隧硐常见灾害的分布特征及其地质概化模型综述

程耀烜　钟助

摘要 隨着人口和城市化的不断增长，隧道系统的数量和复杂性在不断增加，隧道安全保障问题越来越突出，因此，有必要全面掌握隧道及地下硐室灾害的工程地质成因机理。基于前人的研究结果，对我国隧硐灾害的分布特征进行了分析，并对常见隧硐灾害的地质成因进行了探讨，得到了多种可能的地质概化模型，研究发现，坍塌/地陷事故是最为严重的事故，在国内外文献和报刊中所报道数量最多；此外，突水突泥、瓦斯爆炸、崩塌和冒顶也是隧道施工中主要的事故类型，采取合理的防治措施，隧道事故数量及其带来的损害程度是可以措施降低的。进一步，基于国内外工程实例，对隧硐中5种常见灾害（坍塌/地陷、突水突泥、岩崩、岩爆、变形过度）的地质结构、构造作用、岩土体性质、扰动诱因等影响因素进行了分析，总结了各种灾害下隧道可能的失效模式，并建立了对应的地质概化模型，旨在为隧道安全建设提供借鉴意义。

关 键 词 隧道灾害；工程分析；地质概化模型；失效模式；防治措施

中图分类号 X37；TV213.4     文献标志码 A

Overview of the distribution characteristics and geological generalization models of common tunnel disasters

CHENG Yaoxuan ZHONG Zhu

（1. Shanxi Transportation Planning Survey and Design Institute Co. LTD， Taiyuan， Shanxi 030012， China; 2. School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract With the continuous growth of population and urbanization， the number and complexity of tunnel systems are increasing， and concerns of tunnel safety are becoming more and more prominent. Therefore， it is necessary to comprehensively grasp the engineering geological mechanism of tunnel and underground space disasters. Based on the previous research results， the distribution features of the tunnel disaster in China were analyzed， and the common tunnel disaster geological genesis were discussed. Finally， a variety of possible geological generalized model were achieved in this paper. It has been found that the collapse/subsidence accidents are the most serious accident， therefore they have been reported most frequently in literature and newspapers. In addition， flooding， explosion， collapse and rock falling are also the main types of accidents in tunnel construction. The number of tunnel accidents and the damage caused by them can be reduced by taking reasonable prevention measures. Further， based on engineering examples in the world， the geological structure， tectonic action， geotechnical property， disturbance incentive and other influencing factors of the five kinds of common disasters in tunnel （such as collapse， flooding， rockfall， rock burst， excessive deformation） were analyzed. Their possible failure modes under various disasters tunnel were put forward， and the corresponding geological generalized models were set up so as to provide reference for tunnel safety construction.

Key words tunnel disasters; engineering analysis; geological generalization model; failure mode; prevention and control measures

0 引言

近年来，随着我国“交通强国”战略的实施，铁路、高速公路得到迅速发展，隧道建设的规模越来越大，隧道里程、长度、埋深等纪录也不断被刷新。据不完全统计，截至2021年4月，我国在建的10 km以上超长公路隧道为54条[1]。而铁路方面，伴随西部地区铁路建设规模逐年加大，高海拔、高烈度地震区、大埋深超长铁路隧道也越来越多。尤其是作为国家的战略性工程—川藏铁路，沿线地形地质和气候条件非常复杂，生态环境脆弱，隧道比例占据总里程的86%[2]。此外，随着水利工程、城市轨道交通、油气工程等的蓬勃发展，隧道和地下硐室所承担的作用也越来越突出[3]。因此，全面掌握隧道及地下硐室灾害的工程地质成因机理，对隧道施工事故的安全防控具有重要的意义。

