盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌特征分析

柳 獻(xiàn)， 孫齊昊

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092)

0 引言

我國(guó)當(dāng)前正處于城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展階段，截至2019年末，共計(jì)有53座城市6 740 km的在建線路； 預(yù)計(jì)“十四五”時(shí)期，還將有61座城市6 929 km的擬建線路[1]。在城市軌道交通建設(shè)大規(guī)模發(fā)展的同時(shí)，工程坍塌事故的頻發(fā)也引起了行業(yè)主管部門和業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是2019年，在青島、杭州、廣州、福州和長(zhǎng)沙等多地接連發(fā)生了地鐵坍塌事故。地鐵坍塌事故致災(zāi)因素多、機(jī)制復(fù)雜、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，不僅會(huì)造成工程建設(shè)的停滯，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)危及人民生命安全，帶來嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面效應(yīng)。為此，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳與國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳在2019年12月24日聯(lián)合印發(fā)緊急通知，要求各地對(duì)所有在建城市軌道交通項(xiàng)目安全隱患進(jìn)行全面徹底排查[2]。

由于地鐵坍塌事故具有突發(fā)性和隱蔽性的特點(diǎn)，當(dāng)前對(duì)相關(guān)事故的調(diào)查報(bào)道多集中在地表塌陷和人員傷亡等方面。其實(shí)，作為承載主體的隧道結(jié)構(gòu)本身，在事故過程中必然遭受損壞，甚至出現(xiàn)連續(xù)性的倒塌破壞。如2003年上海地鐵4號(hào)線工程事故中，200余環(huán)管片發(fā)生連續(xù)性倒塌[3]； 2018年佛山市軌道交通2號(hào)線一期工程“2·7”透水坍塌事故中，近600環(huán)管片被泥砂淹沒[4]。國(guó)際隧道工程中類似的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌事故也時(shí)有發(fā)生，2017年，德國(guó)萊茵河谷鐵路隧道工程發(fā)生了20余環(huán)管片連續(xù)受損破壞的事故[3]； 2019年，印度加爾各答地鐵工程發(fā)生數(shù)百環(huán)管片連續(xù)倒塌的事故[5]。

綜上所述，近年來城市軌道交通建設(shè)中隧道結(jié)構(gòu)倒塌事故頻發(fā)，當(dāng)前工程界已普遍認(rèn)識(shí)到問題的嚴(yán)重性。柳獻(xiàn)等[6]分析了隧道破壞事故的初始破壞位置、穿越地層、破壞程度等因素及其相互關(guān)系，概化提煉出事故中襯砌結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)展過程，并與隧道結(jié)構(gòu)最終的破壞程度形成對(duì)應(yīng)。鄭剛等[7]通過離散元分析，研究了隧道腰部管片局部破壞誘發(fā)盾構(gòu)隧道發(fā)生連續(xù)性破壞的機(jī)制。然而，受事發(fā)時(shí)搶險(xiǎn)和事發(fā)后現(xiàn)場(chǎng)處置等諸多限制，通常無(wú)法直接獲得事故后結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞狀態(tài)，尚未能全面清晰地描述隧道結(jié)構(gòu)倒塌的災(zāi)變過程。而由于缺乏對(duì)于事故機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí)，防控措施以管理手段為主，難以提出針對(duì)性的應(yīng)急控制措施[8]。

為了解決上述困境，本文調(diào)查搜集了大量國(guó)內(nèi)外典型盾構(gòu)隧道事故案例進(jìn)行深入分析。由于盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌尚未有成熟的理論與研究，因此本文旨在解決3個(gè)問題： 1)盾構(gòu)隧道在發(fā)生大規(guī)模倒塌時(shí)是否具有連續(xù)性倒塌的特征； 2)盾構(gòu)隧道發(fā)生連續(xù)性倒塌的定性原因是什么； 3)盾構(gòu)隧道發(fā)生連續(xù)性倒塌時(shí)，結(jié)構(gòu)以及周圍地層所經(jīng)歷的發(fā)展過程。

為了解決上述問題，有效獲得多起連續(xù)性倒塌事故案例的共同特性，避免對(duì)單個(gè)事故案例分析時(shí)的特異性，研究過程中首先采用單個(gè)案例分析的方法對(duì)盾構(gòu)隧道倒塌事故的本質(zhì)進(jìn)行分析； 在證明盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌問題的存在性后，采用事故樹分析法對(duì)隧道出現(xiàn)連續(xù)性倒塌的原因進(jìn)行定性分析； 明確盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的觸發(fā)原因后，為研究連續(xù)性倒塌觸發(fā)后隧道結(jié)構(gòu)的破壞過程，以事故樹法得到的事故原因作為初始破壞事件，采用事件樹法進(jìn)一步總結(jié)連續(xù)性倒塌的破壞事件，提出連續(xù)性倒塌的定性過程，以期為后續(xù)更進(jìn)一步的研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 典型盾構(gòu)隧道倒塌案例分析

