隧道塌方、涌水涌泥災害案例研討教學研究

王迎超 靖洪文 柳志軍 王密田

【摘要】由于地下復雜的工程地質和水文地質條件，隧道施工中極易發生各種地質災害。為了使土木工程專業本科生更好的理解隧道工程災害知識點，借助2個工程案例，采用案例研討教學法對隧道塌方、涌水涌泥災害的原因進行了分析和課堂討論。該教學方法提高了學生的學習積極性和主動性，值得在土木工程專業課程中推廣應用。

【關鍵詞】案例研討 隧道工程 塌方 涌水涌泥

【基金項目】中國礦業大學力學與土木工程學院本科教學爭創一流建設項目（2017BKZD03）；力學與土木工程學院土木工程品牌專業建設項目（2017TMPP04）；教學團隊培育-校級（2017TMPP12）；2016年校精品課程項目（2016JPPY02）；中國礦業大學研究生教育教學改革研究與實踐項目（2017Y03）；力學與土木工程學院研究生教育教學改革與建設項目（LTYJ201701）。

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

引言

研討式教學是以解決問題為中心、通過由教師創設問題情境，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，目的是使學生掌握知識和技能。它包括閱讀自講式、討論式、啟發式、專題式、課題制式、案例和講授式等多種具體教學方式[1]。作為研討式教學模式的一種，案例教學是指將案例應用于教學，通過教師講授、組織學生討論、撰寫案例分析報告、教師歸納總結等過程來實現教學目的，進而提高學生理論水平和實踐能力的教學方法。案例教學法具有啟發性、實踐性，能提高學生決策能力和綜合素質[2]。

國內許多學者對案例研討教學模式進行了研究，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課為例，從案例的選取、呈現、討論、總結等階段具體介紹研討式案例教學法在高等軍事院校力學課程中的設計、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展經濟學案例研討模式，并對案例研討模式的教學效果進行了具體分析。張文靜[5]通過教師科學設置教學案例、引導學生集體討論、鼓勵學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“內部自省”學習與反思—“優質課參照”學習與反思—“專家引領”學習與反思的案例研討模式。高如琴[10]通過調查問卷的方式調查了案例研討式教學在環境科學與工程概論教學中的實踐效果。

土木工程專業工程實踐性比較強，只有結合具體的工程案例授課才能使學生影響深刻，因此，作者結合自身講授的隧道工程課程，開展了案例研討教學，取得了較好的教學效果。本文重點對隧道工程災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，中間高，東西兩端低，山頂海拔高程367.08m，地形自然坡度30°～35°，植被發育。隧道設計為單向行車雙車道分離式隧道，施工圖設計樁號為：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處發生塌方事故。本段隧道洞頂埋深約8m，洞頂圍巖主要為全風化凝灰巖和第四系松散覆蓋層，風化裂隙極發育，巖體破碎，呈角碎石狀，結構松散，圍巖穩定性差。隨著時間的推移，塌方不斷發展，向外延伸至K97+587（永嘉端），向內延伸至K97+582（諸暨端），最終地表出現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發生在隧道出洞口，上覆全風化凝灰巖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，塌方部位不僅僅發生在已開挖洞段，在掌子面前后約5m范圍內均有坍塌；③塌方發生后，地表出現了漏斗狀塌陷，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，上覆全風化凝灰巖和第四系覆蓋層較厚，且巖土體破碎；②開挖后支護不夠及時，使圍巖臨空時間過長，導致掌子面和洞頂圍巖失穩；③降雨是誘發因素，雨水的入滲侵蝕作用，導致巖土體強度降低，使隧道圍巖很不穩定，加速了隧道塌方的發生。

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，曾多次發生突水突泥事故。

2012年6月28日，在雙峰隧道2號斜井工區，上臺階開挖至DK166+608，掌子面開始出現涌水，并隨著時間發展，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，并發生涌水涌泥，涌泥總量約7500m3，正洞穩定后出水量達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，充足的水源是發生災害的必要條件，而工程地質水文地質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，以耕地為主，不利于大氣降水的排出（圖3a）。施工期間連續多日降雨（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.結語

土木工程是實踐性非常強的本科專業，案例研討教學具有啟發性、實踐性特點，可以鍛煉學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。本文借助兩個隧道災害案例，研討分析了塌方、涌水涌泥的原因，同學們加深了對隧道工程災害知識點的理解。在以后的教學中，案例研討型教學法可以嘗試在土木工程專業課程中推廣應用。

參考文獻：

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

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

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

[4]邱海洋.發展經濟學案例研討教學模式探索[J].教育教學論壇，2017，（26）：171-172.

[5]張文靜，武立權，王成雨，等.案例研討型教學方式在科技論文寫作課程中的應用[J].安徽農業科學，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].工程建設與設計，2016，（2）：101-103.

[7]倪至寬，鄭文杰，賴旭明.潛盾機在到達井外側地盤中安全棄殼之案例研討[J].隧道建設，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.在案例研討中學習與反思——一種新的案例研討模式的實踐實錄[J].中國信息技術教育，2013，（12）：136-137.

[10]高如琴，曹永，李國亭，等.案例研討式教學的應用實踐效 果調查研究[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，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，主要從事巖土力學教學與研究工作。