国内外众多学者对隧道灾害的分布特征已开展了研究，刘辉等[4]、张军伟等[5]、孙振海等[6]对我国近年来的隧道施工事故进行了统计分析，指出隧道坍塌为第一要害，事故次数和死亡人数均呈下降趋势，主要集中在中西部地区，事故是人为可控的，加强管理是降低事故数量、减少死亡的关键。王[7]对2003—2016年城市地铁施工事故案例进行了统计与分析，根据事故风险源指向细化确定了风险指标，得到了事故风险传递性模型。周晶晶[8]对上海市10条越江隧道的交通事故数据，进行数理统计分析，获得了上海越江隧道事故的时空分布、伤亡程度和事故类型分布规律。胡群芳等[9]通过对2003—2011年我国地铁隧道施工事故数据资料统计分析，揭示了我国地铁隧道施工事故发生规律。在隧道事故的地质成因及地质模型方面，Sousa 和Einstein[10]对全球132个重大隧道事故进行了统计，提出了常见隧道灾害与工程地质条件的相关性，指出了盾构法可以大大减少隧道施工灾害。胡新红等[11]对针对三黎高速公路盘岭隧道工程发生的突水、突泥类破坏模式进行分析，探索未胶结的富水压性断层突水、突泥的特征、模式及地质成因。

综上所述，目前针对于隧硐灾害的研究多数是统计其分布规律，对常见事故的失效模式及地质成因归纳较少。因此，本文基于前人研究成果，对我国隧硐灾害的分布特征进行了解的基础上，结合实际隧硐工程灾害，对常见隧硐灾害的地质成因进行了探讨，得到了多种可能的地质概化模型，为隧道安全建设提供借鉴意义。

1 我国隧硐灾害的分布特征

我国隧硐灾害的分布特征，已有学者们进行了研究。张军伟等[5]统计了2006—2016年我国隧道建设（不含地铁隧道、市政隧道）中发生的89起事故，分析了我国隧道建设事故的特征，隧道事故发生类型以坍塌、爆炸、突水突泥、冒顶片帮、窒息中毒及滑坡崩塌为主，各类型事故所占比例如图1所示。将图1的数据经过进一步整理，可获取各类型事故伤亡人数占比与相应事故数量占比的关系，如图2所示，从图中可以看出，除冒顶片帮意外，事故伤亡人数与事故数量具有正相关性。此外，孙振海等[6]对我国在2005—2019年期间发生的109起隧道施工事故进行了统计分析，给出了各事故类型的单次事故人员伤亡数（见图3）以及2005—2009年的事故数量与死亡人数的关系（见图4）。从图1～图4的统计数据可以获得我国隧道灾害具有以下显著特点。

1）坍塌、突水突泥、爆炸、崩塌和冒顶为隧道施工中主要的事故类型。其中，坍塌为事故发生最频繁的事故类型，爆炸、火灾发生频率虽不及坍塌，但是一旦发生将造成巨大的人员伤亡。

2）各类事故的伤亡人数与对应事故数量具有正相关性。故而要降低事故的死亡人数，首先需采取措施降低事故的发生数量。

3）2005—2007年，隧道事故发生数量和死亡人数均处于较高水平，而从2008年以后，各年份发生的隧道事故数量和死亡人数总体处于下降态势并趋于稳定。说明隧道事故数量及其带来的损害程度是可以采取措施降低的。

4）爆炸、火灾、窒息事故往往与施工管理失误具有紧密的联系，而坍塌、突水突泥、崩塌、岩爆（冒顶或片帮）及过度变形与隧道所在趋于工程地质条件紧密相关[12-14]。

2 典型隧硐灾害的工程地质概化模型

由上述隧道災害的总体概况可知，与工程地质条件紧密相关的灾害类型包括坍塌、突水突泥、崩塌、岩爆（冒顶或片帮）及过度变形。下面结合实例就以上几类常见隧道灾害分析其地质机理及其相应的特点，并建立其工程地质概化模型。

2.1 坍塌/地陷

国内外文献和报刊中所报道的隧道施工事故大多数是坍塌/地陷，但这并不意味着坍塌/地陷是隧道施工过程中发生的最多数事件。坍塌事件往往会造成一段隧道整个结构的损毁，威胁着建筑施工、人民生命以及地面建筑物的安全，尤其是在城镇地区，所造成后果是最严重的。造成隧道坍塌的常见地质原因包括3类。

1）隧道围岩结构破碎，自稳能力差。当隧道穿过强风化的软弱岩体（如页岩、砂泥岩等），由于节理发育，岩体开挖后强度急剧降低，围岩自稳能力低，易发生隧道坍塌。典型实例如广西南黎铁路那适2号隧道2009年的7.11重大坍塌事故，该隧道的围岩为强风化的粉砂岩夹页岩，隧道打通300 m左右的距离，发生了坍塌，塌方长度40余米，10名被困人员遇难[15]。

