盾構隧道連續性倒塌特征分析

柳 獻， 孫齊昊

(同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092)

0 引言

我國當前正處于城市軌道交通建設的高速發展階段，截至2019年末，共計有53座城市6 740 km的在建線路； 預計“十四五”時期，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大規模發展的同時，工程坍塌事故的頻發也引起了行業主管部門和業界的廣泛關注，尤其是2019年，在青島、杭州、廣州、福州和長沙等多地接連發生了地鐵坍塌事故。地鐵坍塌事故致災因素多、機制復雜、突發性強、破壞力大，不僅會造成工程建設的停滯，產生巨大的經濟損失，還會危及人民生命安全，帶來嚴重的社會負面效應。為此，住房和城鄉建設部辦公廳與國家發展改革委辦公廳在2019年12月24日聯合印發緊急通知，要求各地對所有在建城市軌道交通項目安全隱患進行全面徹底排查[2]。

由于地鐵坍塌事故具有突發性和隱蔽性的特點，當前對相關事故的調查報道多集中在地表塌陷和人員傷亡等方面。其實，作為承載主體的隧道結構本身，在事故過程中必然遭受損壞，甚至出現連續性的倒塌破壞。如2003年上海地鐵4號線工程事故中，200余環管片發生連續性倒塌[3]； 2018年佛山市軌道交通2號線一期工程“2·7”透水坍塌事故中，近600環管片被泥砂淹沒[4]。國際隧道工程中類似的結構連續倒塌事故也時有發生，2017年，德國萊茵河谷鐵路隧道工程發生了20余環管片連續受損破壞的事故[3]； 2019年，印度加爾各答地鐵工程發生數百環管片連續倒塌的事故[5]。

綜上所述，近年來城市軌道交通建設中隧道結構倒塌事故頻發，當前工程界已普遍認識到問題的嚴重性。柳獻等[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系，概化提煉出事故中襯砌結構的破壞發展過程，并與隧道結構最終的破壞程度形成對應。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盾構隧道發生連續性破壞的機制。然而，受事發時搶險和事發后現場處置等諸多限制，通常無法直接獲得事故后結構的實際破壞狀態，尚未能全面清晰地描述隧道結構倒塌的災變過程。而由于缺乏對于事故機制的深刻認識，防控措施以管理手段為主，難以提出針對性的應急控制措施[8]。

為了解決上述困境，本文調查搜集了大量國內外典型盾構隧道事故案例進行深入分析。由于盾構隧道連續性倒塌尚未有成熟的理論與研究，因此本文旨在解決3個問題： 1)盾構隧道在發生大規模倒塌時是否具有連續性倒塌的特征； 2)盾構隧道發生連續性倒塌的定性原因是什么； 3)盾構隧道發生連續性倒塌時，結構以及周圍地層所經歷的發展過程。

為了解決上述問題，有效獲得多起連續性倒塌事故案例的共同特性，避免對單個事故案例分析時的特異性，研究過程中首先采用單個案例分析的方法對盾構隧道倒塌事故的本質進行分析； 在證明盾構隧道連續性倒塌問題的存在性后，采用事故樹分析法對隧道出現連續性倒塌的原因進行定性分析； 明確盾構隧道連續性倒塌的觸發原因后，為研究連續性倒塌觸發后隧道結構的破壞過程，以事故樹法得到的事故原因作為初始破壞事件，采用事件樹法進一步總結連續性倒塌的破壞事件，提出連續性倒塌的定性過程，以期為后續更進一步的研究提供指導和依據。

1 典型盾構隧道倒塌案例分析

1.1 連續性倒塌

為了明確盾構隧道在發生大規模倒塌時是否具有連續性倒塌的特征，首先需要對連續性倒塌的定義進行界定。連續性倒塌的概念源于地上建筑結構事故，并已經有了多年的研究基礎[9]。美國土木工程師學會定義連續性倒塌為： “由初始局部單元破壞擴展到其他單元，最終導致大范圍甚至整體性的倒塌”[10]?；谠摱x，國內外研究者將連續性倒塌進一步明確為具有連續性(progressive collapse)和非比例性(disproportionate collapse)2個特征的倒塌形式[9-12]。其中，連續性指的是由局部破壞引起，逐步引起單個或者多個結構構件破壞，并最終引發整個結構體系破壞的事故類型，其強調倒塌中的破壞傳遞過程，且伴隨有內力的傳遞和重分布；而非比例性關注最終結構的破壞規模和初始損傷規模的對比，突出初始破壞較小，而最終破壞后果嚴重。

