近年来，一些专家学者不断探究矩形隧道建造技术，并取得很大进展。申玉生等^[1]以某城市新建地铁浅埋暗挖矩形隧道为例，采用FLAC3D有限元差分软件对不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟，最后通过对比分析隧道周围岩土体的变形和结构内力等变化，优选适合该隧道的施工方案。季昌等^[2]采用有限元模拟盾构壳体与土间的相互作用，得到控制该类矩形盾构隧道周围土体变形的方法。丁锐等^[3]采取有限元软件对分部开挖矩形大跨隧道进行数值模拟，得出施工过程中有效控制地表沉降变形的技术措施。

为避免矩形大跨隧道在开挖过程中发生群洞效应，同时减缓开挖洞室时对隧道周围岩土体产生的扰动和地表产生的沉降，本文利用数值模拟软件FLAC3D建立计算模型，采用9种不同的施工工况进行仿真分析。最后，通过比较分析选出合适的施工方案。

某城市地下商场的断面形状是4个角为圆角的大断面类矩形隧道，断面净宽18m，净高9m，隧道最大埋深20m。在施工过程中保证每步开挖与支护交替进行，当最后一步开挖结束时拆除临时支撑使衬砌封闭成环。将围岩与支护结构形成一个完整的支护体系，有效控制围岩的过度松弛，确保工程质量，减少衬砌开裂^[4,5]。具体围岩物理力学参数根据有关文献^[6,7,8,9]取值，如表1所示。

施工过程采用分步开挖、逐步支护的方法。开挖隧道前对周边岩土体进行超前加固。当最后一步开挖完成后拆除临时隔壁，衬砌封闭成环。为研究不同施工工序和圆角半径取值对隧道周围岩土体的影响，分别采用9种不同施工工况进行数值模拟。该矩形圆角隧道断面和施工工序如图1, 2所示，施工工况如表2所示。

依据圣维南原理和隧道开挖的影响范围，建立计算模型宽20m，高60m，厚10m，即左右边界取隧道总跨度4倍左右，下部边界取隧道总高度2.5倍左右，隧道上边界到地面^[10]。计算模型共40 664个Zone单元和46 089个网格节点。模拟计算采用莫尔-库仑本构模型，混凝土喷层采用shell单元模拟，开挖采用null赋空模型。该计算模型的上边界为自由边界，其余边界均为位移约束边界条件，顶部施加局部荷载60kPa。隧道模型如图3所示。

为减少隧道开挖扰动周围岩土体和降低地表沉降，开挖前采用超前支护，即大管棚与小导管注浆联合支护^[11]。施工过程中采用分步开挖、逐步支护的方法。当最后1步开挖完成后拆除临时隔壁，衬砌封闭成环。施工中严格遵从“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的安全施工准则^[12]。支护参数根据相关文献[13]选取，如表3所示。

开挖洞室时，围岩变形过大会直接影响隧道的正常使用。只有充分了解围岩变形特性，才能有效控制岩体在外部荷载作用下产生的变形。

为探究隧道开挖完成后围岩的变形特征，在隧道顶部、底部和帮部的垂直方向分别设置3条监测线，在隧道顶部和底部监测线上以2m为间隔均匀布置20个监测点，在隧道两帮监测线上以2m为间隔均匀布置22个监测点。不同施工工况下隧道围岩变形监测线上的监测数据如图4所示。通过分析图4a可知，9种施工工况下隧道围岩顶底部位移分布规律大致相同。采用9种工况开挖隧道时，顶部最大沉降量依次为36.87, 36.47, 36.92, 37.23, 37.45, 37.63, 37.75, 37.91mm。可以看出，采用工况2施工时引起的顶部最大沉降量最小。通过分析图4b可知，9种施工工况下隧道围岩两帮位移曲线基本呈对称分布，而采用工况2施工对隧道两侧横向变形影响较小，相比其他几种工况略有优势。由图4b还可得出，随着至隧道中心距离的增加，围岩两帮位移变形量逐渐减小，并趋近于零。综上所述，采用工况2施工能较好控制围岩变形。

在模拟计算中及时监测隧道边墙竖向和水平位移 (见图5) 。绘制边墙竖向和水平位移曲线，如图6所示。

由图6分析可得，采用工况9开挖时在隧道边墙处产生的竖向、水平位移最大，位移量分别为9.03, 11.93mm。采用工况2开挖时在隧道边墙处产生的竖向、水平位移最小，位移量分别为8.35, 6.84mm。因此，由位移监测分析可得，采用工况2施工优于其他工况。

