16.滴水之祸 · 佛山地铁2号线隧道坍塌事件

16.滴水之祸 · 佛山地铁2号线隧道坍塌事件

工程师在测量地面的裂缝。


2018年2月7日,在过年前8日,佛山地铁2号线发生了大规模的地陷。

事故的结果是惨痛的。

一年过去,当我们站在新的一年往前回顾时,在承受了大自然给我们的教训后,也许应该对事故进行一遍全面的梳理,看看我们在事故后还学到了什么。


注:资料均为网上搜集所得,并经过了相应的分析整理。其中大部分素材来源于“广东省佛山市轨道交通 2 号线一期工程“2·7”透水坍塌重大事故调查报告”。(以下简称“事故调查报告”)


概 况

佛山轨道交通2号线一期工程(南庄~广州南站)线路全长32.3km,共设17座车站,其中换乘站7座;地下车站12座;高架车站5座,地下区间22.9km,高架8.3km,过渡段1.1km。图中红框为湖涌~绿岛湖区间。

2号线线路图


湖涌站至绿岛湖站区间西起湖涌站、东至绿岛湖站,区间线路呈东~西走向,双线隧道,沿季华西路下穿季华立交、澳边涌公路小桥等,区间隧道为单线长度约1932米,采用盾构法施工。

湖涌~绿岛湖区间


隧道采用全新制造、直径为6980mm的土压平衡式盾构机施工。盾构管片为1块封顶块,2块邻接块,3块标准块组成,衬砌环间错缝拼装。

盾构机示意图


2017年5月10日,右线始发;2017年7月8日,左线始发。事故发生时,右线累计完成904环,左线盾构完成1028环,左右线盾构机距离约177米。

左右线盾构平面位置


右线盾构纵剖面位置


事故段隧道底埋深约30.5m,由上至下分别为人工填土、淤泥质粉土、淤泥质土、淤泥质粉土、粉砂、中砂、圆砾以及强风化泥质砂岩。事发前,右线盾构机的中下部处于中砂和粉砂交界位置。

盾构所在位置地层情况



坍 塌

18:10

右线隧道905环完成掘进,随后进行管片拼装前的盾尾清理、冲洗。



18:51:35

盾尾三名人员仍在进行清理工作,待拼管片区域一名人员在进行管片吊装的准备。底部静静地放着待装的四块管片,以及四名正在工作的人员。此时地面仍然是干燥的。

依次放着的四块管片



18:51:45

编号①的标准块管片被吊起了约30cm,可以清晰地看到管片边缘处的密封垫。

管片被吊起



18:52:00

右线905环第1块管片拼装完成管片吊机起吊第2块管片时,土仓压力突然上升约43kPa,即由233kPa上升至276kPa。

突然升高的土仓压力

与此同时,盾体后部俯仰角开始增大,盾尾出现下沉,与此同时盾尾内刚拼装好的第1块管片(A2块)右侧(约盾尾6点钟位置)附近突发向上冒浆,在盾尾后方的作业工人立刻尝试去封堵冒浆点。



18:52:43

处于管片区域的工人也停下了手上的工作,在观察冒浆的情况。

四名工人注意力均在冒浆处



18:53:22

之前被吊起的待装管片①又被放回地面,此时浆液立即就漫过了管片。

浆液漫过管片①



18:53:30

冒浆速度越来越快,顷刻漫过了第二块管片。工人此时也沿着浆液流动方向撤离。

漫过第二块管片



18:53:38

浆液已漫过了第三块管片。管片拼装机也开始往后撤离。

漫过第三块管片



18:54:08

浆液已完全漫过并排放置在拼装区的4块待拼装管片表面。

完全漫过地上的管片



18:54:49

与之前流出的浆液不同,此时还带出了一堆粗颗粒固液混合物。

带出了粗颗粒混合物



19:03

作业人员采取应急堵漏措施,向盾尾密封内打入油脂,并采取向盾尾漏浆处抛填砂袋的反压措施,同时将盾尾漏浆险情向地面监控室报告。



19:20

季华西路路面已经开始出现肉眼可见的沉陷,路面出现多处裂缝。

路面出现沉陷与裂缝



19:47

项目经理在与隧道内人员通话后,立即组织相 关人员赶赴隧道内察看险情,组织抢险,继续采取向盾尾透水涌泥涌砂区域抛填砂袋等抢险措施,但仍未能有效控制涌泥涌砂险情。



20:03

盾尾竖向偏差达-460mm,相对停机时盾尾位置下沉了417.5mm,此后激光导向系统无法监测到盾尾竖向偏差。



20:35

随着灾情的恶化,隧道内人员开始撤退。此时,浆液已完全越过了隧道第640环,在底部形成了一条长长的泥潭。

浆液在隧道内蔓延



20:36

第899环管片环缝4点位置出现泥砂流持续剧烈喷射而出,盾尾方向流出的泥砂流明显加大。此时盾体后部俯仰角已增加至 2.7°,据推算盾尾相对停机时下沉了约463.5毫米。



