隧道坍塌事故類型劃分及其主要特征

孫景來，劉保國，儲昭飛，任大瑞，宋 宇

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

截至2017年底，我國建成運營鐵路隧道14 700座，總長約15 781 km；建成運營公路隧道16 281座，總長約15 240 km；另外，35座城市共建成運營地鐵線路169條，全長約5 083 km。在隧道大規模建設過程中，因地質條件復雜、施工工序繁多，若防范措施不足，則容易導致施工事故，其中坍塌是主要事故類型。

雖然在隧道坍塌防治研究上已取得了大量成果[1-7]，但是其總體形勢仍然嚴峻。在防治隧道坍塌研究方面，不同類型的坍塌需要不同的防控手段，因此有必要對隧道坍塌依據其不同特點進行分類[8]。文獻[9—14]對隧道坍塌分類進行了相關研究，但因坍塌事故的復雜性，這些研究多以1個或2個因素進行的綜合分類，系統、整體、全面的分類尚較少。本文采用定性、定量以及其相互結合的分類方法，基于政府相關部門公布的大量的案例和現場數據，以及系統科學理論的支撐，對隧道坍塌事故進行分類研究。

1 坍塌事故案例

對2001—2016年隧道(含地鐵等隧道)施工過程中發生的199起事故進行分析統計可知，坍塌事故有111起，約占比56%，選取其中5起坍塌事故的分析結果列于表1[15-19]。

2 坍塌事故類型劃分依據的確定

為了對隧道坍塌事故類型進行分類，首先需要確定其劃分的依據。因此，在對坍塌事故案例收集分析的基礎上，根據案例的特征確定劃分依據，即按照隧道類型、坍塌原因、坍塌發生位置、坍塌發展速度、坍塌規模、坍塌破壞形態和危害形式、造成的經濟損失與人員傷亡以及時效性這8個依據進行分類。隧道類型是指隧道圍巖及其上覆地層的典型特征，土質、巖質和水的情況；坍塌原因是指導致事故發生的內部因素和外部因素；發生位置是指坍塌發生所位于隧道結構的不同部位；發展速度是指坍塌與施工擾動的關系；坍塌規模是指坍塌的高度、塌方量等；破壞形態和危害形式是指坍塌形成的破壞面的形狀及其與地面的關系；造成的經濟損失與人員傷亡是指坍塌所造成的直接經濟損失和人員傷亡情況；時效性是指坍塌發生時間與隧道施工階段之間的關系。

表1 5起隧道坍塌事故分析

3 坍塌事故類型的劃分

根據確定的8個“劃分依據”，對隧道坍塌事故進行類型劃分。

(1)依據隧道類型分類主要考慮圍巖性質及其主要特點，可分為山嶺隧道、城市隧道和水下隧道。

(2)依據坍塌原因分類。圍巖坍塌多數是由于圍巖過度變形及破壞區擴大所導致的圍巖失穩，另外一部分則是由于支護強度不足而誘發的。所以，按導致坍塌的原因可分為圍巖失穩坍塌和支護強度不足導致的坍塌[1]。圍巖失穩坍塌的原因可分為：充水、施工擾動、異常地質構造的出現、地壓(偏壓和高地應力)、膨脹巖作用等。其中造成充水的原因包括施工引起的管線破裂、圍巖破裂形成導水通道、地面連續雨天降水、水下隧道防護措施不當等。支護強度不足包括參數選取不合理和勘探不清導致的設計不合理，未按設計施工或管理不規范導致的施工質量差，以及支護不及時[20]。

(3)根據坍塌發生位置分類。可以將其分為洞口坍塌和洞身坍塌。洞身坍塌根據坍塌在隧道橫斷面上位置的不同，劃分為洞頂坍塌、側壁坍塌和掌子面坍塌；掌子面坍塌又可分為正面擠出型坍塌、前傾式冒落坍塌、后傾式冒落坍塌，如圖1所示[1]。

圖1 掌子面坍塌

(4)依據坍塌發展速度分類。可以分為突發性坍塌、陣發性坍塌和緩慢變形坍塌。

(5)依據坍塌規模分類。坍塌規模包括坍塌高度和坍塌體積，據此可分為小型坍塌、中型坍塌和大型坍塌。

(6)依據坍塌破壞形態分類。可分為貫穿型坍塌、局部坍塌、拱形坍塌、異形坍塌，如圖2所示。貫穿型坍塌按照形成原因可分為施工直接導致坍塌和施工間接導致坍塌；其中施工間接導致包括施工導致不良地質體破壞和施工導致管線破裂。

