据2017年国家安全生产应急救援指挥中心通报，2013年至今，中国共发生隧道施工类事故(事件)39起，造成107人遇难、204人遇险^[1]。另据统计，截至2016年底，中国已投入运营的各类型隧道及地下工程数据如表 1所示。

在中国大力发展地下工程建设的同时，事故的发生也为国家和人民敲响了警钟。在地下工程的设计建设过程中，新奥法的使用占很大比重，其主要思想是通过合理的开挖与支护，充分发挥围岩的自承能力^[7]，但目前仍然没有公认的新奥法完整定义。本文归纳为以下4点：

1) 减少应力扰动：主要指减少洞室开挖对周围岩体的应力扰动。不同质量等级的均质岩体，都对应具有最优洞室断面，包括最优形状、最优洞径等，断面设计时应尽量控制在最优断面范围内，施工过程中还应避免超挖欠挖，以防产生单洞局部应力过于集中；对于多洞室布置，则应避免洞间岩壁内的应力峰值过多叠加，从而加剧围岩内的应力集中。

2) 及时施加柔性支护：断面开挖后及时施加短锚杆及表面喷混凝土等柔性支护，一方面保护新揭露的围岩避免风化、流水等侵蚀，另一方面使短锚杆所在的浅层作用圈随围岩一同变形；而非通过施加长锚杆及刚性支撑等手段限制围岩变形。

3) 受力圈封闭：洞室开挖后，断面围岩向洞内位移，环向压缩逐步建立压应力进而阻止径向位移继续发展，形成稳定封闭的受力圈。当岩壁环向岩体质量分布不均，如存在软弱部位时，该处压缩变形过大而引起岩壁环向撕裂以及径向错动，难以建立环向压应力形成稳定封闭受力圈。这种局部环向压缩变形过大而引起的围岩失稳，可以称为洞室断面非一致环向压缩变形失稳。因此为了形成封闭的受力圈，就要保证开挖后对洞室围岩内软弱部位及时进行处理减少其压缩变形，避免出现非一致环向压缩变形。

4) 监控量测：爆破后应立即实施对围岩及支护的监控量测，尽早发现围岩出现的非一致环向压缩变形等隐患，以便及时采取应对措施，保证围岩安全。

新奥法是20世纪60—70年代首先由Rabcewiz提出的^[8-9]，国内最早在20世纪70年代对新奥法进行了介绍^[10]。1979年11月竣工的皖赣铁路下坑隧道首次应用新奥法取得了成功经验^[11]。北京地铁自1987年首次采用新奥法设计施工北京复兴门地铁站及折返线工程，车站跨度达26 m。之后利用新奥法原理修建地铁已成为一种主要施工方法，如广州地铁二号线越秀公园站及南京地铁一期工程南京火车站等^[12]。

本文通过统计中国采用新奥法施工的地下工程塌方事故，从中发现事故产生的规律，分析造成事故的原因并提出相应的措施，为地下工程设计施工提供参考。

1 地下工程事故统计

本文收集了1985—2017年发生的50起采用新奥法建设的地下工程塌方事故，如表 2所示。其中铁路隧道24座，公路隧道22座，水工隧洞3座，城市地铁1座。

Barton在1974年提出Q系统^[87]，经过1993年、2002年两次修正后趋于完善^[88-89]，该系统在总结了至少1 262个隧洞工程实例的基础上建立了岩体质量指标Q值与洞室开挖跨度和支护类型之间的关系。

中国公路隧道设计规范(JTG D70-2004)和铁路隧道设计规范(TB 10003-2005)中对于典型洞室所采用的支护方式与Q系统中的支护方式基本吻合，如表 3所示。

在围岩分级方面，1975年中国发布实施了铁路隧道围岩分级标准，按岩体质量由好到差将隧道围岩分为Ⅰ~Ⅵ级。1995年国家标准《工程岩体分级标准》实施后，按岩体质量由好到差将围岩分为Ⅰ~Ⅴ级，后续的工程岩体评定方法都与1995年国家标准接轨。本文统计的工程案例中有部分采用了年代较早的岩体分级标准，其定性指标以及分级因素与工程岩体分级国家标准基本上是一致的，为了与Q系统进行对应比较，此处做了归一化处理，对照结果如表 4所示。

将50个地下工程塌方实例中塌方位置的岩体质量Q值与开挖洞室跨度之间的关系进行统计，Q值取每个分区内的中间值(例如F区的区间为0.1~0.01，Q值则取0.05)，结果如图 1所示。

