为解决双洞 8 车道特大跨度隧道双侧壁导坑法施工中导坑尺寸偏小的问题，对导坑划分进行了优化。以厦门机场高速 公路巷东隧道工程为例，针对巷东隧道 V 级围岩浅埋段双侧壁导坑法施工中存在的导坑尺寸偏小、无法满足机械化施工操作 空间、工效低等问题，提出扩大导坑跨度、增加侧导洞及主洞的台阶步距，并借助有限元软件构建精细化三维模型，分别模拟了 优化前后双侧壁导坑法施工方案，分析了导坑划分调整前后围岩的变形控制效果及支护结构内力分布情况。计算结果表明，优化 方案条件下拱顶沉降及两侧收敛位移相对原方案分别减小了 44.8%和 57.6%；初支轴力和剪力变化幅度在 4%以内；初支弯矩 最大值降低了 32.5% 。最后，监测数据显示，隧道施工安全稳定，证明优化方案合理、可靠，而且加快了施工进度、节约了造价 。 

关键词：特大跨度隧道；双侧壁导坑法；导坑划分优化；数值模拟；现场监测

随着社会发展及车流量的增加，传统的双向4 车 道或 6 车道公路隧道已无法适应交通量 日益增长 的需求，双向 8 车道隧道越来越普遍。这类隧道断面 大 、呈扁平状，围岩和支护体系应力集中现象明显， 结构稳定性差、施工复杂，安全风险较大[1-3] 。一般来 说，针对双洞 8 车道特大跨度隧道洞口浅埋段，为保 证隧道开挖的稳定性，常采用双侧壁导坑法施工 。 目前国内专家学者在这方面的研究已经积 累了不 少宝贵经验，如姜封国等 [4]基于哈尔滨城市地铁隧 道工程，构建有限元数值模型，模拟了双侧壁导坑 法施工过程中围岩变形和受力变化规律，并结合实 测数据验证，认为双侧壁导坑法下的围岩变形和地 表沉降相对较小 。孟云[5] 以某隧道洞口段为工程背 景，采用数值模拟手段，对比分析了不同边坡条件 下双侧壁导坑法开挖顺序对边坡稳定性的影响 。奚 家米等 [6]结合西成铁路客运专线得利隧道工程，采 用 ANSYS 软件模拟了隧道进口段双侧壁导坑法施 工过程，研究了衬砌受力及围岩变形，表明双侧壁 导坑法施工的安全性较高 。双侧壁导坑法可以把特 大断面隧道划分为若干个小断面进行开挖，从而保 证开挖过程中围岩的稳定性 。陈林杰等[7]依托西宁 南绕城高速公路西山隧道工程，模拟计算了初始设 计方法和 3 种不同断面尺寸下的 4 种双侧壁导坑 施工方法，对比研究了各种施工方法下隧道结构及 围岩的受力特性，并进行了综合性优劣对比分析。戴 俊等 [8] 以唐山市某隧道工程为依托，通过数值模拟 研究了不同宽度侧导洞的隧道围岩受力情况 。宋伟 等 [9]研究对比了软弱围岩条件下特大断面隧道采用 双侧壁导坑及 CRD 工法 施工对地表 沉降的影响 。 蔡东明 [10] 以广东省深圳市莲塘隧道为案例，讨论了 超大断面山岭隧道初期支护参数的合理性，应用有 限元数值模拟计算，对其采用的初期支护参数、钢格 栅拱架 、锚杆长度 、环向间距布置进行了合理化分 析。对于双侧壁导坑法的导坑尺寸，相关规范已做出 规定。导坑尺寸的划分与施工工效存在一定的关系， 导坑尺寸的划分会影响施工效率，按规范规定的导 坑尺寸，不一定有利于提高大型机械设备的作业效 率，因此应该在保障工程施工安全的前提下，结合 隧道的断面尺寸 、施工设备尺寸等，对导坑的尺寸 进行优化。

基于此，笔者以厦门机场高速公路巷东隧道为依托，针对巷东隧道 V 级围岩浅埋段双侧壁导坑法 施工中存在的 一 些问题，结合优化施工方案，建立 三维数值模型，分别模拟原施工方案和优化施工方 案对应的双侧壁导坑法施工过程，对比分析方案调 整前后的围岩变形及初支结构受力情况；通过现场 实测分析，验证优化后施工方案的效果。

