0 引言

近些年来，中国隧道工程建设取得了巨大的进步，在建造技术、质量控制和服务水平方面都迈上了新台阶，对于不同地质条件的隧道施工均有成熟的开挖方式和支护手段^[1-2]。然而，隧道开挖过程中通常会遇到比较特殊的地质情况，其中复合地层作为一种代表性的不良地质情况，众多学者从不同角度提出了相应的对策措施。刁志刚等^[3]认为，复杂地层隧道开挖应通过监控量测等信息化施工手段，对开挖后架设支撑的及时性和支护参数进行动态调整，以确定最优参数。郑东等^[4]考虑了上硬下软复杂地层的复杂性，提出了充分利用围岩稳定性，在中下台阶增设系统锚杆，随挖随支，仰拱及时封闭成环，衬砌紧跟的快速施工方法，有效提高了施工进度并保障了施工安全。对于上软下硬复合地层，目前更多采用盾构方式掘进，其中阎军涛等^[5]认为合理确定开挖面极限支护力最小值是安全施工的重要保障；王士民等^[6]认为应根据围岩变化情况随不同开挖步动态调整应力释放率；张亚洲等^[7]认为应从隧道设计、盾构设计制造和工程实施等方面采取相应措施。

对于复杂地层隧道围岩变形的辅助控制，锚杆不失为一种有效的手段。吴金刚等^[8]分析了锁脚锚杆的作用，并通过数值模拟确定了锁脚锚杆的下插角度为15°~20°对围岩变形的控制作用最强。谭鑫等^[9]认为锚杆主要通过提高围岩的等效刚度降低隧道收敛变形，通过增加锚杆密度比增加锚杆长度对降低隧道收敛变形更加有效，常规锚杆布置参数条件下，锚杆支护对隧道最终收敛的降低幅度不会超过20%。对于预应力锚杆，冯光明等^[10]分析了初锚力对端锚和全锚2种锚固方式的锚固效果，结果表明，提高初锚力对于端锚有利于锚杆对锚固体的控制，而对于全锚则效果不明显，初锚的主要作用是提高岩体的抗压强度、黏聚力及内摩擦角。王晓卿等^[11]认为提高锚杆预紧力、增大锚杆杆体粗糙度、减小锚杆间距、增大托盘尺寸等可以促进极破碎岩体压力拱的形成，从而充分发挥锚杆的侧向约束、支撑和护表作用，减小围岩的变形松动。对于全长锚固锚杆，王伟等^[12]、郭昊旻^[13]、宋洋等^[14]认为其主要破坏形式为锚杆与锚固剂间的滑移失效，建议增大锚固剂的强度并避免使用半径较小的锚杆；王晓卿等^[15]对锚杆的变形方式进行了划分，并对锚杆内力与摩阻力分布进行了归纳，为锚杆设计与布置提供了参考价值。此外，众多学者研究表明，对于隧道台阶法施工变形控制，合理控制台阶长度、台阶高度与每循环开挖进尺可以有效减小隧道超挖并提高隧道爆破质量^[16-18]。于国亮等^[19]认为可以根据地层条件合理调整台阶参数，从而减少开挖扰动，控制围岩应力释放，实现隧道变形控制。林可夫等^[20]以上台阶开挖高度、上台阶长度、下台阶长度和单步开挖进尺为参数，进行围岩稳定性分析和参数优化，结果表明上台阶高度是控制围岩变形与塑性区发展的主要因素。

上述学者对不同地质条件下的隧道开挖方式、支护手段和变形控制等进行了充分的研究，并给出了针对性的意见，然而，隧道所处的地质环境种类繁多，对于少见的地质构造，尤其是上硬下软地层条件采用新奥法施工的隧道案例分析极其少见。因此，基于上述学者的研究，本研究依托云南省临云高速公路大亮山隧道全、强风化花岗混合岩上硬下软地层的特殊地质条件，在原施工方案风险过大的背景下，开展隧道开挖、支护方案优化设计，以期提高施工质量，减少工程事故的发生，并为类似工程提供借鉴依据。