从图 1可以看出，事故发生在Q值在0.1~0.01之间，即国家标准对应的Ⅴ级围岩质量中的事故案例最多，为41起，占事故总数的82%。将其与Barton所给出的支护关系表相对应(1~9区对应不同支护类型，其中8、9区表示支护方案为表面喷15~25 cm厚钢纤维混凝土、1.0~1.3 m间距布置系统长锚杆或置换混凝土支护)，如图 2所示。

从图 2可以看出，有40起事故发生在Barton的Q系统8及9区(图中圈内部分)，即强支护区，此时采用的强支护方式可以说已不属于新奥法思想中充分发挥围岩自身承载能力的范畴。

另外，从洞室穿过不同地质区段引起塌方的情况来看，由于洞室穿过断层破碎带引起的塌方为13起；由于地下水作用引起的塌方为13起；由于断层破碎带与地下水共同作用引起的塌方达21起，其中较典型的为缙云山隧道，先后通过4个断层破碎带和15个煤矿采空区，最大涌水量达20 000~30 000 m³/d；另外3起为洞段岩体本身处于强风化部位加上支护不及时等人为因素导致的，占比如表 5所示。

从塌方发生的位置来看，发生在掌子面10 m以内的塌方为22起，发生在初期支护与二次衬砌阶段的塌方案例为24起，发生在支护结束或距掌子面100 m以上的塌方4起，占比如表 6所示。

对隧道发生塌方的次数进行统计，发生1次塌方的案例占56%，发生2次塌方的占18%，发生3次及以上塌方的案例占26%，如表 7所示。

2 成因分析

虽然以上工程都采用了新奥法进行设计及施工，但从事故发生的结果来看，人们对新奥法理念的认识和理解还存在一些偏差。

2.1 最优断面及支护型式

由图 2可以看出，80%的事故发生在洞室跨度为5~18 m范围、围岩质量等级为Ⅴ级或更差的岩体中，Q系统推荐的岩体支护类型中这部分洞室需要采用强支护。

若单从弹塑性力学理论上来讲，在均匀介质中开挖，圆形的孔洞是避免应力集中最理想的断面^[90-91]，国内外也有很多学者如Bjorkman等^[92]、Richards等^[93]、孙焕纯等^[94]、薛玺成等^[95]等研究了洞室断面型式的优化问题，但是隧道及地下工程的开挖过程不完全是静力学稳定问题，而是地质学、工程学和稳态平衡等问题的动态综合，是十分复杂的物理力学过程^[96]。

从事故统计结果来看，一方面需要研究Ⅴ级围岩内开挖所述跨度的隧洞在力学性能上是否已经超过了该围岩本身所能允许的最大隧洞跨度，也需要研究不同围岩质量等级下，如果岩体是均匀的，开挖多大跨度、何种型式断面的洞室才能满足充分发挥岩体自承载能力；另一方面，如果确实无法避免需要在Ⅴ级围岩内开挖超过其允许跨度的洞室，目前所采用的强支护型式，将岩体的变形作用于支护上，靠坚固的支护来抵抗和控制围岩的变形，对于埋深浅的岩体或者土体可以适用，但是对于更大埋深的岩体洞室，意图靠强支护来承受上部岩体的压力并不现实，归根结底还是要寻求某种更合理的支护方式发挥围岩自身的承载能力。

2.2 非一致环向压缩变形

由表 5可以看出，从塌方区的地质情况来讲，洞室穿过断层破碎带或有地下水作用是造成塌方的最主要原因。

由于断层破碎带内的岩体本身存在矿物充填、夹层、张拉扭曲、裂缝等，使其丧失均匀性、连续性、完整性，只要当洞室开挖穿过断层破碎带时，必然会在横断面上出现岩体质量分布不均匀的情况，极易导致非一致环向压缩变形。此时，如果在全断面布置均匀统一的支护方式，而断面上岩体之间的相对质量等级并没有变化，仍会继续产生非一致环向压缩变形。

另一方面，地下水的作用机理是由于岩体中存在裂隙等渗漏通道，水的渗透会导致有些夹层中的填充物遇水软化，更加降低了岩体的均匀性、完整性，也使得断面的不均匀性进一步加剧，从而导致事故的发生。

