在2007年1月15日，巴西圣保罗地铁发生了一起悲剧性的工程事故。宽度19m的车站隧洞几乎全部坍塌，范围长达40m，直接导致7个人在事故中遇难。尽管在工程开始前，隧洞沿线进行了大量的地质勘探工作，但仍然发生了令人意想不到的大面积倒塌。在事故发生后，官方组织展开了长达15个月的事故调查。随着对坍塌岩石和土层的持续开挖，事实的真相也逐渐浮出水面。原来大坍塌冥冥中早已注定好，我们能做的，也只有等待它的来临……
地铁4号线与Pinheiros车站
倒塌的隧洞位于Pinheiros车站，是圣保罗地铁4号线的其中一站。圣保罗地铁4号线(黄线)全长12.5公里，连接市中心(Luz站)和西部社区，直至Vila Sonia，共有四个换乘站。
圣保罗地铁线路图
4号线隧道的建设分为三个区段。区段1采用土压平衡盾构(EPBM)掘进，区段2采用新奥法进行掘进(NATM)，区段3则采用明挖法。所有的地铁车站都是采用明挖法或新奥法进行建设。下图为4号线沿线的地质情况，其中红框内为倒塌的车站。
隧道沿线地质情况
Pinheiros车站区段主要位于中等风化~微风化的花岗片麻岩地层。车站采用新奥法建造，包括一个大直径竖井(直径40mx36m)、两条站台隧道(18.6mx14.2m x46m)，以及两条通往CPTM站(C线)的通道。车站设有侧站台，以及一条双线隧道(直径9.6m)。
车站平面及三维示意图
站台隧道的典型横截面如下图所示。隧道拱部衬砌支护采用喷射混凝土(350mm厚，后来增大到580mm) +间距为830mm的格构梁，侧壁则采用钢纤维加固的喷射混凝土(150mm厚)。仰拱只有一层薄薄的喷射混凝土(70mm)，没有结构功能。如有必要，在分台阶开挖时，会根据实际情况增设钢筋锚杆。
新奥法隧洞典型横断面
突然的倒塌
2007年1月12号，在一个闷热的午后，倒塌突然发生了。车站隧洞长达40m范围发生了倒塌，紧接着倒塌的是邻近的车站竖井基坑，近一半瞬时沉入了地下。图1a显示了隧洞塌方之前的情况，此时邻近竖井基坑隧洞里的台阶还没开始施工。在起重塔吊和树之间的是场地临近的Capri街。在里程7080m（竖井基坑侧壁）与里程7120m（倒塌后边缘）之间，大概标示了40m长的车站隧洞坍塌范围。
Pinheiros站竖井鸟瞰图，井壁下20米深的黑色弧形拱是车站站台隧洞的顶部
图1b所示的连续倒塌事故发生得如此突然，以至于没有时间发出警告。这7名不幸的遇难者在从地面坠落，并被深埋在坍塌的岩石和土壤下后死亡。
消防队员和CVA联合救援队花了12天的时间才找到了所有埋在地下的尸体。其中5名遇难者乘坐的是一辆巴士，当时这辆巴士正好沿着Capri街行驶，穿过车站隧洞的东端。另一名受害者是同一条街上的一名老年行人。第七名受害者是来自项目部的一名卡车司机。
Capri街下方的车站隧洞突然坍塌
15000~20000吨强风化岩土层的快速下跌,在空气中很有可能同时产生了吸力，使在地面上的遇难者跌落到比一般情况下更深的地方。坍塌的速度如此之快，导致正在施工的隧道发生空气爆炸，一名逃生的工人甚至被炸翻。事故发生后，救援队伍主要在车站隧洞附近的隧道中开展救援工作。该隧道距离坍塌部分约30米。
设计前的地质勘探
