中國隧道坍塌事故時空特征及致害原因研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.026

摘" 要：隨著我國交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道里程、數(shù)量不斷提升，隧道坍塌事故時有發(fā)生，對隧道工程和施工人員產(chǎn)生重大威脅。因此，明確隧道坍塌事故的時空特征，厘清其主要坍塌原因，對保障我國隧道工程建設(shè)，加速交通事業(yè)發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。該文通過搜集2006—2022年的隧道工程坍塌案例，對坍塌事故時空特征進(jìn)行梳理，總結(jié)主要致害原因，并結(jié)合具體案例進(jìn)行剖析，主要結(jié)論如下：隧道坍塌事故主要發(fā)生在下半年的7、8、12月，應(yīng)針對這些重要月份加強(qiáng)施工監(jiān)管；事故發(fā)生次數(shù)最多的為廣西，單次事故死亡人數(shù)排名前三的為甘肅、安徽和天津；高速公路隧道事故發(fā)生頻率最高，死亡人數(shù)最多，其次是鐵路隧道。隧道坍塌致害原因主要分為不良地質(zhì)、設(shè)計及施工不當(dāng)和其他自然原因。而隧道坍塌事故絕大多數(shù)源于多因素的綜合作用。

關(guān)鍵詞：隧道坍塌；時空特征；坍塌事故；隧道類型；地質(zhì)條件

中圖分類號：U458.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0104-04

Abstract： With the continuous expansion of the scale of traffic construction in our country， the mileage and number of tunnels are increasing， and tunnel collapse accidents occur from time to time， which pose a major threat to tunnel engineering and construction personnel. Therefore， to clarify the time and space characteristics of tunnel collapse accidents and clarify the main causes of tunnel collapse are of great significance to ensure tunnel construction and accelerate the development of transportation in our country. This article collects tower defense cases of tunnel engineering from 2006 to 2022， this paperanalyzes the temporal and spatial characteristics of the collapse accident， summarizes the main causes， and analyzes the specific cases. The main conclusions are as follows. Tunnel collapse accidents mainly occur in July， August and December in the second half of the year， construction supervision should be strengthened for these important months; Guangxi has the largest number of single accidents， and Gansu， Anhui and Tianjin are the top three fatalities; highway tunnel accidents have the highest frequency and the largest number of deaths， followed by railway tunnels. The causes of tunnel collapse are mainly divided into bad geology， improper design and construction and other natural causes. Most of the tunnel collapse accidents are caused by the comprehensive action of many factors.

Keywords： tunnel collapse; spatio-temporal characteristics; collapse accident; tunnel type; geological condition

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，隧道建設(shè)規(guī)模隨之迅速增長，并在施工技術(shù)、施工速度上取得長足進(jìn)步。然而高速發(fā)展的隧道工程也帶來了諸多安全方面的問題，近年來，鐵路和公路隧道施工過程中塌方、涌水、爆炸等病害問題頻發(fā)，對隧道穩(wěn)定、人員安全造成重大威脅[1]。2011年8月8日，河都高速公路謝家峒隧道坍塌事故造成2人死亡，延誤工期半年，經(jīng)濟(jì)損失慘重。2016年9月13日，織普高速打括隧道發(fā)生坍塌事故，7名工人不幸遇難[2]。隧道坍塌事故易發(fā)程度高、危害程度大的特點已使其成為隧道建設(shè)中最為主要的工程問題。因此，厘清隧道坍塌事故時空特征及其原因，并結(jié)合具體案例進(jìn)行分類分析，對保障隧道建設(shè)安全，加速我國交通事業(yè)發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。

目前，諸多學(xué)者對相關(guān)問題進(jìn)行了深入研究。侯艷娟等[3]從圍巖變形、破壞和失穩(wěn)的本質(zhì)特征出發(fā)，對隧道塌方演化過程和形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并指出了不同形成機(jī)理和圍巖活動之間的關(guān)聯(lián)。趙殿國[4]以雅安至康定高速公路盧康段小馬廠隧道的反復(fù)塌方工程事故作為研究背景，通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，得出隧道塌方處治工程關(guān)鍵技術(shù)，主要有塌方段前方預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)加固、塌方段掌子面掘進(jìn)開挖方法的變更及塌方段增設(shè)超前支護(hù)。李奉霖[5]以汶馬高速公路馬爾康段王家寨1號隧道右線施工中發(fā)生的塌方事故為研究對象，以理論研究、現(xiàn)場監(jiān)控量測及FLAC3D數(shù)值模擬分析為手段，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工因素等多方面研究分析了隧道塌方事故成因，根據(jù)塌方事故形成的原因與特點確立出相應(yīng)的處治方法，最后對塌方處治效果作出分析和評價。