2）隧道掌子面前部遇地质条件迅速变化地层。当隧道前部出现地质条件变化快，未能及时进行超前地质预报而迅速释放地应力，易发生隧道坍塌。如2014年的黄延高速公路扩能工程甘泉段7.28隧道坍塌事故，在隧道左线出口，出现了硬塑性黄土夹古土壤层（板结，几近成岩）和黏土岩层的界面，界面结合差，在隧道开挖卸荷后，发生了脱层坍塌，造成了3人死亡。

3）隧道上覆层过薄。当隧道上覆层过薄且为松散地质体，衬砌和支护结构未达到强度要求时，易发生隧道坍塌。典型事例如2016年5月份的德国莱茵河谷铁路隧道工程坍塌事故（如图5），隧道采用盾构施工，其上覆地质体为厚度为5 m的疏松沙土层和砾石沉积层，在外径10.97 m的隧道周围形成2 m厚冻土层以维持其稳定，当盾构机即将到达盾构接收井时，盾构机上部发生隧道坍塌，2台盾构机受限于地下，并引起地面莱茵河谷铁路轨道扭曲变形，引起铁路交通中断[10]。

2.2 突水突泥

地下水活动是隧道突水突泥灾害发生的根源，隧道开挖后，打破了原始地下径流的平衡，给地下径流创造了通道。其次，不良地质也是引起突水突泥的原因，例如溶洞、地下暗河、断层破碎带等不良地质区域，特别容易发生突水突泥灾害。因此，富水和不良地质组合是诱发隧道突水突泥灾害的主要地质原因，根据隧道掘进方向和地下水文地质条件，常见的突水突泥灾害有8类。

1）缓倾地层隧道突水（图6a））：地下水为自然水，地下水浸润线与地面近于平行，当隧道沿逆缓倾地层方向掘进时，极易由地下水浸润线以上进入到浸润线以下，在隧道掌子面前部出现突水突泥现象，严重时引起掌子面坍塌而导致地面下陷。

2）难透水-透水互层地质体突水（图6b））：当隧道穿越难透水-透水互层地质体时，易在不透水层与透水层的截面处发生涌水突泥问题，往往也会诱发掌子面坍塌问题。

3）固结含水地层的突水（图6c））：当隧道在固结含水层内掘进，进入浸润线以下部分时，往往会发生掌子面和洞壁的突水问题，隧道内发生坍塌的可能性较小。

4）地下溶洞/暗河涌水（图6d））：隧道采用爆破的方式掘进时，掌子面前方遇地下溶穴或地下暗河，在掌子面接近溶穴或暗河时，易出现集中涌水现象，掌子面发生坍塌，往往会导致人员伤亡的重大事故。

5）侵入裂隙含水岩涌水（图6e））：侵入岩往往是火成岩岩浆侵入上覆软岩缓慢冷却而成，其具有强度高脆性强的特点，在地质作用下，内部裂隙比较发育。侵入岩中渗入的地下水往往是承压水，隧道由不透水软岩进入裂隙侵入岩，会出现突发性的涌水现象，导致重大灾害事情发生。

6）含水裂隙岩突水（图6f））：隧道掘进入含水裂隙岩体，掌子面易出现集中突水现象，裂隙岩体内部的软弱夹層或碎石体会随着涌水流出，严重会导致大的坍塌或大块体崩落。

7）含水变质黏土突水突泥（图7g））：隧道由不透水黏土层掘入含水变质黏土地质体，易发生掌子面前部的突水突泥，掌子面发生崩塌。

8）黏土破碎带突水突泥（图7h））：隧道穿过含水黏土破碎带时，会从掌子面裂隙出现大量涌水，有时会有泥沙从破碎带挤出，偶尔在涌水的同时，出现山鸣现象。

2.3 围岩崩落

围岩崩落是指岩石结构体沿结构面发生滑脱或者发生坠落，是一种典型的岩石块体失稳。受不良地质条件影响，硐室块体失稳呈现出不同的破坏模式，主要表现出3种。

1）硐壁楔形体型围岩崩落：块体受3组结构面控制，其中2组为外倾交汇结构面（如图7a）中J1和J2），另一组结构面切割块体成自由体（图7a）中J3，通常是岩体的层面或岩脉），隧道/硐室开挖出现临空面后，受以上3组结构面控制的块体呈现楔形体滑落。最典型的工程灾害为1977年安哥拉的Cahora-Bassa水利工程的调压室的巨型岩崩，如图7a）所示，约2 000 m3的块体受到两斜交的外倾结构面切割，顶部由煌斑岩脉包围，在施工过程中发生了崩塌，造成巨大的损失[16-17]。