國內外針對地上建筑連續性倒塌問題進行了一系列研究并形成了相關規范，有效改進了相關建筑結構的設計思想，提高了地上結構的魯棒性。而盾構隧道由于缺乏針對連續性倒塌機制的研究，在隧道的設計、施工、事故搶險過程中尚未清晰認識隧道結構倒塌的力學機制，存在較大的隱患。因此，有必要針對盾構隧道的連續性倒塌展開研究，在設計時強化結構薄弱環節、施工時加強風險區域管理、搶險時采用具有針對性和有效性的控制措施。將連續性倒塌的概念引入盾構隧道結構倒塌事故時，可以參考地上結構連續性倒塌的定義原則，將倒塌過程中表現出連續性和非比例性的事故過程歸類為盾構隧道連續性倒塌事故。即盾構隧道結構在非常規荷載作用下(例如局部漏水漏砂)，由于局部破壞或者失效，不斷擴展并最終形成和結構初始破壞規模不成比例的破壞甚至導致結構倒塌的過程。本節將通過對國內外5起典型案例進行分析，指出隧道倒塌過程中所表現出的連續性和非比例性特征，證明盾構隧道倒塌可以歸類為連續性倒塌的范疇。

1.2 典型案例分析

1.2.1 前蘇聯圣彼得堡地鐵

1995年12月，前蘇聯圣彼得堡地鐵1號線森林站和英勇廣場站之間的隧道倒塌。隧道襯砌由外徑6 m的鑄鐵管片、管片內部的鋼筋混凝土襯砌和金屬焊接的內殼組成，金屬內殼作為隔水層，并安裝有排水管[3]。從1975年12月31日投入運營直至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，并且內部鋼板隔水層出現損壞。1995年3月，下線隧道開始大量涌水涌砂。1995年3—12月，下線隧道沉降增長了16 cm。最終，隧道最大沉降量達到30 cm，日涌砂量達到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，隧道發生倒塌事故。1995年12月21日，地層基本穩定，地面最大沉降達到90 cm左右，沉降超過20 mm的變形區域沿著隧道軸線長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了大規模的隧道整體結構倒塌，因此具有連續性倒塌特性。對破壞規模進行分析可知： 大段隧道倒塌，且地表沉降超過20 mm的區域長度超過250 m，相對于初始滲漏具有典型非比例性。因此，前蘇聯圣彼得堡地鐵倒塌事故可以被歸類為連續性倒塌事故。

1.2.2 上海地鐵4號線

2003年7月1日凌晨，上海地鐵4號線聯絡通道在施工過程中，凍結孔出現流砂涌水，導致隧道上下行線嚴重積水，大量泥砂進入隧道，以風井為中心的地面開始出現裂縫、沉降。7月2—3日，險情進一步發展和擴大： 隧道內繼續大量進水，水位上漲速度較快，約每h漲移15 m(100 L/s)，管片損壞程度進一步擴展，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一步擴大，以風井為中心的地面從沉陷漏斗發展成塌陷區，最深達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； 文廟泵站發生突沉； 臨江大廈沉降量達12.2 mm，地下室出現裂縫； 河床嚴重擾動、下沉、滑移，近30 m防汛墻倒塌，近70 m防汛墻結構嚴重破壞，黃浦江水沖入塌陷區、沖向風井，并進入地下隧道，加劇險情發展，如圖 2所示。最后，隧道上方已完成施工的風井下沉，切斷隧道。上行線塌陷段隧道的長度約為238 m，下行線塌陷段隧道的長度約為241 m[3]。