1.1 連續(xù)性倒塌

為了明確盾構(gòu)隧道在發(fā)生大規(guī)模倒塌時(shí)是否具有連續(xù)性倒塌的特征，首先需要對(duì)連續(xù)性倒塌的定義進(jìn)行界定。連續(xù)性倒塌的概念源于地上建筑結(jié)構(gòu)事故，并已經(jīng)有了多年的研究基礎(chǔ)[9]。美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)定義連續(xù)性倒塌為： “由初始局部單元破壞擴(kuò)展到其他單元，最終導(dǎo)致大范圍甚至整體性的倒塌”[10]。基于該定義，國(guó)內(nèi)外研究者將連續(xù)性倒塌進(jìn)一步明確為具有連續(xù)性(progressive collapse)和非比例性(disproportionate collapse)2個(gè)特征的倒塌形式[9-12]。其中，連續(xù)性指的是由局部破壞引起，逐步引起單個(gè)或者多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞，并最終引發(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系破壞的事故類型，其強(qiáng)調(diào)倒塌中的破壞傳遞過程，且伴隨有內(nèi)力的傳遞和重分布；而非比例性關(guān)注最終結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)模和初始損傷規(guī)模的對(duì)比，突出初始破壞較小，而最終破壞后果嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)地上建筑連續(xù)性倒塌問題進(jìn)行了一系列研究并形成了相關(guān)規(guī)范，有效改進(jìn)了相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，提高了地上結(jié)構(gòu)的魯棒性。而盾構(gòu)隧道由于缺乏針對(duì)連續(xù)性倒塌機(jī)制的研究，在隧道的設(shè)計(jì)、施工、事故搶險(xiǎn)過程中尚未清晰認(rèn)識(shí)隧道結(jié)構(gòu)倒塌的力學(xué)機(jī)制，存在較大的隱患。因此，有必要針對(duì)盾構(gòu)隧道的連續(xù)性倒塌展開研究，在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)、施工時(shí)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域管理、搶險(xiǎn)時(shí)采用具有針對(duì)性和有效性的控制措施。將連續(xù)性倒塌的概念引入盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)倒塌事故時(shí)，可以參考地上結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的定義原則，將倒塌過程中表現(xiàn)出連續(xù)性和非比例性的事故過程歸類為盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事故。即盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在非常規(guī)荷載作用下(例如局部漏水漏砂)，由于局部破壞或者失效，不斷擴(kuò)展并最終形成和結(jié)構(gòu)初始破壞規(guī)模不成比例的破壞甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的過程。本節(jié)將通過對(duì)國(guó)內(nèi)外5起典型案例進(jìn)行分析，指出隧道倒塌過程中所表現(xiàn)出的連續(xù)性和非比例性特征，證明盾構(gòu)隧道倒塌可以歸類為連續(xù)性倒塌的范疇。

1.2 典型案例分析

1.2.1 前蘇聯(lián)圣彼得堡地鐵

1995年12月，前蘇聯(lián)圣彼得堡地鐵1號(hào)線森林站和英勇廣場(chǎng)站之間的隧道倒塌。隧道襯砌由外徑6 m的鑄鐵管片、管片內(nèi)部的鋼筋混凝土襯砌和金屬焊接的內(nèi)殼組成，金屬內(nèi)殼作為隔水層，并安裝有排水管[3]。從1975年12月31日投入運(yùn)營(yíng)直至1994年，隧道鋼板隔水層上的卸壓排水管不斷間歇性涌水涌砂，如圖 1所示。1994年11—12月，涌水量開始增大。1995年2月初，水里攜帶的泥砂含量劇烈增加，并且內(nèi)部鋼板隔水層出現(xiàn)損壞。1995年3月，下線隧道開始大量涌水涌砂。1995年3—12月，下線隧道沉降增長(zhǎng)了16 cm。最終，隧道最大沉降量達(dá)到30 cm，日涌砂量達(dá)到30 m3。1995年12月3日夜，下線隧道大量涌水，上線隧道急劇下沉，隧道發(fā)生倒塌事故。1995年12月21日，地層基本穩(wěn)定，地面最大沉降達(dá)到90 cm左右，沉降超過20 mm的變形區(qū)域沿著隧道軸線長(zhǎng)250 m，寬約220 m，總面積約45 200 m2[3]。

(a) 涌水 (b) 涌砂

從上文的分析可以看出： 圣彼得堡地鐵隧道破壞起始于局部的滲漏和防水失效，最終由局部的滲漏引發(fā)了大規(guī)模的隧道整體結(jié)構(gòu)倒塌，因此具有連續(xù)性倒塌特性。對(duì)破壞規(guī)模進(jìn)行分析可知： 大段隧道倒塌，且地表沉降超過20 mm的區(qū)域長(zhǎng)度超過250 m，相對(duì)于初始滲漏具有典型非比例性。因此，前蘇聯(lián)圣彼得堡地鐵倒塌事故可以被歸類為連續(xù)性倒塌事故。