巷东隧道位于厦门市翔安机场高速公路，左洞 长 890 m，右洞长 900 m，最大埋深约 65 m，按分离式 隧道形式布置(净距 42~59 m)。全线按设计速度为 100 km/h 的双向 8 车道高速公路标准设计，隧道单 洞建筑限界净宽 18.50 m，净高 5.0 m。场区地层结构 总体较简单，岩土层除局部分布薄层填筑土外，以 强风化岩为主 。填筑土主要分布于丘陵 、山地地段， 一般厚度小于 2.0 m。洞口浅埋段 、Ⅴ级围岩段均采 用双侧壁导坑法施工。

JTG/T 3660— 2020《公路隧道施工技术规范》[11]   和 JTG F90— 2015《公路工程施工安全技术规范》[12]   对双侧壁导坑法施工的导坑尺寸规定为：导坑跨度 宜为整个隧道开挖宽度的三分之一。根据这一原则， 巷东隧道 V 级围岩双侧壁导坑支护设计如图 1 所 示 。侧壁导坑上台阶初支封闭成环后，高跨比为 692∶ 705(cm)，侧壁导坑下 台阶高跨比 为 545∶705(cm)；主洞净跨度 695 cm。根据设计图纸要求，两侧导坑 掌子面间距应小于 15 m，侧壁导坑上下台阶间距≤ 10 m，导坑超前中间土体≥30 m，主洞下台阶距离二 衬长度≤20 m。

原设计及施工方案存在以下问题：

1)若按设计图纸尺寸进行双侧壁导坑法开挖支 护，侧壁导坑出渣只能采用小型挖掘机或小型装载 机配合单桥运输车，导坑尺寸无法满足常规 500 型 侧翻装载机及自卸汽车的操作空间，出渣时间长、效 率低，导坑封闭成环时间比常规出渣多出一半(每 个循环出渣时长约 4.5 h，进尺越深，效率越低)，与 新奥法原理要求的初支尽早封闭原则相违背，增加 了安全隐患，施工成本也大幅增加。

2)根据设计图纸中双侧壁 导坑法施工 步序要 求，侧导洞上下台阶步距≤10 m，无法满足湿喷机械 手基本操作空间，现场只能用小型湿喷机作业，工效 低 、回弹率高 、平整度差；根据设计图纸步距要求， 主洞下台阶距离二衬≤20 m，而目前下台阶基本上 为中风化花岗岩，爆破施工时飞石将导致防水板台 车 、二衬台车等机具设备损坏，且爆破振动易导致 二衬开裂。

双侧壁导坑法初支拱部 120 °范围内设计有 L= 5.0 m、D=25 mm 的中空注浆锚杆，为满足标准化施工 要求，现场采用 360 °履带式锚杆钻机，需要 8 m 左 右的作业高度；为加快施工进度，洞渣采用侧卸式 装载机配合出渣车进行机械化作业，亦需要一定的 作业高度 。  

综上原因，调整侧导洞上下台阶开挖比例，调整 后，侧壁导坑上台阶初支封闭成环后高跨比为 799∶839  (cm)，侧壁导坑下台阶高跨比为 502∶839(cm)；主洞 净跨度 478 cm，如图 2 所示 。

为实现洞内机械化施工要求，左、右两侧侧壁导

坑上下台阶步距从原设计的 10 m 调整为 25 m，主 洞上 、中 、下台阶步距调整为 3~5 m，主洞下台阶与 防水板台车步距调整为 20 m，一个循环施工长度调 整为 106 m，以保证湿喷机械手和初喷料罐车的作业 空间。

选取巷东隧道左线出 口 V 级围岩浅埋段，以模 拟一个完整的开挖循环施工长度为基准，确定建模 范围 。模型尺寸 X × Y × Z= 60 m×80 m×45 m，隧道左 右两侧至模型侧边界水平距离各 30 m，沿深度方向  (Z 轴)包括表层的碎块状强风化花岗岩和中风化花 岗岩，两岩层的交界面斜穿过隧道洞身 。三维实体 模型网格划分采用 10 节点高阶四面体单元，在结构 附近加密网格，共划分 53 051 个实体单元，73 678 个 节点，如图 3 所示。