(7)依據造成的經濟損失與人員傷亡情況分類。可分為一般、較大、重大、特別重大坍塌事故。

(8)依據時效性分類。根據坍塌發生時間與施工階段之間的關系分類，可分為初期支護前坍塌、二次襯砌支護前坍塌、二次襯砌支護后坍塌。

根據確定的8個劃分依據，對隧道坍塌事故的分類如圖3所示。

圖2 破壞形態

圖3 隧道坍塌事故的分類

4 不同類型坍塌的主要特征及原因

4.1 山嶺隧道、城市隧道、水下隧道坍塌的特征及原因

山嶺隧道，即鐵路或公路穿越丘陵、山嶺等時修建的隧道，其圍巖大部分以巖質為主，其穿越地段地質條件復雜多變。山嶺隧道坍塌過程中常伴有突水涌泥現象，主要發生在受風化帶、斷層破碎帶、不良地質體、地質構造帶等影響的圍巖穩定性較差區域。風化作用使得巖體破碎，嚴重區域會呈現砂土及粉土狀；斷層擠壓破壞作用使得周邊巖體節理裂隙發育，并存在斷層泥、糜棱巖等軟弱結構，巖體呈現破碎、強度低、透水性大、抗水性差、穩定性差等特點。坍塌發生地段的巖體，表現出松散破碎形態，其強度較低、自穩能力較差，在施工過程中導致地下水、地表水或降水等進入破碎巖體中，使得巖體間的凝聚力和摩阻力進一步降低，在重力、地下水以及施工擾動的共同作用下超過其極限平衡，導致坍塌事故的發生。

城市隧道埋深較淺，其圍巖以土質為主，而且在施工過程中對地表沉降控制嚴格，存在地下管線及其他構筑物相互影響的問題。根據統計的事故案例，城市隧道施工中，地下管線的滲漏或破壞及不良地質體的出現，是發生坍塌的主要因素。城市隧道坍塌事故所造成的社會影響、經濟損失要明顯大于山嶺隧道。均質軟弱圍巖條件為主的城市隧道[8]的坍塌特征為：①深埋隧道圍巖發生破壞時不會延伸至地表，破裂面多從硐室兩側的邊墻處開始向上發展，坍塌過程中會出現多次坍塌并每次會形成短暫的穩定塌落拱，最終形成穩定的塌落拱，塌落拱的形狀表現為典型二次拋物線型；②淺埋隧道的坍塌會波及到地表而造成地表的坍塌，地表要先于硐室圍巖出現破裂，在塌落過程中也會出現暫時的穩定塌落拱，形狀也表現為典型二次拋物線型。

水下隧道既是隧道工程也是水下工程，不良地質段的影響更為嚴重，一旦發生事故，會造成災難性的后果。且不良地質段的影響不僅存在于施工階段，也存在于運營階段，如挪威Oslofjord隧道2000年建成通車，2003年12月發生坍塌事故[21-22]。水下隧道周圍水的存在及其活動是影響隧道圍巖穩定性的主要因素，水下隧道的支護結構在承受圍巖壓力的同時還需承擔很高的滲透水壓力，水下隧道開挖面產生的滲透力增加了圍巖向洞內運動的推動力，同時使得圍巖抗剪強度和摩阻力降低，加大了圍巖的變形和塑性區的擴展，而圍巖的變形又使得圍巖的變形模量和強度進一步降低，同時圍巖的滲透性增大，形成一個惡性循環，最終導致圍巖失穩發生坍塌[23]。

水下隧道的主要特征包括：①水下地質勘探困難、成本高、準確性低，遇到未預測到的斷層、破碎帶等不良地質構造的風險大；②高滲水壓力使得圍巖滲透性高，若施工擾動區與水體存在斷層破碎帶等通道，可能造成災難性的坍塌和涌水；③高孔隙水壓力和飽水巖體強度軟化使得圍巖有效應力降低，導致地層穩定性較差；④長期處于高外水壓力下，圍巖容易發生膨脹軟化，導致支護結構的長期穩定性較差；⑤海上豎井施工難度大，使得單向施工的長度加大，技術難度增加[2，24]。

4.2 圍巖失穩坍塌的特征及原因

不良地質體受施工影響而發生破壞，最終造成的坍塌事故中主要是由斷層破碎帶、空洞、溶洞等造成的。斷層破碎帶其巖石強度低、透水性大、介質松散，當有地下水時，其圍巖遇水軟化，松動圈范圍增大，圍巖壓力增加，支護結構變形增大，最終導致坍塌事故發生[25-27]。在隧道施工擾動下，地層中的空洞、溶洞等發生破壞，使得上方地層中出現力學不平衡，導致坍塌的發生。

圖4所示為北京地鐵隧道施工中發現的地層空洞[28]，在無地鐵施工擾動作用時，這些地層空洞處于相對穩定狀態，當隧道在臨近地層施工時，必然會對其產生擾動，使得洞壁上不穩定的土體發生剝落，最終導致坍塌的發生。如北京地鐵10號線蘇州街站坍塌事故，在坍塌地點東側4 m處，存在1個體積約24 m3的不規則空洞。

