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这篇文档由秦义文（Yiwen Qin）、商传凯（Chuankai Shang）、李星（Xing Li）、赖金星（Jinxing Lai）、史兴豪（Xinghao Shi）和刘彤（Tong Liu）撰写，分别来自长安大学公路学院、长安大学工程设计院有限公司以及西安建筑科技大学理学院。该研究发表在《Engineering Failure Analysis》期刊上，于2023年7月17日在线发布。
本文的主题是探讨黄土浅埋隧道在降雨诱发下的塌陷机制及其应对措施，以宁夏段的赵家山隧道为例进行分析。文章主要分为以下几个部分：背景介绍、案例背景、塌陷机制分析、原因分析、处理措施及效果评估。
近年来，随着中国西北地区基础设施建设的快速发展，尤其是“一带一路”倡议的推进，通过黄土区域的高速公路、铁路、水气管道等隧道数量急剧增加。然而，由于黄土特殊的结构特性（如松散的中观结构、垂直节理和裂缝发育、干湿强度差异显著），其在工程活动中容易发生变形和失稳，尤其是在浅埋隧道施工过程中，塌陷事故频发。这一现象引起了学术界和工程界的广泛关注。例如，张等人（Zhang et al.）和徐等人（Xu et al.）建立了基于粗糙集理论、扩展理论和属性数学理论的塌陷风险评估模型，但这些模型对塌陷机制的理解仍显不足。因此，深入研究黄土浅埋隧道的塌陷机制及其应对措施具有重要意义。
支持证据包括：
1. 黄土因其独特的物理力学性质（如遇水后剪切强度显著降低）在工程实践中极易发生灾害。
2. 文献表明，降雨和地形条件是导致黄土隧道塌陷的重要因素之一。
3. 当前的研究多集中于塌陷后的处理经验，而对塌陷机制和模式的系统研究较少。
赵家山隧道位于宁夏南部海原县，地处黄土高原地质区，沟壑纵横，植被覆盖率低于40%。隧道设计为分离式双洞四车道，左线长度1217米，右线长度1250米，最大埋深约80米。塌陷发生在左线隧道（桩号YK53+876至YK53+895），平均埋深约17.5米，位于山坡陡坡处，坡度约为1:1.3。塌陷前一天持续强降雨，次日隧道掌子面开挖时发生塌陷，塌方体积约20立方米，滑动体对初期支护和超前支护造成了严重破坏。
支持证据包括：
1. 地质调查显示，塌陷区域地层为马兰黄土（Malan Loess）和离石黄土（Lishi Loess），具有一定的湿陷性。
2. 塌陷前的监测数据显示，拱顶沉降和围岩收敛在塌陷前几天显著增加，表明围岩稳定性受到严重威胁。
3. 现场观察发现，塌陷区域表面出现大量平行于隧道走向的裂缝，宽度最大达25厘米。
塌陷的主要原因是超前支护系统的强度不足以抵抗围岩的最坏劣化情况。具体而言，降雨和地形条件共同作用导致围岩劣化区域的形成。降雨渗透通过宏观节理、裂缝和微观孔隙，迅速增加围岩含水量，导致负孔隙水压力显著下降，进而削弱围岩的抗剪强度。此外，地形条件使得隧道上方斜坡容易发生滑动，进一步加剧了围岩的不稳定。
支持证据包括：
1. 数值模拟结果显示，在劣化黄土条件下，隧道拱顶至肩部区域的竖向变形范围显著增加，影响范围从正常条件下的1/6D扩大到1/3D。
2. 围岩应力集中现象明显，特别是在滑动区域附近。
3. 塌陷现场监测数据与数值模拟结果一致，验证了上述塌陷机制的合理性。
针对塌陷事故，作者提出了一系列处理措施，包括临时支护、侵入段分类处理和超前支护优化。临时支护采用环向临时钢拱架、扇形钢支撑和纵向连接杆组成的系统，有效控制了围岩变形。侵入段分类处理根据侵入程度采取不同措施，如加密钢筋或更换钢拱架。超前支护优化则采用管棚法（Pipe Roof Method），相比原有的小导管超前支护，能够更好地覆盖前方扰动土体，增强围岩承载能力。
支持证据包括：
1. 优化后的超前支护系统在数值模拟中表现出更好的塑性变形控制能力，拱顶沉降减少19.6%，径向变形减少14.2%。
2. 现场监测数据显示，处理后围岩变形趋于稳定，拱顶累计沉降在两个代表性断面分别为54毫米和67毫米，收敛值分别为17毫米和21毫米。
本文通过对赵家山隧道塌陷案例的详细分析，揭示了黄土浅埋隧道在降雨和地形条件下的塌陷机制，并提出了针对性的处理措施。研究不仅为类似工程的安全施工和管理提供了宝贵参考，还强调了超前支护设计的重要性。此外，作者建议未来研究应关注黄土边坡排水问题，探索更有效的长期排水措施，以预防潜在的围岩劣化。
本文通过对赵家山隧道塌陷案例的深入研究，为黄土浅埋隧道的安全施工和塌陷防治提供了重要的理论支持和实践经验。