1 工程概况

大亮山隧道位于临沧市与云县交界处，属于临云高速公路控制性工程，隧道宽度为12.5 m，高度为10.1 m，设计采用分离式隧道通过。地处云贵高原之西南边缘，横断山脉南段，为怒江和澜沧江河间地块，为剥蚀型低中山地貌。隧道全长为10.21 km，最大埋深约为1 210 m。

1.1 地质情况 1.1.1 工程地质条件

根据勘察设计结果，结合地面地质调查，场区覆盖层为残坡积层粉质黏土、含碎石粉质黏土，下伏基岩为元古界花岗混合岩和三叠系侵入花岗岩。受三江经向构造带影响，场地地质构造复杂，断层破碎带较多，场地区间岩体节理发育异常，岩体极破碎。隧道区间岩土构成主要为中风化、强风化和全风化花岗混合岩，受构造应力的影响，岩层分布极其复杂，各种岩性的岩层相互杂糅。

1.1.2 水文地质条件

隧道通过场地区间地表水低于隧道设计高程，对隧道影响较小。地下水类型为松散土层孔隙水和基岩裂隙水，孔隙水主要赋存于沟底块石土层中，水量中等；基岩裂隙水主要存储于基岩裂隙中，含水量受裂隙空间限制，对隧道影响较小。由于隧道处于强透水岩层内，水文地质条件较为复杂，施工时应加强超前地质预报，做好防、排水工作。

1.1.3 大亮山隧道地质情况及施工方案

本隧道出口段左幅ZK22+250~ZK22+280根据地质勘察报告，该段隧道埋深约为60 m，设计为Ⅴ级围岩，隧道通过地层为强风化花岗岩、全风化花岗岩、断层泥和断层角砾，长石、云母含量较高，岩体呈破碎-散体结构，围岩无自稳能力，支护不及时易产生大塌方。实际开挖揭露地层上半断面部分为灰色强风化花岗岩，结构面较发育，层间结合差；下半断面部分为黄色全风化花岗岩，岩体遇水具有微膨胀性，并迅速软化崩解，岩层分界线大致处于原开挖方案中下台阶交界处。掌子面整体潮湿，无水滴落，整体围岩完整性及自稳能力较差。

该段隧道采用台阶分步法施工，上台阶长度为4.0 m，高度为3.2 m，开挖进尺为1.2 m；中台阶长度为12.0 m，高度为2.8 m，开挖进尺为3.6 m；下台阶长度为4.0 m，高度为2.5 m，开挖进尺为2.4 m；下台阶施作后立即进行仰拱的开挖及支护，尽早封闭成环，仰拱高度为1.6 m。完成隧道开挖及初期支护后，立即进行仰拱垫层混凝土的浇注，根据监控量测结果，待隧道变形稳定后进行二次衬砌的浇注，二次衬砌与掌子面距离不大于70 m。

支护采用SF5a型衬砌，具体支护参数如表 1所示。其中，钢筋网待开挖面初喷2 cm混凝土后进行设置，设计时预留变形量为15 cm。系统锚杆采用梅花形布置，长度3 m，沿隧道轴线方向间隔60 cm，环向间距为1 m。锁脚锚杆注浆压力为0.5~1.0 MPa。超前支护采用单层42×4注浆小导管，支护单根长度为4.5 m，环向间距为30 cm，搭接长度为1.5 m，加固区域为拱顶120°范围内，有效加固厚度为1.5 m。

1.2 现场监测情况

该隧道区间施工时，上台阶及中台阶均按照原开挖方案及支护方案进行施工，隧道变形收敛较大。下台阶开挖时，由于该段隧道下台阶位置岩土体主要为全风化花岗岩，施作下台阶支护时，围岩掉块严重，无法自稳，立拱前围岩出现较为严重的空洞现象，及时施作初期支护并进行混凝土回填。期间持续进行监测，隧道拱顶沉降曲线和拱肩收敛曲线如图 1所示。

