隧道坍塌事故常见原因

.z.新奥法支护构造设计原则对隧道塌方原因进展了分析，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构造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对新奥法理论认识缺乏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展量测，或信息反应不及时，导致决策失误，措施不力而造成塌方的现象.所谓新奥法1，其根本要点是:(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，防止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根本稳定的条件下修筑，使围岩和支护构造形成一个整体，从而提高了支护体系的平安度;(6)尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，防止棱角突变处应力集中;(7)通过施工中对围岩和支护构造的动态观测，合理安排施工程序，修正不合理的设计和进展日常施工管理[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构造设计原理，新奥法支护构造设计原则为:(1)隧道围岩形成塑性滑移楔体，造成支护构造的剪力破坏;(2)支护构造与围岩粘结严密，两者共同工作，形成无弯矩构造;(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，锚喷支护构造要成为无弯矩构造，其前提是支护构造与围岩二者共同工作，二者须粘结严密，而实际施工中往往因为超挖严重而进展回填，这样支护构造就不能有效地与围岩粘结严密或因为围岩外表光滑喷砼也无法有效与围岩粘结严密，由于上述原因，锚喷支护构造违背设计原则，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，即使初期支护抗力缺乏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，平安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缺乏;锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度缺乏;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巩固的根底上等.以上质量问题直接造成支护抗力未到达设计要求或围岩未粘结严密使无弯矩构造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根底上，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稳固前方，防止塌方扩大，然后以平安的前方为依托或掩护再向前进展处理.经历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根本相符.。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)以松散理论为根底，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岩石巩固性系数.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天就根本稳定，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，确定岩石巩固性系数，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，如果计算与实际根本相符，则说明塌方已经根本稳定，否则就要慎重对待.经过平衡拱稳定分析，确定塌方稳定后，即可着手进展处理，第一关键步骤就是对塌穴进展喷射砼处理.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，为了平安，不宜太长，边出渣边对侧壁进展支护.塌方段的永久支护构造及施工顺序确实定是最后一个关键，通常塌方段的支护构造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平安的，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平安又经济的方法，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，往后的施工就更平安了.