赤竹隧道、高栋隧道位于广东省河源市，其中赤竹隧道全长947.74 m，隧道进口段，表层为 ${\rm Q}_{4}^{\rm el+dl} $ 粉质黏土，厚度为1 m~1.6 m。洞身主要位于泥盆系中下统桂头群(D_1-2gt)全风化石英片岩地层中，全风化，黄褐色，结构构造均被破坏，岩体破碎，主要岩层产状为359°∠40°，隧道进口段围岩等级为Ⅴ级^[6]；高栋隧道全长944 m，隧道进口段，表层为 ${\rm Q}_{4}^{\rm el+dl} $ 粉质黏土，硬塑，黄褐色，厚约1 m~2 m，洞身主要位于泥盆系D_1-2gt石英片岩地层中，全风化，黄褐色，岩体风化较完全，呈砂土状，层厚约5 m~8 m，岩层产状为8°∠34°，隧道进口段围岩等级为Ⅴ级^[6]。两隧道进口段纵断面图如图1、图2所示。

两隧道采用复合式衬砌，隧道主要支护参数如图3所示，其中，赤竹隧道钢拱架为HW175钢架，高栋隧道钢拱架为I22a钢架，其余支护参数相同。两隧道进口段结构断面图如图3所示。

图  1  赤竹隧道进口段纵断面图^[6]

Figure 1.  Profile of entrance section of chizhu tunnel

图  2  高栋隧道进口段纵断面图^[6]

Figure 2.  Profile of entrance section of gaodong tunnel

图  3  隧道进口段结构断面图 /cm

Figure 3.  Structural section of tunnel entrance section

赤竹隧道进口段采用三台阶七步法施工，上台阶采用弧形开挖并预留核心土，中、下台阶左右错开开挖，左右错开3 m，台阶长度为5 m。中、下台阶预留核心土长度5 m，开挖后及时施做初支，仰拱按照施工要求及时施做。三台阶七步法施工工序图如图4所示。

高栋隧道进口段采用三台阶临时仰拱法施工，上、中台阶开挖，台阶长度为5 m，开挖后及时施做初支及临时仰拱。下台阶开挖，台阶长度为5 m，开挖后及时施做初支，仰拱按照施工要求及时施做。三台阶临时仰拱法施工工序图如图5所示。

图  4  三台阶七步法施工工序图

Figure 4.  Three-step seven-step construction procedure drawing

图  5  三台阶临时仰拱法施工工序图

Figure 5.  Construction procedure drawing of three-step temporary invert method

赤竹隧道进口段，隧道开挖面积约为160.46 m²，洞径为15.1 m。上台阶每日开挖进尺1.2 m，台阶长度达5 m时，开挖中右、中左、下右、下左台阶，每日开挖进尺1.2 m，仰拱紧跟下左台阶，距离下左台阶5 m。核心土每2.4 m开挖一次。

高栋隧道进口段采用三台阶临时仰拱法施工，隧道开挖面积约为160.46 m²，洞径为15.1 m。上台阶每日开挖进尺0.6 m，台阶长度达5 m时，开挖中台阶；中台阶每日进尺1.2 m，台阶长度达5 m时，开挖下台阶；下台阶每日进尺1.2 m，仰拱紧跟下台阶，距离下台阶5 m。两隧道进尺情况如图6、图7所示。

图  6  三台阶七步法开挖进尺情况

Figure 6.  Three-step seven-step excavation footage

图  7  三台阶临时仰拱法开挖进尺情况

Figure 7.  Excavation footage of three-step temporary invert

针对赤竹隧道进口段和高栋隧道进口段进行监控量测，根据相关规范^[7-8]布置测点。选取地表监测断面及隧道结构典型断面。根据现场实测数据，绘制出地表特征点沉降图及隧道拱顶沉降如图8、图9、图10所示。

由图8可以看出：两种开挖工法在隧道中心线上方地表沉降均为最大，且由隧道中心线向两侧逐渐递减；采用三台阶七步法开挖地表最终沉降大于三台阶临时仰拱法。由图9和图10看出：① 在各施工步序中三台阶七步法与三台阶临时仰拱法拱顶沉降、地表沉降趋势基本一致，仰拱施做前沉降速率均较大，施做仰拱后沉降速率减小，沉降趋于稳定。主要原因是，仰拱施做后，初期支护封闭成环状结构，能很好的抵抗围岩压力、形成支护整体，并充分利用围岩的自稳能力。② 从隧道开挖至仰拱施做完成，三台阶临时仰拱法拱顶沉降、地表沉降值均小于三台阶七步法。主要是由于三台阶临时仰拱法在上、中台阶开挖时均施做临时仰拱，每一台阶开挖都能使开挖区及时支护，形成闭合的环状支护结构，利于隧道快速及时稳定，减小因初期支护闭合时间过长而引起较大的沉降。