图 1(a)表明，上台阶爆破开挖后，隧道拱顶沉降变形速率与上台阶拱脚变形速率均小于10 mm/d；中台阶开挖过程中，隧道拱顶沉降与水平收敛速率迅速变大，单日最大变形量为26 mm，期间持续进行变形监测，隧道变形速率有所降低；下台阶施作后，隧道拱顶下沉与拱肩水平收敛速率均降至10 mm/d以下，但是围岩变形时间较长，一直未达到稳定收敛状态。图 1(b)为隧道累计变形量随监测时间变化图，将其分为4个区域，Ⅰ区域为上台阶开挖后隧道变形的变化情况，此时，隧道变形量较小；Ⅱ区域为中台阶开挖过程中，隧道的变形收敛情况，由于中台阶拱脚下侧岩层性质软弱，中台阶初期支护施作后拱脚无可靠的支撑，仅靠锁脚锚杆无法承担上部的围岩荷载，因此，该段为隧道变形收敛的主要部分；Ⅲ区域为下台阶施作过程中隧道的变形收敛情况，此时隧道洞周形变依然继续增加，监测结果显示隧道拱腰水平收敛远小于拱肩水平收敛，这是由于隧道开挖前即发生一定的超前变形，而实际监测只能测量开挖后的隧道变形；Ⅳ区域为仰拱开挖支护过程中的隧道变形收敛情况，此时，随着隧道初期支护封闭成环，形成整体结构，对围岩的抗力增大，隧道变形逐渐趋于稳定。

监测结果表明，采用原施工方案通过该段隧道会导致较大的隧道变形，影响二次衬砌的施作；此外，该隧道掘进过程中曾发生多次塌方灾害，施工风险较大，因此更应严格控制洞周变形收敛，防止可能发生的局部塌陷和冒顶灾害。根据现场实际情况结合以往工程经验，建议采用全断面锚杆+优化台阶长度的方案通过该复杂地质段。此外，隧道变形收敛及超欠挖情况受隧道开挖进尺的影响，开挖进尺越小，隧道变形收敛越小，爆破成型越好^[16-17]。然而隧道的开挖进尺受到实际工程进度的限制和钢拱架设计间距的影响，无法随意缩短，根据以往工程经验，将中、下台阶开挖进尺均缩短为1.0 m，钢拱架间距缩小为0.5 m，以减少爆破扰动，防止隧道突然塌方。为获得最优台阶长度及锚杆布置方案，开展数值模拟的计算，并根据现场施工及监测情况进行动态调整，以期得到最优的施工方案。

2 台阶长度数值模拟优化 2.1 数值模型及参数

根据工程地质资料，ZK22+250~ZK22+280段平均埋深约为60 m，隧道洞径为12.5 m，上部围岩为强风化花岗岩，下部围岩为全风化花岗岩。本研究采用HypeMesh 2021进行几何建模及网格划分，随后导入Flac3D6.0有限差分数值模拟软件进行计算。考虑到隧道开挖后对周围岩土体的影响一般为隧道洞径的3~5倍，为消除边界效应的影响，数值模拟中沿隧道轴线方向(y轴)长度取为100 m，沿隧道横向(x轴)和隧道竖向(z轴)的长度均为120 m。数值模型的边界条件为：底部固定约束，左右侧约束水平位移，前后侧约束纵向位移，顶部为自由面，数值模型如图 2所示。