综上所述，要想满足断面形成一致的环向压缩变形，从根本上来讲，是要提高断面上质量较差的岩体的相对质量级别，将其补强到与周围岩体质量相当，使整个断面岩体质量均匀化；另一方面，对于地下水的渗漏通道，单纯的封堵渗漏通道只能是暂时阻止地下水通过，如果岩体的强度不能得到有效加强，非一致环向压缩变形仍然会继续发生，渗透通道又会被重新张拉开。因此，岩体渗漏封堵的根本还是围岩补强。

2.3 支护时机

从表 6可以看出，发生在掌子面10 m以内的塌方占44%，发生在初期支护与二次衬砌阶段(通常为掌子面10 m之后)的塌方占48%，总数占到了塌方数的92%。为了体现不同断面掌子面附近的三维效应，用塌方位置距掌子面距离与洞室跨度之比进行衡量，如表 8所示。

掌子面附近发生塌方，一是可以理解为不论采取钻爆法还是TBM等技术施工，开挖瞬间破坏了岩体的初始平衡状态，新揭露围岩的表面岩体由三轴受力状态变为两轴受力状态的临空面，围岩变形过大导致塌方；二是可归结为对掌子面前方的地质情况估计不足，对可能出现的断层破碎带及渗漏通道等没有做好足够的预测预警，未提出预案并采取有效的预防措施避免开挖后掌子面发生塌方。

在初期支护与二次衬砌阶段发生塌方，一方面仍可归结为支护措施本身没有从岩体的角度出发考虑补强破碎部位，使整个断面形成一致环向压缩变形，进而影响围岩的长期稳定性；另一方面，支护时机的选择是否合理也值得探讨。某大型地下储库爆破开挖每个循环进尺3 m，每天2个循环，5月14日洞室开挖通过典型监测断面，据多点位移计监测数据表明，监测断面位移在掌子面未开挖之前2天内已经开始启动，位移最大变化发生在掌子面经过监测断面的4天之内，然后趋于平稳，如图 3所示。可以看出，洞室开挖过程中，约占90%的位移发生在掌子面前(未开挖)10 m和掌子面后(已开挖)20 m范围内，此时荷载大量转移完成。因此，最佳的支护时机应该是选择在荷载转移的中前期。

2.4 掌子面前方岩体预测

从表 7可以看出，同一座地下工程中发生2次及2次以上塌方事故的案例占到了事故总数的44%，接近总数的一半。

在同一工程中多次发生塌方事故，而且占比如此之高，说明人们对掌子面之前岩体预测的手段和设备还不够完善，没有及时采取防控措施。

3 应对策略

针对以上问题，可采取以下对策。

3.1 最优断面计算及预注浆

计算分析地下洞室围岩在不同岩体质量等级、不同埋深等情况下，能够充分发挥围岩自身承载能力的最优洞室断面型式及最佳洞径。

项目的规划设计中，要尽量避免使洞室穿过Ⅴ级或更差岩体。如确实难以避免，采取提前强化软弱围岩的方法提高围岩强度，然后再进行开挖。对于埋深较浅的洞室，可以在地面上向下方的软弱岩体区域进行注浆，使洞室周边软弱破碎岩体形成整体后再进行开挖，开挖后立即施以全断面柔性支护；对于埋深较深的洞室，需要在开挖面前方将要遇到软弱破碎岩体时，提前进行预注浆，预注浆孔要呈放射状布置，待浆液建立起强度并将软弱破碎岩体凝结成整体后再进行开挖，开挖后立即注浆加固并施以全断面柔性支护。

3.2 局部补强形成一致环向压缩变形

当开挖过程中遇到断层破碎带穿过洞室断面，利用预注浆加固掌子面前方岩体，开挖后立即采用后注浆的方法对破碎带岩体进行补强。

为了能够保证尽快使受力圈封闭且不影响下一循环施工，注浆材料需要在短时间内建立足够强度，必要时可采用特种水泥等材料；注浆设备要小巧灵活，操作方便，有利于快速施工；补强注浆孔应集中布置在破碎带部位，避免在岩体质量好的部位冗余布孔，孔深不宜过深，以覆盖洞壁内应力峰值所在深度为宜。

如遇到裂隙水发育的情况，本质上还是需要采取破碎带补强，兼顾渗漏封堵，但操作方法上略有不同。首先布孔方式上需要以出水点为中心向四周进行布孔，孔深应比补强注浆孔略深以覆盖围岩松动圈内的渗漏通道为宜；其次注浆时需要从远离出水点的注浆孔逐渐向出水中心分序注浆。

