施工后的围岩变形和支护结构受力情况，在隧道左线 ZK2+
746断面开展了初期支护内力和围岩变形现场测试（图 15），具体测试点位如图 16 所示，其中初期支护内力和围岩变形分别采用正弦式混凝土应变计和自动化全站仪测试。现场实际布设的混凝土应变计如图 17 所示。
图 14 六步钢架岩墙法施工顺序示意
图 15 测试断面位置示意
图 16 测试点位布置
图 17 初期支护混凝土应变计现场布置
5.2 测试结果分析
ZK2+713 断面在施工过程中初期支护变形和轴
力随时间变化的曲线分别如图 18、图 19 所示，图中，
“+”表示拉力，“-”表示压力。
图 18 初期支护变形时程曲线
图 19 初期支护不同位置的轴力时程曲线
从图 18 中可知：
（1）初期支护拱顶发生沉降，两侧向中心变形，
刚开始的变形速率都比较大，随后逐渐变缓趋于稳
定，拱顶最大沉降值为 5.10mm，周边收敛最大值为 0.65mm。两者的变形量均在安全范围内，表明采用六步钢架岩墙法能很好控制围岩变形，验证了变更施工方案的合理性。
（2）数值模拟中，围岩拱顶下沉最大值为7.7mm，
周边收敛为 0.8mm。由于数值模拟中的数据是从
开挖之前就开始累计计算，而现场数据是在初期支护施作之后才开始计算，两者存在一定的误差，但这个误差是可以接受的，也证明了数值模型的正确性。
从图 19 中可知：
（1）左拱肩、左拱腰和左拱脚轴力值很小且随时间的变化也很小，最终轴力值分别为 42.51 kN、
-5.2 kN 和-53.75 kN。
（2）右拱脚的轴力发生了 3 次比较明显的变化，可能是施工现场的其他因素导致的。总体来看，变化还是趋于平稳，最终稳定在-166.92 kN。
（3）右拱腰是初期支护几个部位中轴力最大的位置，变化趋势为先增大后趋于稳定，最终稳定在
-729.39 kN。
（4）拱顶和右拱肩的受力情况几乎一致，总体
趋势先增大后趋于稳定，最终轴力值为-431.02 kN
和-430.32 kN。
综上所述，采用六步钢架岩墙法之后，初期支护的变形及轴力都在安全范围之内，验证了新工法的安全性，同时通过初期支护变形现场监测数据与数值模拟结果对比，也证明了数值模拟的可靠性。
6 结 论
本文以天邛高速公路控制性工程梨花山隧道项目为依托工程，采用数值模拟和现场实测的手段，对比分析了双侧壁导坑法与钢架岩墙法不同施工顺序下的围岩变形特征、初期支护应力和二次衬砌应力变化，得出以下结论：
（1）六步钢架岩墙法在超大断面隧道施工中具有显著的优势。数值模拟和现场实测数据均表明，
该工法在控制围岩变形和支护结构应力方面表现优异，与传统的双侧壁导坑法相比，具有施工进度快、
成本效益高的优势，可为类似工程施工方法的选择提供参考。
（2）对比分析不同施工顺序下钢架岩墙法的施工效果，发现六步钢架岩墙法的施工顺序在初期支护应力和围岩塑性区控制方面表现最优，工程效果显著优于四步和五步施工顺序。
（3）通过分析现场测试数据，验证了六步钢架岩墙法在实际实施过程中的围岩变形与初期支护的受力特征，进一步验证了数值模拟方法在隧道工程中的应用价值和可靠性。