2）硐壁平面型围岩崩落：块体受两组结构面切割，滑动面的走向与隧道/硐室的掘进方向近于平行，开挖后，以两结构面为边界，从原岩中滑脱出来，如图7b）所示。中国的双江口水电站地下厂房的竖直边墙就有很多平面型岩崩[18]。国外，比较著名的是瑞典的Holjebro水电站地下厂房，在1978年施工过程中，沿硐室掘进方向发生长度为35 m的硐壁平面型岩崩[19]。

3）硐顶块体坠落：硐顶岩石受多组结构面切割后形成自由块体，当其形状呈现上尖下宽形态时，块体受周围围岩约束小，易从硐顶坠落，最常见如四面体块体岩崩（见图7c））。2017年，双江口水电站地下厂房施工时，主变室硐顶发生了梯形体的大块体坠落[18]。

2.4 岩爆

岩爆事故是由块状或完整的脆性岩石在超应力条件下引起的，即岩体的地应力超过了材料的局部强度。它会导致岩块剥落，严重情况下下会引起岩体的突然而剧烈的破坏。岩爆有多种类型，其破坏机制也各不相同[14，20]。本研究中，基于岩爆造成后果严重性，狭义地将岩爆定义为剧烈而突然的岩石破裂，包括自重应力型岩爆、构造应力型岩爆以及综合应力型岩爆[21-23]，其地质机制分别有以下特点。

1）自重应力型岩爆：最大主应力方向与竖直方向近于平行。一般情况下，最大主应力与上覆层的自重引起的应力相等；但是在构造运动引起的深部岩层迅速抬升（深部岩体向上隆起挤压）或者上覆层快速侵蚀或大规模开挖（埋深变浅，原岩应力来不及释放）情况下，最大主应力大于上覆层自重引起的应力。自重应力型岩爆的地质模型如图8a）所示，由于竖向最大主应力作用下，积累了大量的弹性应变能，当硐室开挖时，引起水平方向的卸荷，岩体很容易朝临空方向，释放大量能量，发生瞬间的脆性破坏。因此，自重应力型岩爆往往发生在深埋隧道的两壁或地下硐室的边墙上，典型实例如双江口地下厂房岩爆（图8a））[18]、波兰煤矿岩爆（发生了2 000多次岩爆）[24]、南非金矿区岩爆（发生了1 200多次）[24]。

2）构造应力型岩爆：最大主应力近于水平方向，埋深较大，地层构造作用比较强烈或比较集中。 构造应力型岩爆多数发生在硐顶或者硐底，由于水平方向的地应力占据主导，隧道开挖卸荷后，水平地应力积累的能量沿临空面瞬间释放，发生岩爆灾害（图8b））。典型如我国的米仓山隧道岩爆（图8b））[25]、二郎山公路隧道岩爆[26]等。

3）综合应力型岩爆：受岩体岩性、地质条件及高山峡谷地貌的影响，岩体内部存在局部的构造应力集中带，该构造应力集中带是竖向自重应力和水平构造应力共同作用的结果，当隧硐开挖卸荷后，构造应力带外部的岩体易发生瞬间破坏，如图8c）所示。综合应力型岩爆往往发生在隧硐拱肩处，如锦屏二级水电站地下厂房岩爆（图8c））[27]。

此外，由于岩体具有粘弹性的特征，内部积累的能量往往来不及释放，导致岩爆具有显著的时空滞后性。笔者在参与双江口水电站地下厂房开挖工程中发现，左岸引水发洞室群各部位开挖中岩爆普遍发育，如图9所示，且洞室岩爆具有以下特征。

1）空间上：岩爆现象主要集中在硐室靠上游的边墙及硐肩位置。

2）时间上：刚开挖时，岩爆现象发生较少；开挖2～3 d后，开始出现岩爆现象，深度为0.1～0.2 m；开挖成型3～5 d，已岩爆位置岩爆加剧，深度增至0.2～0.4 m，且范围扩大。开挖成型7 d以上，岩爆深度进一步加大，深度大于0.5 m，随后稳定。