在19m跨度的车站隧洞设计和施工之前，在区域里已布置了很多地质钻孔，从上而下揭示出粘性土、残积土以及片麻岩。靠近车站隧洞两侧的四个钻孔和隧洞中心的一个钻孔(下图)揭示了一些岩石的强烈风化带，特别是黑云母片麻岩。这与地铁4号线其他地方揭露的岩层特征并没有什么不同。钻孔一致显示，隧洞拱顶上方的岩石埋深较深。
8704号钻孔，该钻孔位于车站隧洞的中心
另一个最近的钻孔，8702，位于洞壁和竖井附近
照片中的塑料盒子装有岩层以上砂土、粘性土和及残积土的土样。在地面往下平均深度18m处，绝对标高706m处，首先揭露的岩面是风化片麻岩。隧洞拱顶的平均深度为地表以下21m。在隧洞中心附近钻的地质钻孔(8704号)准确地揭示出岩面绝对标高为706m。这与在其他四个临近钻孔中揭示的平均岩面标高完全相同。
Pinheiros车站隧洞拱顶的设计标高为703m，意味着拱顶上还覆盖有3m厚的岩石。由于岩石是已强烈风化，所以支护并没有考虑使用锚杆（灌浆困难）。
命中注定的8704号钻孔
图3a展示了根据地质勘察结果而成的预想地质剖面图，由于钻孔揭露的岩面标高相近，一开始人们认为在区段中岩面应该是呈大致水平的。
邻近的钻孔大多数地面高程为724m，岩面标高为706~707m
然而，在隧洞坍塌后，随着塌方岩土体挖掘的深入，沿隧洞轴线方向发现了一个独特的、陡峭的岩脊。根据现场反推，这条岩脊比周围的岩面要高出10～13m，沿隧洞和隧道延绵数十米。
根据挖掘结果反推的岩面标高
下图更能说明情况，在钻孔8704附近，岩脊似乎被分成了不相等的两部分。
由于8704孔位的原因，没有揭露岩脊
钻孔揭露的岩面标高与最近的五个钻孔的平均岩面标高(706m)相同
坍塌的简化示意图，区域1及区域2表示两个未被揭露的岩脊
F处的位置岩层出现了不连续面，塌方部分的边界也出现在这处，恰好位于Capri街的下方。
因此，这次大范围坍塌很有命中注定的意味，其中8704号钻孔正是那个决定命运的钻孔。
它不偏不倚，正好落在了两个大岩脊中间的低凹位置，与凸出的岩脊擦肩而过，又正好揭露的岩面标高与临近钻孔相近，使人们产生错觉。在坍塌过程中至少坠落了10m，并压碎了沉重的车站隧洞衬砌后，最终两个破碎的岩脊大约停留于在704~707m标高处。
岩石质量等级
在东部隧洞的建造过程中，地质工程师发现了越来越多质量等级为III级（RMR=44~48）的围岩，就位于隧洞的中部。下图展示了隧道断面上岩体质量的分级情况，上下两张图为随着开挖，不同时期的岩体质量在断面上的变化。
隧洞断面边缘区（A）与核心区（B）的RMR值及分级
随着开挖进展，由于隧洞岩石质量的改善，在Capri街往后区段的超前注浆被取消了（坍塌区段）。沿着隧洞长度范围，岩石质量等级的分布模式几乎一样，即III级的核心区被质量较差的IV级岩石(RMR= 34-36)包围(A/B/A模式)。由于3m厚的岩石覆盖层已被之前所有的地质钻孔所“证实”，因此，没有人会想到这种质量更好的岩石核心区竟然会对隧洞的稳定性构成威胁。在坍塌发生之后再回过头来看，如果在施工之前就发现了岩脊，就可能会考虑到岩石不同风化程度带来的危害。高脊状的岩石意味着上部接近地表的部分会产生更强烈的风化，尤其是岩体质量较差的部分。图7在时间尺度上说明了这个概念及其相应可能的地貌发展。
不稳定岩脊的地貌发展模型
由于边缘区的岩石风化较强烈，在物理化学作用下，其形成风化土的进程要快于核心区，最终形成了被风化土包围的岩脊。核心区的岩石与周边风化土之间形成了岩-土界面，阻止了隧洞顶部拱效应的发挥。谁也没想到，质量较好的岩石反而成为了不稳定的危险因素。
