隧道塌方時空特點及其誘發因素分析

王一鳴

(重慶交通大學, 重慶 400000)

近些年來，我國的隧道發展極其迅速，猶如雨后春筍一般。2010年，我國的公路隧道數量僅僅只有7 384條，而到了2015年，公路隧道數量達到了14 006處，5年時間隧道數量呈現了翻倍增長，年復合增長率約為13.66 %。隧道的總長度也由2010年的512.26×104m增長到了2015年的1 268.39×104m。可以說，我國已經成為了名副其實的隧道建設大國。然而，在隧道建設過程中，發生的事故卻層出不窮，塌方便是最常見的事故之一。通過統計我國2014年上報的塌方事故得知，隧道塌方事故共發生了13起，傷亡人數共48人，還有10人失蹤，造成了嚴重的生命和經濟損失，影響社會穩定。

由于隧道開挖過程中的地質條件復雜，例如圍巖的自穩性能差、圍巖破碎以及地下水都對隧道穩定起著十分重要的影響，同時在設計時考慮不當導致隧道內部結構不穩定也會造成隧道的塌方。塌方的發生會對隧道結構導致致命性的危害，不及時處理的話，還可能導致安全事故的發生。為此，本文從總結近幾年發生的嚴重塌方事故出發，對塌方的時空特點以及其誘發因素進行分析，為以后的隧道的穩定提供一定的參考。

1 塌方的分類及其易發時空特點

近幾年來，隨著我國經濟建設的發展，基礎交通設施的建設也在隨之完善，我國修建的隧道也變得越來越多。隧道作為埋置于地層內的工程建筑物，有著大大減少行車距離，提高行車效率(縮短時間、速度提高)，提高行車安全性等優點[1]。然而，隨著隧道的修建，在施工過程中發生的事故也越來越多，而隧道塌方成為了一個不能忽視的問題。表1統計了近些年來國內發生的嚴重的公路隧道塌方事件。

從表中的隧道塌方數據可以看出，隧道在開挖時面臨的地質情況極其復雜，松軟的圍巖，斷層及褶皺構造發育，地下水等因素對塌方影響十分嚴重；勘察階段獲取的地質資料不詳細，將對設計時的支護參數等因素的考慮產生直接的影響，為后續施工帶來錯誤的指導，如表中的十二排隧道；同時，施工過程中發生問題處理不及時以及錯誤的施工方法，如表中隧道邊坡、仰坡處理不當、錯誤的爆破方法等，將對隧道穩定性有著最為直接的影響。塌方的發生往往具有突發性，在沒有及時處理的情況下，塌方很有可能連續發生，隧道一旦發生塌方事故后，將帶來嚴重的危害性。因此，在勘察、設計、施工等方面應該對隧道開挖采取合適的措施。

1.1 隧道塌方的分類

隧道塌方有較多的表現形式，因此對隧道塌方類型的劃分有著眾多的方法。根據塌方的地點以及塌方的規模，隧道塌方可以分成以下幾種。

1.1.1 塌方的地點

塌方可以分成洞口塌方、洞口段塌方、洞內掌子面塌方、洞內掌子面后塌方[2]。洞口塌方又稱為洞口滑坡，是指在剛開挖時洞口發生塌方。洞口段塌方是在開挖后離洞口有一段距離(一般是50～200 m)后發生的塌方。洞內掌子面塌方指開挖掌子面發生的塌方。洞內掌子面后塌方指離開挖掌子面一定距離發生的塌方。

1.1.2 按塌方的規模

根據塌方高度及體積，可將其分為小、中、大三種類型[3]。其中，小塌方是指塌方高度小于3 m，塌方體積在30 m3以下；中塌方的塌方高度在3～6 m之間，塌方體積在30～60 m3范圍之內；大塌方的塌方高度大于6 m，塌方體積在60 m3以上。

1.2 塌方易發時空特點

根據文獻[4]中分析可知，2006～2014年間，我國發生的隧道塌方事故十分的多，平均一年大概有5起事故發生，造成了嚴重的人員傷亡。而2014年國家加強施工監管之后，隧道發生塌方事故數量明顯降低，造成的人員傷亡數量也有顯著地減少，因此加強隧道項目管理十分有必要。同時，塌方往往發生在每年的7月、10月以及11月，7月一般屬于我國的雨季，降雨對隧道穩定性的影響十分嚴重；10月和11月是項目的歲末，施工方往往為了追趕工期，導致監管力度放松。所以，必須加強7月(雨季)以及10月和11月的施工監管力度，降低隧道塌方的發生。

通過統計近幾年發生的隧道塌方事故可知，隧道塌方發生的位置大多數是在初期支護施作到二襯施作之間，也就是所謂的后關門事故，大約占50 %的比例；掌子面塌方以及掌子面后塌方，即圍巖失穩的事故約占30 %；洞口部位的塌方約占20 %。因此，加強預防關門塌方，施工時及時構筑二次襯砌和仰拱，盡早封閉成環能有效降低隧道塌方的發生。

表1 我國近些年來發生的嚴重塌方事故

2 引起隧道塌方的因素分析

隧道在開挖過程中受到眾多因素的影響，但是，塌方的發生的因素可以總結成兩個大方面，即自然因素和人為因素。自然因素包括不良地質條件，圍巖應力狀態，地下水等；人為因素包括設計考慮不周、施工方法不當等。

