隧道坍塌事故常见原因

新奥法支护结构设计原则对隧道塌方原因进行了分析，认为未能充分利用新奥法原理指导施工，或所采取的施工方法不当，以及施工过程的不规行为是造成隧道塌方的主要原因.并以大山塘隧道的塌方处理方案为例，运用平衡拱理论，指导和制定塌方处理方案，对同类围岩隧道施工具有一定的借鉴意义新奥法在隧道工程中的成功应用，当前已被我国作为隧道结构设计和施工的重要方法.虽然锚喷支护的应用为隧道大面积开挖施工创造了有利条件，隧道施工进度也大大加快了，然而已施工锚喷支护的隧道发生塌方的事故仍经常发生，其原因主要是存在不良的地质及水文地质条件，设计考虑不周，采取的施工方法和措施不当所造成：1 隧道塌方的原因分析1.1 对新奥法理论认识不足现阶段隧道的开挖都以新奥法理论为指导，但在实际施工中，常存在未能按规定进行量测，或信息反馈不及时，导致决策失误，措施不力而造成塌方的现象. 所谓新奥法1，其基本要点是:(1)开挖作业宜采用对围岩扰动较少的控制爆破技术和较少的开挖步骤，避免过度破坏岩体的稳定;(2)隧道的开挖应尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用;(3)根据围岩特征，采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性支护如钢拱架，喷射混凝土和锚杆等，以控制围岩的变形和松弛;(4)在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定性;(5)二次衬砌原则上是在围岩和初期支护变形基本稳定的条件下修筑，使围岩和支护结构形成一个整体，从而提高了支护体系的安全度;(6)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中;(7)通过施工中对围岩和支护结构的动态观测，合理安排施工程序，修正不合理的设计和进行日常施工管理[1].分析隧道塌方也即分析已支护围岩受破坏的原因，就必须理解新奥法支护结构设计原理，新奥法支护结构设计原则为:(1)隧道围岩形成塑性滑移楔体，造成支护结构的剪力破坏;(2)支护结构与围岩粘结紧密，两者共同工作，形成无弯矩结构;(3)由锚杆，钢支撑，喷砼等所提供的支护抗力，应与塑性滑移楔体的滑移力相平衡[2]. 从(2)可知，锚喷支护结构要成为无弯矩结构，其前提是支护结构与围岩二者共同工作，二者须粘结紧密，而实际施工中往往因为超挖严重而进行回填，这样支护结构就不能有效地与围岩粘结紧密或因为围岩表面光滑喷砼也无法有效与围岩粘结紧密，由于上述原因，锚喷支护结构违背设计原则，存在塌方隐患;从(3)可知围岩在施工锚喷支护后不断收敛而最终趋于稳定的前提是支护抗力大于或等于滑移力.如果设计支护抗力小于滑移力或由于施工方法不当造成支护抗力小于滑移力皆可导致塌方。

.2 采用施工方法和措施不当施工中经常存在:施工方法与地质条件不相适应，地质条件发生变化，没有及时改变施工方法;施工支护不及时;地层暴露过久，引起围岩松动，风化;忽略了围岩的变形规律，围岩的变形同时具有连续变形和突然变形的特征.当开挖距离小于D(D为隧道开挖宽度)时，围岩两端由于受到二次衬砌砼和开挖掌子面支撑的约束作用，连续变形很小，主要是爆破后的受震动影响的突然变形，而且在这个距离围由于衬砌和开挖面支承的"空间效应"的影响，即使初期支护抗力不足围岩滑移力亦不至于失稳，当这个距离为1.5D～3D时，"空间效应"的影响完全消失，初期支护抗力小于滑移力的问题即刻暴露出来，围岩急剧变形，极易引起塌方. 1.3 施工工艺及操作欠规，工程质量不合格。