此时岩脊就像达摩克利斯之剑，高悬在上方，静静地等待隧洞通过。
隧道拱顶的重型初衬
由于隧洞两侧的岩石质量较差，设计师对钢构拱架基础下岩石的强度和刚度作了保守的假设。设计中，隧洞下部利用设置在两侧岩石的“象腿”支撑上部拱架，帮助分担来自上覆岩体的荷载，如下图所示。
钢拱架以0.85m间隔布置，并设置了0.35m厚度的喷射混凝土
现场施工情况如下图所示。
安装拱架后，在喷射混凝土
掌子面的超前预注浆工作
施工承包商CVA采用小型钻爆法进行掘进，并用连续布置的钢构拱架支撑隧洞，然后进行混凝土喷射。初步设计的拱架间距1.25m被否决了，缩减到0.85m，因为考虑到在现实中拱顶岩石覆盖厚度的变化，可能会产生不均衡的压力。
隧洞中的轻型衬砌方案也被否决了（主要指拱顶的岩石锚杆+小厚度喷混支护）。因为5个最近的钻孔揭示的平均岩面标高为706m，在隧洞拱顶上部的岩层厚度仅为3m，而且风化强度强烈，所以锚杆类支护方案并不适用。
车站隧道的二衬结构则由钢筋混凝土组成。然而，直至隧洞倒塌时，这一阶段的衬砌仍未开始施工。
灾后挖掘揭示的倒塌机制
在2007年的大部分时间和2008年的前3个月，在独立调查机构IPT的监督下，仔细挖掘了如下图所示的塌方物。
坍塌三维示意图
调查机构以放坡的形式往下开挖，到达一定深度后，转为采用锚索支护的方式形成开挖基坑。
初期阶段的挖掘
2007年年末，已开挖出拱顶部分
留意在挖掘过程中揭露的1-1.5m高的岩脊，由于其向下跌落10m而出现松动。在长期的风化作用下，它呈现出弯曲光滑的外观。地质勘探时它被判定为是III类的岩体。
开挖中揭露的岩脊
开挖的细致程度几乎是相当于考古挖掘，在纵向和横向形成了一个个1~2m高挖掘调查坑(图12)，现场小组全天24小时对开挖结果进行仔细记录，将结果反馈给调查组形成报告，最终上报给法院检察官和警察部门。
挖掘完毕后，场地将形成一个30m深的露天基坑，作为车站主体结构的后续建造场地。
左右两侧在标高704m的开挖情况，留意坍塌物呈倾斜状，指向隧洞中央
关键倒塌机制：岩石的差异风化
在这次崩塌后的开挖中，证实了10~13m高岩脊两侧的风化差异。在隧洞拱顶上方的一定距离处，这个未被揭露的岩脊已经发展成为不稳定的威胁因素，这是由于其陡峭的岩土边界面造成的。边界处为泥土填充物，这些填充物缺乏足够的抗剪强度。这些不利的边界面不但阻碍了拱的形成，而且令衬砌受到了巨大的竖向荷载。
下示意图大致说明了情况。充满节理的III级岩脊，被IV级软弱岩石包围,由于岩脊比临近基岩更接近地面，显然会更容易受到风化作用。在岩脊部分，边缘区的IV级围岩又比核心区的III级围岩更容易风化，从而形成了两侧陡峭，低抗剪强度边界面的不稳定岩脊。
岩脊的差异风化作用
Linton（1955）也阐述过类似的风化作用原理。
尽管片麻岩(与花岗岩相比)的体积要小得多，
但在隧洞坍塌过程中，节理较多、风化差异较大的坍塌物在整个阶段开挖过程中都非常明显
下图则是另一个岩脊存在的实证。尽管拱顶上部岩土层向下坍塌了10m，但仍在705m的标高处发现了岩石坍塌物。如果岩面高度真的如钻孔所示，出现在706m标高处，那么开挖出来的岩石最多只能出现699m处（考虑了拱顶3m岩石覆盖厚度），而不是705m。
另一块被开挖出来的岩脊，注意705m的标记
车站隧洞施工图片