对数值模型作如下简化：

1)初支系统锚杆主要用于加固破碎围岩，模型 中通过提高系统锚杆作用范围内围岩的强度参数来 模拟锚杆加固作用。

2)将钢拱架及喷射混凝土综合考虑，采用连续 板单元模拟实际厚度的 C25 初支喷混，  板内力可用 于钢拱架内力校验。

3)开挖模型终端(28 m)位置的边界条件，因为 进入微风化岩体，强度较高，仅对端头最后一环初支 进行加强，刚度提升到 2 倍，以提供良好的端头支护 效应。

岩土体假定为弹塑性材料，碎块状强风化花岗

岩采用小应变土体硬化模型(HSS)模拟，中风化花岗 岩采用莫尔-库仑模型(MC)模拟，岩土体物理力学 参数如表 1 所示 。初支 C25 喷混及导坑临时支撑均 视为线弹性材料，重度 25 kN/m3，弹性模量 28 GPa，泊 松比 0.15 。此外，考虑到初支喷混与围岩的接触特 点，认为二者紧密结合，不设置接触面。

根据巷东隧道 V 级围岩浅埋段双侧壁导坑法 施工方案调整前后的施工工序，模拟一个开挖循环 施工过程，对比分析施工方案调整前后的围岩变形 及初支结构受力变形情况，论证优化方案的合理性。

原方案的模拟工况包括以下工序：

①左上导坑开挖 10 m；②左上导坑开挖 15 m； ③右上导坑开挖 10 m；④右上导坑开挖 30 m；⑤主 洞上台阶开挖 10 m；⑥主洞中台阶开挖 20 m；⑦主 洞下台阶开挖 20 m；⑧主洞下台阶开挖 25 m。

优化方案的模拟工况包括以下工序：

①左上导坑开挖 15 m；②左上导坑开挖 25 m；

③右上导坑开挖 25 m；④右上导坑开挖 30 m；⑤主 洞上台阶开挖 5 m；⑥主洞中台阶开挖 5 m；⑦主洞 下台阶开挖 5 m；⑧主洞下台阶开挖 25 m。

3. 1. 1    围岩位移

为进一步观 察双侧壁导 坑法开挖过 程中隧道 围岩的变形情况，在距离隧道洞 口 10 m 处断面的拱 顶及左右两侧共设置 3 个监测点，如图 4 所示 。

输出拱顶监测点 A 的沉降曲线，如图 5a)所示 。 隧 道 两 侧 监 测 点 B 和 C 的 水 平 位 移 监 测 曲 线 见 图 5b)。

从图 5a)可以看出，前期由于监测断面处主洞 尚未开挖(开挖步 250 以前)，拱顶沉降发展缓慢， 沉降量绝对值＜1 mm，主洞开挖后(开挖步 250 以后)，拱顶沉降随开挖过程快速增加，直至开挖步 365 左右，最大沉降 量达 -11.6 mm，此时 主洞上台阶 通 过监测断面后继续推进了 20 m 左右，此后拱顶沉降 略有回落并逐渐趋于稳定值-11 mm 左右。

从图 5b)可以看出，由于左侧导坑超前右侧导 坑 15 m，左测点 B 水平位移先行增加，在主洞开挖 前(开挖步 250 以前)基本稳定在 1.6 mm，此时右侧 导坑也已开挖，右测点 C 水平位移值达到-1.5 mm， 主洞开挖后(开挖步 250 以后)，隧道两侧水平位移 随主洞开挖进一步增大，直至开挖步 365 左右，主洞 上台阶通过监测断面后继续推进 20 m 时，B、C 点最 大水平位移值分别达到 2.5 mm 和-2.6 mm，此后隧道 两侧水平位移略有回落，B、C 点水平位移值分别稳 定在 2.2 mm 和-2.3 mm。

3. 1. 2   初期支护位移及内力

由于初支喷混与围岩密贴，二者同步变形，同时 可以发现，临时支撑上部的水平位移要高于下部 。

左侧导坑上台阶开挖时，水平临时支撑中部轴 力最大值为 263 kN/m，上台阶拱脚初支轴力最大值 为-816 kN/m，左侧导坑下台阶开挖后，初支腰部轴 力值略有增加，约为-874 kN/m。右侧导坑开挖后，初 支腰部轴力继续增加至 -941 kN/m，此后，随着主洞 上中下台阶的逐步开挖，初支轴力进一步增大，初支 腰部轴力最大值为-1 468 kN/m。

