随着中国西北地区经济的快速发展，带动了公路交通的建设，但是许多两车道隧道已经无法满足交通运输需求，需采用不同跨径的小净距隧道结构形式^[1-2]。由于左右洞截面不同会引起地层偏压，使隧道处于偏压状态，其围岩的应力状态和稳定性不同于同跨径小净距隧道。此外隧道洞口段埋深较浅，开挖不当容易造成塌方和大变形等问题^[3-4]。因此，关于不同跨径小净距隧道洞口段开挖方案的选取具有重要的现实意义。

宋战平^[5]以不同跨径小净距隧道为背景，通过数值模拟研究了不同先行隧道围岩的变形规律，得出先开挖大断面隧道的结论。孙闯^[6]采用FLAC^3D有限元软件确定了弱节理小净距隧道合理施工错距和最优施工方案。蒋庆^[7]依托浆水泉隧道工程，利用有限元软件研究了不同开挖方案的施工力学行为，得出中隔壁法更适合浆水泉隧道施工的结论，并通过现场检测验证其合理性。官黎明^[8]依托东天山特长隧道工程，基于光面爆破技术优化爆破方案，最终采取大断面施工而非三台阶施工；陈建勋^[9]采用现场试验与数值模拟相结合的方法对仰拱施工病害及其主要影响因子进行研究，对仰拱半径、仰拱厚度等支护参数进行了优化；苗秋福^[10]以太行山隧道为工程背景，利用离散元软件研究了侧压系数、结构面间距和结构面倾角变化对隧道稳定性的影响。秦堃^[11]建立二维弹塑性模型对比分析了不同施工方法对围岩稳定的影响，最终选取预留核心土弧性导坑法进行隧道开挖。陈秋南^[12]对扁坦超大断面小净距隧道采用有限差分软件分别模拟双侧壁法、三台阶法、CRD法的施工过程，通过对比分析围岩的变形规律进行方案优选；龚建伍^[13]运用有限元软件模拟了双侧壁导坑法、上下台阶法和中隔壁法3种施工方案，对不同施工方案的位移场和应力场进行对比分析，最终改双侧壁导坑法为中隔壁法进行施工。鲍先凯^[14]依托魁峰山隧道工程，通过MIDAS GTS研究了不同施工方法对浅埋小净距隧道变形的影响。张其来^[15]通过有限元软件模拟了不同施工方法对Ⅳ级围岩小净距隧道围岩扰动的影响，得出台阶法可作为Ⅳ级围岩小净距隧道合理施工方法的结论。

尽管大量学者对小净距隧道的施工方案进行研究，但研究对象多为同等跨径的小净距隧道结构，鲜有关于不同跨径小净距隧道施工方案优化的研究。本研究基于新疆乌尉高速公路上新光隧道工程，利用MIDAS GTS NX建立中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶法的力学模型，通过模拟其动态施工过程对比分析3种施工方案下地表沉降、拱顶沉降、围岩应力和塑性区的变化规律，比选出不同跨径小净距隧道的合理施工方案，为类似工程施工提供参考。

中交第二公路工程局有限公司承建的新疆乌尉高速公路上新光隧道设计为进、出口小净距，右线起讫桩号YK120+108~YK120+846，全长738.0 m，为两车道，净空11.0×5.0 m；左线起讫桩号ZK120+098~ZK120+878，全长780 m，增设爬坡车道(三车道)，净空14.5×5.0 m；属于典型的大断面隧道，进口线间距15.4 m，出口线间距15 m，洞口设计类型为端墙式，最大埋深约141 m。隧道断面图如图 1所示。

