隧道塌方、涌水涌泥災(zāi)害案例研討教學(xué)研究

王迎超 靖洪文 柳志軍 王密田

【摘要】由于地下復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，隧道施工中極易發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害。為了使土木工程專業(yè)本科生更好的理解隧道工程災(zāi)害知識點，借助2個工程案例，采用案例研討教學(xué)法對隧道塌方、涌水涌泥災(zāi)害的原因進行了分析和課堂討論。該教學(xué)方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，值得在土木工程專業(yè)課程中推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】案例研討 隧道工程 塌方 涌水涌泥

【基金項目】中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院本科教學(xué)爭創(chuàng)一流建設(shè)項目（2017BKZD03）；力學(xué)與土木工程學(xué)院土木工程品牌專業(yè)建設(shè)項目（2017TMPP04）；教學(xué)團隊培育-校級（2017TMPP12）；2016年校精品課程項目（2016JPPY02）；中國礦業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2017Y03）；力學(xué)與土木工程學(xué)院研究生教育教學(xué)改革與建設(shè)項目（LTYJ201701）。

【中圖分類號】TU 4-4 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）16-0225-02

引言

研討式教學(xué)是以解決問題為中心、通過由教師創(chuàng)設(shè)問題情境，然后師生共同查找資料，研究、討論、實踐、探索，提出問題解決辦法的方式，目的是使學(xué)生掌握知識和技能。它包括閱讀自講式、討論式、啟發(fā)式、專題式、課題制式、案例和講授式等多種具體教學(xué)方式[1]。作為研討式教學(xué)模式的一種，案例教學(xué)是指將案例應(yīng)用于教學(xué)，通過教師講授、組織學(xué)生討論、撰寫案例分析報告、教師歸納總結(jié)等過程來實現(xiàn)教學(xué)目的，進而提高學(xué)生理論水平和實踐能力的教學(xué)方法。案例教學(xué)法具有啟發(fā)性、實踐性，能提高學(xué)生決策能力和綜合素質(zhì)[2]。

國內(nèi)許多學(xué)者對案例研討教學(xué)模式進行了研究，均取得較好的進展。在課程研究方面，鄧輝[3]以高等軍事院校的一堂流體力學(xué)課為例，從案例的選取、呈現(xiàn)、討論、總結(jié)等階段具體介紹研討式案例教學(xué)法在高等軍事院校力學(xué)課程中的設(shè)計、組織和實施過程。邱海洋[4]提出了包含案例介紹和分組研討的發(fā)展經(jīng)濟學(xué)案例研討模式，并對案例研討模式的教學(xué)效果進行了具體分析。張文靜[5]通過教師科學(xué)設(shè)置教學(xué)案例、引導(dǎo)學(xué)生集體討論、鼓勵學(xué)生參與科研活動等方式，在科技論文寫作過程中實施了案例研討型教學(xué)模式，取得顯著效果。在具體知識點研究方面，張繼彬[6]針對空心板道路橋梁病害及加固方法進行了案例研討。倪至寬[7]對潛盾機在到達井外側(cè)地盤中安全棄殼進行了案例研討。夏黎峰[8]以某建筑工程為例，在了解該工程外墻滲水情況的基礎(chǔ)上，深入探討外墻滲水問題的處理方法。在案例研討新模式及實施效果研究方面，劉禮沙[9]提出了“內(nèi)部自省”學(xué)習(xí)與反思—“優(yōu)質(zhì)課參照”學(xué)習(xí)與反思—“專家引領(lǐng)”學(xué)習(xí)與反思的案例研討模式。高如琴[10]通過調(diào)查問卷的方式調(diào)查了案例研討式教學(xué)在環(huán)境科學(xué)與工程概論教學(xué)中的實踐效果。

土木工程專業(yè)工程實踐性比較強，只有結(jié)合具體的工程案例授課才能使學(xué)生影響深刻，因此，作者結(jié)合自身講授的隧道工程課程，開展了案例研討教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。本文重點對隧道工程災(zāi)害的案例研討情況進行介紹。

1.隧道塌方案例研討分析

1.1塌方概況

馬鞍山隧道[11]位于諸（暨）永（嘉）高速公路金華段（東陽）第S107合同段，屬于分離式隧道。該隧道位于浙中中低山丘陵區(qū)，中間高，東西兩端低，山頂海拔高程367.08m，地形自然坡度30°～35°，植被發(fā)育。隧道設(shè)計為單向行車雙車道分離式隧道，施工圖設(shè)計樁號為：K97+412～K97+594，長182m。山坡地形及場地巖土層分布如圖1所示。

馬鞍山隧道右洞由進口向出口方向開挖至K97+585處發(fā)生塌方事故。本段隧道洞頂埋深約8m，洞頂圍巖主要為全風(fēng)化凝灰?guī)r和第四系松散覆蓋層，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，巖體破碎，呈角碎石狀，結(jié)構(gòu)松散，圍巖穩(wěn)定性差。隨著時間的推移，塌方不斷發(fā)展，向外延伸至K97+587（永嘉端），向內(nèi)延伸至K97+582（諸暨端），最終地表出現(xiàn)了一個表面直徑約為6m的漏斗狀塌陷坑（圖2）。

1.2 塌方特點及原因分析

1.2.1塌方特點分析

馬鞍山隧道右洞塌方[11]是一類特殊的隧道塌方模式，具有以下特點：①發(fā)生在隧道出洞口，上覆全風(fēng)化凝灰?guī)r和第四系覆蓋層比較厚，巖土體破碎；②該隧道塌方屬于淺埋隧道塌穿型塌方，塌方部位不僅僅發(fā)生在已開挖洞段，在掌子面前后約5m范圍內(nèi)均有坍塌；③塌方發(fā)生后，地表出現(xiàn)了漏斗狀塌陷，塌陷坑深度不均，前部淺（約0.5m），后部深（約2.8m），如圖2所示。