(a) 地面塌陷 (b) 文廟泵站傾斜

通過對隧道事故破壞記錄進行整理可知： 上海地鐵4號線倒塌事故的初始破壞位置為聯絡通道凍結孔，由于初始局部破壞持續擴展并最終導致隧道倒塌，是典型的由局部破壞逐步擴展最終導致整體結構倒塌的連續性倒塌。該事故最終的破壞規模(坍塌段接近240 m)與初始破壞規模(聯絡通道凍結孔失效)差異較大，具有非比例性的特征。因此，上海地鐵4號線坍塌事故可以被歸類為連續性倒塌事故。

1.2.3 中國臺灣高雄地鐵

2005年12月4日，中國臺灣高雄地鐵在位于中正一路下方的地下聯絡通道施工過程中，開挖面突然出現流砂現象，且采取多種措施均無法有效控制。伴隨著聯絡通道內部涌水涌砂持續發展，主隧道上行線環間出現錯臺，隧道內部開始滲漏； 幾小時后，地面出現塌陷； 第2天凌晨，隧道結構坍塌[3]。事故示意圖與現場照片如圖3所示。

(a) 漏水位置 (b) 地表大規模塌陷

從事故過程記錄可以看出： 臺灣高雄地鐵初始破壞為聯絡通道流砂，最終導致主隧道坍塌，具有連續性倒塌特征。同時，事故初始破壞(聯絡通道流砂)與最終的破壞規模(50 m×30 m×10 m(長×寬×深)的塌陷區，一段隧道廢除重建)具有明顯的非比例特性。因此，臺灣高雄地鐵倒塌事故具有連續性倒塌特點。

1.2.4 德國Rasttat鐵路隧道

2017年8月12日，德國萊茵河谷Rasttat鐵路線下方的盾構隧道發生了倒塌事故。隧道在盾構后方約40 m處已拼裝盾構襯砌結構中，有7塊襯砌管片發生了錯臺，導致了水土涌入。事故現場如圖4所示。該隧道內徑為9.5 m，外徑為10.97 m，出現事故處覆土厚度約為5 m。施工時，施工方從地面進行凍結，凍結長度達290 m，作為盾構上方的地層支護，在隧道周圍形成2 m厚凍土層。盾構在穿越鐵軌后，由于凍結法失效，導致襯砌管片發生錯臺移動，水土涌入隧道內部，引發襯砌結構失穩倒塌。

該事故初始破壞為局部管片錯臺，最終導致大范圍結構倒塌，具有連續性倒塌特征，且事故造成大約160 m范圍內襯砌結構受損或倒塌，符合連續性倒塌中非比例性特點。因此，德國Rasttat鐵路隧道倒塌事故屬于連續性倒塌事故類型。

(a) 地面鐵軌扭曲 (b) 地面塌陷形成坑洞

1.2.5 佛山地鐵2號線

2018年2月7日18時10分，佛山地鐵2號線右線隧道905環完成掘進，隨后進行管片拼裝前的盾尾清理、沖洗。18時52分，右線905環第1塊管片拼裝完成，管片吊機起吊第2塊管片時，土艙壓力突然上升，盾體后部俯仰角開始增大，盾尾出現下沉，與此同時盾尾內剛拼裝好的第1塊管片附近突發向上冒漿。18時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區域。18時54分，漿液完全漫過并排放置在拼裝區的其余4塊待拼裝管片表面。隨著涌水涌砂持續，20時03分，盾尾位置下沉了417.5 mm。20時36分，大約899環管片環縫120°位置涌水涌砂，同時盾尾滲漏的泥砂流明顯加大，此時盾體后部俯仰角已增加至2.7°，據推算盾尾相對停機時下沉了約463.5 mm。20時40分，隧道徹底倒塌，同時地面出現大面積坍塌，坍塌范圍約4 192 m2，深度為6～8 m，坍塌體方量接近2.5萬m3[4]，如圖5所示。

(a) 泥砂涌入隧道內部 (b) 地面塌陷

根據事故過程的記錄可以看出： 佛山地鐵2號線初始破壞為盾尾漏砂，最終導致大范圍地鐵襯砌結構倒塌，符合局部破壞引發整體結構倒塌的連續性倒塌特征。最終的破壞規模(隧道大范圍倒塌，地面坍塌面積達到4 192 m2)與初始破壞點(盾構盾尾漏砂)明顯不成比例，具有連續性倒塌的非比例性。因此，佛山地鐵2號線倒塌事故屬于連續性倒塌事故。

