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失稳三角·肇庆虎山隧道坍塌事件

发布于:2021-01-11 17:01:11 来自:建筑结构/岩土工程 [复制转发]
每个硬币都有两面。
——谚语

岩石被裂隙切割成三角体


从小学的数学课开始,我们已经被告知,三角形是最稳定的结构。即使延伸到空间中的三角体,也遵循着相同的理念。


然而,却很少人知道,在某些特殊情况下,三角形反而相比其他结构更容易失稳。


2019年,肇庆的虎山隧道就曾发生过这种特殊的失稳,并夺走了3条生命。


注:本文主要整理自《肇庆市“8·27”较大坍塌事故调查报告》及相关网络资料。



山和大海

3.5亿年前,广东大部分地方仍是海洋。


在当时,地壳徐徐下降,海水不断从西面与北面涌入,最多时淹没了广东70%的陆地。

海水持续侵入广东陆地


海洋形成了风化碎屑沉积的有利环境。陆地上的砂砾随着河流被带到海洋,逐渐沉积在海床中,慢慢从砂砾变成了砂岩。

陆地碎屑在海床中逐渐变成了岩石


这些砂岩并没有一直掩埋在海底。地壳板块后期的挤压,令其从海底急剧变形而隆起,又从海床变成了露出海面的山脉。


肇庆的虎山是众多隆起山脉其中不起眼的一座。

肇庆虎山


由于曾受到强烈的挤压作用,这种从海底出露的岩石,会在压力的作用下,在岩体内留下一道道裂隙。

破碎的砂岩(示意)


显而易见,破碎岩石的工程性质肯定劣于完整无裂隙的岩石。为了更好地衡量岩石的工程性质,我们可以根据岩石的强度和破碎程度,从优至劣分为I,II,III,IV,V五个等级。

I级岩石(上)与V级岩石(下)的对比


如果我们从虎山山脚的一侧穿越至另一侧,可以发现几乎难以遇到完整的砂岩。大部分砂岩都会带有裂隙,部分甚至非常破碎(V级)。

虎山岩石各分级的占比



清云高速

2014年,汕湛高速其中的一环——清云高速开始动工。

汕湛高速,红色段为清云高速


清云高速公路起于西江北面的清远市清新区。为了能最终到达西江南面的云浮市新兴县,路线规划在肇庆高要区穿越西江。

高速在肇庆高要穿越西江


在到达江边之前,路线需要先施工1.8公里长的隧道,穿过300m高的山。


这座山,正是前文提到的虎山。

1.8公里长的隧道在虎山穿过



隧道的哲学

虎山隧道为分离式隧道,每条隧道外轮廓尺寸约为11.8mx8.8m。

虎山隧道断面尺寸


对于大直径的山岭岩石隧道,钻爆法施工(Drilling & Blasting Method)是常用手段。分阶段在岩石中钻孔,装火药,通过一次次爆破将岩石炸碎形成隧道。


虎山隧道亦不例外。而且,其采用的是钻爆法里富含哲思的新奥法(NATM)。


新奥法的施工流程并不复杂,与一般钻爆法大部分类似:

01

在岩石中钻孔,并装填炸药


02

实施爆破


03

将爆破后的碎渣运输到隧道外


04

往爆破裸露段喷射混凝土


05

打设支护锚杆


06

安装支护钢拱架


07

最后,安装二次衬砌



区别于常规钻爆法,新奥法最关键的差异,在于岩石爆破后,很讲究支护安装的时机。


孩提时代,我们大部分人都有在沙滩玩耍,利用沙来建造各种“山洞”,“城堡”的经历。如果有特别留意,可以发现在沙滩中建造的“山洞”并不会立刻塌下,而是会保持原状一段时间。

沙滩中挖出的“山洞”


这就是岩土特有的自稳能力。


在岩土体开挖出空洞后,外力在一段时间内,会通过岩土体的变形逐渐在空洞处转移,这个过程称为应力释放(Stress Relaxation)。当应力释放引起的变形大到一定程度,岩土体产生过大的松动,才最终引发倒塌。


岩石中开挖隧道原理也类似。如下图,当刚刚爆破完成时,隧道还未开始变形,此时洞周的压力处于最大值。如果不对隧道进行任何支护,随着应力释放,隧道的变形开始增大,而压力则随之不断下降(蓝线段)。当变形大到一定程度时,岩石发生松动,此时压力又会重新上升(红线段),直到最终隧道岩石跌落倒塌。

隧道开挖后的压力与变形变化


如果我们想防止隧道倒塌,则要施工支护来限制隧道变形的进一步发展。很明显,将隧道的变形最终限制在图中曲线最低点时是最划算的。此时,岩石的压力处于最小值,支护建造的工程费用是相对其他时机最低的。