1.2.2 上海地鐵4號(hào)線

2003年7月1日凌晨，上海地鐵4號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道在施工過程中，凍結(jié)孔出現(xiàn)流砂涌水，導(dǎo)致隧道上下行線嚴(yán)重積水，大量泥砂進(jìn)入隧道，以風(fēng)井為中心的地面開始出現(xiàn)裂縫、沉降。7月2—3日，險(xiǎn)情進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大： 隧道內(nèi)繼續(xù)大量進(jìn)水，水位上漲速度較快，約每h漲移15 m(100 L/s)，管片損壞程度進(jìn)一步擴(kuò)展，并有管片連接螺栓繃斷的響聲傳出。隨著隧道大量涌水涌砂，地面沉陷的范圍和深度進(jìn)一步擴(kuò)大，以風(fēng)井為中心的地面從沉陷漏斗發(fā)展成塌陷區(qū)，最深達(dá)4 m； 臨江大廈門口地面塌陷最深處約2 m； 董家渡路沉陷達(dá)1 m； 中山南路明顯下沉； 音像樓傾斜加劇，樓板斷裂； 文廟泵站發(fā)生突沉； 臨江大廈沉降量達(dá)12.2 mm，地下室出現(xiàn)裂縫； 河床嚴(yán)重?cái)_動(dòng)、下沉、滑移，近30 m防汛墻倒塌，近70 m防汛墻結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，黃浦江水沖入塌陷區(qū)、沖向風(fēng)井，并進(jìn)入地下隧道，加劇險(xiǎn)情發(fā)展，如圖 2所示。最后，隧道上方已完成施工的風(fēng)井下沉，切斷隧道。上行線塌陷段隧道的長(zhǎng)度約為238 m，下行線塌陷段隧道的長(zhǎng)度約為241 m[3]。

(a) 地面塌陷 (b) 文廟泵站傾斜

通過對(duì)隧道事故破壞記錄進(jìn)行整理可知： 上海地鐵4號(hào)線倒塌事故的初始破壞位置為聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔，由于初始局部破壞持續(xù)擴(kuò)展并最終導(dǎo)致隧道倒塌，是典型的由局部破壞逐步擴(kuò)展最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌的連續(xù)性倒塌。該事故最終的破壞規(guī)模(坍塌段接近240 m)與初始破壞規(guī)模(聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔失效)差異較大，具有非比例性的特征。因此，上海地鐵4號(hào)線坍塌事故可以被歸類為連續(xù)性倒塌事故。

1.2.3 中國(guó)臺(tái)灣高雄地鐵

2005年12月4日，中國(guó)臺(tái)灣高雄地鐵在位于中正一路下方的地下聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，開挖面突然出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，且采取多種措施均無(wú)法有效控制。伴隨著聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)部涌水涌砂持續(xù)發(fā)展，主隧道上行線環(huán)間出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，隧道內(nèi)部開始滲漏； 幾小時(shí)后，地面出現(xiàn)塌陷； 第2天凌晨，隧道結(jié)構(gòu)坍塌[3]。事故示意圖與現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

(a) 漏水位置 (b) 地表大規(guī)模塌陷

從事故過程記錄可以看出： 臺(tái)灣高雄地鐵初始破壞為聯(lián)絡(luò)通道流砂，最終導(dǎo)致主隧道坍塌，具有連續(xù)性倒塌特征。同時(shí)，事故初始破壞(聯(lián)絡(luò)通道流砂)與最終的破壞規(guī)模(50 m×30 m×10 m(長(zhǎng)×寬×深)的塌陷區(qū)，一段隧道廢除重建)具有明顯的非比例特性。因此，臺(tái)灣高雄地鐵倒塌事故具有連續(xù)性倒塌特點(diǎn)。

1.2.4 德國(guó)Rasttat鐵路隧道

2017年8月12日，德國(guó)萊茵河谷Rasttat鐵路線下方的盾構(gòu)隧道發(fā)生了倒塌事故。隧道在盾構(gòu)后方約40 m處已拼裝盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)中，有7塊襯砌管片發(fā)生了錯(cuò)臺(tái)，導(dǎo)致了水土涌入。事故現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。該隧道內(nèi)徑為9.5 m，外徑為10.97 m，出現(xiàn)事故處覆土厚度約為5 m。施工時(shí)，施工方從地面進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)長(zhǎng)度達(dá)290 m，作為盾構(gòu)上方的地層支護(hù)，在隧道周圍形成2 m厚凍土層。盾構(gòu)在穿越鐵軌后，由于凍結(jié)法失效，導(dǎo)致襯砌管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)移動(dòng)，水土涌入隧道內(nèi)部，引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

該事故初始破壞為局部管片錯(cuò)臺(tái)，最終導(dǎo)致大范圍結(jié)構(gòu)倒塌，具有連續(xù)性倒塌特征，且事故造成大約160 m范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)受損或倒塌，符合連續(xù)性倒塌中非比例性特點(diǎn)。因此，德國(guó)Rasttat鐵路隧道倒塌事故屬于連續(xù)性倒塌事故類型。