图 1 隧道断面图 Fig. 1 Tunnel cross-section

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隧址区属于高中山峡谷地貌区，进口高程2 430 m，山体自然坡度35°~45°；出口高程2 420 m，山体自然坡度30°~45°，山顶高程2 530~2 560 m，进、出口均布置在乌拉斯台河谷左侧基岩斜坡上。进口浅埋段为Ⅴ级围岩，上覆第四系全新统崩坡积层，厚度3.0~7.0 m左右，下伏基岩为华力西早期侵入强风化花岗岩，岩体节理、裂隙发育且岩体破碎，围岩自稳能力较差。在进行洞口段开挖时若施工方案不当，可能会对围岩造成极大的干扰，从而导致塌方、山体滑坡等工程事故的发生，所以洞口小净距段施工方案的选择至关重要。

根据实际工程情况，采用有限元软件MIDAS GTS NX建立计算模型，不同的材料采用不同的本构模型模拟，其中隧道衬砌采用弹性本构，土体使用修正莫尔-库仑本构。为弱化边界效应，模型尺寸应取隧道跨径的3~5倍，因此模型围岩宽度取105 m，开挖深度取50 m，高度上边界至地表，下边界到隧道洞底以下20 m。模型两侧约束水平方向位移，底部为法向位移约束，顶部为自由边界。计算模型如图 2所示。

图 2 计算模型 Fig. 2 Computation model

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不同地层岩土体力学参数参考上新光隧道地质勘查报告，隧道初期支护中喷射混凝土采用厚度为25 cm的C25湿喷混凝土，锚杆型号为ϕ25 mm，长度为3 m，间距1.5 m×1.5 m，钢拱架采用I18工字钢，间距80 cm。开挖模拟时通过增大锚杆影响范围内围岩弹性模量来等效完成锚杆与钢架的支护效果^[16-17]。

锚杆加固后围岩弹性模量受围岩和锚杆自身弹性模量的共同影响，则锚杆加固后围岩弹性模量为：

式中，E′，E，E₁分别为锚杆加固后围岩、原围岩和锚杆弹性模量；S₁，S₂分别为锚杆排距和环向间距；r为锚杆半径。

经钢拱架和混凝土支护后的等效混凝土弹性模量为：

式中，E′_α，E_α，E_b分别为等效混凝土、原混凝土和钢架的弹性模量；S₃为钢架排间距；d为喷混厚度；A为钢架截面积；l为锚杆长度。

则钢拱架支护后锚杆影响范围内的围岩等效弹性模量为：

根据上新光隧道地质勘察报告结合式(1)~(3)确定围岩及初期支护参数，如表 1所示。

针对Ⅴ级围岩不同跨径小净距隧道的工程特点，根据工程经验和上新光隧道小净距段的设计方案，选取中隔壁法、双侧壁导坑法(以下简称双侧壁法)和三台阶法3种开挖方案进行数值模拟，通过对比分析不同开挖方案下围岩的稳定性以确定最优开挖方案，3种方案施工工序如图 3所示。

图 3 施工方案图 Fig. 3 Diagrams of construction schemes

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地表沉降是反映隧道开挖后围岩稳定性的重要指标之一，为了研究不同跨径小净距隧道不同施工方案对地表沉降的影响，选取模型开挖深度25 m处为监测截面以减少边界效应的影响，不同施工方案的地表沉降曲线如图 4所示。

图 4 不同施工方案地表沉降曲线 Fig. 4 Surface settlement curves with different construction schemes

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从图 4可以看出，在开挖过程中不同施工方案引起的地表沉降规律大致相同，由于左右洞之间的净距较小，开挖引起的地表沉降相互叠加，使得左洞的地表沉降值明显小于右洞，曲线呈不对称W型，左右洞均是右拱肩处出现地表沉降最大值。隧道顶部在三台阶法的上台阶开挖完成后完全暴露，导致隧道上方土体的沉降速率比中隔壁法及双侧壁法大，其左右洞上方累计地表沉降值分别为7.94 mm和16.37 mm；中隔壁法和双侧壁法因中隔墙的支撑作用，地表沉降量均显著低于采用三台阶法开挖，采用中隔壁法支护结束后沉降值分别为5.36 mm和13.28 mm，双侧壁法为3.14 mm和10.92 mm。以双侧壁法开挖产生的右洞地表最大沉降值作为参考标准，中隔壁法开挖引起的最大地表沉降值比双侧壁法大21.61%，而三台阶法则高达49.91%，说明双侧壁法和中隔壁法对地表沉降的控制效果较好。

