隧道坍塌事故类型划分及其主要特征

孙景来，刘保国，储昭飞，任大瑞，宋 宇

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

截至2017年底，我国建成运营铁路隧道14 700座，总长约15 781 km；建成运营公路隧道16 281座，总长约15 240 km；另外，35座城市共建成运营地铁线路169条，全长约5 083 km。在隧道大规模建设过程中，因地质条件复杂、施工工序繁多，若防范措施不足，则容易导致施工事故，其中坍塌是主要事故类型。

虽然在隧道坍塌防治研究上已取得了大量成果[1-7]，但是其总体形势仍然严峻。在防治隧道坍塌研究方面，不同类型的坍塌需要不同的防控手段，因此有必要对隧道坍塌依据其不同特点进行分类[8]。文献[9—14]对隧道坍塌分类进行了相关研究，但因坍塌事故的复杂性，这些研究多以1个或2个因素进行的综合分类，系统、整体、全面的分类尚较少。本文采用定性、定量以及其相互结合的分类方法，基于政府相关部门公布的大量的案例和现场数据，以及系统科学理论的支撑，对隧道坍塌事故进行分类研究。

1 坍塌事故案例

对2001—2016年隧道(含地铁等隧道)施工过程中发生的199起事故进行分析统计可知，坍塌事故有111起，约占比56%，选取其中5起坍塌事故的分析结果列于表1[15-19]。

2 坍塌事故类型划分依据的确定

为了对隧道坍塌事故类型进行分类，首先需要确定其划分的依据。因此，在对坍塌事故案例收集分析的基础上，根据案例的特征确定划分依据，即按照隧道类型、坍塌原因、坍塌发生位置、坍塌发展速度、坍塌规模、坍塌破坏形态和危害形式、造成的经济损失与人员伤亡以及时效性这8个依据进行分类。隧道类型是指隧道围岩及其上覆地层的典型特征，土质、岩质和水的情况；坍塌原因是指导致事故发生的内部因素和外部因素；发生位置是指坍塌发生所位于隧道结构的不同部位；发展速度是指坍塌与施工扰动的关系；坍塌规模是指坍塌的高度、塌方量等；破坏形态和危害形式是指坍塌形成的破坏面的形状及其与地面的关系；造成的经济损失与人员伤亡是指坍塌所造成的直接经济损失和人员伤亡情况；时效性是指坍塌发生时间与隧道施工阶段之间的关系。

表1 5起隧道坍塌事故分析

3 坍塌事故类型的划分

根据确定的8个“划分依据”，对隧道坍塌事故进行类型划分。

(1)依据隧道类型分类主要考虑围岩性质及其主要特点，可分为山岭隧道、城市隧道和水下隧道。

(2)依据坍塌原因分类。围岩坍塌多数是由于围岩过度变形及破坏区扩大所导致的围岩失稳，另外一部分则是由于支护强度不足而诱发的。所以，按导致坍塌的原因可分为围岩失稳坍塌和支护强度不足导致的坍塌[1]。围岩失稳坍塌的原因可分为：充水、施工扰动、异常地质构造的出现、地压(偏压和高地应力)、膨胀岩作用等。其中造成充水的原因包括施工引起的管线破裂、围岩破裂形成导水通道、地面连续雨天降水、水下隧道防护措施不当等。支护强度不足包括参数选取不合理和勘探不清导致的设计不合理，未按设计施工或管理不规范导致的施工质量差，以及支护不及时[20]。

(3)根据坍塌发生位置分类。可以将其分为洞口坍塌和洞身坍塌。洞身坍塌根据坍塌在隧道横断面上位置的不同，划分为洞顶坍塌、侧壁坍塌和掌子面坍塌；掌子面坍塌又可分为正面挤出型坍塌、前倾式冒落坍塌、后倾式冒落坍塌，如图1所示[1]。

图1 掌子面坍塌

(4)依据坍塌发展速度分类。可以分为突发性坍塌、阵发性坍塌和缓慢变形坍塌。

(5)依据坍塌规模分类。坍塌规模包括坍塌高度和坍塌体积，据此可分为小型坍塌、中型坍塌和大型坍塌。

(6)依据坍塌破坏形态分类。可分为贯穿型坍塌、局部坍塌、拱形坍塌、异形坍塌，如图2所示。贯穿型坍塌按照形成原因可分为施工直接导致坍塌和施工间接导致坍塌；其中施工间接导致包括施工导致不良地质体破坏和施工导致管线破裂。