不论单纯补强注浆还是补强兼顾渗漏封堵注浆，每个孔在进行注浆时都应让其周围注浆孔保持畅通，这样有利于排出裂隙水并使浆液在岩体裂隙中贯通。

3.3 选择黄金支护时段

从图 3可以看出，洞室开挖过程中，约占90%的位移发生在掌子面前(未开挖)10 m和掌子面后(已开挖)20 m范围内，此时荷载会形成大量转移，由表 6和8可看出，贴近掌子面及1倍等效洞径内的区段是事故高发段；如果在此时段之后再进行支护，本质上相当于在已经接近新平衡状态的围岩上又增加了一次扰动，增加围岩的负担，极易诱发事故。所以也正如事故统计所显示，从塌方实际距离看，90%以上的事故发生在掌子面到初期支护或二次衬砌之间；从跨度比来看，82%的事故发生在跨度比为5.0范围内。

由于掌子面前10 m至后20 m是荷载转移的主要区间，所以最佳支护时机应该选择在此区间的中前期，即掌子面前10 m至掌子面后10 m是采取支护措施的黄金时段。故开挖面前方如果会遇到断层破碎带，应在提前10 m的范围内采取预注浆措施，对前方围岩做好加固处理，再进行开挖；开挖后的支护应保证在距离掌子面10 m之内完成，这样才能充分发挥支护的作用，避免发生过大的围岩非一致环向压缩变形，这同时也给支护施工手段提出了更高的要求，要在短时间内快速高质完成支护，需要从材料、设备、工艺等方面对现有技术进行改进。

3.4 风险预测及评估

对项目区及开挖面前方可能出现的风险进行预测评估并做出相应的预案可进一步化解事故的发生。虽然现有的监测手段有很多，如微震监测系统、探地雷达、声波探测等，但是风险预测评估是一个集海量数据采集、数据融合加工、知识管理决策、信息实时互动等于一体的综合性、前沿性的工作，需要建立统一的平台，能够从多类型信息采集、数据融合加工、风险决策等方面入手，做到风险快速识别及评估，并能够针对不同的风险类型提出对应的决策及预案。这样可使施工过程中风险早发现、早决策、早治理，进一步保证地下工程的安全。

4 结论

本文在统计中国新奥法施工事故案例的基础上，总结了人们对新奥法存在的认识偏差，并提出相应的应对策略，得出以下主要结论：

1) Ⅴ级岩体内不适于开挖铁路公路或更大跨度的洞室，采用强支护也难以避免发生事故的高风险率，项目选址时应尽量避开该类岩体；如确实无法避开，应通过预注浆的方式将岩体强化后再开挖，开挖后应立即施以全断面柔性支护。

2) 洞室穿过断层破碎带，断面上岩体质量分布不均是导致非一致环向压缩变形的根本原因。此时在全断面采用强支护的方式并不能有效改善非一致环向压缩变形，需要在破碎带上进行钻孔注浆，单独补强，使其可以与周围岩体形成一致环向压缩变形。

3) 对于有裂隙水存在的渗漏通道，单纯的封堵只能是暂时的，必须通过补强破碎岩体，避免非一致环向压缩变形才能防止渗漏通道重新张拉开。补强注浆时需要在出水点中心附近钻孔，并由外到内分序注浆。

4) 如果支护滞后，不仅难以取得支护效果，反而会在新形成平衡状态的围岩上增加新的扰动，增加围岩负担，极易诱发事故。支护的黄金时段应该是掌子面前10 m至掌子面后10 m，或前后跨度比为3.0范围内，掌子面前方应做好预注浆，对岩体强化后再进行开挖，掌子面后方应快速做好后注浆，充分发挥支护的作用。

5) 做好风险预测评估及应对预案能有效提高风险防范意识，降低事故的发生率，需要建立一个统一的平台，从多类型信息采集、数据实时分析等方面入手，做到风险快速识别及评估，并能够针对不同的风险类型提出对应的决策及预案，进一步保证地下工程的安全。

隧道及地下工程开挖是十分复杂的物理力学过程，其开挖方式、断面类型、岩体条件、地应力环境、地下水情况等等都是影响洞室后期稳定及安全的重要因素，本文统计分析了部分造成塌方事故的原因，而地应力场、爆破振动等对洞室可能产生潜在影响的因素本文暂未作统计。