20:38

盾构机高压电断电,井下监控录像视频信号中断。隧道内仍然有人员在往外逃生,前方不断涌入的浆液将台车一直往外推。

隧道内模拟情景



20:40

洞内突然涌出的大量泥砂推动盾构机台车向后滑冲700余米,隧道内泥砂流和伴随涌起的气浪将正在向外撤离的部分逃生人员击倒或掩埋。

隧道内模拟情景

与此同时,地面出现大面积的坍塌。


至此,悲剧发生。



推测及分析

在去年形成的调查报告已经指出,事故发生的根本原因为:在风险高的富水中粗砂地层,因盾尾密封失效而导致大量土体和地下水从盾尾涌入,造成坍塌。


除此之外,报告中并没有提供更多的资料来说明事故发生的诱因。事实上,根据上述资料所提及的一些细节,我们可以尝试去对此作出进一步的推测及分析。


什么是盾尾密封?

在分析之前,我们首先要知道什么是盾尾密封,以及为什么盾尾需要密封。

盾构机在掘进时,在未安装管片之前,主要靠前端的盾体支撑,以防止土体的塌落。

盾体支撑区段


如果管片的直径与盾构机直径相等,那盾构机就必须要再往前移动一端距离,让出一定空间后,才能安装管片。此时,在盾体与管片之间,就会存在一段“真空”区段,这个区段的土体并无任何的东西支撑,对于松散的土体极易发生塌方。

无支撑区段


在松散地层,靠土层自稳是不可能的,只要没有支撑,坍塌不可避免。那怎么才可以解决“真空”区域带来的风险?

有。

那就是把管片的直径缩小一些,小于盾体的直径,就可以提前在盾构机内部进行安装了。那么,当盾构机继续往前掘进,脱离原来的区域时,就会有已经安装好的管片来支撑土层了。

盾构机与管片重叠区域


即使这样,在盾体与管片之间,仍然存在一定的空隙,称为盾尾间隙(Tail Void)。

盾尾间隙


换言之,土体仍有可能从这个间隙之间涌入盾构机内,发生塌方。这时,我们就需要把这个间隙也要堵上,同时还不能限制盾构机和管片之间的相对滑动。原理上与注射器的活塞类似。

注射器:小型盾构机


这个称为盾尾密封系统。本项目盾构机采用的密封系统为3道盾尾刷+密封油脂,盾尾刷有弹性,安装在盾体上,可以紧紧贴住管片。在盾尾刷之间的空隙里,则利用压力灌入油脂进行密封。

盾尾密封系统示意图,其中绿色的为油脂



盾尾钢丝刷


安装3道钢丝刷之后的盾尾


盾体与管片之间的密封油脂


盾构机的密封系统是否不正常?

事故发生前,右线盾构机已累计掘进约1.36公里,盾尾刷存在磨损,盾尾密封止水性能下降。在事故发生前已发生过多次盾尾漏浆,存在盾尾密封失效的隐患。

一般而言,盾尾刷是消耗品,在使用一段时间后出现磨损是很正常的。这时,需要定期对盾尾刷进行更换。从这段话的理解当中,我们可以怀疑在事发前,盾尾刷并没有如期进行更换,而是一直在带病工作,所以才会发生多次盾尾漏浆。

如果发生盾尾漏浆,那么盾尾空隙将会注浆不充分,浆液没有完全填满整个空隙。随后,没填满的空隙很有可能会发生塌陷,被上方跌落的土体填满。最终引起的结果可能是令到地面沉降过大,或出现地陷。

根据第三方监测单位提供的《文件发送记录》,2017年6月1日至2018年2月7日,共向相关单位发送19份地表沉降超标的橙色及红色预警报告,这也从侧面验证了盾尾的漏浆可能是已发生多次。


从另外一些小细节中,更进一步加深了对此的怀疑。2017年5月10日,右线始发;2017年7月8日,左线始发,至事发时共7个月,掘进了1028环;2017年5月10日,右线始发,至事发时共9个月,却仅掘进了904环,还要比晚出发的左线落后约177米。左右两线线路相近,遭遇的地层也类似。比较合理的推测可能是,右线盾构机出现的故障较多,且经常要停下检修,影响了掘进效率。其中的一个故障可能就是盾尾密封系统。


为什么是下部发生涌水?