1.2.2 塌方影響因素分析

通過課堂研討分析，認(rèn)為馬鞍山隧道右洞出洞口塌方的主要原因有：①其特殊的工程地質(zhì)條件是決定性因素，即坡體較陡，出洞口埋深比較淺，上覆全風(fēng)化凝灰?guī)r和第四系覆蓋層較厚，且?guī)r土體破碎；②開挖后支護不夠及時，使圍巖臨空時間過長，導(dǎo)致掌子面和洞頂圍巖失穩(wěn)；③降雨是誘發(fā)因素，雨水的入滲侵蝕作用，導(dǎo)致巖土體強度降低，使隧道圍巖很不穩(wěn)定，加速了隧道塌方的發(fā)生。

2.隧道涌水涌泥案例研討分析

2.1涌水涌泥概況

雙峰隧道[12-13]位于黑龍江省鐵力市，是牡綏線全線重難點控制性工程，隧道最大埋深約 140 m，全長7237 m，其中穿越第三系砂泥巖長達2.3km。該隧道在施工過程中，曾多次發(fā)生突水突泥事故。

2012年6月28日，在雙峰隧道2號斜井工區(qū)，上臺階開挖至DK166+608，掌子面開始出現(xiàn)涌水，并隨著時間發(fā)展，掌子面上方涌水量由50m3/h逐漸增大到100m3/h左右。7月7日13：00左右，掌子面出現(xiàn)開裂，掌子面和拱部迅速涌入大量泥水混合物；14：30左右，涌入量約2000m3。至次日1：00左右，堆渣和涌泥已堵至DK466+680處，上臺階已基本涌滿，方量在5000m3左右；2：30左右，涌泥基本停止，涌水量保持在130m3/h左右[12]。

2013年9月23日，雙峰隧道 2 號斜井正洞 DK466+565拱頂處支撐鋼架折斷，并發(fā)生涌水涌泥，涌泥總量約7500m3，正洞穩(wěn)定后出水量達200m3/h[13]。

2.2涌水涌泥原因分析

隧道涌水涌泥的影響因素很多，其中，充足的水源是發(fā)生災(zāi)害的必要條件，而工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件作為主要影響因素，影響著突涌水通道的形成。通過課堂研討分析，雙峰隧道發(fā)生涌水涌泥主要有兩個方面的原因：（1）雙峰隧道位于低山丘陵區(qū)，以耕地為主，不利于大氣降水的排出（圖3a）。施工期間連續(xù)多日降雨（7、8月份占全年60%），這給隧道的涌水涌泥留下隱患。（2）雙豐隧道洞身穿越段第三系泥巖（圖3b），其含水率變化幅度較大，有機質(zhì)含量較低，具崩解性，滲透性較低，吸水率高；抗壓強度低，具弱～中等膨脹性，失水易開裂剝落，遇水軟化分解，強度急劇降低。

3.結(jié)語

土木工程是實踐性非常強的本科專業(yè)，案例研討教學(xué)具有啟發(fā)性、實踐性特點，可以鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高其決策能力和綜合素質(zhì)。本文借助兩個隧道災(zāi)害案例，研討分析了塌方、涌水涌泥的原因，同學(xué)們加深了對隧道工程災(zāi)害知識點的理解。在以后的教學(xué)中，案例研討型教學(xué)法可以嘗試在土木工程專業(yè)課程中推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]劉助忠，龔荷英.研討式教學(xué)法與其他教學(xué)法的融合實踐——基于應(yīng)用能力培養(yǎng)的管理運籌學(xué)課程教學(xué)改革實踐[J].高等教育研究，2015，（18）：227-228.

[2]郭忠興.案例教學(xué)過程優(yōu)化研究[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010，（1）：59-61.

[3]鄧輝，王沖，張志宏等.案例研討教學(xué)法在高等軍事院校力學(xué)課程中的應(yīng)用.力學(xué)與實踐，2016，38（5）：588-590

[4]邱海洋.發(fā)展經(jīng)濟學(xué)案例研討教學(xué)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，2017，（26）：171-172.

[5]張文靜，武立權(quán)，王成雨，等.案例研討型教學(xué)方式在科技論文寫作課程中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（23）：233-234.

[6]張繼彬.空心板道路橋梁病害及加固方法案例研討[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2016，（2）：101-103.

[7]倪至寬，鄭文杰，賴旭明.潛盾機在到達井外側(cè)地盤中安全棄殼之案例研討[J].隧道建設(shè)，2007，（增刊）： 387-396.

[8]夏黎峰.建筑外墻滲水問題防治的案例研討[J].門窗，2014，（8）：276.

[9]劉禮沙.在案例研討中學(xué)習(xí)與反思——一種新的案例研討模式的實踐實錄[J].中國信息技術(shù)教育，2013，（12）：136-137.

[10]高如琴，曹永，李國亭，等.案例研討式教學(xué)的應(yīng)用實踐效 果調(diào)查研究[J].2017，26（1）：72-74，79.

[11]WANG YING-chao，SHANG Yue-quan，JING Hong-wen，et al. Study on collapse mechanism at tunnel export and its prevention measure[C].The International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks，XianNing，China，2011：3572-3575.

[12]賈常志.雙豐隧道涌水涌泥的處理[J].國防交通工程與技術(shù)，2013，（6）：43-46.

[13]朱尚明，徐大臻，馬志富，等.雙豐隧道第三系砂泥巖地層涌水涌泥原因分析及處理措施[J].鐵道建筑，2017，（3）：58-61.

作者簡介：

王迎超，男，教授，主要從事巖土力學(xué)教學(xué)與研究工作。