(a) 地面鐵軌扭曲 (b) 地面塌陷形成坑洞

1.2.5 佛山地鐵2號(hào)線

2018年2月7日18時(shí)10分，佛山地鐵2號(hào)線右線隧道905環(huán)完成掘進(jìn)，隨后進(jìn)行管片拼裝前的盾尾清理、沖洗。18時(shí)52分，右線905環(huán)第1塊管片拼裝完成，管片吊機(jī)起吊第2塊管片時(shí)，土艙壓力突然上升，盾體后部俯仰角開始增大，盾尾出現(xiàn)下沉，與此同時(shí)盾尾內(nèi)剛拼裝好的第1塊管片附近突發(fā)向上冒漿。18時(shí)53分，漿液即漫過了已安裝的第1塊管片，盾尾附近工人開始撤離迅速被漿液漫過的拼裝作業(yè)區(qū)域。18時(shí)54分，漿液完全漫過并排放置在拼裝區(qū)的其余4塊待拼裝管片表面。隨著涌水涌砂持續(xù)，20時(shí)03分，盾尾位置下沉了417.5 mm。20時(shí)36分，大約899環(huán)管片環(huán)縫120°位置涌水涌砂，同時(shí)盾尾滲漏的泥砂流明顯加大，此時(shí)盾體后部俯仰角已增加至2.7°，據(jù)推算盾尾相對(duì)停機(jī)時(shí)下沉了約463.5 mm。20時(shí)40分，隧道徹底倒塌，同時(shí)地面出現(xiàn)大面積坍塌，坍塌范圍約4 192 m2，深度為6～8 m，坍塌體方量接近2.5萬(wàn)m3[4]，如圖5所示。

(a) 泥砂涌入隧道內(nèi)部 (b) 地面塌陷

根據(jù)事故過程的記錄可以看出： 佛山地鐵2號(hào)線初始破壞為盾尾漏砂，最終導(dǎo)致大范圍地鐵襯砌結(jié)構(gòu)倒塌，符合局部破壞引發(fā)整體結(jié)構(gòu)倒塌的連續(xù)性倒塌特征。最終的破壞規(guī)模(隧道大范圍倒塌，地面坍塌面積達(dá)到4 192 m2)與初始破壞點(diǎn)(盾構(gòu)盾尾漏砂)明顯不成比例，具有連續(xù)性倒塌的非比例性。因此，佛山地鐵2號(hào)線倒塌事故屬于連續(xù)性倒塌事故。

對(duì)上述分析進(jìn)行總結(jié)可以看出： 國(guó)內(nèi)外較為重大的5起盾構(gòu)隧道倒塌事故均具有明顯的連續(xù)性和非比例性，屬于連續(xù)性倒塌事故，如表1所示。國(guó)內(nèi)外多起因?yàn)榉浅Ｒ?guī)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損的案例中雖然沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的倒塌后果，但同樣呈現(xiàn)出連續(xù)性倒塌的特征。因此，盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌可以總結(jié)為： 隧道結(jié)構(gòu)由于非常規(guī)事件誘發(fā)結(jié)構(gòu)局部破壞或者失效，進(jìn)而導(dǎo)致周邊水土荷載發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)破損不斷擴(kuò)展并最終形成和結(jié)構(gòu)初始破壞不成比例的破壞甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的過程。下面進(jìn)一步對(duì)盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的事故原因和破壞過程進(jìn)行分析。

表1 盾構(gòu)隧道倒塌事故中的非比例性

2 基于事故樹法的事故原因分析

為了從多起盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事故中抽象出共同的定性原因，本文采用事故樹分析法(fault tree analysis, FTA)對(duì)事故案例進(jìn)行綜合分析。事故樹分析法基于布爾代數(shù)和概率論[13]，以演繹的方式表示事故和事件的發(fā)生原因及其邏輯關(guān)系，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和安全性計(jì)算。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以分析事故深層原因，也是我國(guó)普遍使用的安全評(píng)價(jià)方法[14]。

事故樹分析法可以分為定性分析和定量分析2種。定性分析是不考慮基本事件發(fā)生的概率大小，僅從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂上事件的影響程度?；舅悸肥菍?duì)建立起的事故樹進(jìn)行布爾代數(shù)運(yùn)算，求出最小割集、最小徑集，在這2個(gè)集合的基礎(chǔ)上，對(duì)各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行分析。以結(jié)構(gòu)重要度表明對(duì)事故影響最大的基本事件(原因)。例如： 王長(zhǎng)申等[14]通過區(qū)分煤礦突水事故危險(xiǎn)來源建立了煤礦突水事故樹模型，進(jìn)一步提出了基于事故樹方法的煤礦突水危險(xiǎn)性專項(xiàng)評(píng)價(jià)方法，并以楊莊礦為例建立事故樹模型，定性分析了防止煤礦突水事故發(fā)生的有效途徑。而定量分析則是在所需的各個(gè)基本事件的概率都能精確估計(jì)的前提下，通過事故樹結(jié)構(gòu)函數(shù)等算法計(jì)算出事件鏈的精確概率。例如： 邊亦海等[13]提出了模糊事故樹方法，得出深基坑工程SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)的模糊失效概率，并進(jìn)行了敏感性分析，找出對(duì)頂上事件發(fā)生概率影響較大的基本事件，確認(rèn)減小SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生事故的相關(guān)措施； 張小平等[15]建造了排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的事故樹，通過將專家調(diào)查的失事基坑工程統(tǒng)計(jì)頻率與級(jí)差概率相結(jié)合的方法來確定底事件的概率，進(jìn)行了頂事件概率的計(jì)算。