数值模拟利用Flac3D6.0中内置的FISH语言控制隧道台阶法开挖支护及赋值，其中分层岩体以实体单元模拟，选用摩尔-库伦本构模型，以中台阶为分界线，上侧60 m为Ⅳ级围岩，下侧60 m为Ⅴ级围岩，分别赋予不同的物理力学参数；初期支护以壳单元模拟，选用线弹性本构模型，设置初期支护厚度为22 cm；二次衬砌以实体单元模拟，选用线弹性本构模型，其厚度为60 cm；锁脚锚杆与系统锚杆采用cable单元模拟，锚杆与衬砌之间的接触设置为刚性接触，防止其端部滑移，锚杆与围岩之间设置全长黏结，以模拟全长锚固型锚杆，其中锁脚锚杆长度为4.5 m，系统锚杆长度为3.0 m，数值模拟隧道开挖支护模型如图 3所示。

岩土体及衬砌结构材料参数结合现场实际情况取值如表 2所示，初期支护刚度由等效刚度原理进行计算，等效原则计算为：

(1)

式中，E为折算后的初期支护弹性模量；E_c为喷射混凝土的弹性模量；E_s为工字钢的弹性模量；A_s为工字钢的截面面积；A_c为单位宽度上喷射混凝土截面面积；A为初期支护单位宽度截面面积。锚杆材料参数如表 3所示。

2.2 监测点位布置

考虑到边界效应对监测结果的影响，隧道监测位置取在隧道纵向50 m断面。在拱顶、拱肩、拱腰、拱脚和仰拱位置分别布置监测点，监测洞周位移、支护结构内力和应力、锚杆轴力，此外监测隧道锚杆布置范围内岩土体的应力分布。

2.3 台阶长度数值模拟工况设计

隧道原上、中、下台阶长度分别为4，12，4 m，高度分别为3.2，2.8，2.5 m，仰拱高度为1.6 m，与下台阶同时施作。由于上台阶立拱需要一定的操作空间，且上台阶围岩条件相对较好，因此数值模拟中不缩短上台阶长度；隧道中台阶拱脚靠近下侧软弱围岩，实际监测数据也表明，中台阶开挖过程中，隧道的变形收敛速率较大，因此，合理缩短中台阶长度可以减少隧道的变形收敛；此外，《公路隧道施工技术规范》(JTG JTG/T 3660—2020)中建议，仰拱开挖，土和软岩不应大于3 m。因此结合现场实际施工进度要求，缩短下台阶和仰拱长度为2 m，即可以加快初期支护封闭成环，也可以降低隧道发生冒顶灾害的风险。综合考虑隧道围岩性质及现场施工情况，设置不同台阶长度的数值模拟工况如表 4所示，并控制所有工况中二次衬砌落后掌子面距离均为30 m。其中，工况0作为对照组，与原开挖支护方案相同。

2.4 计算结果分析

计算完毕后，提取监测点位的位移、应力数据，数值模拟对照组(工况0)与实际工程中各台阶开挖后洞周的变形对比如表 5所示。

由于实际工程中在初期支护施作后才可以对隧道洞周进行变形监测，变形量中未考虑隧道的超前变形，因此需将数值模拟中洞周变形收敛值扣除超前变形量再与实际工程进行对比，表 5中对照组隧道变形收敛均已扣除超前变形。由表 5可以看出，台阶法开挖过程中，对照组洞周的变形趋势与实际工程中监测结果一致，即上、中台阶开挖后隧道变形占最终变形的主要部分。此外，对照组中隧道变形收敛大小也与实际工程相差较小，因此，数值模拟中各参数设计较为合理，数值模拟结果可以很好地模拟实际工程。

2.4.1 隧道变形收敛情况对比分析

提取工况1至工况5隧道拱顶沉降数据，并绘制隧道纵向变形曲线如图 4所示。由图 4可以看出，当中台阶长度为12.0 m(工况1)时，隧道拱顶最终沉降为19.5 cm；随着中台阶长度的缩短，隧道拱顶沉降也逐渐减小，当中台阶长度为4.0 m(工况5)时，隧道拱顶最终沉降为8.5 cm，拱顶沉降值仅为工况1的43.6%，缩短台阶长度可以明显减小隧道最终变形量。此外，中台阶开挖前，各工况隧道拱顶沉降值相差较小，隧道变形差异主要体现在中台阶开挖过程中，且中台阶长度越长，隧道变形收敛的时间越晚。随着仰拱的封闭，隧道初期支护形成整体结构，变形逐渐趋于稳定。