**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拟密集，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平安距离缺乏，初期支护未能及时封闭成环，不能有效控制围岩，局部支护钢架型号、间距、连接等未到达设计要求，地表防水浆砌片石铺砌不及时等。(二)间接原因1．施工单位第一工程部领导平安生产意识淡薄，对平安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．建立单位对平安生产管理制度执行不严格，对施工现场检查催促力度不够，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，初期支护的局部钢架距离超宽等施工平安问题。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的超浅埋不稳定构造突然脱离坍塌，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，说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缺乏。5.中铁四局集团第五工程工程部对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缺乏，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合同工程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〕事故暴露出在平安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、国家安监总局有关平安设施监视管理规定，履行平安“三同时〞审批手续。管理处平安管理履职不到位，对存在的平安隐患没有及时催促整改。2．安装工程未认真执行生产经营单位三级平安教育培训规定，对新进从业人员的岗前平安培训不到位。3．第五工程黄延高速公路扩能工程LJ-13合同工程经理部在事故发生后，未按"生产平安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，配足平安管理人员；平安隐患整改不彻底，没有按照设计和施工组织设计要求及时做二衬。4．工程咨询对施工平安缺乏有效的监管，现场监理人员平安意识淡薄，责任心不强，监理程序执行不力，没有认真催促中铁四局五公司工程部按照设计和施工组织设计及时做二衬。5．省交通工程咨询公司对路桥通国际工程咨询管理不到位，没有认真催促中铁四局五公司工程部按照设计和施工组织设计及时做二衬。兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道4．20重大事故2011年4月20日4时05分，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进展初级支护施工时，发生拱部局部坍塌事故，造成12人死亡，直接经济损失约908万元。五、事故原因及性质(一)原因分析小平羌隧道位于祁连山区域地质构造带(纵向长约1000km，横向宽200～300km)石炭系灰岩夹页岩、泥灰岩，泥盆系砂岩等软硬相间的地层中，由于多期构造运动挤压作用强烈，洞身发育多个向斜、背斜相间组成的复式褶皱。地表覆盖风化残积土层较厚，基岩露头较少。开挖提醒DK349+050～+035洞段总体位于背斜构造北翼，岩层倾角较陡，节理发育，岩体破碎；岩层的层间结合力较差，加之小平羌隧道洞顶地表冻土冬春后开场融化，冰雪融水下渗软化软弱构造面，致使围岩抗剪强度降低，是该起事故发生的潜在客观因素。2011年3月29日，设计、施工、监理四方针对这种复杂的地质构造，进展了会商，对：DK349+060～DK349+040段进展了设计变更，将原设计IIIa-2型衬砌支护提升至IIIb-2型支护，但由于作业班组未按变更后的111b-2型衬砌支护进展施工，仍按原设计IIIa-2型衬砌支护施工，2011年4月4日4：00时左右，DK349+035掌子面爆破引起岩体扰动，20分钟后DK349+055～DK349+035段(20米长)左侧顶部塌方，塌方高度0～4m，所幸没有造成人员伤亡。4月4目的初次塌方经业主、设计、施工、监理四方会商认为是施工单位“现场隧道作业班组未按2011年3月29日4月4目塌方后，业主、设计、施工、监理四方又针对此次塌方再次提出了处理方案，采用全断面钢拱架，挂钢筋网，网喷混凝土加厚至28cm，衬砌构造采用Ⅳb一2型，预留注浆管对塌方的空腔进展压注水泥砂浆回填处理，支护级别实际提升到了Ⅳ级。4月4日的塌方已经是可能再次发生塌方事故的前兆，此时，隧道上部围岩受力发生了很大变化，岩体已经处在一个极不稳定的临界状态。