从掌子面可以看出，岩层明显表现出质量更好的“核心区”的迹象
钢构拱架的倒塌机制
隧洞衬砌结构的坍塌体在标高693~695m处被发现，刚好高于原隧洞693m的底板高度。坍塌发生时，隧洞在高度方向已经开挖了10m。最后的洞内台阶开挖工作仍需低于这一标高，不过主要是在高质量的岩石中进行。最终，在挖掘到隧洞底板附近的时候，发现了钢构拱架严重超载、导致其倒塌的证据。
部分隧洞发现了基础破坏的迹象，这意味着岩石出现碎裂，随后是喷射混凝土和钢筋网的扭曲和变形，如图15a所示。有更广泛的证据表明，重型钢拱架存在异常的“刺入载荷”，拱架呈多层折叠，甚至格构钢梁在拉力作用下也出现了断裂。这是十分不寻常的现象，很有可能是瞬加施加巨大荷载引起的。
基底片麻岩(仅为左墙的一部分)的应力断裂导致“岩石象腿”断裂的证据
下图中所示的钢拱架“折叠”与图9a中所示的坚固支撑形成了鲜明的对比。新奥法设计中隧洞的稳定性通常依赖于岩层中的拱效应，切向应力与足够的抗剪强度相结合，并承担大部分的荷载。这是新奥法或锚杆+喷混衬砌的主要原理，在某些情况下，还需要与加强钢筋或加强拱架相结合，以保证最低程度的稳定性。
拱架中出现“塑性铰”的证据，留意旁边的超前注浆管，它们本来在喷射混凝土(和拱架)的上方。
然而，在这种特殊情况下，所有传统的支护方法都将失败。
三个叠加的(“折叠三明治”)衬砌支护现在都挤在一个1m厚的坍塌层，就在未完工隧洞底板上方。这块三明治的上半部分可能已经下跌了近10m。
如下图所示，严重变形的岩土体(可能是完全塑形破坏的岩石)被困在破碎挖掘机的“臂”内，其特征显示了拱架曾承受异常的动荷载。这种材料竟然可以严重变形至挖掘机可折叠“臂”内，瞬间被粉碎的过程很难想象。
破碎的挖掘机与“完全塑化”的碎片卡在折叠的四肢
倒塌机制的数值模拟
这种支护结构破坏的机理可以在崩塌后不连续体(节理岩体)模型和超载“岩石象腿”应力断裂模型中得到部分证明。
这些模型是由岩石领域的世界专家完成的。
当真实水平的岩石强度、断裂韧性和高达20,000吨的特殊岩脊荷载在模型中建立时，这些模型出现了大量的支护结构屈服，以及拱架基础下岩石出现的极端裂缝。两个破坏模型的例子如下图所示。
“岩石象腿”附近岩石破裂的FRACOD建模实例，这是由隧洞拱架屈服及岩脊竖向荷载所引起的
在三种工况下(无侧限抗压强度UCS=5,10或15Mpa) ，当负荷水平较低时(九种工况中的三种)，岩石没有发生裂缝，正如设计中合理预期的那样。随着荷载水平接近由岩脊施加的荷载水平，并逐步减少岩石的拱效应直至最终承受全部的重力荷载，岩石裂缝增加。
除此之外，还采用了UDEC独特的单元计算机代码，对可能由于拱架屈服而导致的整个隧洞倒塌进行了大规模建模。充分的、大量的岩体结构信息——节理、断层、强度和刚度是使用这种不连续模型的必要条件。因为地质勘探仅获取了小直径的钻孔芯样，这些风化片麻岩的节理信息中没有得到任何反映，所以设计公司没有在方案中使用该代码进行建模分析。坍塌后，随着连续的挖掘工作进行，离散模型变得更加可行，尽管几何形状(下图)仍然非常理想化。
模型通过模拟节理和片理将岩体划分为若干块体
注意片理与隧洞的中轴线平行。颜色代表岩层不同的强度和刚度。深绿色是全风化岩石，或残积土。左边的模型并没有导致坍塌。右边模型所看到类似填充泥土的材料楔块(红色)，则是导致重型拱架屈服和破坏的诱因。