将工况1~5各开挖步隧道拱顶沉降数据进行统计，如表 5所示。随着中台阶长度的减小，隧道上、中台阶变形也逐渐减小，隧道的最终沉降也有明显减小。工况1~5隧道上、中台阶开挖拱顶沉降占拱顶总沉降比分别为88.7%，85.9%，80.6%，75.9%，72.9%，也呈现递减趋势。由表 6可见，受上硬下软特殊地层影响，隧道上、中台阶开挖后的架设的支护结构无法抵抗围岩变形与压力，是造成隧道竖向变形的主要因素。

对比各工况隧道拱顶沉降与拱腰水平收敛值，如图 5所示。随着中台阶长度的缩短，隧道拱顶沉降值与水平收敛值基本呈线性递减的变化趋势，但是，实际施工中，中台阶作为出渣、喷浆的主要工作面，中台阶长度应考虑实际情况，不宜过短。此外，由于隧道拱腰处于软硬地层交界位置，围岩的抗剪强度在该处发生突变，导致水平方向的围岩向洞内挤出，隧道水平收敛各工况均略大于拱顶沉降值，应适当增强隧道水平方向的支护，减小隧道水平收敛值。

2.4.2 各工况隧道洞周应力分布分析

通过分析围岩与初期支护之间的接触压力，可以更好的判断围岩与初期支护之间的相互受力状态。由于FLAC软件无法直接提取围岩与初期支护的接触压力，因此通过提取围岩与初期支护接触面处监测点位的应力分量，通过式(2)进行应力方向转换。各工况洞周围岩压力分布对比雷达图见图 6。

(2)

式中，p为接触点处围岩压力；σ_x和σ_y分别为x方向和y方向的主应力；τ_xy，τ_xz, τ_yz分别为xy, xz, yz面的剪应力；θ为垂直洞周监测点位的直线与水平轴线的夹角。

由图 6可以看出，各工况隧道洞周应力分布均呈蝴蝶形，拱顶围岩压力最大，拱腰和拱底分布最小。随着中台阶长度的缩短，隧道拱顶压力为0.72~0.74 MPa，仰拱压力为0.05~0.08 MPa，基本保持不变；当中台阶长度为12 m(工况1)时，隧道拱腰处围岩压力最小，为0.03 MPa。随着中台阶长度的缩短，隧道围岩压力逐渐增大，当中台阶长度为4 m(工况5)时，拱腰处围岩压力增长至0.12 MPa。各工况洞周围岩压力分布表明，中台阶长度越短，洞周围岩应力释放越不充分，初期支护承担的围岩压力越大。

3 锚杆布置数值模拟优化

根据上述不同台阶长度的数值模拟计算可知，采用工况4，即上、中、下台阶分别为4，6，2 m的开挖方案，既可以保证隧道的变形收敛要求，也可以满足实际施工条件。然而，工况4中，隧道洞周锚杆均未能穿过塑性区，此时锚杆仅能起到加固围岩的作用，无法有效发挥锚杆的悬吊作用。因此，有必要对锚杆的长度及洞周布置开展一定的研究。

3.1 数值模型及参数

考虑到隧道仰拱下部岩土体性质软弱，且数值模拟表明该区域塑性区半径较大，建议采用全断面锚杆进行加固，锚杆布置采用梅花桩形式，环向间距为1 m，轴向间距为0.6 m。根据工况4中塑性区深度大小及隧道洞周变形收敛情况，设置不同长度的锚杆加固工况如表 7所示。锚杆布置数值模拟模型与工况4相同，仅改变洞周锚杆布置。