(7)依据造成的经济损失与人员伤亡情况分类。可分为一般、较大、重大、特别重大坍塌事故。

(8)依据时效性分类。根据坍塌发生时间与施工阶段之间的关系分类，可分为初期支护前坍塌、二次衬砌支护前坍塌、二次衬砌支护后坍塌。

根据确定的8个划分依据，对隧道坍塌事故的分类如图3所示。

图2 破坏形态

图3 隧道坍塌事故的分类

4 不同类型坍塌的主要特征及原因

4.1 山岭隧道、城市隧道、水下隧道坍塌的特征及原因

山岭隧道，即铁路或公路穿越丘陵、山岭等时修建的隧道，其围岩大部分以岩质为主，其穿越地段地质条件复杂多变。山岭隧道坍塌过程中常伴有突水涌泥现象，主要发生在受风化带、断层破碎带、不良地质体、地质构造带等影响的围岩稳定性较差区域。风化作用使得岩体破碎，严重区域会呈现砂土及粉土状；断层挤压破坏作用使得周边岩体节理裂隙发育，并存在断层泥、糜棱岩等软弱结构，岩体呈现破碎、强度低、透水性大、抗水性差、稳定性差等特点。坍塌发生地段的岩体，表现出松散破碎形态，其强度较低、自稳能力较差，在施工过程中导致地下水、地表水或降水等进入破碎岩体中，使得岩体间的凝聚力和摩阻力进一步降低，在重力、地下水以及施工扰动的共同作用下超过其极限平衡，导致坍塌事故的发生。

城市隧道埋深较浅，其围岩以土质为主，而且在施工过程中对地表沉降控制严格，存在地下管线及其他构筑物相互影响的问题。根据统计的事故案例，城市隧道施工中，地下管线的渗漏或破坏及不良地质体的出现，是发生坍塌的主要因素。城市隧道坍塌事故所造成的社会影响、经济损失要明显大于山岭隧道。均质软弱围岩条件为主的城市隧道[8]的坍塌特征为：①深埋隧道围岩发生破坏时不会延伸至地表，破裂面多从硐室两侧的边墙处开始向上发展，坍塌过程中会出现多次坍塌并每次会形成短暂的稳定塌落拱，最终形成稳定的塌落拱，塌落拱的形状表现为典型二次抛物线型；②浅埋隧道的坍塌会波及到地表而造成地表的坍塌，地表要先于硐室围岩出现破裂，在塌落过程中也会出现暂时的稳定塌落拱，形状也表现为典型二次抛物线型。

水下隧道既是隧道工程也是水下工程，不良地质段的影响更为严重，一旦发生事故，会造成灾难性的后果。且不良地质段的影响不仅存在于施工阶段，也存在于运营阶段，如挪威Oslofjord隧道2000年建成通车，2003年12月发生坍塌事故[21-22]。水下隧道周围水的存在及其活动是影响隧道围岩稳定性的主要因素，水下隧道的支护结构在承受围岩压力的同时还需承担很高的渗透水压力，水下隧道开挖面产生的渗透力增加了围岩向洞内运动的推动力，同时使得围岩抗剪强度和摩阻力降低，加大了围岩的变形和塑性区的扩展，而围岩的变形又使得围岩的变形模量和强度进一步降低，同时围岩的渗透性增大，形成一个恶性循环，最终导致围岩失稳发生坍塌[23]。

水下隧道的主要特征包括：①水下地质勘探困难、成本高、准确性低，遇到未预测到的断层、破碎带等不良地质构造的风险大；②高渗水压力使得围岩渗透性高，若施工扰动区与水体存在断层破碎带等通道，可能造成灾难性的坍塌和涌水；③高孔隙水压力和饱水岩体强度软化使得围岩有效应力降低，导致地层稳定性较差；④长期处于高外水压力下，围岩容易发生膨胀软化，导致支护结构的长期稳定性较差；⑤海上竖井施工难度大，使得单向施工的长度加大，技术难度增加[2，24]。

4.2 围岩失稳坍塌的特征及原因

不良地质体受施工影响而发生破坏，最终造成的坍塌事故中主要是由断层破碎带、空洞、溶洞等造成的。断层破碎带其岩石强度低、透水性大、介质松散，当有地下水时，其围岩遇水软化，松动圈范围增大，围岩压力增加，支护结构变形增大，最终导致坍塌事故发生[25-27]。在隧道施工扰动下，地层中的空洞、溶洞等发生破坏，使得上方地层中出现力学不平衡，导致坍塌的发生。