拱顶沉降是评估围岩位移大小和稳定性的另一个重要指标，隧道右洞拱顶沉降在不同施工方案下随开挖深度增加的变化曲线如图 5所示。受开挖扰动的影响，围岩发生应力重分布并通过位移的方式释放，且二者的变化程度基本一致，所以使用位移释放系数λ代替围岩应力释放率^[18]，λ按式(4)计算，右洞的拱顶位移释放系数曲线如图 6所示。

图 5 拱顶沉降曲线 Fig. 5 Vault crown settlement curves

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图 6 拱顶位移释放曲线 Fig. 6 Vault crown displacement release curves

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从图 5可以看出，随着开挖深度的增大，不同施工方案下右洞拱顶沉降值变化趋势大致相同，总体表现为先缓慢上升，再急剧整长，最终趋于平缓。其中采用中隔壁法施工时右洞拱顶累计沉降量最小，为17.49 mm；双侧壁法次之，为19.96 mm，比中隔壁法增加2.47 mm，增大14.12%；三台阶法开挖时拱顶沉降量最大，为23.12 mm，较中隔壁法增加了32.19%。数值模拟结果表明：在隧道开挖时采用中隔壁法对拱顶沉降的控制效果最好，双侧壁法次之，三台阶法最差。由图 6可知，当开挖深度为25 m时，右洞选取三台阶法施工的拱顶竖向位移释放量为86.49%，而此时若采用双侧壁法和中隔壁法开挖仅为42.89%和60.12%，说明采取三台阶法时围岩应力释放率较快，对隧道施工安全最为不利。

围岩因隧道开挖扰动的影响而发生应力重分布，原有的力学平衡被破坏，掌子面四周围岩发生应力松弛，图 7为不同施工方案下围岩应力云图。

图 7 不同施工方案围岩应力(单位: kPa) Fig. 7 Surrounding rock stresses with different construction schemes(unit: kPa)

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由图 7可知：不同施工方案下的围岩应力分布规律基本一致，应力集中区域主要出现在仰拱和拱顶处。通过对比3种施工方案下洞周围岩最大应力，得出其大小规律为三台阶法(2 970 kPa)、中隔壁法(2 450 kPa)、双侧壁法(2 440 kPa)，三台阶法围岩压力最大，说明三台阶法最不利于围岩的稳定，而中隔壁法和双侧壁法差别不大。

围岩稳定是保障隧道安全施工的重要因素，而塑性区的分布情况可以反映围岩的稳定状态，不同开挖方案下围岩塑性区的分布情况如图 8所示。

图 8 不同施工方案围岩塑性区分布 Fig. 8 Surrounding rock plastic zone distributions with different construction schemes

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由图 8可知：3种施工方案下围岩塑性区具有一定的共性，主要出现在双侧拱腰和拱脚处，从分布大小来看，双侧壁法塑性区的分布范围最小，其次是中隔壁法，三台阶法分布最大。这是因为使用中隔壁法或双侧壁法施工时有中隔墙起到临时支撑的作用，减少了开挖工作面的面积，待支护结构稳定后拆除中隔壁，可以有效控制围岩变形。而采用三台阶法开挖时，由于开挖面较大导致应力集中现象明显，发生塑性区贯通。从最大塑性应变值的角度分析，采用3种施工方法围岩的最大塑性应变由大到小为三台阶法(2.35×10^―2)、中隔壁法(6.29×10^―3)、双侧壁法(5.61× 10^―3)。说明使用中隔壁法和双隔壁法施工时围岩较为稳定，此外在施工时应加强对拱腰和拱脚的支护和监测。