18:52,盾体后部俯仰角开始增大,盾尾出现下沉,与此同时盾尾内刚拼装好的第1块管片(A2块)右侧(约盾尾6点钟位置)附近突发向上冒浆。

冒浆的位置为6点钟方向,且A2标准块已经安装完毕,所以,在事发的905环处的管片拼装顺序很可能是以下两种中的一种。

在6点钟位置发生涌水,粗箭头所指为已安装完毕的A2管片


报告中还提及,

管片拼装期间盾尾间隙处于下大上小的不利状态。

在事发前,盾构机正往湖涌站方向掘进。这段线路中,约670环左右的位置为最低点,过了之后,线路会缓慢上升,最终到达湖涌站。

在线路上升段,沿前进方向每一块管片都会高于后一块管片。如果刚好处于隧道坡率变化处,则可能会出现相近管片斜率不一致的情况。我们现在来回顾一下隧道线路的纵剖面图。

盾构机事发时所在位置


可以看到,盾构机所处位置刚好是一个坡度变化区段。这意味着,在同一条水平线上,盾构机会比其身后的管片拥有更“陡”的姿态,它与管片之间就会形成下图的关系。

盾尾间隙下大上小


没错,就是所谓的盾尾间隙“下大上小”。由于上下两端采用的盾尾刷都是一样的,很明显,下部的间隙变大会对盾尾刷的密封造成风险,特别是已经磨损的盾尾刷。

如果说坡度变化令盾构下部的密封性能处于一个非常危险的临近点,那随后的管片起吊可能就是那最后一根压垮骆驼的稻草。

管片起吊是利用安装与盾尾的管片拼装机进行的。

起吊管片的拼装机


假设一块标准块管片的重量为5吨,根据牛顿作用力与反作用力的理论,地基在起吊时将会受到50kN的力。受力下沉的盾尾,无疑进一步拉大了下部与管片的间隙。最终,水压冲破了密封系统,土水混合物倾泻而出。

管片的起吊令盾尾间隙进一步拉大


随着砂土的持续涌入,盾尾下部地基逐渐被掏空,进一步加大了盾尾的下沉。接踵而来的是间隙随着下沉也逐渐变大,导致涌水通道越来越大。

在盾尾底部下沉后,掏空的地基土可能在20:36已蔓延至899环,以致899环处同样在下部发生涌水。

基底出现掏空区域


20:40分,随着掏空区域的持续扩大,管片下部可能有很大一部分区域悬空了。最终,悬空区域的管片承受不住弯矩,上部被压断,土体从上部也涌入隧道内部,最终诱发大规模地陷。这解释了为什么上部的管片出现破损,而且发生大规模的涌土事件。

不断发展的掏空区域


土仓压力增大是诱因吗?

在18:52开始,监控的土仓压力持续升高,从230kPa一直到18:56左右的270kPa。我们很自然会问:土仓压力为什么会突然升高呢?它也是涌水的诱因之一吗?

对于土压平衡式的盾构机而言,是将刀盘切削下来的碴土充满土仓,并通过推进操作产生与土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定开挖面地层和防止地下水的渗入。也就是说,土仓压力与掌子面土、水压力的合力有很强联系。

土仓压力控制因素图


当盾构机其他参数没有明显变化的情况下,如果土仓压力突然升高,那么最大的可能就是掌子面处的土、水压力增大。那什么情况下土体的压力会突然增大呢?

那就是当土体丧失抗剪强度的时候。如果前方的土体发生了坍塌、液化,均会造成抗剪强度的大幅减少,增大土压力。

在本事故中,土仓压力的突然升高,可能是由于盾尾涌砂,从而使盾构机前方土体坍塌流失引起的。也就是说,它可能不是盾尾涌砂的诱因,反而是结果。

我们可以梳理一下各个事件的时间顺序。

管片的起吊发生在18:51:45,此时土仓压力并未明显增大,反而还稍稍下降。随后发生了一开始的盾尾冒浆事件,密封系统被击穿。

由于盾尾出现了涌砂路径,掌子面前方下部的砂土也有可能跟随如下图的路径带入,形成了涌砂通道,在通道中的砂土丧失了抗剪强度,从而是掌子面处的土压力有部分变为砂土液化后的压力。

砂土涌入路径



后 续

2018年9月,坍塌的季华西路恢复通车。

只有路面新旧的分界线,才偶尔令人想起曾经的塌陷


2019年4月,佛山地铁2号线盾构全线贯通。


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发布于 2019-05-08

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