图4所示为北京地铁隧道施工中发现的地层空洞[28]，在无地铁施工扰动作用时，这些地层空洞处于相对稳定状态，当隧道在临近地层施工时，必然会对其产生扰动，使得洞壁上不稳定的土体发生剥落，最终导致坍塌的发生。如北京地铁10号线苏州街站坍塌事故，在坍塌地点东侧4 m处，存在1个体积约24 m3的不规则空洞。

图4 地铁隧道施工中发现的不规则空洞

目前隧道坍塌事故中，水是最主要的影响因素，大部分坍塌事故发生过程中均受水的影响，包括地下水和地表水，其中地下水主要指管线渗漏水、孔隙水、含水层、围岩裂隙水、水囊等；地表水是地下水的主要补给源，包括降雨、降雪、河流、湖泊等，持续或强降雨会增加地下水量，从而加剧坍塌的风险和危害[29]。松散破碎岩体或页岩、软黏土等为主的软岩地层，其岩石的单轴抗压强度和弹性模量随着含水量的增加而降低[30-31]，因水的物理、化学及力学作用，通过软化、溶解、润滑、水压力及机械冲刷作用使隧道围岩的稳定性降低，导致坍塌事故的发生。

目前城市地下管线漏水问题普遍，并且部分管线渗漏问题严重。根据对城市地面塌陷施工的统计发现，管线渗漏水可能会导致在地层中形成流沙，而在管线的周围会形成空洞或水囊。当隧道施工临近这些管线时，施工扰动会加剧渗漏，甚至造成管线破裂而导致涌水，使得地层力学性质恶化，并引起空洞扩大甚至空洞群连通，最终导致地层失稳破坏而发生坍塌事故，如北京地铁10号线东三环京广桥地面坍塌事故，其原因就是污水管道年久失修，污水外渗，地铁施工扰动使得管道破裂，形成流沙造成地下空洞，最终导致辅路坍塌。

偏压指的是因各种原因导致的围岩压力呈现明显的不均匀性。主要由以下几个原因引起：①地形原因，地面显著倾斜，导致侧压力较大，并且隧道埋深较浅；②地质原因，节理发育、存在滑动面或软弱结构面，受施工扰动，岩体出现滑动；③施工原因，施工引起结构受力不均衡。偏压对隧道洞口、浅埋段的影响较大，对深埋段影响较小。

膨胀岩(含高岭土、蒙脱石等矿物)多存在于断层等地质构造带，在无水状态下较为坚硬，在遇水后迅速发生软化，强度降低，使围岩自稳能力下降，导致坍塌事故的发生[32]。

4.3 支护强度不足坍塌的主要原因

导致支护强度不足的原因主要有3个：设计不合理、支护不及时、施工质量差。

隧道开挖前地层处于天然应力平衡状态，开挖后出现新的临空面，产生卸荷作用，打破了围岩的应力平衡状态，使得围岩产生向洞内的位移和应力重分布，以求达到新的应力平衡，从而形成二次应力。当围岩的强度大于二次应力时，围岩稳定；当围岩的强度小于二次应力时，则围岩失稳，需通过支护措施来保证围岩的稳定。若支护不及时，则围岩会从表面到深部逐渐产生破坏，依次形成塑性软化区、塑性强化区和弹性区，其中塑性软化区是支护的对象，而塑性强化区和弹性区是围岩承载力的主体来源[33]。通过采取支护措施，一方面可以提高软化区的强度，增强其稳定性；另一方面可通过软化区围岩对塑性强化区围岩的作用，增大其围压，提高强化区的承载力。因此通过采取支护或加固措施，可以提高围岩自承能力，实现围岩的稳定。

设计不合理包括：参数选取不合理，如不合理的断面形式和大小、不合理的施工顺序、不当的支护方式等，这些均会导致支护强度不足；地质勘探不清楚导致的设计与实际围岩不符。

施工过程中支护不及时，是指在隧道开挖后未能及时进行锚喷支护，使得围岩裸露时间过长，引起围岩的松动，最终导致坍塌事故的发生。

施工质量差主要体现在：未按设计施工；爆破施工装药过多，造成扰动过大；施工工序安排不当；管理混乱；管理不规范等方面。

4.4 突发性坍塌、阵发性坍塌和缓慢变形坍塌的特征及原因

突发性坍塌，多是因地质条件突变、超前支护不到位、爆破参数不合理突然发生的坍塌事故；阵发性坍塌是因围岩松动导致连续的多次坍塌，在同一位置或附近位置发生，具有一定的时间间隔，危害性较大；缓慢变形坍塌是因地质条件的变化、地下水位的变化、岩体蠕变、施工等原因使得原岩应力稳定性破坏、重组过程中，因围岩较差不能满足强度要求，使得围岩由弹性变形转变为塑性变形，当达到极限时就会发生坍塌，多发生在完成支护的隧道中。

