Characteristics of water and sand gushing disasters in subway tunnels and disaster modes analysis

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.015

Journal of ZheJiang University (Engineering Science)

2025, Vol. 59

Issue (1): 152-166 DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.015

Characteristics of water and sand gushing disasters in subway tunnels and disaster modes analysis

Shunhua ZHENG1(

),Yingchao WANG1,2,*(

),Fan CHEN1,3,Zheng ZHANG4,Qingli LI2,Zihao FENG2

1. State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
3. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China
4. Hefei Railway Hub Project Construction Headquarters, China Railway Shanghai Bureau Group Limited Company, Hefei 230011, China

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Abstract

Based on the statistics of typical cases of water and sand gushing in subway tunnel construction stages in China from 2002 to 2019, the disaster characteristics were analyzed from the aspects of disaster occurrence characteristics, disaster geological environment and hazard factors. According to the geological environment, causes and forms of disaster sources and engineering conditions, the disaster-causing structure of water and sand gushing in the subway tunnels was classified into 3 categories including 12 types. The first category is large-scale unfavorable geological bodies, including fault and weak fracture zone type, karst and underground rivers type, interlayer fracture zone type, weathering deep groove type, intrusive rocks type, and underwater sandy stratum type. The second category is water-bearing sand and soft soil stratum, including overlying/invading soft soil type, upper-soft and lower-hard composite stratum type, water-rich sandy stratum type, and ground cavity/water bag and silt stratum type. The third category is artificial underground water-rich space, including underground water transmission pipes type, abandoned mining spaces and air-raid shelters filled with water type. Three typical disaster modes of water and sand gushing in subway tunnels with the soil surrounding rock were proposed based on the mechanical characteristics of soil instability and failure, namely, sliding failure mode, breaking failure mode, and seepage failure mode.

Key words： subway tunnels water and sand gushing disaster characteristics disaster-causing structure disaster mode

Received: 04 December 2023 Published: 18 January 2025

CLC:	P 642.22
	U 441.3

Fund: 国家自然科学基金资助项目（42272313）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20242087）；中国铁路上海局集团有限公司科研项目（2024141）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX22_2583）；中国矿业大学未来科学家计划项目（2022WLKXJ119）；江苏省大学生创新训练计划项目（202410290207Y）.

Corresponding Authors: Yingchao WANG E-mail: zhengshunhua16@163.com;wych12345678@126.com

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Cite this article:

Shunhua ZHENG,Yingchao WANG,Fan CHEN,Zheng ZHANG,Qingli LI,Zihao FENG. Characteristics of water and sand gushing disasters in subway tunnels and disaster modes analysis. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2025, 59(1): 152-166.

URL:

https://www.zjujournals.com/eng/10.3785/j.issn.1008-973X.2025.01.015 OR https://www.zjujournals.com/eng/Y2025/V59/I1/152

地铁隧道涌水涌砂灾害特征及灾变模式分析

为了探究地铁施工阶段隧道涌水涌砂灾害特征及灾变模式，统计中国2002—2019年的典型地铁隧道涌水涌砂灾害案例，从灾害发生特征、孕灾环境、致灾因素等方面分析灾害特征. 结合灾害源的赋存环境、成因和形态以及工程条件，将地铁隧道涌水涌砂致灾构造划分为3类（12型），即大型不良地质体（断层及软弱破碎区型、岩溶及地下河型、层间裂隙带型、风化深槽型、侵入岩脉型、水下含水砂层型）、含水砂层和软土地层（上覆/侵入软土型、上软下硬复合地层型、富水砂层型、空洞/水囊及淤泥型）、人工地下富水空间（地下输水管线型、充水废弃矿巷及防空洞型）. 基于土体失稳破坏力学特性，提出3种典型土质围岩地铁隧道涌水涌砂灾变模式，即滑移失效型、破断失效型、渗透失效型.

