隧道坍塌事故常见原因.docx

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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。

4．工程咨询对施工安全缺乏有效的监管，现场监理人员安全意识淡薄，责任心不强，监理程序执行不力，没有认真督促中铁四局五公司项目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，没有认真督促中铁四局五公司项目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行初级支护施工时，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。

开挖揭示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始融化，冰雪融水下渗软化软弱结构面，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结构，进行了会商，对：

DK349+060～DK349+040段进行了设计变更，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型衬砌支护进行施工，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日现场会勘后确定的变更给定的工程措施施工（仍按原设计IIIa-2型衬砌支护参数进行开挖及支护），DK349+060～DK349+040段拱部初期支护180度围未设置钢筋网及格栅钢架，喷混凝土厚度不够，系统锚杆未完全按设计施做，加之现场施工、监控量测不到位是导致塌方的主要原因”（4月4目四方认可的会商纪要原文）。

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，衬砌结构采用Ⅳb一2型，预留注浆管对塌方的空腔进行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、监理知道围岩结构不好，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安全保障措施不详细，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行处理，对已塌方段施工处理不及时，加之监理单位的监理监督检查不到位，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始融化，冰雪融水下渗软化软弱结构面，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行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结构体系。

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．施工单位安全技术管理混乱，施工人员安全培训不到位，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，无初喷砼安全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．监理单位监理基础工作薄弱，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安全的措施建议。

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，结构松散，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不足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

　　一是施工单位安全主体责任落实不到位。

日常管理不严，相关质量、安全、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安全培训不够落实，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；现场跟班领导力量不足，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、安全、支护、工序等主要节点的检查、监督工作不够到位。

　　二是监理力量配备不足，履行职责不力。

雷公山隧道属于长且复杂隧道，又是监理单位合同项目下的控制性、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行有效监理；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。

　　四是建设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督促不够；对监理单位的合同履约情况督促监管不够；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，切实加强安全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）各施工项目主管部门、建设单位要集中力量督查各类在建项目的施工安全，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安全大检查，着重对强风化地质、有水隧道施工安全情况进行全面、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。

切切实实把施工安全放在第一位，宁可停工一月，不可冒进一尺。

（二）各建设单位、施工单位、监理单位要加大公路道路尤其是隧道施工安全整治工作力度，加强现场施工安全管理，集中解决施工安全保证体系和规章制度不健全、责任不落实、安全措施不到位、安全培训走过场、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，对查出的安全隐患必须立即组织整改，有效防、遏制各类施工安全事故的发生。

各级安全监管部门要会同相关行政主管部门加强对公路施工安全的属地监管，加强对桥涵铁隧施工安全的监督检查，尤其是复杂地质条件地区的公路隧道施工现场的安全检查，严格执法，促进各方严格落实公路道路施工建设安全生产主体责任，切实做好安全生产工作。

　　（三）各设计单位要对隧道工程，特别是强风化地质、低等级围岩隧道工程高风险地段设计，应提出明确具体的设计要求，加强对施工安全的技术指导。

要对在建隧道进行一次设计复查，补充完善和落实安全措施。

对地质复杂隧道要加强现场技术交底、指导和配合工作，及时处理各类变更设计，加强技术服务。

各参建单位在设计、施工中，必须严格执行隧道设计规、隧道施工规、隧道工程施工质量验收标准和隧道施工安全技术规程，严格作业程序，严格管理，落实安全措施，配齐监测设备，指定专人检测。

　　（四）各施工单位要强化隧道现场组织管理，提高标准化作业水平；要科学合理编制施工组织和技术交底方案，制定并落实安全保证措施；合理配置资源，保证设备配套、人员配齐，强化监测监控和巡查工作。

施工单位隧道施工作业人员必须经过岗前培训，特种作业人员必须持证上岗。

　　（五）各建设（业主）单位、参建单位要加强隧道超前地质预报、判释工作。

对复杂地质隧道施工，要把超前地质预报作为必需工序纳入到作业循环当中，并贯穿整个施工过程。

要根据不同类型的地质状况和施工地质分级，科学、合理选择不同方法和手段，严格按照规要求，开展超前地质预报，做到有疑必探、有水（泥、砂）必治、强化探测、先探后掘。

尤其是强风化、多裂隙隧道，要引进专业队伍，提高探测和预报水平。

要加强高风险施工隧道的监测预测，发现重大事故隐患和地质异常情况，必须认真分析，科学判断，及时采取有效的工程安全技术防措施。

　　（六）各建设（业主）、施工、监理单位和检测监测机构要加强隧道围岩量测和综合分析，从一而终地坚持把围岩量测纳入必须工序管理，通过量测及对围岩变形段和变型速率的量测，分析其变形趋势，为调整支护参数提供充分依据，确保初期支护方案的安全可靠。