近年来，伴随着中国黄土地区大量隧道开挖建设，在黄土隧道设计、施工、科研等方面积累了大量经验。作为特殊性岩土，除了众所周知的遇水湿陷性外，黄土隧道围岩位移及应力变化过程与时间和空间有密切关系，即具有时空效应^[1-6]。众多学者在此方面进行了大量研究工作。谭代明等^[7]使用数值软件对隧道开挖支护全过程进行模拟，结合现场实测数据，对围岩应力、位移随时间及空间变化规律进行总结分析。杨有海等^[8]通过模拟隧道在黏弹性条件下开挖支护全过程，并结合位移释放系数，对围岩变形的时空效应进行分析。赵旭峰等^[9]通过对实际监测数据对比分析，发现隧道掌子面对前方1倍隧道开挖跨度范围内未开挖围岩变形有一定的约束作用，对于已完成开挖支护的围岩约束半径约为隧道开挖跨度。但是目前大多数学者主要研究的是软岩隧道的时空效应及其变形规律，在大跨度黄土隧道方面相关研究较少。

本研究依托神府高速公路工程项目，通过对不同工况下隧道围岩变形数据进行对比分析，结合数值模拟结果，总结大跨度黄土隧道围岩随时间及空间变形规律，为二次衬砌支护时机提出合理建议。

墩梁隧道位于神府高速公路，设计为双向六车道，隧道左线长为1 328 m，右线长为1 415 m。实际施工中隧道最大开挖跨度约为16.26 m，高度约为12.16 m，最大开挖面积高达165.2 m²，属于典型的大跨度黄土隧道。该隧道主要穿越Ⅴ级围岩，围岩段物理力学参数如表 1所示，隧道支护参数见表 2。采用三台阶七步开挖方法，每次进尺1.5 m，每天循环2次。设计采用复合式衬砌进行支护加固，在掌子面开挖前钻射超前小导管进行预加固；初期支护为喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆、钢拱架等组成的联合支护体系。Ⅴ级围岩段支护示意图如图 1所示，图中2%为路面横坡，8%为横向排水管坡度。

图 1 Ⅴ级围岩段支护示意图 Fig. 1 Schematic diagram of support for surrounding rock grade Ⅴ

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依据隧道勘察设计资料，为减少洞门、断层、浅埋等特殊条件的影响，选择洞身深埋段作为试验段对围岩变形进行监测。从中选取8个断面的监测数据进行对比分析，包含正常开挖和掌子面停工2种工况，具体断面位置及施工工况如表 3所示。

首先对正常开挖断面监测数据进行分析，为说明隧道围岩变形规律和空间效应，统计各监测断面拱顶下沉、净空收敛变形与监测时间、施工阶段及归一化距离(监测断面距掌子面距离L与隧道开挖跨度B的比值)之间的关系。统计各断面初期支护拱顶下沉，最大开挖线处收敛值在不同开挖阶段的变形量及占总变形的比例(见表 4和表 5)，并绘制初期支护时间空间变形曲线，如图 2所示。

图 2 正常开挖段初期支护时间空间变形曲线 Fig. 2 Spatio-temporal deformation curves of initial support for normal excavation section

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由表 4和表 5可知，隧道拱顶下沉在L/B=0~2.3(t=16 d)范围内变形较大。虽然此时监测断面距离掌子面较近，受空间效应约束明显，但该阶段围岩松动变形占主导地位，上台阶、中台阶开挖对围岩变形影响较大，4个监测断面平均下沉72.7 mm，变形速率约为4.54 mm/d。下台阶施工期间L/B=2.3~3.0(t=5 d)，围岩变形相对缓慢，4个断面平均下沉9.8 mm，变形速率约为1.96 mm/d。隧道仰拱开挖回填后，L/B>3.0(t=23 d)，随着初期支护闭合成环，围岩变形基本稳定，4个监测断面平均下沉19.1 mm，变形速率约为0.83 mm/d。