关键词： 地铁隧道, 涌水涌砂, 灾害特征, 致灾构造, 灾变模式

编号	隧道及施工方法	日期	地层	发生位置	介质及状态	灾害影响	发生机制
数据来源：应急管理部、城市地铁官方网站、公开发表的文献资料以及新闻媒体报道等. 注：1. “/”表示影响较小，或无详细记录；“*”表示相关数据缺失. 2. 案例统计中的地铁隧道包括施工竖井、区间隧道和联络通道. 3. A、B、C、D、E、F、G分别代表隧道断面的方位11点半到12点半、12点半到3点、3点到5点半、5点半到6点半、6点半到9点、9点到11点半和掌子面上.
1	广州地铁11号线沙河站竖井横通道（矿山法）	2019–12–01	强风化砂砾岩，开挖面以上10 m存在富水中粗砂、粉细砂层	掌子面（A）	突泥涌砂	上方路面坍塌（2次），车辆坠坑，3人死亡	爆破开挖后未及时封闭，渗水、涌水引起土层流失
2	杭州地铁5号线宝建区间联络通道（矿山法）	2019–08–28	地下37米为杂填土和密实砂层	掌子面（A）	渗漏水	路面塌陷，地面建筑裂缝、倾斜，燃气泄漏	渗漏水引起隧道上方土层流失
3	呼和浩特地铁2号线水诺区间联络通道（矿山法）	2019–08–01	富水砂砾地层	掌子面（D）	突发性涌水涌砂	地面沉降，路面塌陷	降雨量增加导致区域内水头抬升
4	北京地铁19号线金平区间隧道（矿山法）	2019–03–17	粉质黏土层	掌子面（F）	局部渗漏水，涌水涌泥	路面下方空洞，地表塌陷	管线渗漏及地表水下渗冲刷作用下，在隧道上方土层形成水囊
5	佛山轨交2号线花仙区间联络通道（矿山法）	2018–07–28	富水软弱砂层	掌子面	漏水	地表塌陷	*
6	佛山轨交2号线湖涌站~绿岛湖站区间隧道（盾构法）	2018–02–07	淤泥质粉土、粉砂、中砂，交界处且具有承压水	盾尾（C）、管片环缝	渗水漏水漏砂，透水涌泥涌砂	管片变形破损，道路坍塌，12人死亡，8人受伤	土仓压力上升，盾尾下沉，盾尾间隙变大
7	广州地铁14号线街口站~中间风井区间联络通道（矿山法）	2017–10	上软下硬地层，风化花岗岩，上覆黏土和富水砾砂、含卵石粗砾砂、中粗砂及卵石层	掌子面（B）	涌水涌砂	地表塌陷	开挖揭露富水砂层
8	港珠澳大桥工程的香港段屯门赤蜡角接线工程海底隧道联络通道（顶管法）	2017–09–24	较软的海洋冲积土层，全风化带花岗岩，水压达0.5 Mpa	区间管壁	泥水喷涌	管片受损，隧道积水积淤	管壁破裂，大量的泥水涌入隧道内
9	武汉地铁6号线琴台站~武胜路站区间隧道（盾构法）	2016–07–17	粉质黏土，承压性粉细砂，地下水受汉江补给，下卧强、中风化基岩	盾尾（C）	局部涌水涌砂	地面沉降，管片受损	持续降雨导致地下水水位升高，盾尾密封失效
10	长春地铁1号线长春站南广场~北京大街区间联络通道（矿山法）	2016–06–29	施工区域上方存在水囊	掌子面	涌水涌砂	地表塌陷	开挖扰动导通上方水囊
11	南昌地铁2号线翠苑路~学府大道区间隧道（盾构法）	2016–06–18	道路回填的极细砂	掌子面	涌水涌砂	地表塌陷	降雨量增大导致地下水水位上升
12	深圳地铁7号线福皇区间隧道（盾构法）	2015–06–25	上软下硬地层，上部富水砂砾层和砂层，下部为微风化花岗岩	掌子面（G:盾构仓门）	涌水涌泥	地表塌陷，1人死亡，4人受伤	盾构换刀，地层局部沉降导致上部水管断裂
13	杭州地铁4号线江锦路站~市民中心站接收竖井（盾构法）	2014–07–31	富水粉土粉砂层，上覆淤泥质填土或河道淤泥，河道距隧道较近	进出洞/接收（F）	渗漏水，河水灌入隧道	河道、围堰塌陷，隧道被淹	降雨量大使河水水位上升，围护结构失效
14	武汉地铁4号线越江隧道复兴路站左线盾构接收竖井（盾构法）	2014–07–06	承压富水粉土和粉细砂层，覆土松散、自稳能力差	区间管片纵缝	渗水	/	管片错位张开
15		2014–07–01		进出洞/接收（D）	涌水涌砂	地面建筑沉降开裂	洞门加固结构失效
16		2014–06–07		进出洞/接收（C）	涌水	/	盾构掘进扰动，洞门防水结构失效
17	武汉地铁4号线越江隧道复兴路站右线接收竖井（盾构法）	2014–07–03		进出洞/接收（D）	涌漏水并携带大量泥砂	降水排险导致地面沉降，建筑物沉降开裂	盾构掘进扰动，洞门防水结构失效
18	大连地铁学海区间隧道（矿山法）	2013–11–29	中、强风化板岩，上覆富水卵石和填土层，地下水连通海水补给	掌子面（F）	涌水	地表塌陷	开挖后基岩变薄，爆破扰动上部承压性软弱地层，产生裂隙
19	南京地铁3号线大行宫施工竖井（矿山法）	2012–11–29	古河道，承压富水砂层	掌子面	涌水涌砂	地表塌陷	开挖揭露富水砂层，未及时封闭
20	青岛地铁君峰路~振华路区间隧道（矿山法）	2011–07–17	穿越中微风化花岗岩，上覆承压性粉质黏土、粗砾砂，围岩破碎，存在强水流砂层	掌子面（A）	涌水	掌子面拱顶坍塌，地面沉降、塌陷	降雨及管线渗流使地层砂石流失，形成水囊，施工扰动造成饱和流塑状土体失稳