針對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌的事故案例而言，其相關(guān)因素很多，包括設(shè)計(jì)因素、管理因素、施工因素甚至社會(huì)因素等。本文在研究的過程中主要關(guān)注其力學(xué)機(jī)制，因此，基于搜集整理的盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌案例，采用定性事故樹分析的方法，從力學(xué)機(jī)制的角度對(duì)倒塌事故的原因進(jìn)行了分析。

2.1 盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事故樹

本文研究的是盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌問題，因此以連續(xù)性倒塌作為頂上事件(T)。根據(jù)鄭剛等[7, 16-17]的研究，在連續(xù)性倒塌的過程中涉及到隧道破壞沿著縱向的傳播。因此，要產(chǎn)生連續(xù)性倒塌，需要中間事件環(huán)內(nèi)失穩(wěn)(M1)與環(huán)間破壞(M2)均發(fā)生。

針對(duì)環(huán)內(nèi)失穩(wěn)問題，根據(jù)柳獻(xiàn)等[18-22]針對(duì)不同拼裝方式和設(shè)計(jì)構(gòu)造下的盾構(gòu)隧道環(huán)內(nèi)承載能力的足尺試驗(yàn)研究可知，環(huán)內(nèi)失穩(wěn)的原因在于襯砌環(huán)內(nèi)多處形成塑性鉸。根據(jù)塑性鉸形成的位置，可以將環(huán)內(nèi)失穩(wěn)的原因歸結(jié)為管片形成塑性鉸(M3)和縱縫形成塑性鉸(M4)2種中間事件。管片塑性鉸的形成來源于管片混凝土壓碎(X1)和管片鋼筋屈服(X2)2個(gè)基本事件?？v縫塑性鉸的形成來源于縱縫混凝土壓碎(X3)和縱縫螺栓屈服(X4)2個(gè)基本事件。

針對(duì)環(huán)間破壞問題，考慮到環(huán)間承載力主要來源于環(huán)縫混凝土和環(huán)縫螺栓2部分。因此，環(huán)間破壞的原因包含環(huán)縫螺栓屈服或剪斷(M5)和環(huán)縫破損(M6)2個(gè)中間事件。而造成上述中間事件的基本事件可能是在周邊水土流失的情況下隧道沿著縱向發(fā)生彎曲變形導(dǎo)致環(huán)縫張開或壓緊(X5)，隧道在縱向發(fā)生剪切變形引起的環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)(X6)這2種基本事件。

根據(jù)上述分析，可以繪制出盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的事故樹如圖6所示。要分析盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的事故原因，需要從圖中X1～X6這6個(gè)基本事件入手。通過搜集案例以及已有研究的分析，環(huán)內(nèi)管片混凝土壓碎、縱縫壓碎等事件的發(fā)生主要來源于周圍水土的流失，如水土流動(dòng)引發(fā)的側(cè)向卸載等。在事故發(fā)生時(shí)，周圍水土流失原因均可以歸結(jié)為隧道滲漏水。環(huán)間破壞的原因是隧道在周邊水土流失的情況下隧道沿著縱向發(fā)生彎曲變形或者剪切變形，原因同樣是滲漏水。因此，盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的原因與滲漏水有密不可分的聯(lián)系，下文對(duì)滲漏水進(jìn)行事故樹分析。

圖6 盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事故樹

2.2 盾構(gòu)隧道滲漏水引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞事故樹分析

根據(jù)搜集所得的20余起滲漏水引發(fā)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)破壞的事故案例，滲漏水(頂上事件，T)的位置可能是盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞時(shí)洞門滲漏(M1)、掘進(jìn)過程中盾構(gòu)滲漏(M2)和聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)滲漏(M3)這3種中間事件。繪制出盾構(gòu)隧道滲漏水事故樹如圖7所示。

根據(jù)案例分析結(jié)果，引發(fā)洞門滲漏需要同時(shí)具備2方面的因素，首先地層條件較差，一般以承壓富水砂層居多(X1)，其次洞門的密封措施失效(M4)。而洞門密封措施失效往往在3個(gè)因素的同時(shí)作用下才會(huì)出現(xiàn)： 周圍土體加固效果不理想(M6)，洞門施工質(zhì)量有問題(X3)，盾構(gòu)進(jìn)出洞姿態(tài)不準(zhǔn)確(M7)。其中，土體加固效果不理想可能有多重原因，比如凍結(jié)失效或者發(fā)生凍融沉降(X2)，周圍加固措施如注漿等不足(X4)。盾構(gòu)進(jìn)出洞姿態(tài)不準(zhǔn)確可能是盾構(gòu)在進(jìn)出洞掘進(jìn)過程中發(fā)生沉降(X5)、開挖面支護(hù)壓力不足(X6)或者盾構(gòu)操作失誤(X7)。