基于上述数值模拟分析，从围岩稳定性的角度看，采用双侧壁法和中隔壁法施工时引起的围岩位移较小，塑性区分布状态较良好，二者整体上相差不大，双侧壁法优于中隔壁法，而三台阶法在施工过程中引起的围岩位移较大且塑性区发生贯通。从施工组织的角度看，双侧壁法开挖时各个工作面较小，且工序间相互影响较大，施工工期较长；而中隔壁法的开挖面比双侧壁法稍大，有助于加快施工进度；虽然三台阶法的开挖面很大，但是该隧道是围岩等级为Ⅴ级的浅埋小净距隧道，使用三台阶法开挖容易使围岩失稳而导致隧道发生塌方等灾害。通过综合考虑围岩稳定性、施工成本、安全和工期等因素，最终选取中隔壁法进行洞口段的开挖，中隔壁法开挖纵向施工工序示意图如图 9所示。

图 9 中隔壁法开挖纵向施工工序示意图 Fig. 9 Schematic diagram of longitudinal construction process for excavation with center diaphragm method

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为确保隧道施工过程中支护结构和围岩的安全，需重点监测地表沉降和拱顶沉降，监测频率不小于每天一次，测点布置如图 10所示。采用全站仪进行地表下沉的量测，通过测点不同时刻标高，求近两次量测的差值，即为该点的下沉值，从8个测点中选取测点3和测点6作为地表沉降监测点，测点A和B为拱顶沉降监测点，监测结果如图 11所示。

图 10 地表沉降和拱顶沉降监测点布置 Fig. 10 Monitoring points arrangement for surface settlement and vault crown settlement

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图 11 隧道监测数据 Fig. 11 Tunnel monitoring data

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由图 11(a)可知：在隧道开挖后地表沉降量快速增长，25 d后趋于稳定，测点3和测点6的累计沉降量分别为4.37 mm和12.36 mm，采用中隔壁法模拟开挖得到右洞最大地表沉降量为13.28 mm，数值模拟计算值比现场实测值稍大，但差别不大，说明数值模拟具有一定的可靠性。由图 11(b)可知：在隧道施工后7 d内拱顶沉降量迅速增大，在25~30 d趋于稳定，最大拱顶沉降量为15.36 mm，日均沉降量为0.51 mm，满足要求。监测数据表明在新疆乌尉高速公路上新光隧道洞口段采用中隔壁法施工是合理可行的。

(1) 采用中隔壁法、双侧壁法以及三台阶法3种施工方案进行洞口段施工时引起的地表沉降变化规律大致相同，而采用三台阶法开挖时右洞最大地表沉降值是双侧壁法的49.91%，说明三台阶法对地表沉降的控制效果较差。

(2) 采用3种不同施工方案施工后右洞拱顶沉降值随开挖深度均表现为先缓慢上升，再急剧整长，最终趋于平缓，累计沉降值大小规律为三台阶法(23.12 mm)、双侧壁法(19.96 mm)、中隔壁法(17.49 mm)，说明中隔壁法和双侧壁法对围岩稳定的控制效果较好。

(3) 隧道开挖稳定后围岩塑性区主要出现在双侧拱腰和拱脚处，且采用三台阶法施工时塑性区发生贯通，3种施工方法围岩的最大塑性应变由大到小为三台阶法(2.35×10^―2)、中隔壁法(6.29×10^―3)、双侧壁法(5.61×10^―3)，从围岩塑性区角度分析，双侧壁法最优，中隔壁法次之，三台阶法最差。

(4) 在数值模拟中虽然双侧壁法各项数据均优于中隔壁法，但是双侧壁法的开挖面较小、工序复杂且工期较长，所以结合工程地质条件，在充分考虑围岩稳定性、施工成本、安全及工期的基础上，最终选取中隔壁法进行施工。