节理岩体(风化土)的理想化模型，显示了第二阶段的台阶开挖
没有施加拱架的初步模型，用于模拟倒塌的机制
隧洞拱顶开挖时并没有发生破坏，但岩石中的应力水平较大。当产生塑性屈服的拱架单元(下图)在第一个台阶开挖后软化，破坏发生了，如图22b所示。实际上，这是非常迅速的，造成了空气爆炸，甚至可能把受害者连同岩土碎片一起从地表吸到比他们在重力作用下更深的地方。
在特定位置，拱架发生了塑性屈服
显示剪切变形的模型
第一个台阶开挖后，超应力单元发生软化，导致地表塌陷
Capri街区域的不利地形
这种足以引起空气爆炸的大规模坍塌，显然还需要其他不利因素才能在这个地点发生。恰好在Capri街的下面，碰巧还有另外三个不利的特征。单独考虑这些额外的影响因素不会对稳定构成威胁，但它们出人意料地结合在一起，导致了有史以来规模最大的城市土木工程隧道事故之一。
这种坍塌的触发机制完全出乎意料。
对于穿越隧道或洞室的地质断层或重大不连续面，隧道行业早就制定了标准的支护措施。在本项目中，一个光滑的主要不连续面(下图)以一个几乎垂直的角度穿过隧洞。这在正常情况下本来是最有利的。这个特殊的不连续面直到坍塌后才被注意到，它形成了Capri街路面下破坏面的上部几米。事实上，这并不像起初怀疑的那样，是一个断层。
部分出露的不连续面
请注意直径700mm的雨水管，它一直在漏水，并在倒塌后出现了松动。当隧洞在岩层深部接近或经过这一位置时，沿这一不连续面向下倾斜的变形可能早已破坏了这条管道。
在20m以下的隧洞处，这一不连续面可能与光滑的岩石节理(裂缝)难以区别开来，后者同样以相同的陡倾角穿过隧洞。重型拱架一直延伸至隧洞的东端。在隧洞的这一端，在不连续面的另一边，隧洞没有发生坍塌，留下了7到8根丝毫无损的拱架。
坍塌事件的另一诱因很有可能是由一条30年前的700毫米直径的雨水管漏水引起。这条水管恰好穿过了在Capri街下方的同一不连续面。使情况更加复杂的是，这个新的雨水管是在管道横截面从1000mm更改到700mm之后立即安装的。这意味着水流面积减少了50%，这可能会导致水压升高，并在降雨和暴雨水位高的时候，在错误的地点造成不必要的渗水。下图显示了纵向剖面图中的情况。
断裂漏水的管道，随着截面的变化，可能在最不利的位置令地层中水压升高
雨水管穿过坍塌后边缘的地质不连续面(红色)
很明显，在这条不连续面的下部，以前从来没有一个隧洞穿过。我们可以推测，由于隧洞的接近和通过，不连续面处可能存在一定的下倾剪切变形。这是永远无法避免的，而且很可能只有毫米级的规模。然而，由于土体剪胀性，它可能使水更容易流动，将压力下的水进一步输送到未知的、不利的岩石节理裂缝中。
在12月中旬，也就是崩塌前的几周，降雨量异常之大。可以推测，岩脊周边岩土界面泥土的应变软化，以及不利的超孔压效应，可能在坍塌发生前几周就开始了。
破裂的雨水管中水体的源源渗出,既会软化不连续面的土体,也有可能软化了岩脊周边的风化土体。
最大那块岩脊一端的塌陷面是东端的不连续面，另一端的塌陷释放面可能是两个岩脊之间的强烈风化边界，大约位于8704号钻孔的位置。第二个较小的岩脊由于竖井结构的破坏，塌陷的竖井井壁则作为其西部释放面。
最后一个意外因素可能加剧了隧洞的坍塌规模，那就是Capri街东部路面下75°到80°倾斜的不连续面。尽管不连续面距离竖井有40m远,但超大规模岩土体向下塌陷10m,可能使岩土体对竖井基坑产生侧向挤压，从而破坏了近一半的竖井围护结构，引起了后续更大规模的塌方。