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，或坍塌体积小于30 m3。中型坍塌，指坍塌高度3～6 m，或坍塌体积30～100 m3。大型坍塌，指的是坍塌高度大于6 m，或坍塌体积大于100 m3 [34]。

4.6 局部坍塌、拱形坍塌、异形坍塌和贯穿型坍塌的特征及原因

局部坍塌，多发生在隧道的拱部，部分情况下会发生在侧壁，主要发生在围岩为块状、大块状岩体中。造成局部坍塌的主要原因包括：①风化作用、断层及节理的切割，使得岩体破碎，整体性差，沿断层带以及节理带的渗水、局部的夹泥层出现等，使得岩体间的咬合力和摩阻力很小，稳定性差；②小断层、软弱夹层及节理相互作用下使得部分岩块呈现“人”字型、“三角形”，在施工扰动及地下水的作用下超过了其极限平衡而坍塌。

拱形坍塌，一般会发生在层状岩体、碎块状岩体、松软地层的深埋隧道中。异形坍塌主要是由于特殊的地质条件(如空洞、溶洞等)以及浅埋地层条件所造成的。对于拱形坍塌，是由于隧道开挖后应力重新分布，当重分布应力超过围岩强度时，围岩发生破坏导致坍塌事故发生，但坍塌不会无限制地发展，当坍塌发展到一定高度时，因上部地层的相互作用，形成压力拱，重新达到平衡状态。

贯穿型坍塌，多发生在浅埋隧道中，或者上覆地层存在特殊地质构造(如空洞、溶洞、水蚀坑等)且围岩级别为四级以上。根据案例统计可知[23]，导致贯穿型坍塌的原因分为2种：施工直接导致、施工间接原因导致的上覆地层失稳而形成的地面塌陷。其中施工直接导致，是指施工导致地层中不良地质体发生破坏而引起的地面塌陷，以及施工导致地层中管线渗流加剧而引起的地面塌陷。

4.7 特别重大、重大、较大和一般坍塌的特征

特别重大坍塌事故，是指造成30人及其以上死亡，或100人及其以上重伤，或1亿元及其以上直接经济损失的坍塌事故。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人以下重伤，或者5 000万元及其以上且1亿元以下直接经济损失的坍塌事故。较大型坍塌事故，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人以下重伤，或1 000万元及其以上且5 000万元以下直接经济损失的坍塌。一般坍塌指的是造成3人以下死亡，或10人以下重伤，或1 000万元以下直接经济损失的坍塌事故。

4.8 初期支护前、二次衬砌前、完成支护后坍塌的特征及原因

初期支护前坍塌，指的是开挖后未进行任何支护时或初期支护承载力有限时发生的坍塌，多因围岩稳定性差、施工扰动、超前支护措施不够、初期支护承载力不足或支护滞后导致的，大部分坍塌发生在该阶段。

二次衬砌前坍塌，指的是完成了初次支护，但是尚未完成二次衬砌时发生的坍塌，该阶段的坍塌多为渐进过程。主要原因包括：初期支护背后的空洞未能及时进行密实充填从而造成围岩的进一步破坏，松动圈范围增大，并且初期支护受力不均匀，遇有特殊构造地带时极易造成初期支护结构的破坏；围岩应力释放转移到初期支护结构上的荷载不断增加，导致变形持续增大，造成局部支护结构发生破坏和失稳；二次衬砌施工滞后、设计不合理、初期支护施工质量差等。

完成支护后坍塌，是指在洞身段所有支护完成后发生的坍塌，主要是因为支护设计不合理、运营维护不当、衬砌背后接触不良、施工质量不合格等造成的，但该种坍塌较少出现。

5 结 语

在对隧道坍塌事故案例收集分析的基础上，根据案例的特征，构建了隧道坍塌事故类型划分的8个依据；针对每个划分依据对坍塌事故进行分类，并分析了各坍塌类型的坍塌特征及主要产生原因。根据该坍塌事故分类结果，可以对不同类型的隧道坍塌事故发生机理、可能造成的危害等进行分类研究，便于针对其发生的原因及其危害采取合理有效的施工技术和支护措施以预防事故的发生，有利于为相近情况的隧道提供有效的风险预测评价、高效的施工技术、有效的预防措施等。因此该研究结果具有重要的理论价值和工程指导意义。