圖4 地鐵隧道施工中發現的不規則空洞

目前隧道坍塌事故中，水是最主要的影響因素，大部分坍塌事故發生過程中均受水的影響，包括地下水和地表水，其中地下水主要指管線滲漏水、孔隙水、含水層、圍巖裂隙水、水囊等；地表水是地下水的主要補給源，包括降雨、降雪、河流、湖泊等，持續或強降雨會增加地下水量，從而加劇坍塌的風險和危害[29]。松散破碎巖體或頁巖、軟黏土等為主的軟巖地層，其巖石的單軸抗壓強度和彈性模量隨著含水量的增加而降低[30-31]，因水的物理、化學及力學作用，通過軟化、溶解、潤滑、水壓力及機械沖刷作用使隧道圍巖的穩定性降低，導致坍塌事故的發生。

目前城市地下管線漏水問題普遍，并且部分管線滲漏問題嚴重。根據對城市地面塌陷施工的統計發現，管線滲漏水可能會導致在地層中形成流沙，而在管線的周圍會形成空洞或水囊。當隧道施工臨近這些管線時，施工擾動會加劇滲漏，甚至造成管線破裂而導致涌水，使得地層力學性質惡化，并引起空洞擴大甚至空洞群連通，最終導致地層失穩破壞而發生坍塌事故，如北京地鐵10號線東三環京廣橋地面坍塌事故，其原因就是污水管道年久失修，污水外滲，地鐵施工擾動使得管道破裂，形成流沙造成地下空洞，最終導致輔路坍塌。

偏壓指的是因各種原因導致的圍巖壓力呈現明顯的不均勻性。主要由以下幾個原因引起：①地形原因，地面顯著傾斜，導致側壓力較大，并且隧道埋深較淺；②地質原因，節理發育、存在滑動面或軟弱結構面，受施工擾動，巖體出現滑動；③施工原因，施工引起結構受力不均衡。偏壓對隧道洞口、淺埋段的影響較大，對深埋段影響較小。

膨脹巖(含高嶺土、蒙脫石等礦物)多存在于斷層等地質構造帶，在無水狀態下較為堅硬，在遇水后迅速發生軟化，強度降低，使圍巖自穩能力下降，導致坍塌事故的發生[32]。

4.3 支護強度不足坍塌的主要原因

導致支護強度不足的原因主要有3個：設計不合理、支護不及時、施工質量差。

隧道開挖前地層處于天然應力平衡狀態，開挖后出現新的臨空面，產生卸荷作用，打破了圍巖的應力平衡狀態，使得圍巖產生向洞內的位移和應力重分布，以求達到新的應力平衡，從而形成二次應力。當圍巖的強度大于二次應力時，圍巖穩定；當圍巖的強度小于二次應力時，則圍巖失穩，需通過支護措施來保證圍巖的穩定。若支護不及時，則圍巖會從表面到深部逐漸產生破壞，依次形成塑性軟化區、塑性強化區和彈性區，其中塑性軟化區是支護的對象，而塑性強化區和彈性區是圍巖承載力的主體來源[33]。通過采取支護措施，一方面可以提高軟化區的強度，增強其穩定性；另一方面可通過軟化區圍巖對塑性強化區圍巖的作用，增大其圍壓，提高強化區的承載力。因此通過采取支護或加固措施，可以提高圍巖自承能力，實現圍巖的穩定。

設計不合理包括：參數選取不合理，如不合理的斷面形式和大小、不合理的施工順序、不當的支護方式等，這些均會導致支護強度不足；地質勘探不清楚導致的設計與實際圍巖不符。

施工過程中支護不及時，是指在隧道開挖后未能及時進行錨噴支護，使得圍巖裸露時間過長，引起圍巖的松動，最終導致坍塌事故的發生。

施工質量差主要體現在：未按設計施工；爆破施工裝藥過多，造成擾動過大；施工工序安排不當；管理混亂；管理不規范等方面。

4.4 突發性坍塌、陣發性坍塌和緩慢變形坍塌的特征及原因

突發性坍塌，多是因地質條件突變、超前支護不到位、爆破參數不合理突然發生的坍塌事故；陣發性坍塌是因圍巖松動導致連續的多次坍塌，在同一位置或附近位置發生，具有一定的時間間隔，危害性較大；緩慢變形坍塌是因地質條件的變化、地下水位的變化、巖體蠕變、施工等原因使得原巖應力穩定性破壞、重組過程中，因圍巖較差不能滿足強度要求，使得圍巖由彈性變形轉變為塑性變形，當達到極限時就會發生坍塌，多發生在完成支護的隧道中。