21	天津地铁2号线建国道~天津站区间隧道（盾构法）	2011–05–06	粉土、粉砂、粉质黏土层，下部粉砂层厚度10 m左右	掌子面（G:螺旋机观察孔）	突砂涌水	地表塌陷，隧道损毁，盾构被埋	盾构螺旋机被水土固结块卡死，观察孔开启
22	大连地铁交通大学段竖井横通道（矿山法）	2011–03–10	素填土，富水冲洪积卵石富集区，下伏承压性风化基岩	掌子面（A）	涌水涌泥	地表塌陷，3人死亡	开挖揭露富水卵石地层
23	西安地铁2号线永南区间隧道（矿山法）	2009–06–19	黄土梁洼区	掌子面（E）	涌水	地表塌陷，隧道开裂	暴雨及水管爆裂导致水压上升，诱发隧道上方土体软化或形成空洞
24	广州地铁6号线黄沙站~海珠广场站接收竖井（盾构法）	2009–02–22	强风化、中风化砂质泥岩，上覆饱和富水中粗砂层和流塑状淤泥层	进出洞/ 接收	涌水涌砂	地表塌陷	洞门止水结构未安装
25	广州地铁珠江新城旅客输送系统右线始发竖井（盾构法）	2008–07–22	上软下硬地层，富水海陆交互相淤泥质砂层，下部为全风化砂质泥岩，具有承压性	进出洞/ 始发（D）	涌水涌砂	/	洞门围护结构失效，产生渗流通道
26	上海轨交10号线溧阳路~曲阳路始发竖井（盾构法）	2008–06–26	穿越富水粉土、淤泥质黏土，深部粉性土、砂土层中具有承压水	进出洞/ 始发	渗水漏砂	地面沉降	洞门防水结构失效
27	广州地铁5号线大西盾构区间联络通道（矿山法）	2008–01–17	下穿珠江水道，淤泥质土层及富水粉细砂和中粗砂层	掌子面	突发性涌水	隧道塌方，地表塌陷	施工扰动富水软弱土体
28	南京地铁2号线汉中门站~上海路区间隧道（矿山法）	2007–12–16	富水粉质黏土和粉砂质泥岩，隧道上方有充满水和淤泥的空洞以及一定厚度淤泥层	掌子面（A）	涌水涌泥	工作面断裂，路面塌陷	爆破扰动导通隧道掌子面与地层充填空洞
29	南京地铁2号线中和村站~元通站接收竖井（盾构法）	2007–11–20	穿越承压性中密粉土和粉细砂，上覆局部为流塑状淤泥质粉质黏土	进出洞/接收（D）、管片接缝	渗水，漏水漏砂，涌水涌砂	地表塌陷，盾构被埋	洞门防水结构失效，盾尾下沉，管片张开
30	南京地铁2号线油坊桥站~中和村站始发竖井（盾构法）	2007–09–07	穿越流塑状淤泥质粉质黏土，下部承压性中密粉土和粉细砂	进出洞/始发（C）、管片环缝（D）	涌水涌砂	地表塌陷，隧道沉降，管片开裂	围护结构失效（高水压），管片张开
31	南京地铁2号线汉中门站~上海路区间隧道（矿山法）	2007–02–05	富水粉质黏土和粉砂质泥岩	掌子面	渗水	掌子面坍塌，管道断裂爆炸，路面损毁	管线漏水浸泡土层软化，承压水击穿土层
32	广州地铁5号线大文区间隧道（盾构法）	2006–01–04	复杂断裂带，上覆回填砂层，地下水丰富	掌子面	水土流失	地表塌陷	施工扰动引起地下水携砂土流失
33	北京地铁10号线呼家楼站~光华路站区间隧道（浅埋暗挖法）	2006–01–03	穿越承压圆砾和粉土层，上覆粉细砂层，存在水囊及饱和淤泥层	掌子面	涌水	工作面坍塌，地表塌陷	地层中管线长期渗漏形成水囊，开挖扰动使土体变形，导致管线断裂
34	深圳地铁1号线世界之窗~白石洲区间隧道（矿山法）	2005–07–13	填海造陆区，主要分布人工填土和具有流动性砂土	掌子面	渗水	掌子面坍塌，路基断裂，地表塌陷	开挖扰动及渗水使隧道周围土体软化
35	南京地铁玄武门~南京站区间隧道（盾构法）	2005	富水淤泥质黏土和粉细砂	盾尾	涌水涌砂	地面沉降，建筑物开裂	盾尾密封失效
36	广州地铁3号线大塘站~沥滘站区间隧道（盾构法）	2004–03–01	穿越全风化、强风化泥质砂岩，上覆富水淤泥质黏土层及粉细砂层	区间管片（B）	涌水涌砂，涌水	/	注浆压力过大使管片破坏、错台、张开
37	广州地铁3号线大塘站~沥滘站区间隧道（盾构法）	2003–08–16	穿越全风化、强风化泥质砂岩，上覆富水淤泥质黏土层及粉细砂层	掌子面（G:螺旋输送机）	水砂喷涌	地表塌陷	基岩开挖长期扰动，导致上部土体塌陷
38	广州地铁3号线天河客运站~华师站区间隧道（盾构法）	2003–12–17	上软下硬地层，下部为风化花岗岩，上部为砂质黏土层，界面存在丰富地下水	掌子面（G:螺旋输送机）	水砂喷涌	地表塌陷	开挖对上部土体扰动较大，导致土层塌方
39	上海轨道交通4号线浦东南路~南浦大桥站越江隧道联络通道（矿山法）	2003–07–01	穿越承压性高含砂量砂土，水源补给丰富且具有潮汐变化	掌子面	渗水，流砂突涌	隧道损毁，地面沉降，水土流失，建筑物倾斜，防汛墙塌陷	开挖顺序错误，冻结围护结构失效
40	广州地铁2/8号线延长线区间隧道（盾构法）	2003	上软下硬地层，弱透水性含砾砂黏土层，下部承压性风化砂岩	盾尾	漏水漏砂	地面沉降	盾尾密封不严