初支剪力主 要出现在初 支与临时支 撑相接部 位，主洞开挖前初支剪力最大值为 989 kN/m，位于 仰拱初支与竖向临时支撑脚部相接处附近，主洞开 挖后初支剪力先增后减，在主洞下台阶开挖前初支 剪力达到最大值 1 060 kN/m，主要位于竖向临时支撑 与拱顶和仰拱初支相接处，随着主洞下台阶开挖及 底部初支闭合，剪力值下降至 756 kN/m。

初支弯矩主 要出现在临 时支撑与初 支相接部 位，主洞开挖前初支最大弯矩值为-243 kN·m，主洞 开挖后最大弯矩值为-302 kN·m，弯矩在施工过程中 变化幅度不大。

为节省篇幅，将导坑开挖方案优化前后初期支 护位移及内力对比值汇总，如表 2 所示 。

从表 2 可知，优化方案的拱顶沉降及两侧收敛 位移相对原方案分别减小 44.8%和 57.6%，优化方案 的初支轴力和剪力值与原方案相比变化幅度在 4%以内，初支弯矩最大值降低了 32.5%。总体来看，优 化方案的围岩位移及初支结构内力值都不大，处于 合理范围内，即优化方案在满足机械化施工要求的 同时，能够较好地控制围岩变形及结构受力。

在 Z2K6+233—Z2K6+130 区间段布置 2 个监测 断面，每个断面布置 13 个地表沉降观测点；隧道正 上方测点间距为 4 m，其余处间距为 8 m；拱顶测点 按左、中 、右布置。

1)地表沉降

地表沉降初 期呈现随导 坑开挖逐渐 增大的趋 势，而后沉降速率逐渐变缓，最终趋向于稳定 。地表 沉降最大值约-9.1 mm，最大变化速率 0.5 mm/d，均未 超过允许范围 。

2)拱顶下沉

左导坑、右导坑及中导坑的拱顶累计最大下沉值 及累计平均下沉值差别不大，最大下沉值为-12.5 mm， 远低于控制值 50 mm，变化速率-0.7 mm/d 也小于控 制值 3.0 mm/d 。但左导坑的下沉值一般大于右导坑 及中导坑的下沉值，这是由于施工中左导坑先行开 挖，右导坑在左导坑开挖 20 d 后开始开挖，中导坑 在左导坑开挖 40 d 后开始开挖，故后开挖的右导坑 及中导坑对左导坑有一定的影响，因此左导坑的下 沉值总体上要高于右导坑及中导坑的下沉值。

3)净空收敛

在监测期内，监测断面洞周位移的波动幅度不 大，两侧腰部变形主要表现为向隧道外侧挤出式位 移，与数值模拟计算得到的变化趋势一致。隧道两侧 收敛位移最大值约- 14.7 mm(位移以向外侧为负)， 变化速率不超过-0.55 mm/d，均在控制范围内。

通过上述研究，得出以下结论：

1)优化方案条件下，主洞上台阶开挖后拱顶沉 降会在短时间内快速增长，但在观测断面与主洞上 台阶开挖面的距离超过 20 m 后趋于稳定。

2)优化方案条件下，主洞开挖后隧道两侧收敛 位移逐渐增大，并在观测断面与主洞上台阶开挖面 的距离超过 20 m 时达到最大值，此后随主洞继续开 挖，观测断面的收敛位移略有回落，并趋于稳定。

3)采用优化方案后，拱顶沉降及净空收敛值相 对原方案分别减小 44.8%和 57.6%；初支轴力和剪力 变化幅度在 4%以内；初支弯矩最大值降低了 32.5%。

4)现场监测数据表明，地表沉降初期呈现随导 坑开挖逐渐增大的趋势，而后沉降速率逐渐变缓， 最 终趋向于稳定；由于爆破施工 、拆除侧壁等原因， 部分地表监测点出现隆起现象，但累计最大沉降值 -9.1 mm 和变化速率 0.5 mm/d 均未超过允许范围 。 拱顶下沉受导坑开挖影响，初期下沉速率较大，后期 逐渐稳定，总体幅度较小；由于左导坑先行开挖，受 导坑间施工相互干扰，左导洞的下沉值 一般大于右 导洞及中导洞的下沉值 。总体上隧道洞周位移的波 动幅度不大，两侧腰部变形表现为向隧道外侧挤出 式位移，最大值 -14.7 mm，变化速率 -0.55 mm/d，均 在控制范围内 。