圖7 盾構(gòu)隧道滲漏水事故樹

盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中發(fā)生滲漏同樣需要具備2個(gè)條件： 地層條件差(X1)，盾構(gòu)或者管片密封失效(M5)。其中，盾構(gòu)滲漏(M8)根據(jù)其漏點(diǎn)的位置不同，可以分為盾構(gòu)前段支護(hù)壓力不足導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)滲漏(X6)、盾構(gòu)密封部件如盾尾密封刷失效或者鉸接處漏水(X8)。管片滲漏(M9)可以根據(jù)嚴(yán)重程度分為管片錯(cuò)臺(tái)(M10)和管片徹底脫落(M11)2種情況。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中發(fā)生管片錯(cuò)臺(tái)往往是因?yàn)槎軜?gòu)沉降(X5)導(dǎo)致，但是同時(shí)需要滿足下臥地層軟弱(X9)。拼裝管片脫落是極端情況，在國(guó)外地鐵如德國(guó)和埃及開羅地鐵均有出現(xiàn)，主要原因可以分為盾構(gòu)沉降過大(X5)、盾構(gòu)操作失誤(X7)、注漿壓力過大(X10)3種。

聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲漏的案例原因相對(duì)單一，因?yàn)槎軜?gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工大多采用凍結(jié)法。產(chǎn)生滲漏一般均需要滿足地層因素(X1)和凍結(jié)法失效或凍融沉降(X2)。

2.3 滲漏事故樹計(jì)算分析

最小割集表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度，每個(gè)最小割集實(shí)際上均代表了頂上事件的一種可能發(fā)生的渠道，因此最小割集的數(shù)量越大則越危險(xiǎn)。本文選取布爾代數(shù)法進(jìn)行最小割集的計(jì)算。

由圖7可以計(jì)算給出滲漏事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)：

T=M1+M2+M3=X1M4+X1M5+X1X2=X1(M6X3M7)+X1(M8+M9)+X1X2=X1[(X2+X4)X3(X5+X6+X7)]+X1(X6+X8+X5X9+X5+X7+X10)+X1X2。

對(duì)上式進(jìn)行邏輯簡(jiǎn)化后可以求得最小割集共有6個(gè)，分別是：

K1={X1,X10}，X1為承壓富水砂層，X10為注漿壓力過大。

K2={X1,X2}，X1為承壓富水砂層，X2為凍結(jié)失效或凍融沉降。

K3={X1,X5}，X1為承壓富水砂層，X5為盾構(gòu)沉降。

K4={X1,X6}，X1為承壓富水砂層，X6為開挖面支護(hù)壓力不足。

K5={X1,X7}，X1為承壓富水砂層，X7為盾構(gòu)操作失誤。

K6={X1,X8}，X1為承壓富水砂層，X8為盾構(gòu)密封部件失效。

進(jìn)一步對(duì)事故樹進(jìn)行處理，可以計(jì)算得出事故樹的最小徑集，最小徑集代表預(yù)防頂上事件所發(fā)生的途徑。求得共有2個(gè)最小徑集，也就是控制途徑有2個(gè)：

1)P1={X1}，X1為承壓富水砂層。

2)P2={X2,X5,X6,X7,X8,X10}，X2為凍結(jié)失效或凍融沉降，X5為盾構(gòu)沉降，X6為開挖面支護(hù)壓力不足，X7為盾構(gòu)操作失誤，X8為盾構(gòu)密封部件失效，X10為注漿壓力過大。

進(jìn)一步對(duì)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行定性分析，可以得出如下的結(jié)構(gòu)重要度程度排序：

I(X1)>I(X10)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X2)>I(X3)=I(X4)=I(X9)。

因此可以看出： 引發(fā)滲漏風(fēng)險(xiǎn)最大的因素來源于地層，其次分別是注漿壓力過大、凍結(jié)失效或凍融沉降、盾構(gòu)沉降、開挖面支護(hù)壓力不足、盾構(gòu)操作失誤、盾構(gòu)密封部件失效。

綜上，通過對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析，可以看出引發(fā)盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的主要原因是襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水，即隧道周圍土體流動(dòng)。而進(jìn)一步對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)滲漏的原因分析表明，特定地層條件是發(fā)生滲漏水的關(guān)鍵因素。因此，盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌往往是由于位于承壓富水砂層中的隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水的結(jié)果。

3 基于事件樹法的倒塌過程分析

盾構(gòu)隧道發(fā)生連續(xù)性倒塌時(shí)，結(jié)構(gòu)以及周圍地層所經(jīng)歷的發(fā)展過程對(duì)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)搶險(xiǎn)措施的制定、原始設(shè)計(jì)的優(yōu)化均有重要意義。上文通過事故樹分析法指出： 引發(fā)隧道連續(xù)性倒塌的主要原因是襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水。但是盾構(gòu)隧道在出現(xiàn)滲漏水或涌水涌砂后，如何逐步發(fā)展成為連續(xù)性倒塌的過程尚不明確。因此，本節(jié)以隧道涌水涌砂作為初始破壞事件，進(jìn)一步分析后續(xù)的倒塌發(fā)展過程。