2.1 自然因素的影響

隧道開挖過程中，地質條件對隧道塌方起著十分重要的影響。在眾多塌方事故當中，通常都由于圍巖強度低，自穩能力差，圍巖破碎而導致的。例如，當隧道處于地層結構松散，巖層顆粒的膠結強度低的地質條件下時，塌方就很容易發生(圖1)。同時，溶洞、裂隙及軟硬差異大的巖層分界等不良地質條件，也是誘發隧道塌方的主要因素。

圖1 地層松散引發的塌方

自然因素中的地下水對隧道塌方的往往起著催化劑的作用。圍巖長期處于地下水中，地下水會使周圍的巖質軟化，強度大大降低；對于軟弱結構面的巖體，水還會沖走巖層間的填充物，或者使夾層軟化，導致上下巖層之間的結合力下降，促使巖層滑動。因此，地下水會導致圍巖的抗剪強度降低，促進了隧道塌方的發生(圖2)。

圖2 地下水引發的塌方

控制自然因素對隧道影響的可以主要從準確地質勘察、塌方的預測以及不良地質的處理三個方面考慮。隧道在施工前進行詳細的地質勘察是十分重要的，施工時能夠預先了解開挖地段的地質情況，從而選擇更加合理開挖方法和支護方式，預防塌方的產生。但是設計階段的地質勘察無法全部的獲取隧道開挖過程中可能遇到的地質情況，因此需要在隧道施工的全過程進行塌方預測。超前地質預報技術能夠對塌方進行準確的預測，目前常用的方法包括：觀察法、一般量測法、微地震學測量法、聲學測量法[5]。

隧道在開挖過程會遇到大量地質結構不穩定的區域，對于這種區域應該采取“先排水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤量測”的施工流程[6]。及時對不穩定巖層進行支護，防止圍巖發生過大變形，導致隧道塌方。

2.2 人為因素的影響

在獲取詳盡合理的地質勘察資料后，需要對隧道內斷層、富水帶以及高應力情況進行深入的分析。若隧道線型設計時，對于不良地質分析不透徹，將導致線型設計得不科學合理，將大大增加隧道開挖成本，增加隧道開挖施工難度，容易引起隧道發生塌方。同時，隧道開挖過程圍巖的內部結構存在很大的差異，各自的自穩能力也大相庭徑，此時設計階段需要不同的圍巖進行合理的支護參數設計，保證支護能夠起到重要的支撐作用，不然很容易導致支護承載力不夠引起的塌方(圖3)。

圖3 支護承載力不夠引起的塌方

隧道的施工是引發塌方的最直接原因[7]。在施工前，由于沒有掌握足夠的勘察資料，導致施工過程在施工方法的選擇上缺乏科學性、合理性。同時，公路隧道施工單位眾多，施工人員技術水平參差不齊，施工操作不規范是普遍存在的現象。施工操作不規范，例如爆破時裝藥結構、炮眼布置等因素操作時控制不好(圖4)；錨桿的長度不夠，插入巖層的角度不對，數量不足等，會造成圍巖松動，又不采取合理的補救措施，很容易引起隧道塌方。

圖4 爆破震動過大引發塌方

控制人為因素對隧道影響的可以主要從合理的設計以及嚴格項目管理方面考慮。在隧道設計時，應該對隧道開挖過程中可能遇到的斷層、富水帶及高應力分布情況進行深入分析，隧道選線應作多種方案的比較，確保線型設計的科學性和合理性。隧道洞口位置在設計時，應該要依據地質情況進行合理的選擇，并且同時要考慮邊坡和仰坡的穩定[8]，避免洞口段塌方的發生。開挖方法和支護方案在設計時應該根據隧道地質情況進行合理的選擇。

工程項目擁有一套完整的管理系統，各個環節就能科學合理的連接在一起。在管理上嚴格禁止粗放、不嚴謹等行為，組織施工時嚴格遵循設計要求的規定，禁止擅自做主改變施工方法，遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則[9]。防止管理上的任何缺失導致的工程質量不滿足要求，預防施工操作不規范引起的隧道塌方等事故的發生。

3 結束語

文章歸納了我國公路隧道近些年來發生嚴重的隧道塌方事故，總結了隧道塌方容易發生的時間和地點，以及分析了引起隧道塌方的各方面因素。現得出了以下幾點結論：

(1)隧道的穩定受到多方面因素影響，但是不良地質條件、地下水以及錯誤的施工方法對隧道穩定性影響極大，應該從設計以及施工管理層面嚴格控制隧道的修建。

(2)必須加強隧道施工過程的監管，特別是每年的雨季以及年末趕工期階段，同時要加強施工人員的安全教育和提高施工人員的施工素養，杜絕不規范施工、錯誤施工的發生。

(3)關門塌方在隧道在塌方事故中占有很大的比例，因此加強對于關門塌方的預防，落實好“一強化、二緊跟、三超前、四到位”施工技術關鍵環節[10]，確保施工安全。

(4)應該加強中國隧道施工塌方災害數據庫的建立，為塌方的預測和控制提供充分的數據，使其變得更加合理以及可信。