可以看出，上述研究主要集中于具體隧道塌方的原因及處治措施，而對隧道坍塌事故特征及原因研究較少，缺乏宏觀上的總結(jié)和梳理。為此，本文通過搜集2006—2022年隧道工程坍塌案例，對坍塌事故特征進(jìn)行梳理，并結(jié)合具體案例進(jìn)行剖析，對致害原因進(jìn)行分類。相關(guān)成果能夠為隧道坍塌的有效預(yù)防、評估和處治提供依據(jù)，從而最大限度地避免隧道坍塌事故的發(fā)生，對于改善隧道施工安全現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實意義。

1" 隧道坍塌事故時空特征

近10年期間各類型工程災(zāi)害占隧道工程事故總數(shù)比例情況如圖 1所示，其中隧道塌方作為最為常見的工程災(zāi)害類型，占比62.2%。通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，不完全統(tǒng)計2006—2022年的典型隧道坍塌事故共計50起，死亡人數(shù)高達(dá)141人。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，通過時間分布、空間分布、類型分布3個角度，分析并闡明隧道坍塌事故的時空分布特征。

1.1" 時間分布規(guī)律

圖2為2006—2022年之間隧道坍塌事故年份分布規(guī)律，由圖2可知，死亡人數(shù)和事故次數(shù)隨年份發(fā)展并未表現(xiàn)出明顯趨勢；2014年隧道坍塌事故死亡人數(shù)和事故次數(shù)達(dá)到高峰，死亡41人，發(fā)生事故10次。這說明隧道建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展和安全保障措施的完善并不能有效降低隧道坍塌事故的危害性，隧道里程、建設(shè)條件難度的不斷增加，依然讓坍塌事故成為影響隧道施工和運(yùn)營安全的最大威脅。

進(jìn)一步對比分析不同月份隧道坍塌事故分布規(guī)律，示意圖如圖 3所示。從圖中可以看出，隧道坍塌事故主要發(fā)生在下半年，其中7、8、12月份屬于事故高發(fā)期。這主要是由于2方面原因造成的，一方面是由于夏季7、8月份屬于雨季，12月氣候寒冷，不利的施工條件導(dǎo)致事故頻發(fā)。另一方面，夏季處于趕工期，施工任務(wù)量大，而12月份即將進(jìn)入施工停工期，施工人員易感到疲憊、懈怠，對安全放松警惕。值得注意的是，7、11、12月份同時也是死亡人數(shù)最多的3個月，應(yīng)針對這幾個月加強(qiáng)施工監(jiān)管，提高隧道施工安全性，保障施工人員的安全。

1.2" 空間分布規(guī)律

為探究中國隧道坍塌事故的空間分布規(guī)律，繪制各省（市）事故統(tǒng)計分布規(guī)律，如圖4所示。從圖中可以看出，死亡人數(shù)與事故次數(shù)未呈現(xiàn)出明顯相關(guān)性；統(tǒng)計年限內(nèi)共有18個省（市）出現(xiàn)坍塌事故，其中廣西出現(xiàn)的坍塌事故最多，共發(fā)生8起事故，占比16%，累計死亡28人，占比20%。為進(jìn)一步明晰各省（市）隧道工程坍塌事故的嚴(yán)重程度，定義單次事故死亡人數(shù)=死亡人數(shù)/事故個數(shù)。經(jīng)過計算后，甘肅（7.67人/次）、安徽（6人/次）、天津（4人/次）是單次事故死亡人數(shù)排名前三的省（市），這和事故數(shù)前三的省份（廣西、廣東、福建）并不一致，說明通過單次事故死亡人數(shù)來衡量隧道坍塌事故的嚴(yán)重程度要更為準(zhǔn)確。

1.3" 類型分布規(guī)律

隧道坍塌事故與隧道類型統(tǒng)計圖如圖5所示，可知隧道坍塌事故次數(shù)和死亡人數(shù)最多的是高速公路隧道，共發(fā)生20起坍塌事故，累計死亡人數(shù)54人；其次是鐵路隧道，共發(fā)生16起坍塌事故，累計死亡人數(shù)48人；而城市公路隧道、地鐵隧道事故次數(shù)和死亡人數(shù)都有明顯降低。這是由于高速公路隧道和鐵路隧道大多為山嶺隧道，隧道圍巖情況復(fù)雜，地質(zhì)超前預(yù)報困難，同時施工條件艱苦，遠(yuǎn)離城市，當(dāng)發(fā)生事故時，救援難和不及時，導(dǎo)致隧道坍塌次數(shù)和死亡人數(shù)較高。