3.1 事件樹法

盾構(gòu)隧道在發(fā)生連續(xù)性倒塌事故時(shí)，由于險(xiǎn)情緊急等因素，單個(gè)事故案例中記錄的結(jié)構(gòu)破壞過程往往會(huì)出現(xiàn)環(huán)節(jié)缺失、信息不全等問題，因此有必要采用一種科學(xué)分析方法對(duì)多個(gè)事故案例中的結(jié)構(gòu)破壞過程進(jìn)行綜合分析。

事件樹法(event tree analysis, ETA)是一種從因到果的歸納方法[23]，其使用圖形表示某些激發(fā)事件可能導(dǎo)致的許多事件鏈，用來追蹤事情的破壞路徑。事件樹法是一種風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，可以被用于分析事件所引發(fā)的所有事故鏈的發(fā)生概率。但是，盾構(gòu)隧道事故概率分析多數(shù)時(shí)候仍需要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，由于盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌方面的研究尚處于起步階段，因此本文不對(duì)破壞鏈條的概率進(jìn)行分析，而是借助于事件樹簡(jiǎn)潔清晰的特點(diǎn)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的連續(xù)性倒塌事故破壞過程進(jìn)行總結(jié)分析。

3.2 事件樹法分析

本文搜集了國(guó)內(nèi)外發(fā)生的多起盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)破壞事故，對(duì)其中具有詳細(xì)事故發(fā)生過程記錄的事故案例破壞過程進(jìn)行匯總和總結(jié)[6]。以事件作為基本單位(如環(huán)縫滲漏、螺栓斷裂均視為一個(gè)獨(dú)立事件)，根據(jù)事故報(bào)告中的發(fā)生過程記錄匯總得到事件樹，如圖 8所示，每條事故鏈條均為一個(gè)事故案例中記錄的破壞過程。通過對(duì)多起事故過程進(jìn)行總結(jié)，可以得出定性的盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌規(guī)律。

圖8中選取初始破壞的發(fā)生位置作為分類依據(jù)，將盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)破壞事故劃分為隧道端部破壞、聯(lián)絡(luò)通道破壞、隧道中段破壞3類。在每類中再根據(jù)事故記錄的初始破壞事件作為事件樹的起點(diǎn)，對(duì)事故發(fā)生過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)事件進(jìn)行排列，相同事件鏈的案例進(jìn)行合并。

根據(jù)案例的總結(jié)可以看出，盾構(gòu)隧道在破壞的過程中往往經(jīng)歷了初始破壞事件(四級(jí)事件)—環(huán)間響應(yīng)(二級(jí)事件)—環(huán)內(nèi)響應(yīng)(三級(jí)事件)—倒塌(四級(jí)事件)。

隧道端部初始破壞事件包括盾構(gòu)沉降和盾構(gòu)進(jìn)出工作井時(shí)洞門涌水涌砂。聯(lián)絡(luò)通道初始破壞事件包括聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)孔/探孔、聯(lián)絡(luò)通道開挖面和主隧道在施工聯(lián)絡(luò)通道前探孔位置涌水涌砂。隧道中段初始破壞事件包括已經(jīng)拼裝的管片發(fā)生脫落/錯(cuò)臺(tái)引發(fā)砂土進(jìn)入隧道內(nèi)部，以及盾構(gòu)機(jī)身出現(xiàn)漏水漏砂?？梢钥闯觯跏计茐氖录c隧道內(nèi)部涌水涌砂有密切關(guān)系。

發(fā)生初始破壞事件后，受賦存環(huán)境變化或工程施工等因素影響，隧道結(jié)構(gòu)局部失效或破壞，周邊土體滲流侵蝕，結(jié)構(gòu)變形緩慢增長(zhǎng)，但隧道結(jié)構(gòu)在該過程中尚處于彈性變形階段，沒有嚴(yán)重?fù)p傷出現(xiàn)。但是由于出現(xiàn)滲漏情況，周圍土體逐漸向隧道內(nèi)部流動(dòng)，周圍土體開始出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象。如果能有效堵漏，結(jié)構(gòu)與土體承載能力均處于尚能恢復(fù)的階段，仍能滿足安全性與使用性需求。

在出現(xiàn)初始破壞事件以后，當(dāng)結(jié)構(gòu)局部破壞發(fā)展積累到一定程度，周邊土體加速流失，荷載和約束條件改變，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯病害。根據(jù)現(xiàn)有的案例記錄，緊隨初始破壞事件后的二級(jí)事件往往是隧道環(huán)間出現(xiàn)響應(yīng)，表現(xiàn)為環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)、破損和滲漏水。

伴隨著環(huán)間破損的發(fā)展，隧道內(nèi)部涌水涌砂加速，周圍土體環(huán)境進(jìn)一步改變，隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)入三級(jí)事件——環(huán)內(nèi)響應(yīng)。在這個(gè)過程中，隧道結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)大變形、縱縫發(fā)生張開和破損。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形發(fā)展到一定程度時(shí)，隧道管片破損，縱縫螺栓拉斷，隧道進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。需要指出的是： 在該過程中，隧道結(jié)構(gòu)的變形破損與周圍土體的流失相互耦合，隧道結(jié)構(gòu)的破損加劇了周圍土體的流失，而周圍土體以涌水涌砂的形式進(jìn)入隧道，改變了隧道周圍的荷載分布和邊界條件，又將會(huì)進(jìn)一步加快隧道的變形和破損發(fā)展。二者相互耦合，大大加速了隧道結(jié)構(gòu)的倒塌進(jìn)程。