對上述分析進行總結可以看出： 國內外較為重大的5起盾構隧道倒塌事故均具有明顯的連續性和非比例性，屬于連續性倒塌事故，如表1所示。國內外多起因為非常規荷載導致結構破損的案例中雖然沒有出現嚴重的倒塌后果，但同樣呈現出連續性倒塌的特征。因此，盾構隧道連續性倒塌可以總結為： 隧道結構由于非常規事件誘發結構局部破壞或者失效，進而導致周邊水土荷載發生改變，結構破損不斷擴展并最終形成和結構初始破壞不成比例的破壞甚至導致結構倒塌的過程。下面進一步對盾構隧道連續性倒塌的事故原因和破壞過程進行分析。

表1 盾構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

為了從多起盾構隧道連續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)對事故案例進行綜合分析。事故樹分析法基于布爾代數和概率論[13]，以演繹的方式表示事故和事件的發生原因及其邏輯關系，被廣泛應用于復雜系統的可靠性和安全性計算。其最大優點是可以分析事故深層原因，也是我國普遍使用的安全評價方法[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生的概率大小，僅從事故樹結構上分析各基本事件的發生對頂上事件的影響程度?；舅悸肥菍⑵鸬氖鹿蕵溥M行布爾代數運算，求出最小割集、最小徑集，在這2個集合的基礎上，對各基本事件的結構重要度進行分析。以結構重要度表明對事故影響最大的基本事件(原因)。例如： 王長申等[14]通過區分煤礦突水事故危險來源建立了煤礦突水事故樹模型，進一步提出了基于事故樹方法的煤礦突水危險性專項評價方法，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生的有效途徑。而定量分析則是在所需的各個基本事件的概率都能精確估計的前提下，通過事故樹結構函數等算法計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工法支護結構的模糊失效概率，并進行了敏感性分析，找出對頂上事件發生概率影響較大的基本事件，確認減小SMW工法支護結構發生事故的相關措施； 張小平等[15]建造了排樁支護結構體系的事故樹，通過將專家調查的失事基坑工程統計頻率與級差概率相結合的方法來確定底事件的概率，進行了頂事件概率的計算。

針對盾構隧道結構破壞甚至倒塌的事故案例而言，其相關因素很多，包括設計因素、管理因素、施工因素甚至社會因素等。本文在研究的過程中主要關注其力學機制，因此，基于搜集整理的盾構隧道連續性倒塌案例，采用定性事故樹分析的方法，從力學機制的角度對倒塌事故的原因進行了分析。

2.1 盾構隧道連續性倒塌事故樹

本文研究的是盾構隧道連續性倒塌問題，因此以連續性倒塌作為頂上事件(T)。根據鄭剛等[7, 16-17]的研究，在連續性倒塌的過程中涉及到隧道破壞沿著縱向的傳播。因此，要產生連續性倒塌，需要中間事件環內失穩(M1)與環間破壞(M2)均發生。

針對環內失穩問題，根據柳獻等[18-22]針對不同拼裝方式和設計構造下的盾構隧道環內承載能力的足尺試驗研究可知，環內失穩的原因在于襯砌環內多處形成塑性鉸。根據塑性鉸形成的位置，可以將環內失穩的原因歸結為管片形成塑性鉸(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個基本事件。

針對環間破壞問題，考慮到環間承載力主要來源于環縫混凝土和環縫螺栓2部分。因此，環間破壞的原因包含環縫螺栓屈服或剪斷(M5)和環縫破損(M6)2個中間事件。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生彎曲變形導致環縫張開或壓緊(X5)，隧道在縱向發生剪切變形引起的環縫錯臺(X6)這2種基本事件。