2" 隧道坍塌致害原因及案例分析

2.1" 致害原因

隧道坍塌事故一旦發(fā)生，將對隧道工程建設(shè)安全構(gòu)成極大威脅，也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。根據(jù)大量文獻(xiàn)調(diào)研和實際工程案例可知，隧道坍塌事故絕大多數(shù)源于多因素的綜合作用，往往表現(xiàn)為主要誘因帶動次要誘因，次要誘因反向影響主要誘因，共同導(dǎo)致隧道坍塌事故的發(fā)生，主要坍塌誘因劃分如下。

2.1.1" 不良地質(zhì)條件

地質(zhì)條件的不確定性是隧道工程的重要特點，由于勘查水平、工程預(yù)算及工期等因素的制約，前期地勘一般采用鉆探點鉆取鉆芯的方法，結(jié)合工程經(jīng)驗來預(yù)估整個隧道的地質(zhì)情況，因此地勘資料具有不完善、非鉆探點地質(zhì)情況不準(zhǔn)確的特點。當(dāng)隧道施工至未探明的不良地質(zhì)段，往往會因為未采取任何預(yù)防加固措施而導(dǎo)致隧道坍塌。此外，再加上有些地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā)是完全沒有預(yù)兆的，會給正在施工的隧道造成嚴(yán)重的破壞。

2.1.2" 設(shè)計及施工方法不當(dāng)

隧道設(shè)計及施工的專業(yè)性較強(qiáng)，需要嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計方案的科學(xué)性與合理性。然而受地勘資料及設(shè)計人員設(shè)計經(jīng)驗所限，在設(shè)計過程中由于對圍巖條件的誤判導(dǎo)致不能達(dá)到預(yù)期效果，支護(hù)體系不能滿足承載要求。另一方面施工方法不當(dāng)也是導(dǎo)致隧道塌方的主要原因。引起隧道施工方法不當(dāng)?shù)脑蜉^多，如施工團(tuán)隊技術(shù)水平弱，細(xì)節(jié)處的施工措施不到位，施工工序失衡，支護(hù)方式及質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，支護(hù)不及時等均容易導(dǎo)致隧道坍塌。

2.1.3" 其他自然誘因

由于隧道圍巖裸露在自然界中，其穩(wěn)定性受自然環(huán)境影響較大。其中，最容易導(dǎo)致隧道坍塌的2種自然誘因為降雨和地震。以降雨為例，當(dāng)出現(xiàn)大量降雨時，圍巖自承能力將大大削弱，支護(hù)體系額外承受的水壓力，極易誘發(fā)隧道坍塌。

2.2" 典型案例

2.2.1" 佛山市軌道交通2號線透水坍塌重大事故

2018年2月7日晚事發(fā)前，右線盾構(gòu)機(jī)完成905環(huán)掘進(jìn)后，位于隧道底埋深約30.5 m的淤泥質(zhì)粉土、粉砂、中砂交界處且具有承壓水的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，在進(jìn)行管片拼裝作業(yè)時，突遇土倉壓力上升，盾尾下沉，盾尾間隙變大，盾尾透水涌砂。經(jīng)現(xiàn)場施工人員搶險堵漏未果，透水涌砂繼續(xù)擴(kuò)大，下部砂層被掏空，使盾構(gòu)機(jī)和成型管片結(jié)構(gòu)向下位移、變形。隧道結(jié)構(gòu)破壞后，巨量泥沙突然涌入隧道，猛烈沖斷了盾構(gòu)機(jī)后配套臺車連接件，使盾構(gòu)機(jī)臺車在泥沙流的裹挾下突然被沖出超過700 m，并在隧道有限空間內(nèi)引發(fā)了迅猛的沖擊氣浪，隧道內(nèi)正在向外逃生的部分人員被撞擊、擠壓、掩埋，造成重大人員傷亡。

該案例的主要致害原因為不良地質(zhì)。事故發(fā)生段存在深厚富水粉砂層且臨近強(qiáng)透水的中粗砂層，盾構(gòu)機(jī)穿越該地段時發(fā)生透水、涌砂、涌泥，進(jìn)而坍塌的風(fēng)險高。在施工過程中，盾尾密封性能下降，密封裝置被外部水土壓力擊穿，產(chǎn)生透水涌砂通道。在后續(xù)涌泥、涌砂嚴(yán)重情況下，指揮人員出現(xiàn)重大決策失誤，依然要求施工人員在隧道內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行搶險作業(yè)，撤離不及時。可以看到，不良地質(zhì)引起的隧道坍塌事故，往往會造成極大的影響和損失。