4.5 小型坍塌、中型坍塌和大型坍塌的特征

小型坍塌，指坍塌高度小于3 m，或坍塌體積小于30 m3。中型坍塌，指坍塌高度3～6 m，或坍塌體積30～100 m3。大型坍塌，指的是坍塌高度大于6 m，或坍塌體積大于100 m3 [34]。

4.6 局部坍塌、拱形坍塌、異形坍塌和貫穿型坍塌的特征及原因

局部坍塌，多發生在隧道的拱部，部分情況下會發生在側壁，主要發生在圍巖為塊狀、大塊狀巖體中。造成局部坍塌的主要原因包括：①風化作用、斷層及節理的切割，使得巖體破碎，整體性差，沿斷層帶以及節理帶的滲水、局部的夾泥層出現等，使得巖體間的咬合力和摩阻力很小，穩定性差；②小斷層、軟弱夾層及節理相互作用下使得部分巖塊呈現“人”字型、“三角形”，在施工擾動及地下水的作用下超過了其極限平衡而坍塌。

拱形坍塌，一般會發生在層狀巖體、碎塊狀巖體、松軟地層的深埋隧道中。異形坍塌主要是由于特殊的地質條件(如空洞、溶洞等)以及淺埋地層條件所造成的。對于拱形坍塌，是由于隧道開挖后應力重新分布，當重分布應力超過圍巖強度時，圍巖發生破壞導致坍塌事故發生，但坍塌不會無限制地發展，當坍塌發展到一定高度時，因上部地層的相互作用，形成壓力拱，重新達到平衡狀態。

貫穿型坍塌，多發生在淺埋隧道中，或者上覆地層存在特殊地質構造(如空洞、溶洞、水蝕坑等)且圍巖級別為四級以上。根據案例統計可知[23]，導致貫穿型坍塌的原因分為2種：施工直接導致、施工間接原因導致的上覆地層失穩而形成的地面塌陷。其中施工直接導致，是指施工導致地層中不良地質體發生破壞而引起的地面塌陷，以及施工導致地層中管線滲流加劇而引起的地面塌陷。

4.7 特別重大、重大、較大和一般坍塌的特征

特別重大坍塌事故，是指造成30人及其以上死亡，或100人及其以上重傷，或1億元及其以上直接經濟損失的坍塌事故。重大坍塌事故，是指造成10人及其以上且30人以下死亡，或50人及其以上且100人以下重傷，或者5 000萬元及其以上且1億元以下直接經濟損失的坍塌事故。較大型坍塌事故，是指造成3人及其以上且10人以下死亡，或10人及其以上且50人以下重傷，或1 000萬元及其以上且5 000萬元以下直接經濟損失的坍塌。一般坍塌指的是造成3人以下死亡，或10人以下重傷，或1 000萬元以下直接經濟損失的坍塌事故。

4.8 初期支護前、二次襯砌前、完成支護后坍塌的特征及原因

初期支護前坍塌，指的是開挖后未進行任何支護時或初期支護承載力有限時發生的坍塌，多因圍巖穩定性差、施工擾動、超前支護措施不夠、初期支護承載力不足或支護滯后導致的，大部分坍塌發生在該階段。

二次襯砌前坍塌，指的是完成了初次支護，但是尚未完成二次襯砌時發生的坍塌，該階段的坍塌多為漸進過程。主要原因包括：初期支護背后的空洞未能及時進行密實充填從而造成圍巖的進一步破壞，松動圈范圍增大，并且初期支護受力不均勻，遇有特殊構造地帶時極易造成初期支護結構的破壞；圍巖應力釋放轉移到初期支護結構上的荷載不斷增加，導致變形持續增大，造成局部支護結構發生破壞和失穩；二次襯砌施工滯后、設計不合理、初期支護施工質量差等。

完成支護后坍塌，是指在洞身段所有支護完成后發生的坍塌，主要是因為支護設計不合理、運營維護不當、襯砌背后接觸不良、施工質量不合格等造成的，但該種坍塌較少出現。

5 結 語

在對隧道坍塌事故案例收集分析的基礎上，根據案例的特征，構建了隧道坍塌事故類型劃分的8個依據；針對每個劃分依據對坍塌事故進行分類，并分析了各坍塌類型的坍塌特征及主要產生原因。根據該坍塌事故分類結果，可以對不同類型的隧道坍塌事故發生機理、可能造成的危害等進行分類研究，便于針對其發生的原因及其危害采取合理有效的施工技術和支護措施以預防事故的發生，有利于為相近情況的隧道提供有效的風險預測評價、高效的施工技術、有效的預防措施等。因此該研究結果具有重要的理論價值和工程指導意義。