根據上述分析，可以繪制出盾構隧道連續性倒塌的事故樹如圖6所示。要分析盾構隧道連續性倒塌的事故原因，需要從圖中X1～X6這6個基本事件入手。通過搜集案例以及已有研究的分析，環內管片混凝土壓碎、縱縫壓碎等事件的發生主要來源于周圍水土的流失，如水土流動引發的側向卸載等。在事故發生時，周圍水土流失原因均可以歸結為隧道滲漏水。環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生彎曲變形或者剪切變形，原因同樣是滲漏水。因此，盾構隧道連續性倒塌的原因與滲漏水有密不可分的聯系，下文對滲漏水進行事故樹分析。

圖6 盾構隧道連續性倒塌事故樹

2.2 盾構隧道滲漏水引發結構破壞事故樹分析

根據搜集所得的20余起滲漏水引發盾構隧道結構破壞的事故案例，滲漏水(頂上事件，T)的位置可能是盾構隧道進出洞時洞門滲漏(M1)、掘進過程中盾構滲漏(M2)和聯絡通道施工時滲漏(M3)這3種中間事件。繪制出盾構隧道滲漏水事故樹如圖7所示。

根據案例分析結果，引發洞門滲漏需要同時具備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個因素的同時作用下才會出現： 周圍土體加固效果不理想(M6)，洞門施工質量有問題(X3)，盾構進出洞姿態不準確(M7)。其中，土體加固效果不理想可能有多重原因，比如凍結失效或者發生凍融沉降(X2)，周圍加固措施如注漿等不足(X4)。盾構進出洞姿態不準確可能是盾構在進出洞掘進過程中發生沉降(X5)、開挖面支護壓力不足(X6)或者盾構操作失誤(X7)。

圖7 盾構隧道滲漏水事故樹

盾構在掘進過程中發生滲漏同樣需要具備2個條件： 地層條件差(X1)，盾構或者管片密封失效(M5)。其中，盾構滲漏(M8)根據其漏點的位置不同，可以分為盾構前段支護壓力不足導致開挖面失穩滲漏(X6)、盾構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)可以根據嚴重程度分為管片錯臺(M10)和管片徹底脫落(M11)2種情況。在盾構掘進過程中發生管片錯臺往往是因為盾構沉降(X5)導致，但是同時需要滿足下臥地層軟弱(X9)。拼裝管片脫落是極端情況，在國外地鐵如德國和埃及開羅地鐵均有出現，主要原因可以分為盾構沉降過大(X5)、盾構操作失誤(X7)、注漿壓力過大(X10)3種。

聯絡通道發生滲漏的案例原因相對單一，因為盾構隧道聯絡通道施工大多采用凍結法。產生滲漏一般均需要滿足地層因素(X1)和凍結法失效或凍融沉降(X2)。

2.3 滲漏事故樹計算分析

最小割集表示系統的危險程度，每個最小割集實際上均代表了頂上事件的一種可能發生的渠道，因此最小割集的數量越大則越危險。本文選取布爾代數法進行最小割集的計算。

由圖7可以計算給出滲漏事故樹的結構函數：

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。

對上式進行邏輯簡化后可以求得最小割集共有6個，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為凍結失效或凍融沉降。

K3={X1,X5}，X1為承壓富水砂層，X5為盾構沉降。

K4={X1,X6}，X1為承壓富水砂層，X6為開挖面支護壓力不足。

K5={X1,X7}，X1為承壓富水砂層，X7為盾構操作失誤。

K6={X1,X8}，X1為承壓富水砂層，X8為盾構密封部件失效。

進一步對事故樹進行處理，可以計算得出事故樹的最小徑集，最小徑集代表預防頂上事件所發生的途徑。求得共有2個最小徑集，也就是控制途徑有2個：

1)P1={X1}，X1為承壓富水砂層。

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

進一步對基本事件的結構重要度進行定性分析，可以得出如下的結構重要度程度排序：

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： 引發滲漏風險最大的因素來源于地層，其次分別是注漿壓力過大、凍結失效或凍融沉降、盾構沉降、開挖面支護壓力不足、盾構操作失誤、盾構密封部件失效。