施工过程中存在的工艺操作不符合施工技术规要求，施工管理不到位，质量意识，安全意识不强也是造成塌方的另一个重要原因，常发生的施工质量问题有锚杆长度不足;锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足;喷砼强度厚度达不到设计要求;钢支撑未完全由喷射砼包围密实或钢支撑与围岩之间存在空隙及钢支撑未置于稳定坚固的基础上等.以上质量问题直接造成支护抗力未达到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生弯矩而导致塌方. 2 塌方的处理依据塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，塌方处理方案的制定如同战斗方案的制定，如果方案不当或失败，不但导致更大的经济损失，而且可能造成人员伤亡，故一般的处理原则是先巩固后方，防止塌方扩大，然后以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理.经验认为塌方发生后在一定时间就会趋于稳定，形成自然拱，而自然拱的高度，宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符.。

2.1 普氏平衡拱理论前联学者M·M普洛托雅克诺夫(简称普氏)以松散理论为基础，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线的平衡拱，平衡拱高度h 为: h= b /fm(m)式中:b 平衡拱的半跨度(m)，fm 岩石坚固性系数. 土层:fm=tgφ岩石:fm=R/10 . 其中:φ土的摩擦角;R 岩石的抗压极限强度(MPa)，取值应考虑岩石天然层理，裂隙及节理的影响.在隧道侧壁稳定时，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b=bt(图1) 图1平衡拱宽度示意图当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为:b=bt+Ht·tg(45°-φ/2) 式中:Ht 隧道净高(m); bt 隧道净宽之半(m)(图2). 2.2 塌方稳定分析及处理对塌方后的稳定情况能否做出正确的判断是制定处理方案的关键，否则，不是冒险就是加大投入.一般情况下塌方发生后1～2天就基本稳定，除个别掉小块外，不再有大的坍塌，这时可根据工程地质图2 侧壁不稳时平衡拱资料及试验结果，确定岩石坚固性系数，再根据开挖情况，即可按平宽度示意图衡拱公式确定塌方高度，与现场对照，如果计算与实际基本相符，则说明塌方已经基本稳定，否则就要慎重对待.经过平衡拱稳定分析，确定塌方稳定后，即可着手进行处理，第一关键步骤就是对塌穴进行喷射砼处理.喷砼后，即使塌穴有危石或个别坍塌亦会及时发现，喷射砼在围岩面形成一保护层，亦是判断塌方稳定与否的最有效，最直接的参照或依据.之后即可出渣，出渣围依据即将准备衬砌的围确定，为了安全，不宜太长，边出渣边对侧壁进行支护.塌方段的永久支护结构及施工顺序的确定是最后一个关键，通常塌方段的支护结构从上至下依次为回填，护拱，衬砌，直观上施作护拱然后在护拱保护下施作衬砌是安全的，而实质上施作护拱本身就极为困难而且危险极大.实践证明先施作衬砌，然后施作护拱及回填是既安全又经济的办法，但这种方法有一个前提，就是开挖宽度不再扩大(极个别除外)，衬砌的加强可采取增加钢轨或型钢及提高砼标号的方法来实现.衬砌浇筑后，平衡拱的拱脚就受到约束，塌方就更进一步稳定了，往后的施工就更安全了.广西南黎铁路那适2号隧道7．11重大坍塌事故五、事故原因(一)直接原因经调查认定，那适2号隧道重大坍塌事故的主要原因是：围岩为粉砂岩夹页岩的风化带，节理裂隙发育，岩体破碎，围岩自稳差；加上事故前施工地区降雨比较密集，地表水渗入，块碎石层间摩擦力进一步变小；现场施工不规，隧道施工中仰拱与掌子面的安全距离不足，初期支护未能及时封闭成环，不能有效控制围岩，部分支护钢架型号、间距、连接等未达到设计要求，地表防水浆砌片石铺砌不及时等。