图  8  地表测点沉降图 /mm

Figure 8.  Subsidence map of surface measurement points

图  9  三台阶七步法各施工步序沉降图 /mm

Figure 9.  Settlement diagram of each construction step sequence with three steps and seven steps

图  10  三台阶临时仰拱法各施工步序沉降图 /mm

Figure 10.  Settlement diagram of each construction step of three-step temporary invert method

由此可见，尽管赤竹隧道采用HW175钢架，较高栋隧道I22a强度和刚度更大，采用三台阶七步法现场变形控制效果相对较差，因此，高栋隧道采用的三台阶临时仰拱法与围岩条件更相适应。

为了进一步量化评价三台阶临时仰拱法和三台阶七步法施工导致的围岩反应，根据现场地质条件和施工过程建立三维隧道开挖数值模型，为消除模型边界对隧道开挖数值模拟的影响，模型的横向宽度取为160 m，隧道纵向长度为30 m，竖向自隧底向下取50 m，模型侧面限制水平位移，底面限制竖向位移。岩体采用三维实体单元(brick)模拟，服从Mohr-Coulomb屈服准则，初期支护、仰拱采用三维实体单元，初期支护、仰拱均按弹性体考虑，数值计算采用FLAC3D^[9-10]，考虑到对于开挖工法的评价，模型中不考虑二次衬砌施作。三维数值计算网格划分如图11、图12所示。

图  11  三台阶七步法数值模拟网格划分

Figure 11.  Three-step seven-step numerical simulation of mesh generation

图  12  三台阶临时仰拱法数值模拟网格划分

Figure 12.  The three-step temporary invert method numerical simulation of mesh generation

1)三台阶七步法数值模拟过程

① 初始地应力场模拟；② 开挖上弧导坑，循环进尺1 m，施作初期支护；③ 左右中台阶交错开挖，循环进尺1 m，且左右保持错开3 m，台阶长5 m，施作初期支护；④ 左右交错开挖下台阶，循环进尺1 m，且左右保持错开3 m，台阶长5 m，施作初期支护；⑤ 预留核心土开挖；⑥ 仰拱断面土体开挖，仰拱每6 m施作一次。

2)三台阶临时仰拱法数值模拟过程

① 初始地应力场模拟；② 开挖上台阶，循环进尺1 m，施作初期支护；③ 开挖中台阶，循环进尺1 m，台阶长5 m，施作初期支护；④ 开挖下台阶，循环进尺1 m，台阶长5 m，施作初期支护；⑤ 仰拱断面土体开挖，仰拱每6 m施作一次。

两隧道地质情况基本一致，三维数值计算模型选取土体范围地层从上至下依次是粉质黏土、全分化石英片岩，初期支护采用C25喷射混凝土。具体参数选取如表1所示。

通过数值模拟隧道纵向深度30 m的开挖支护过程，提取三台阶七步法、三台阶临时仰拱法开挖后的总竖向位移云图、两隧道开挖前大小主应力云图、两隧道开挖施做仰拱后大小主应力云图以及两隧道开挖支护后塑性区分布云图，进行如下分析：

图13(a)、图13(b)分别为三台阶七步法开挖、三台阶临时仰拱法开挖总竖向位移云图。从图中可以看出：① 两隧道开挖后竖向沉降最大值均位于拱顶处，且最大值分别为99.4 mm、70.8 mm，地表沉降最大值分别为75.8 mm，48.6 mm。对比可知，在拱顶沉降以及地表沉降方面三台阶七步法均大于三台阶临时仰拱法，这应是由于三台阶七步法在开挖过程中各台阶分左右两块错开同时开挖，使得上台阶掌子面离仰拱施做段较远，隧道开挖纵深过长，从而导致拱顶及地表沉降较大，而三台阶临时仰拱法每开挖一次便及时施做临时仰拱，使得初期支护及时封闭成环，更好的控制隧道开挖时沉降；② 三台阶七步法地表沉降横向影响范围约为2.0倍开挖洞径，三台阶临时仰拱法地表沉降横向影响范围约为1.7倍开挖洞径。由此可以看出两种开挖工法对隧道沉降影响范围的影响具有一定差别，这应是由于三台阶七步法施工时，其自身工法特点使其仰拱封闭较为滞后，导致沉降得不到有效的控制，沉降持续增加，沉降范围扩大，从而使得三台阶七步法地表沉降横向影响范围大于三台阶临时仰拱法。