綜上，通過對盾構隧道襯砌結構連續性倒塌的力學機制進行分析，可以看出引發盾構隧道連續性倒塌的主要原因是襯砌結構發生滲漏水，即隧道周圍土體流動。而進一步對襯砌結構滲漏的原因分析表明，特定地層條件是發生滲漏水的關鍵因素。因此，盾構隧道連續性倒塌往往是由于位于承壓富水砂層中的隧道結構發生滲漏水的結果。

3 基于事件樹法的倒塌過程分析

盾構隧道發生連續性倒塌時，結構以及周圍地層所經歷的發展過程對出現險情時搶險措施的制定、原始設計的優化均有重要意義。上文通過事故樹分析法指出： 引發隧道連續性倒塌的主要原因是襯砌結構滲漏水。但是盾構隧道在出現滲漏水或涌水涌砂后，如何逐步發展成為連續性倒塌的過程尚不明確。因此，本節以隧道涌水涌砂作為初始破壞事件，進一步分析后續的倒塌發展過程。

3.1 事件樹法

盾構隧道在發生連續性倒塌事故時，由于險情緊急等因素，單個事故案例中記錄的結構破壞過程往往會出現環節缺失、信息不全等問題，因此有必要采用一種科學分析方法對多個事故案例中的結構破壞過程進行綜合分析。

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事件可能導致的許多事件鏈，用來追蹤事情的破壞路徑。事件樹法是一種風險分析的方法，可以被用于分析事件所引發的所有事故鏈的發生概率。但是，盾構隧道事故概率分析多數時候仍需要依靠專家的經驗和主觀判斷，由于盾構隧道連續性倒塌方面的研究尚處于起步階段，因此本文不對破壞鏈條的概率進行分析，而是借助于事件樹簡潔清晰的特點，對已經發生的連續性倒塌事故破壞過程進行總結分析。

3.2 事件樹法分析

本文搜集了國內外發生的多起盾構隧道結構破壞事故，對其中具有詳細事故發生過程記錄的事故案例破壞過程進行匯總和總結[6]。以事件作為基本單位(如環縫滲漏、螺栓斷裂均視為一個獨立事件)，根據事故報告中的發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事故案例中記錄的破壞過程。通過對多起事故過程進行總結，可以得出定性的盾構隧道連續性倒塌規律。

圖8中選取初始破壞的發生位置作為分類依據，將盾構隧道結構破壞事故劃分為隧道端部破壞、聯絡通道破壞、隧道中段破壞3類。在每類中再根據事故記錄的初始破壞事件作為事件樹的起點，對事故發生過程中的結構響應事件進行排列，相同事件鏈的案例進行合并。

根據案例的總結可以看出，盾構隧道在破壞的過程中往往經歷了初始破壞事件(四級事件)—環間響應(二級事件)—環內響應(三級事件)—倒塌(四級事件)。

隧道端部初始破壞事件包括盾構沉降和盾構進出工作井時洞門涌水涌砂。聯絡通道初始破壞事件包括聯絡通道的凍結孔/探孔、聯絡通道開挖面和主隧道在施工聯絡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拼裝的管片發生脫落/錯臺引發砂土進入隧道內部，以及盾構機身出現漏水漏砂?？梢钥闯?，初始破壞事件往往與隧道內部涌水涌砂有密切關系。

發生初始破壞事件后，受賦存環境變化或工程施工等因素影響，隧道結構局部失效或破壞，周邊土體滲流侵蝕，結構變形緩慢增長，但隧道結構在該過程中尚處于彈性變形階段，沒有嚴重損傷出現。但是由于出現滲漏情況，周圍土體逐漸向隧道內部流動，周圍土體開始出現侵蝕現象。如果能有效堵漏，結構與土體承載能力均處于尚能恢復的階段，仍能滿足安全性與使用性需求。

在出現初始破壞事件以后，當結構局部破壞發展積累到一定程度，周邊土體加速流失，荷載和約束條件改變，結構開始出現明顯病害。根據現有的案例記錄，緊隨初始破壞事件后的二級事件往往是隧道環間出現響應，表現為環縫錯臺、破損和滲漏水。