设计、施工、监理知道围岩构造不好，极不稳定，但没有引起足够的重视，在方案制定时对施工过程中作业人员的平安保障措施不详细，也未严格按照规定程序办理相关审批手续，施工单位按照四方口头商定的处理方案进展处理，对已塌方段施工处理不及时，加之监理单位的监理监视检查不到位，截止4月19日，尚未处置完毕，引起岩体失稳，导致DK349+050～DK34_9+035段(15米长)发生二次塌方，造成重大人员伤亡。(二)直接原因1．小平羌隧道岩层倾角较陡，节理发育，岩体破碎，岩层的层问结合力较差，加之小平羌隧道洞顶地表冻土冬春后开场融化，冰雪融水下渗软化软弱构造面，致使围岩抗剪强度降低，是该起事故发生的潜在客观因素。2．施工单位在4月4日塌方后，依四方商定的会议纪要作为技术交底容，未单独编制塌方处理方案且未向监理报验，已塌方段施工处理缓慢，在4月5日至19日仅完成初期支护，未及时对上部空腔进展压注水泥砂浆回填处理，没有形成有效抵抗塌方冲击荷载的构造体系。3．由于4月4日塌方处理施工进度缓慢，拱顶空腔围岩临空暴露过久，引起围岩松动、风化，导致上部围岩抗剪强度进一步降低，引起岩体失稳，导致DK349+055一：DK349+035段拱顶围岩发生整体坍塌。(三)间接原因1．施工单位平安技术管理混乱，施工人员平安培训不到位，技术资料管理混乱，检验批报检资料滞后，同一时间的施工日志容与报检容不符；技术交底制度不落实，交底资料不全，无初喷砼平安技术交底和两台阶开挖方法的技术交底资料；特别是针对4月4日塌方，技术交底笼统，仅将会议纪要容作为交底容。2．监理单位监理根底工作薄弱，履行职责不力，监理制度落实不到位，管理手段弱化；监理日志记录不全面，监理旁站管理不规，存在未旁站的现象；检验批及隐蔽工程签字审核把关不严，存在工程实体在前，审批签字在后的情况；对重大设计变更未严格履行审批职责；发现施工单位存在未按设计施工的情况，也没有按照规定采取停工整改措施。3．设计单位制定的4月4日小平羌隧道出口DK349+055一DK349+035段塌方处理方案不完善，未向施工单位提出施工过程中保障施工人员平安的措施建议。厦成高速公路雷公山隧道“7·29〞拱顶坍塌事故二、事故原因〔一〕直接原因事故发生段地质状况较差，为F3断裂，其长度大于1000米，宽度大于30米，存在低倾角节理，属性断层，断层走向与沟谷平行，地表水易顺断层下渗，对围岩影响较大。围岩为砂土状强风化花岗岩，岩体破碎，构造松散，无自稳能力；事故发生前，该地连续降雨，导致地下水骤增，经由隧道拱顶断层破碎带形成的导水通道排泄，为拱部塌方提供了助力。业主、施工、监理、监管等方面对雨后该地段引发坍塌的可能性及严重性估计缺乏因而未采取更有效的控制措施，施工开挖进尺过量，超前支护不规是造成坍塌事故的直接原因。〔二〕间接原因一是施工单位平安主体责任落实不到位。日常管理不严，相关质量、平安、技术、岗位、检查等方面规章制度在实际工作中未得到切实有效地贯彻落实；作业人员三级教育及平安培训不够落实，作业人员不能正确掌握隧道三台阶七步开挖法技术要领、犯险冒进；现场跟班领导力量缺乏，事故发生前，仅留守一位副职领导长时间连续带班作业，力有不逮，施工现场质量、平安、支护、工序等主要节点的检查、监视工作不够到位。二是监理力量配备缺乏，履行职责不力。雷公山隧道属于长且复杂隧道，又是监理单位合同工程下的控制性、关键工程。事故发生前三日，专监请假，无人顶岗导致现场专监缺位长达一个星期，其他现场监理人员未能按照相关规定进展有效监理；实际到位人员均无隧道监理资质，与招投标合同要求不符；监理日志记录不全面、不规。三是专项爆破施工、监理设计不完善。爆破工程施工、监理单位未制定V级围岩爆破方案和监理实施细则；爆破监理单位未加强对监理人员技术交底和指导，致使现场监理员对该工段的地质情况和爆破要求不熟悉，未能及时针对施工过程地质变化情况提出有效的监理意见。四是建立单位协调管理不够到位。隧道施工开挖方法变更虽经论证可行，但对施工、监理单位严格按照三台阶七步法开挖方案组织施工和实施监理情况催促不够；对监理单位的合同履约情况催促监管不够；对现场监理人员资质、业务能力和工作质量审查把关不严，尤其是对现场监理人员的监理活动监管不到位，现场核查力度不够。四、深刻吸取事故教训，切实加强平安生产工作的有关要求这起较大责任事故，教训十分深刻，为了防止类似事故再次发生，现提出以下要求：〔一〕各施工工程主管部门、建立单位要集中力量督查各类在建工程的施工平安，对未及时开展自查自纠行动或执行不力的单位，给予重点督办、限时整改。尤其要重点开展隧道施工专项平安大检查，着重对强风化地质、有水隧道施工平安情况进展全面、细致、深入地检查，及时发现和解决问题。特别是针对高风险隧道的多断面掘进作业，必须在保证排水畅通的前提下，方可向易发突水突泥风险的方向掘进。切切实实把施工平安放在第一位，宁可停工一月，不可冒进一尺。〔二〕各建立单位、施工单位、监理单位要加大公路道路尤其是隧道施工平安整治工作力度，加强现场施工平安管理，集中解决施工平安保证体系和规章制度不健全、责任不落实、平安措施不到位、平安培训走过场、违章违规作业、不按施工组织设计方案作业等问题。特别要加大隐患排查治理力度，对查出的平安隐患必须立即组织整改，有效防、遏制各类施工平安