相较于拱顶下沉，最大开挖线处净空收敛受施工开挖影响较大，中台阶施工期间L/B=0.5~2.3(t=13 d)收敛变形迅速，4个监测断面收敛平均值为46.5 mm，变形速率约为3.58 mm/d。下台阶施工期间L/B=2.3~3.0(t=5 d)围岩收敛变形仍迅速增加，4个断面收敛平均值为22.6 mm，变形速率约为4.52 mm/d。仰拱开挖回填后L/B>3.0(t=23 d)，收敛变形迅速趋于稳定，4个监测断面收敛平均值为3.5 mm，变形速率仅为0.15 mm/d。

由图 2(a)~(d)也可以看出，不同断面初期支护变形规律基本一致，在断面开挖早期变形速率较大，随着时间和归一化距离的增加，变形逐渐趋于稳定。

综上所述，隧道初期支护拱顶下沉受时间和距离掌子面距离影响，初期变形较大，变形速率约为4.54 mm/d，仰拱开挖回填之后逐渐趋于稳定；最大开挖线处净空收敛变形主要受施工工序影响，中台阶、下台阶施工期间变形较大，平均变形速率为3.58~4.52 mm/d；仰拱开挖回填后迅速趋于稳定，平均变形速率仅为0.15 mm/d。

2013年10月30日，隧道右线受材料供应影响停止施工，在现场施工停止后仍对已开挖断面进行监测。从中选取4个断面拱顶下沉数据进行对比分析，总结掌子面停工对隧道围岩变形的影响，各断面拱顶下沉值随时间空间变形曲线如图 3所示。

图 3 停工断面拱顶下沉时间空间变形曲线 Fig. 3 Spatio-temporal deformation curves of vault subsidence on shutdown section

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由图可见，停工断面拱顶下沉变化规律与正常开挖基本一致。在断面开挖早期变形速率较大，随着时间和归一化距离的增加，变形逐渐趋于稳定。通过查阅现场施工记录发现，4个监测断面的开挖跨度、施工时间、开挖方式基本一致，掌子面停工均发生在各断面下台阶开挖之后，支护状态完全相同。受开挖顺序影响，停工时各断面距掌子面的距离有所差异，对停工断面施工信息进行统计，如表 6所示。

影响隧道围岩变形的主要因素包含穿越的地质条件、开挖方式及施工扰动影响、支护结构强度和支护时机、掌子面的约束作用、时间因素^[10-13]。由表 6可知，4个监测断面桩号连续，地质条件相同；均采用三台阶七步开挖法，施工方式一致；从下台阶开挖至仰拱回填时间基本相同；影响断面变形的唯一区别就是掌子面的约束作用。为分析掌子面空间约束效应对围岩变形规律的影响，对各监测断面停工期间拱顶下沉数据进行总结对比，如表 7所示。

掌子面停工时断面RK26+385.5距掌子面约为38.25 m(2.4B)，在监测期间拱顶下沉值占比约为17.82%；RK26+379.5距掌子面约为42.75 m(2.7B)，在监测期间拱顶下沉值占比约为23.07%。可以看出，随着距掌子面距离增加，监测期间拱顶下沉值占比也随之增长。对于断面RK26+364.5和断面RK26+373.5，拱顶下沉值相对较大，占总变形的比例分别为29.1%和29.6%。结合现场开挖跨度，停工时2个断面至掌子面的距离分别为3.5B和3.0B，虽然距离相差较大，但监测期间断面拱顶下沉值及占总变形的比例却基本相同。

综上所述，随着断面至掌子面距离不断增加，拱顶下沉变形值占总变形量的比例也越来越大，掌子面对隧道围岩变形的空间约束越来越小。当监测断面距掌子面大于3B时，空间约束效应基本消失。