圖8 盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事件樹

柳獻(xiàn)等[18-22]進(jìn)行了一系列的足尺整環(huán)試驗(yàn)研究，明確了不同拼裝方式和設(shè)計(jì)構(gòu)造下的盾構(gòu)隧道環(huán)內(nèi)極限承載能力與破壞模式，試驗(yàn)指出： 當(dāng)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在縱縫位置處出現(xiàn)混凝土壓碎或縱縫螺栓受拉屈服、管片本體中出現(xiàn)鋼筋受拉屈服或混凝土壓碎等情況時(shí)，襯砌環(huán)內(nèi)會(huì)形成塑性鉸。當(dāng)環(huán)內(nèi)形成足夠塑性鉸時(shí)，隧道會(huì)因?yàn)榄h(huán)內(nèi)失穩(wěn)而倒塌。因此，在三級(jí)事件(環(huán)內(nèi)響應(yīng))發(fā)展到環(huán)內(nèi)失穩(wěn)時(shí)，就會(huì)誘發(fā)四級(jí)事件(隧道倒塌)發(fā)生。一旦隧道單環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)環(huán)內(nèi)失穩(wěn)倒塌，將會(huì)導(dǎo)致周邊水土涌入隧道內(nèi)部，相鄰隧道襯砌環(huán)周圍約束條件被徹底破壞，引發(fā)隧道連續(xù)性倒塌事故。

綜上，盾構(gòu)隧道在出現(xiàn)初始破壞事件后，往往經(jīng)歷了環(huán)間破壞，加速水土侵入隧道內(nèi)部，誘發(fā)環(huán)內(nèi)發(fā)生破壞，最終因?yàn)榄h(huán)內(nèi)失穩(wěn)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)倒塌，并造成連續(xù)性倒塌。因此，隧道結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過程是隧道周邊土體流動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形的耦合作用過程，期間周邊土體經(jīng)歷了侵蝕、水土流失和泥砂突涌等過程，結(jié)構(gòu)從彈性變形、穩(wěn)定的彈塑性變形、失穩(wěn)直至倒塌； 在盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的過程中帶有典型的材料非線性、接觸非線性、幾何非線性以及動(dòng)力效應(yīng)，屬流固耦合動(dòng)力學(xué)問題[6]。

4 結(jié)論與建議

針對(duì)盾構(gòu)隧道在施工過程中出現(xiàn)局部破壞引發(fā)連續(xù)性倒塌造成大范圍損失的問題，本文首先從事故案例分析入手，通過國(guó)內(nèi)外5起典型盾構(gòu)隧道事故案例的分析，指明盾構(gòu)隧道倒塌過程中存在連續(xù)性倒塌問題。進(jìn)一步借助于事故樹法和事件樹法對(duì)事故案例的原因和機(jī)制進(jìn)行了統(tǒng)一的分析，跳出了單一事故分析的局限性，主要得出了以下結(jié)論：

1)基于5起國(guó)內(nèi)外重大盾構(gòu)隧道倒塌事故案例分析，指明盾構(gòu)隧道在倒塌過程中具有非比例性和連續(xù)性的特征，證明盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌問題的存在性。指明盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌是隧道結(jié)構(gòu)由于非常規(guī)事件誘發(fā)結(jié)構(gòu)局部破壞或者失效，進(jìn)而導(dǎo)致周邊水土荷載發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)破損不斷擴(kuò)展并最終形成和結(jié)構(gòu)初始破壞不成比例的破壞甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的過程。

2)基于多起事故案例和相關(guān)試驗(yàn)研究，建立了盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事故樹，通過事故樹分析，指出盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌的起因與其周邊土體的流動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系。進(jìn)一步分析指出，盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌往往是位于特定地層條件下的襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水的結(jié)果。

3)基于多起事故案例的詳細(xì)事故發(fā)生過程記錄建立了盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌事件樹，通過事件樹分析指明，盾構(gòu)隧道連續(xù)性倒塌過程包括初始局部破壞(初始事件)、環(huán)縫破壞(二級(jí)事件)、環(huán)內(nèi)失穩(wěn)破壞(三級(jí)事件)以及隧道結(jié)構(gòu)倒塌(四級(jí)事件)，屬于流固耦合動(dòng)力學(xué)問題。

鑒于問題本身的復(fù)雜性，當(dāng)前對(duì)隧道結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌形成機(jī)制和演化機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍顯不足，還缺少有效的分析方法和防控對(duì)策。為此，有必要開展針對(duì)性的研究，重現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的破壞過程，探明結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的形成條件與破壞機(jī)制，并建立適合于結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌全過程模擬的分析方法和提出針對(duì)性的防護(hù)對(duì)策，為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)。