2.2.2" 廣州市鳳凰山隧道坍塌事故

2014年12月29日16時50分左右，位于廣州市蘿崗區(qū)的鳳凰山隧道工程進(jìn)口段路基高邊坡在施工過程中，坡體局部突然坍塌，造成坡體下方4個抗滑樁處5名施工作業(yè)人員被滑坡體掩埋。經(jīng)全力搶險救援，至2015年1月3日凌晨1時許，該5名人員的遺體全部被找到，當(dāng)場都已證實死亡。此次事故共造成5人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約570.11萬元。

經(jīng)調(diào)查認(rèn)定，該起事故是一起由于坡體局部地質(zhì)條件復(fù)雜及工程相關(guān)單位監(jiān)管不到位而引發(fā)的較大生產(chǎn)安全責(zé)任事故。施工單位在路基工程高邊坡施工過程中，實施的現(xiàn)場勘察和監(jiān)測工作不夠完善，未能及時發(fā)現(xiàn)和報告坡體局部不良地質(zhì)；對事故發(fā)生前連續(xù)多日降雨重視不夠，未能謹(jǐn)慎地評估和防范降雨風(fēng)險。可以看到，設(shè)計施工的不當(dāng)也會對隧道穩(wěn)定產(chǎn)生毀滅性的破壞。

2.2.3" 南寧市軌道交通1號線土建7標(biāo)掌子面坍塌事故

2014年10月7日16時左右，施工單位開始組織左線盾構(gòu)的開倉換刀作業(yè)。21時30分左右，作業(yè)人員完成此前所拆卸2把刀具的更換后，出到人閘外面平臺休息。稍作休整后，于21時40分左右繼續(xù)開工。剛過了幾分鐘，土倉內(nèi)就發(fā)生了土方坍塌事故，大量塌落的黃泥夾雜著水泥塊、卵石瞬間充滿土倉并從土倉門迅速往外噴涌，2人被埋在土倉內(nèi)，1人被困在人閘內(nèi)，身體部分被掩埋，1人被泥石流及瞬間關(guān)閉的人閘門沖出。2014年12月31日凌晨和2015年1月2日中午，2名失蹤人員的尸體被挖出。

經(jīng)調(diào)查認(rèn)定，這是一起受自然天氣、復(fù)雜工程水文地質(zhì)環(huán)境和施工單位管理措施不到位等多重因素疊加引發(fā)的較大生產(chǎn)安全責(zé)任事故，且施工單位在事故發(fā)生后存在瞞報行為。2#聯(lián)絡(luò)通道連續(xù)墻體外地下水受自然天氣及復(fù)雜工程水文地質(zhì)環(huán)境等多重因素疊加影響，形成高壓水頭，壓迫左線盾構(gòu)機(jī)前方連續(xù)墻接縫處，使之超過承壓極限而被破壞，導(dǎo)致土倉外土體瞬間坍塌，大量水土涌入土倉和人閘，掩埋作業(yè)人員，造成事故。可以看到，其他自然誘因，尤其是降雨，也很容易讓原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)變得極易破壞。

3" 結(jié)論

本文通過搜集近15年的隧道工程坍塌案例，對坍塌事故時空特征進(jìn)行梳理，通過總結(jié)致害原因并結(jié)合具體案例進(jìn)行剖析，主要結(jié)論如下。

1）隧道發(fā)生的施工頻次受時間與地域的不同影響較大。其中在時間分布上，隧道坍塌事故主要發(fā)生在下半年，7、12月份不僅為事故高發(fā)期，也是死亡人數(shù)最多的時期。在空間分布上，西北與華南地區(qū)的隧道坍塌事故較多，其中廣西隧道坍塌事故發(fā)生次數(shù)最多，占據(jù)總事故的16%。施工管理企業(yè)應(yīng)在重點區(qū)域與高風(fēng)險月份加強(qiáng)施工監(jiān)管，保證施工作業(yè)人員安全。

2）不同類型的隧道發(fā)生坍塌事故的概率也有所不同。統(tǒng)計分析表明：高速公路隧道事故發(fā)生頻率最高，死亡人數(shù)最多，其次是鐵路隧道，地鐵與城市公路隧道相對較少，這與不同類型隧道的建設(shè)規(guī)模與體量相關(guān)。

3）隧道坍塌致害原因主要分為不良地質(zhì)、設(shè)計及施工不當(dāng)和其他自然原因。而隧道坍塌事故絕大多數(shù)源于多因素的綜合作用。通過佛山市、廣州市及南寧市3個典型案例可以看出，復(fù)雜和不良的地質(zhì)情況是發(fā)生重大坍塌事故的首要原因。

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第一作者簡介：李俊彥（1978-），男，碩士，高級工程師。研究方向為地下工程、地下儲能。