数值计算中，及时监测隧道拱顶和拱底的位移，并绘制每步开挖和支护完成后的拱顶和拱底最大沉降曲线，如图7所示。

分析图7a可知，隧道竖向变形主要是压缩变形。在支护形式相同的条件下，工况7在施工中产生的拱顶沉降量最大，为28.98mm;工况2产生的拱顶沉降量最小，为26.82mm。通过分析图7b可知，工况2在施工中产生的拱底最大沉降量最小，为13.75mm，工况8在施工中产生的拱底最大沉降量最大，为15.90mm。模拟施工过程中，分析拱顶和拱底的沉降曲线，隧道开挖前3步中工况2对拱顶和拱底沉降的影响最小，此时工况7对拱顶和拱底沉降造成较大的影响。隧道进行第4步开挖时，工况1, 4, 5的拱顶沉降曲线突然变陡，主要是由于隧道上部和中部的岩土体遭到开挖从而降低岩体对拱顶的支撑，同样在拱底沉降曲线中工况3, 6, 9的沉降曲线突然变陡也是如此。在隧道第5步开挖中，9种施工工况的拱顶和拱底沉降量骤增，是因为隧道内部的岩体基本挖完，围岩变形达到最大。在最后1步开挖时，9种施工工况的拱顶和拱底沉降量都有所减缓，说明围岩在前期开挖过程中应力得到释放，围岩也充分变形，从而此时沉降曲线也较为平缓。

综合分析，9种施工工况最终造成的沉降量有一定差别，但工况2更具沉降量小的优势。

为分析隧道开挖后围岩应力的变化特征，在隧道顶部、底部和帮部的垂直方向分别设置3条监测线，在顶部和底部监测线上以2m为间隔均匀布置20个监测点，在帮部监测线上以2m为间隔均匀布置22个监测点。隧道围岩应力监测数据如图8所示。

分析图8a可知，隧道顶底部的应力值随着至隧道中线距离的增加而逐渐增大，顶部的竖向应力作用范围略大于底部的竖向应力作用范围。还可得出，9种施工工况在隧道开挖完成后造成的围岩顶部最大压应力依次为0.250, 0.246, 0.261, 0.260, 0.270, 0.277, 0.280, 0.291, 0.301MPa;9种施工工况在隧道开挖完成后造成的围岩底部最大压应力依次为0.270, 0.261, 0.280, 0.275, 0.285, 0.292, 0.280, 0.290, 0.303MPa。虽然9种施工工况中顶板和底板产生的最大压应力差别不明显，但相比之下，工况2比工况9产生的围岩顶部最大压应力降低0.17%，围岩底部最大压应力降低0.11%。由图8b可知，隧道两帮的应力曲线大致呈对称分布，两帮水平应力对隧道影响较大范围距隧道中线左右两侧约14 m，离隧道中线越远处变化越不明显，并且逐渐趋近于围岩的原岩应力。从隧道围岩应力变化曲线来看，工况2比其他几种工况略有优势。

为更好地确保隧道施工顺利进行，也应分析围岩表面在不同应力下引起的围岩体积大小变化，采用FLAC3D内嵌的FISH程序语言对9种施工工况在不同应力下引起的围岩体积进行统计，如表4, 5和图9所示。由表4, 5可知:支护形式相同时，工况2在不同应力作用下引起的围岩体积变化比其他几种工况变化小。工况2相比其他几种工况更具控制围岩变形的优势。通过分析图9可知，随着选取围岩竖向应力的增大围岩体积随之增加，说明围岩应力影响的范围随之增大，即围岩松动圈的区域增多^[14]。还可看出，围岩体积影响范围在竖向应力作用下比水平应力大，因为浅埋隧道的竖向应力一般大于水平应力。总之，隧道开挖后围岩达到自身稳定所需时间较长，使围岩二次应力重分布的区域增加，加剧隧道围岩的变形与破坏^[14]。

采用FLAC3D有限无差分软件对9种施工工况进行仿真模拟，通过比较9种施工工况的围岩变形可知，采用工况2施工对围岩竖向和水平位移变形量最小，分析位移监测可知，采用工况2施工产生的围岩变形量也最小。分析拱底沉降可得到，工况2, 8施工产生的地表沉降量分别为13.75, 15.90mm。从而可得，工况2施工能更减缓地表沉降，相比工况8沉降量降低13.5%。通过比较9种施工工况的围岩应力变化可知，工况2对围岩顶底部产生的压应力最小，应力值分别为0.246, 0.261MPa;工况9对围岩顶底部产生的压应力最大，应力值分别为0.301, 0.303MPa。从而可得，工况2比工况9施工产生的围岩顶部最大压应力降低0.17%，工况2比工况9施工产生的围岩底部最大压应力降低0.11%。

综上所述，采用工况2施工不仅优于其他几种工况而且可避免各部分施工对隧道的干扰。