3.2 计算结果分析

提取工况1~4洞周塑性区深度，如表 8所示。由表 8可见，随着锚杆长度的增加，洞周各点位塑性区深度呈减小趋势，且各工况中拱腰的塑性区深度均最大。当洞周全断面布置3 m锚杆(工况1)时，拱腰处塑性区深度最大，为6.4 m，远超锚杆的长度，此时洞周锚杆发挥的作用较小；当洞周布置锚杆长度为4.5 m(工况2)时，除拱顶外，其余位置锚杆均未超出塑性区范围，隧道洞周塑性区深度稍有减小，工况2与工况1中锚杆发挥的作用基本相同；当全断面布置6 m锚杆(工况3)时，隧道塑性区深度有明显减小，洞周塑性区深度相较于工况1减小了11.6%~18.8%，拱底塑性区深度缩减最为明显。由于各工况拱顶和拱底塑性区深度均较小，因此，再次优化上台阶和仰拱锚杆长度为4.5 m(工况4)，以减少支护成本。由表 8可以看出，优化后隧道的塑性区深度与工况3相比变化较小，且锚杆长度均穿过塑性区范围，采用工况4的锚杆布置较为合理。

由于工况1~4中，拱腰处塑性区深度均为最大，因此将拱腰处锚杆轴力沿长度分布大小提取分析，其中锚杆上轴力监测点间距为0.5 m，锚杆轴力随长度分布如图 7所示，规定锚杆受拉为正，受压为负。工况1与工况2中，锚杆轴力沿长度方向均较小，且在靠近围岩2 m范围内出现负值，由于锚杆长度未超过塑性区深度，而塑性区范围内围岩相较于锚杆向洞内位移，导致锚杆受到了局部的压缩，从而产生压力。工况3与工况4中锚杆轴力约在距拱腰5 m处产生峰值，分别为70.6 kN和71.8 kN，该位置基本处于隧道弹塑性交界范围，由于弹性区围岩变形较小，围岩相对于锚杆向外变形，而塑性松动区的围岩相对于锚杆向隧道内变形，因此在弹塑性交界处形成锚杆轴力峰值。由图 7可以看出，当锚杆长度超出隧道塑性区深度后，可以更好地发挥其加固与悬吊作用，提高围岩的自稳能力。

对比各工况的洞周变形收敛最终值，如图 8所示，随着锚杆长度的增加，隧道拱顶沉降与水平收敛值均呈减小趋势，且隧道拱顶值略小于水平收敛值。工况1(全断面3 m锚杆)中的拱顶沉降与水平收敛值分别为10.8 cm和11.5 cm，与工况4(仰拱未布置锚杆)相比基本相同，仅布置全断面3 m短锚杆不能减少洞周的变形收敛；工况3与工况1相比，拱顶沉降值与水平收敛值分别减小了12.0%和12.2%，长锚杆可以更好地发挥其对围岩的变形控制作用；工况4与工况3相比拱顶沉降值与水平收敛值变化幅度较小，且适当缩短拱顶锚杆长度既可以减少支护成本，也可以降低施工难度。

因此，综合考虑支护成本、施工难度和结构稳定，优化后的上台阶、中台阶、下台阶和仰拱的锚杆长度分别取为4.5，6.0，6.0，4.5 m较为合理。

4 施工方案具体优化措施及现场应用 4.1 施工方案优化措施

根据数值模拟结果及现场实际情况优化施工方案如下。

(1) 缩短台阶长度。优化后上台阶、中台阶、下台阶长度分别为4，6，2 m，仰拱紧跟下台阶施作，使得隧道初期支护尽早封闭成环，提高初期支护整体刚度。台阶法开挖时中、下台阶左右交替开挖，不得使两侧初期支护拱脚同时暴露。

(2) 调整锚杆布置。设置全断面锚杆加固方案，锚杆采用梅花桩形式布置，轴向间距为0.6 m，环向间距为1 m，上台阶和仰拱锚杆长度为4.5 m，中、下台阶锚杆长度为6 m。锚杆选用钢花管，其前端做成尖锥状，尾部焊接ϕ8 mm钢筋作为加劲箍，并在管壁上每隔15 cm交错钻眼，眼孔直径为8 mm，锚杆打设后应确保端部焊接牢固并及时注浆。