3）距掌子面越远，岩爆范围越大，深度越深。

2.5 变形过度

隧道内部或表面的过度变形暂时不会发生隧道的全面坍塌，但会影响隧道的正常使用，如果不对隧道的过度变形进行控制，长期发展下去可能会导致隧道失稳。隧道的变形过度与地形地貌、地层岩体结构、地质构造运动、地下水以及地应力有密切的关系，受上述因素影响，笔者总结出4种可能发生的隧道变形过度地质模型。

1）地形偏压引起的硐肩变形过度（图10）：当边坡上的隧硐坐落于稳定性差的易坍塌体上，且下部赋存有软弱面时，受边坡地形的影响，隧硐左、右两个肩部承受的压力处于长期不对等状态，图10中坡体上游不稳定体对隧道的压力明显大于下游易坍塌体对隧硐的压力，在这种差异压力的长期作用下，尤其是隧硐衬砌强度不够时，隧硐肩部易产生过度变形。例如，2002年瑞士的Gothard隧道在施工过程中，就是由于隧道外部软弱体的挤压，导致了过度变形，最后发生坍塌事故[10]。

2）地层偏压引起的硐肩变形过度（图11）：当隧硐处于脆性较大的层状岩体内部，且岩层结构面剪切强度较低，层间裂隙比较发育的条件下，隧硐上游的岩层有着沿岩层结构面向下滑移的趋势，必然对隧硐作用有偏压荷载（见图11），长期作用下，这种地层的偏压荷载也可能导致隧硐硐肩变形过度。典型如1985年意大利那不勒斯的导水涵洞（罗塔雷尔至圣维托雷段），开挖650 m后，由于巨大的偏压导致喷射混凝土开裂，数小时后钢拱屈曲，24 h后变形200 mm，12 d后变形400 mm[10]。

3）活动断层引起的隧硐变形过度（图12）：隧道线路选择时往往会尽量避开活动断层，当遇到大的断裂带，隧道线路无法绕开时，活动断层的蠕动会导致隧道变形过度。最典型的实例就是我国正在修建的川藏铁路（雅安-灵芝段），其间要穿越十多条活动断裂带，如澜沧江断裂带、怒江断裂带、金沙江断裂带、龙门山断裂带南段等，这些大型活动断裂带的错动或导致隧道及铁轨的过度变形，给工程界带来了极大的困难，因此，川藏铁路也成为了到目前为止最难的工程[28-31]。

4）隧道底鼓引起的变形过度（图13）：出现隧道底鼓常见有2种情况，第1种是水平构造应力较大，隧道基岩薄层状分布，当开挖卸荷后，隧道底板向上鼓出，其机理与构造应力岩爆类似，例如兰渝铁路梅岭关隧道，水平地应力达到9 MPa以上，在2017年运行期间，隧道仰拱隆起变形达20 mm以上，后经处理后达到了稳定[32]。第2种就是隧道处于遇水易膨胀的软岩或软土中，软岩或软土膨胀之后，朝临空方向挤出，导致隧道底鼓变形过度，例如，瑞士的Chienberg隧道在隧道施工过程中软岩发生了膨胀，且因之前的坍塌而暂停施工，仰拱仍然敞开，4周后，在塌陷区域附近（后面）的仰坡观测到1.5 m的隆起[10]。

3 结论

基于前人的研究结果，本文对我国隧硐灾害的分布特征进行了分析，并对常见隧硐灾害的地质成因进行了探讨，得到了多种可能的地质概化模型，获得以下主要结论。

1）坍塌/地陷事故为后果最为严重的事故，因此在国内外文献和报刊中所报道数量最多；此外，突水突泥、爆炸、崩塌和冒顶也是隧道施工中主要的事故类型。采取合适的措施，隧道事故数量及其带来的损害程度是可以措施降低的。

2）基于国内外工程实例，对隧硐中5种常见灾害（坍塌/地陷、突水突泥、岩崩、岩爆、变形过度）的地质结构、构造作用、岩土体性质、扰动诱因等影响因素进行了分析，提出了各种灾害下隧道可能的失效模式，并建立了对应的地质概化模型，旨在为隧道安全建设提供借鉴意义。

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