支护的最佳时机


这就是新奥法的核心——“一切都刚刚好”。支护时机太早或者太晚,支护太刚或者太柔,都达不到这个最理想的状态。

不能太早或太晚,不能太刚或太柔


在千变万化的地质条件中,每个区域的时机点都不一样。对于完整的岩石,可能变形量很大时才到达“最低点”;对于破碎的岩石,少量的变形就可以导致岩石松动,引起倒塌。


这个“最低点”,恰恰就是体现岩土工程师判断力和价值的最高峰。


为了能判断隧道何时到达“最低点”,除了隧道开挖后的持续变形监测外,每次爆破开挖前对隧道开挖面进行专业的地质素描(Face Mapping)十分重要。

开挖面的地质素描(示意)


通过地质素描,可以判断开挖面前方岩石的大致破碎程度和节理裂隙分布情况,有助于更好地判断支护时机。

地质素描协助判断支护时机


最终,产生的荷载大部分又转回由岩石自身承担。这就是新奥法的奥义。



坍塌

虎山隧道采用新奥法从隧道两端双向掘进。在2019年8月之前,隧道的开挖工作一直遵循着常规流程有条不紊地进行。

爆破前准备

钢拱架的安装

锚杆钻孔

二衬施工


截至2019年8月26日,左洞还有不到100m即可贯通。

左洞还有不到100m即贯通


8月27日,这天一大早又开始了下一轮的掘进工作。然而,意料之外的事情发生了。



06:30~09:43


虎山隧道左洞开挖面进行炮眼钻孔作业



11:40~13:36


开始炮孔装药,并于13:36实施爆破



13:51~17:36


进行出碴作业,随后对周边松动岩块排险清理



18:45


完成顶部、两侧、断面的初喷混凝土



22:00


在安装拱架过程中,开挖面附近发生拱顶岩体局部连续坍塌,掩埋了该处正在作业的工人,最终导致了3例死亡



事故在初期支护施工时突然发生了。



调查与分析

从过程来看,事故在很短时间之内发生,作业工人甚至来不及反应逃生。


事故后对坍塌段进行测量,可以发现是开挖面处的拱顶发生了塌方。

根据测量结果重建的坍塌区形态


在塌落物中,除了散落的砂岩石块,还随处夹杂着初支的钢拱架与超前锚杆,这与事发时的对应施工进程是一致的。

散落的石块中夹杂初支构件


单凭这些信息,让人对事故原因毫无头绪。事发区域的围岩等级是IV级,对相关资料进行复查,设计与施工都是按照IV级围堰对应的规范进行,找不到明显的漏洞。


不过,塌方处有两个地方值得注意。


一是沿坍腔体顶部轮廓发现了一条带状软弱夹层,经判别是压碎岩。压碎岩带是地层在强烈挤压作用下所形成,地层中可能带有明显的挤压构造应力。

沿坍腔体顶部轮廓发现压碎岩夹层


二是部分散落石块中发现有贯通性的节理面,这意味着这些石块可能是沿着某个节理面塌落的。

部分岩块具有贯通性节理面


以上两个发现令人怀疑:这些岩块是否在挤压应力下沿着节理面跌落的?需要进一步对塌方段的围岩节理裂隙分布深入调查。


对隧道开挖面进行简单的地质素描后,发现了4组明显的节理裂隙面,J1,J2,J3及J4。

开挖面发现的4组节理裂隙


这4组裂隙的空间分布走向各不相同,在众多裂隙发育的IV级围岩中很常见。


随后,当把4组裂隙放在空间中呈现时,出现了令人惊讶的结果。



失稳三角

在空间中,J1,J2,J3裂隙相互交错,竟与开挖面一起把岩层切割成一个大型的独立三角楔型体。

优势裂隙组与开挖面形成的三角体

隧道正视图

隧道侧视图


三角体与长方体岩块相比较,在竖直应力和地层水平挤压力的作用下,如果不考虑裂隙面的摩擦力,由于三角体的底部是倾斜的,竖直应力部分并不能被完全抵消。当三角体的倾斜角度过大时,竖直应力反而会转化为部分下滑力,使三角体的下滑可能性加大。

三角体与长方体的受力比较


在这种情况下,结构上最稳定的三角形,其围岩坍塌稳定性可能反而不如长方形。


同样在这种情况下,新奥法的理念也面临失效。虽然隧道在爆破后即开展支护工作,但岩石已被裂隙切割为独立的三角体,已无法再按整体地层考虑围岩的自稳能力。


被切割的三角体长度约2.4m,宽度约5m,计算后重量达到20吨之高。如果重的荷载是意料之外的,也不符合新奥法的理念,初期支护并无法承担此重量。



Lesson Learnt

(1)在工程中,专业岩土工程师进行地质判断(如开挖面的地质素描)的意义重大。虽然现在有多种手段进行地质预报或勘探,但仪器的数据并不能替代工程师的专业判断。岩土是一门艺术。


(2)即使是资深的工程师,在现场也未必能及时想象出地质在空间上的特征。因此,为了更快识别出意料之外的风险,地质三维建模在长距离,大面积项目上的应用十分必要。

  • zq-cyt
    zq-cyt 沙发

    非常齐全的资料,通过分析详细,值得保存下来学习学习。

    2021-01-12 09:37:12

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岩土工程

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