(3) 优化开挖方式。上台阶及中台阶强风化花岗岩采用光面爆破技术，尽可能降低爆破振动对下部软弱岩层的扰动；中台阶开挖后认真观察拱脚位置围岩的情况，必要时进行局部注浆加固，使拱脚具有可靠的支撑；下台阶全风化花岗岩采用微台阶机械开挖，左右两侧从交替错开挖掘，既可以减少开挖量及时支护，又可以在边墙发生大变形时提供支撑点或回填反压；由于上、中台阶围岩性质稍好，开挖进尺可以根据隧道变形情况适当增加，下台阶开挖进尺严格控制为1 m，防止初衬变形过大或发生局部塌陷灾害。

(4) 增强监测手段。由于隧道穿越上硬下软地层时风险较大，而隧道的变形收敛情况往往落后于围岩压力的变化，因此，除隧道洞周变形收敛的监测外，在隧道开挖至二衬封闭时间范围内，应对围岩压力及初期支护内力也进行持续监测，从而为隧道灾害处置预留时间。

4.2 现场实际应用

将4.1节中施工方案优化措施运用到大亮山隧道实际工程中，效果较为显著。优化施工方案前、后隧道的变形收敛情况对比见图 9。

由图 9可以看出，优化后隧道拱顶最终沉降为11.3 cm，相较于优化前拱顶沉降值减少了50.5%，优化施工方案后可以显著减小隧道变形收敛。此外，由于在锚杆的施作与中台阶长度的减短，下台阶开挖前隧道拱顶沉降值也明显效应与优化前的拱顶沉降；优化后的施工方案在下台阶开挖后隧道变形仍稍大，但是由于下台阶与仰拱长度较短，随着仰拱的封闭，隧道变形迅速达到收敛状态。

5 结论

本研究针对云南省临云高速公路大亮山隧道穿越上硬下软地层时出现的洞周变形收敛较大和施工安全难以把控等问题，开展了隧道台阶长度和锚杆布置数值模拟优化，得出如下结论。

(1) 受上硬下软特殊地层影响，围岩在拱腰位置泄压最为明显，围岩压力呈蝴蝶状分布并随中台阶长度减小而逐渐增大；隧道变形差异主要发生在中台阶开挖支护后；此外受中台阶拱脚软硬地层交界的影响，围岩在该位置抗剪强度发生突变，导致局部卸载和较大水平收敛。

(2) 随着隧道中台阶长度的缩短，隧道洞周变形收敛均逐渐减小，但中台阶作为施工主要工作平面，不宜过短；锚杆在隧道支护中发挥着加固围岩和悬吊作用，当锚杆长度未穿过塑性区深度时，锚杆的轴力较低，对隧道的变形控制作用较弱；当锚杆长度穿过塑性区深度时，在塑性区与弹性区交界范围附近产生峰值轴力，可以更好发挥锚杆加固围岩的作用，减少隧道的变形收敛。

(3) 建议优化上、中、下台阶和仰拱长度分别为4，6，2，2 m，开挖进尺为1 m；洞周布置全断面锚杆，上台阶和仰拱锚杆长度为4.5 m，中台阶和下台阶锚杆长度为6.0 m。优化施工方案后可以显著减小隧道变形收敛。相较于优化前拱顶沉降值减少了50.5%，优化后的开挖支护方案既可以控制围岩的局部塌陷或冒顶灾害的发生，也能够确保安全、高效的施工环境。

隧道开挖后变形收敛大小及稳定性受多种因素的影响，本研究主要针对隧道台阶长度和锚杆布置进行了研究，存在一定的局限性。此外，由于数值模拟过程中进行了各种简化，未充分考虑岩土体的流变，因此实际施工时应将监测结果与地质参数变化情况及时反馈至数值模拟，实现隧道动态开挖支护。