采用数值软件对本研究项目大跨度黄土隧道开挖及支护过程进行模拟分析。依据项目概况和研究需要，本次数值模型在横向和竖向方向的尺寸为100 m×100 m，纵向取150 m，埋深取50 m。施工过程模拟采用三台阶七步开挖法，各工序开挖时间按正常施工，按照每天开挖3.0 m进行模拟计算，累计模拟时间为50 d。初级支护喷射混凝土采用壳单元模拟，二次衬砌采用实体单元，数值分析模型如图 4所示。考虑黄土的蠕变特性，服从广义Kelvin本构模型，不考虑混凝土龄期对支护结构强度的影响，考虑黄土蠕变对围岩变形的影响^[14-16]。根据地勘资料和相关资料，本次数值模拟中采用的隧道围岩蠕变参数如表 8所示。

图 4 数值分析模型 Fig. 4 Numerical analysis model

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通过数值模拟计算得到的隧道围岩变形规律和实测数据基本相同，开挖过程中围岩位移特征云图如图 5所示。

图 5 隧道围岩位移特征云图 Fig. 5 Cloud charts of tunnel surrounding rock displacement characteristics

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为了解掌子面停工对隧道围岩变形的影响，当开挖至y=105 m(y为隧道开挖长度)时，使掌子面停工，并对变形数据持续进行观测，选取y为49，57，63，67 m时4个断面拱顶下沉数据进行分析。各断面数值模拟拱顶下沉时间空间变化曲线如图 6所示。

图 6 数值模拟拱顶下沉时间空间变化曲线 Fig. 6 Spatio-temporal variation curves of numerical simulated vault subsidence

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由图 6可见，实际变形监测需要在上导坑开挖支护完成后进行，最终获得的监测值并不包含断面开挖之前产生的先期位移及上导坑开挖引起的变形值。为便于和实际监测数据进行对比分析，需要将模拟变形值扣除该部分损失位移。

对数值模拟得到的掌子面停工数据进行统计分析，停工对围岩变形影响如表 9所示。在相同监测时间内，随着至掌子面距离不断增加，拱顶下沉变形值占总变形量的比例也越来越大，当距离掌子面大于3倍隧道开挖跨度后，基本保持不变，空间约束效应消失。

各监测断面在上导坑开挖之前就产生了一定的位移变形，这主要由于断面开挖后掌子面临空，受地应力影响，前方未开挖土体不断向洞内挤入。假设未开挖土体累计变形值达到0.1 mm时，即认为其受到开挖扰动影响，则隧道开挖对掌子面前方土体的扰动半径约为1.5B。此外，为了解隧道开挖对围岩扰动影响程度，对掌子面开挖时拱顶处产生的先期位移进行统计分析，各断面开挖前拱顶下沉如表 10所示。可以看出，受掌子面开挖影响，断面拱顶处产生的先期位移约为5 mm，约占总变形值的5%。

依托现场正常开挖和停工断面2种工况支护变形监测数据，结合数值模拟结果，对大跨度黄土隧道围岩变形时空效应进行分析。

(1) 大跨度黄土隧道拱顶下沉主要受时间和开挖工序的影响，初期变形速率较快，在仰拱开挖回填之后逐渐趋于稳定。

(2) 大跨度黄土隧道最大开挖线处净空收敛变形主要受施工工序影响，隧道中台阶和下台阶施工期间净空收敛值约占总变形的95.2%，平均变形速率为3.58~4.52 mm/d；仰拱开挖回填后收敛变形迅速趋于稳定，仰拱闭合后平均变形速率仅为0.15 mm/d。

(3) 通过对隧道停工断面现场监测数据和数值模拟结果分析可知，掌子面对围岩变形有一定的空间约束作用。随着至掌子面距离不断增加，约束效应逐渐降低，当至掌子面距离大于3倍隧道开挖跨度时，约束效应基本消失。

(4) 为确保隧道围岩变形稳定，合理利用掌子面的空间约束效应，减少围岩变形，对于大跨度黄土隧道Ⅴ级围岩深埋段，仰拱开挖回填宜在距离掌子面3倍隧道开挖跨度范围内完成^[17-18]。

(5) 由数值模拟结果显示，掌子面开挖对前方土体的扰动半径约为1.5倍隧道开挖跨度，受开挖影响隧道拱顶处产生的先期位移约占总变形量的5%。