倒塌是否可以避免
在坍塌发生后，人们很自然会质疑隧洞的变形趋势是否预示着隧洞即将发生破坏。事实上，隧洞内部布置了相当多数量的监测点。图26显示了洞穴上方三个不同区域的地面沉降情况。
坍塌发生前6个月内的地表沉降变化
沉降曲线第一次的明显下降发生在隧洞拱顶开挖时。在随后的两个月内，沉降发展渐趋稳定。当隧洞第一个台阶开挖时，平缓的曲线又出现了逐渐增大的趋势。
在最近三至四次的监测记录中可以看到，沉降突然增加，但沉降自9月份开始一直呈平缓发展的趋势。在坍塌事故之后往前看，作出明智的决定是容易的。
若不知道坍塌会发生，那么我们则最多依靠最后几天的沉降突然增大，才能勉强判断可能会出现危险。然而，此时尝试增加衬砌厚度或岩石锚杆来加固隧洞，实际上对避免倒塌已经为时已晚。
现场物探方法，如地震折射波，是否能得到有用的结果也值得思考。波形的噪音干扰似乎已经在圣保罗的许多地层中阻碍了高质量的地震折射波的获取，而在深部差异风化岩层中会更加困难。
跨孔地震探测可以避免噪音干扰的问题，调查机构IPT曾经10年前在项目场地实施过，探测位置距离坍塌的隧洞约100m。施工承包商CVA在中标后进行的补充勘探，实际上“证实”了该地区由地震波确定的硬岩深度约为16~18m。地震波速与深度的关系如下图所示。值得注意的是，地震波速计算值与坍塌后重新统计的Q值吻合较好，速度-岩体质量方程为：
Vp≈3.5+ lg Q
通过P波和S波的跨孔透射得到的深度-速度测量值，显示了岩体质量Q与波速的对应关系
波速和Q值的关系在图28中进一步扩展，得到了包括深度的影响，以及与变形模量和支护荷载的关系。
根据IPT在1997年对临近五个钻孔的地震波速测试结果，得到对应的岩体质量Q, 岩体变形模量及支护荷载
坍塌后对最近的5个钻孔岩芯的Q值重新计算，并与早期的场地特征调查结果(IPT，1997)、隧洞掌子面超前地质预报RMR值进行对比，如下图所示。
岩石质量RMR值与Q值的对比
即使使用“最不利”的关系式将RMR值转换为Q值(RMR≈15 lgQ + 50)，使用B+S(fr)+RRS(如图30所示)的最保守支护体系也不能防止隧洞坍塌，因为荷载水平已远远超出了Q-system的案例记录。
即使应用Q-system中岩体质量最差时(Q = 0.06)对应的永久支护体系B+S(fr)+RRS，对于19m跨度的隧洞在20,000吨岩脊荷载作用下也很可能发生破坏，因为岩石的拱效应得不到发挥
总结
1.2007年Pinheiros车站发生的事故向工程师和规划师展示了在城市建设浅层隧道的高风险。如果隧道埋深太浅，风险有时可能是不可避免的。实际上，在项目开工之前，隧道的埋深偏浅已经受到了数位专家的警告。
2.由于隧道线路很长，若对沿线进行细致的地质勘探，无论在成本和实施上都不太现实。所以，实际上应该避免地铁项目埋深过浅。当计划建设的道路和地下建筑实在太浅时，可能会发生社会和商业上无法接受的损失。
3.在许多地质条件不良的城市，在更深的地下进行建设是一种合乎逻辑的、值得推荐的解决方案。隧道的岩石条件一般在深层上会更加有利，而靠近地表时，由于风化程度的不可控，会增加建设的风险。特别是在热带气候下，地质条件会更加难以预测。
经过15个月的挖掘，最终清理掉了所有的塌方体，尘埃落定