图  13  总竖向位移云图 /m

Figure 13.  Total vertical displacement cloud map

对比图13与图8、图9、图10，结合现场实测数据及三维数值仿真分析可知，现场实测数据与三维数值模拟结果相差较小，两者结果互为验证，证明了本文三维数值理论模型的正确性。

图14(a)、图14(b)，图15(a)、图15(b)，图16(a)、图16(b)分别为大小主应力云图，从图中可以看出：① 隧道开挖施做仰拱后最大主应力最大值位于均位于隧道拱顶处，且最大值分别为1.83 MPa、1.65 MPa，且前者的最大主应力最大值大于后者。说明在隧道开挖后，拱顶处围岩一定范围内存在拉应力，三台阶七步法由于仰拱施做较滞后，使得开挖纵深过长，围岩暴露在外较多，导致最大主应力最大值大于三台阶临时仰拱法；② 两者拱脚处最小主应力分别为−1.3 MPa、−1.04 MPa，前者为后者1.25倍。表明采用三台阶七步法开挖时拱脚处压应力较大，且为三台阶临时仰拱法开挖时拱脚处压应力的1.25倍，其原因是三台阶七步法在开挖过程中，仰拱未封闭前，对于变形的控制主要是拱脚以上的初期支护，初期支护所受的力传递至拱脚，引起拱脚处压应力较大。

图  14  两隧道开挖前大、小主应力云图 /Pa

Figure 14.  Large and small main stress nephogram before excavation of two tunnels

图  15  三台阶七步法开挖后大、小主应力云图 /Pa

Figure 15.  Large and small main stress nephogram after three-step seven-step excavation

图  16  三台阶临时仰拱法开挖后大、小主应力云图 /Pa

Figure 16.  Large and small principal stress cloud maps after three-step temporary invert excavation

由图17塑性区分布云图可以看出，三台阶七步法与三台阶临时仰拱法的塑性区分布云图基本相似。然而，在塑性区范围方面存在一定差异：① 由拱部塑性区范围可以看出三台阶七步法拱部塑性区范围大于三台阶临时仰拱法，亦证明了三台阶七步法拱顶及地表沉降大于三台阶临时仰拱法；② 三台阶七步法塑性区从拱肩处贯通至拱脚处，而三台阶临时仰拱法未贯通。由此可以得，在控制塑性区方面，三台阶临时仰拱法优于三台阶七步法。

图  17  两隧道塑性区分布云图

Figure 17.  Distribution of plastic zone in two tunnels

通过现场应用效果和三维数值仿真分析，从拱顶沉降、地表沉降、应力及塑性区等方面对三台阶七步法和三台阶临时仰拱法进行了对比分析，采用三台阶临时仰拱法可以取得更好效果。

因此，软弱地层大断面隧道三台阶七步法建议慎重采用，临时仰拱法能够快速封闭，围岩条件合适时可以取消临时仰拱，且便于大型设备施工和工法的调整，其对于软弱围岩隧道适应性更强。

针对地质条件相似的两大断面高铁隧道，分别进行三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法对比试验，对于工法的适应性进行研究，主要结论包括：

(1) 现场试验表明，赤竹隧道采用三台阶七步法，尽管采用HW175钢架，较高栋隧道I22a强度和刚度更大，现场变形控制效果相对较差；高栋隧道采用的三台阶临时仰拱法围岩变形和地表沉降数值均小于赤竹隧道。

(2) 建立三维数值模型，从地层位移、地层应力、围岩塑性区分布三个方面对三台阶七步开挖法与三台阶临时仰拱法进行了系统对比，数值分析结果表明三台阶临时仰拱法在控制隧道拱顶沉降、地表沉降、围岩应力、塑性区范围方面均优于三台阶七步法。

(3) 在软弱围岩地层大断面隧道施工中，三台阶临时仰拱法的适应性优于三台阶七步法，在该类地层中可优先采用分步较少的施工方法以满足施工要求。