41	深圳地铁Ⅰ期工程3A标国贸~老街区间隧道（矿山法）	2002–07–07	上软下硬地层，穿越粉质黏土层、全风化、中风化花岗岩，（以上1.5 m）上覆较厚富水砂层，相对隔水层薄	掌子面（B）	渗水，涌水涌砂	掌子面拱顶坍塌，地面沉降	开挖扰动导通上覆砂层，水压力及渗流力作用下使围岩软化
42	深圳地铁Ⅰ期工程3A标国贸~老街区间隧道（矿山法）	2002–05–19	上软下硬地层，穿越粉质黏土层、全风化、中风化花岗岩，（以上1.5 m）上覆较厚富水砂层，相对隔水层薄	掌子面（B）	渗水，涌水涌砂涌泥	地表塌陷	开挖扰动导通上覆砂层，水压力及渗流力作用下使围岩软化
43	上海轨道交通9号线外环路站~合川路站接收竖井（盾构法）	*	淤泥质黏土层，承压粉砂层	进出洞/ 接收	渗水流砂	管片变形、沉降、破坏	围护结构密封失效，灾害体与隧道结构存在连通渗流通道，管片张开
44	广州地铁3号线大石站~汉溪长隆站区间隧道（盾构法）	*	穿越淤泥质和粉质黏土，上覆夹富水砂层	盾尾	漏水漏砂	*	盾尾密封失效
45	青岛黄岛区某地铁区间隧道（矿山法）	*	断层破碎带，节理发育，上覆富水含黏性土粗砾砂，径流方向复杂	掌子面	突水涌砂	掌子面坍塌	开挖揭露断层，爆破扰动
46	南京某地铁项目接收竖井（盾构法）	*	承压砂层，地下水与长江有水力联系	进出洞/ 接收	喷涌清水	隧道、盾构被淹	洞门封闭未完成时撤除冷冻加固，出现罕见暴雨
47	广州地铁某接收竖井（盾构法）	*	富水砂质地层	进出洞/ 接收	涌水涌砂	隧道破坏，地面沉降	超挖，洞门围护结构密封失效

Tab.1 Typical cases of water and sand gushing disaster in subway tunnels^{[11, 20-29]}

Fig.1 Statistics on tunneling methods for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.2 Statistics on disaster location for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.3 Disaster section direction of water and sand gushing disasters in subway tunnels

Tab.2 Media types of water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.4 Disaster causing forms of different media types

Fig.5 Statistics on disaster impact for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.6 Statistics on disaster geological characteristics for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.7 Statistics on soft soil categories for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.8 Soil composition of main disaster geology

Fig.9 Statistics on hazard factors for water and sand gushing disasters in subway tunnels

Fig.10 Cause-specific statistics on main hazard factors

Fig.11 Disaster geological environment and hazard factors of water and sand gushing in subway tunnels

Tab.3 Classification of disaster-causing structure for water and sand gushing in subway tunnels

Fig.12 Schematic diagram of disaster-causing structures for water and sand gushing in subway tunnels

Fig.13 Schematic diagram of disaster modes for water and sand gushing in subway tunnels


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