(二)间接原因1．施工单位第一项目部领导安全生产意识淡薄，对安全质量规章制度执行不力，对施工管理不严，对地质条件变化不够重视，施工不规。

2．监理单位柳铁监理公司没有认真履行监理职责，对施工单位施工不规，仰拱与掌子面的距离超出规定，初期支护未能及时封闭成环等不规行为没有及时制止。

3．建设单位对安全生产管理制度执行不严格，对施工现场检查督促力度不够，采取的措施不能有效制止施工单位在隧道施工中存在的仰拱与掌子面的距离超出规定，初期支护的部分钢架距离超宽等施工安全问题。

黄延高速公路扩能工程甘泉段“7.28”隧道坍塌事故2014年7月28日12时30分，黄延高速公路扩能工程第13合同段墩梁隧道（甘泉县城关镇马岔村）在施工过程中突然发生坍塌，造成3人死亡，直接经济损失2804035元。

三、事故原因（一）直接原因经调查认定，在墩梁隧道左线出口ZK91+705～ZK91+725区域， Q2eol硬塑黄土夹古土壤层和N2粘土岩层的界面与隧道走向形成约100相交状况，且在两种地层结合界面处存有界面水，层间结合力差，极易发生脱层坍塌。

洞身穿越的中更新统组黄土地层，黄土板结，几近成岩。

受成因影响，该黄土地层在距隧道拱顶2m左右高度局部生成了约5cm厚度的水平状钙质结核层，将粘土岩水平切割，形成局部水平“断层”，粘结力下降，该隧道局部形成的埋深约2m的超浅埋不稳定结构突然脱离坍塌，是导致该起事故的直接原因。

（二）间接原因1．隧道处于Q2eol硬塑黄土夹古土壤层和N2粘土岩地层，隧道开挖的变形量较小。

施工以来，监控量测数据显示拱顶累计最大沉降量32mm，日沉降量最大为3mm，水平收敛累计最大值为27mm，日收敛量最大为2.9mm，初期支护未出现裂纹、剥落掉块，表明隧道拱顶坍塌的发生具有突发性和不可预见性。

2．墩梁隧道属大断面，开挖跨度较大，粘土岩自身强度较低，被水平状钙质结核层切割的粘土岩易发生坍塌。

3．拱顶上部的水平状钙质结核层位于隧道顶部以上2m，受目前地质预报手段（TSB地质雷达超前预报、超前探孔等）的限制，对该水平状钙质结核层的存在，难以发现。

4．省交通规划设计研究院对Q2eol硬塑黄土夹古土壤层和N2粘土岩层的界面与隧道走向形成约100相交处一定围的特殊地段，未细化设计，全隧单层超前小导管均采用外插角70设计，对此可能造成降低层间结合力的后果认知不足。

5.中铁四局集团第五工程项目部对Q2eol硬塑黄土夹古土壤层和N2粘土岩层的界面与隧道走向形成约100相交状况的地质风险认知不足，依然按外插角70设计要求施工超前小导管，致使Q2eol硬塑黄土夹古土壤层和N2粘土岩层的界面受到扰动而脱层坍塌。

6.中铁四局集团第五工程黄延高速公路扩能工程LJ-13合同项目经理部在开挖墩梁隧道左线出口先行（左）导坑上台阶时，对裸露围岩没有及时做到快速喷射砼封闭施工，导致外露黄土失水过多，黄土粘性减弱，自稳性削弱。

（三）事故暴露出在安全管理方面存在的问题1．黄延高速公路扩能工程没有按照国务院、省政府、国家安监总局有关安全设施监督管理规定，履行安全“三同时”审批手续。

管理处安全管理履职不到位，对存在的安全隐患没有及时督促整改。

2．安装工程未认真执行生产经营单位三级安全教育培训规定，对新进从业人员的岗前安全培训不到位。

3．第五工程黄延高速公路扩能工程LJ-13合同项目经理部在事故发生后，未按《生产安全事故报告和调查处理条例》规定时限向甘泉县安监局报告。

没有按照交通部令2007年第1号要求，配足安全管理人员；安全隐患整改不彻底，没有按照设计和施工组织设计要求及时做二衬。