伴隨著環間破損的發展，隧道內部涌水涌砂加速，周圍土體環境進一步改變，隧道結構進入三級事件——環內響應。在這個過程中，隧道結構逐漸出現大變形、縱縫發生張開和破損。當結構變形發展到一定程度時，隧道管片破損，縱縫螺栓拉斷，隧道進入不穩定狀態。需要指出的是： 在該過程中，隧道結構的變形破損與周圍土體的流失相互耦合，隧道結構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入隧道，改變了隧道周圍的荷載分布和邊界條件，又將會進一步加快隧道的變形和破損發展。二者相互耦合，大大加速了隧道結構的倒塌進程。

圖8 盾構隧道連續性倒塌事件樹

柳獻等[18-22]進行了一系列的足尺整環試驗研究，明確了不同拼裝方式和設計構造下的盾構隧道環內極限承載能力與破壞模式，試驗指出： 當盾構隧道襯砌結構在縱縫位置處出現混凝土壓碎或縱縫螺栓受拉屈服、管片本體中出現鋼筋受拉屈服或混凝土壓碎等情況時，襯砌環內會形成塑性鉸。當環內形成足夠塑性鉸時，隧道會因為環內失穩而倒塌。因此，在三級事件(環內響應)發展到環內失穩時，就會誘發四級事件(隧道倒塌)發生。一旦隧道單環結構出現環內失穩倒塌，將會導致周邊水土涌入隧道內部，相鄰隧道襯砌環周圍約束條件被徹底破壞，引發隧道連續性倒塌事故。

綜上，盾構隧道在出現初始破壞事件后，往往經歷了環間破壞，加速水土侵入隧道內部，誘發環內發生破壞，最終因為環內失穩導致隧道結構倒塌，并造成連續性倒塌。因此，隧道結構的連續倒塌過程是隧道周邊土體流動和結構變形的耦合作用過程，期間周邊土體經歷了侵蝕、水土流失和泥砂突涌等過程，結構從彈性變形、穩定的彈塑性變形、失穩直至倒塌； 在盾構隧道連續性倒塌的過程中帶有典型的材料非線性、接觸非線性、幾何非線性以及動力效應，屬流固耦合動力學問題[6]。

4 結論與建議

針對盾構隧道在施工過程中出現局部破壞引發連續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，通過國內外5起典型盾構隧道事故案例的分析，指明盾構隧道倒塌過程中存在連續性倒塌問題。進一步借助于事故樹法和事件樹法對事故案例的原因和機制進行了統一的分析，跳出了單一事故分析的局限性，主要得出了以下結論：

1)基于5起國內外重大盾構隧道倒塌事故案例分析，指明盾構隧道在倒塌過程中具有非比例性和連續性的特征，證明盾構隧道連續性倒塌問題的存在性。指明盾構隧道連續性倒塌是隧道結構由于非常規事件誘發結構局部破壞或者失效，進而導致周邊水土荷載發生改變，結構破損不斷擴展并最終形成和結構初始破壞不成比例的破壞甚至導致結構倒塌的過程。

2)基于多起事故案例和相關試驗研究，建立了盾構隧道連續性倒塌事故樹，通過事故樹分析，指出盾構隧道連續性倒塌的起因與其周邊土體的流動有著密不可分的聯系。進一步分析指出，盾構隧道連續性倒塌往往是位于特定地層條件下的襯砌結構發生滲漏水的結果。

3)基于多起事故案例的詳細事故發生過程記錄建立了盾構隧道連續性倒塌事件樹，通過事件樹分析指明，盾構隧道連續性倒塌過程包括初始局部破壞(初始事件)、環縫破壞(二級事件)、環內失穩破壞(三級事件)以及隧道結構倒塌(四級事件)，屬于流固耦合動力學問題。

鑒于問題本身的復雜性，當前對隧道結構連續倒塌形成機制和演化機制的認識仍顯不足，還缺少有效的分析方法和防控對策。為此，有必要開展針對性的研究，重現隧道結構連續倒塌的破壞過程，探明結構連續倒塌的形成條件與破壞機制，并建立適合于結構連續倒塌全過程模擬的分析方法和提出針對性的防護對策，為盾構隧道結構連續倒塌的災害防控提供科學依據。