以地铁为代表的轨道交通加快了运输效率，能够有效缓解“大城市病”，是实现“双碳”目标的创新途径之一^[1-2]. 2002—2023年，中国内地轨道交通运营总里程呈指数趋势增长，截至2023年底，中国内地已有59个城市的轨道交通开通运营，总里程达11 232.65 km，其中地铁制式占比76.11%. 中国地铁建设正处于高速发展和繁荣期，未来在珠三角和长三角地区还将有大批地铁规划建设^[3-4]. 城市地铁工程具有埋深浅、岩土体软弱松散、地下水系统丰富且径流复杂、建（构）筑物和人口密集、环境敏感性强等特征，隧道涌水涌砂是地铁建设过程中面临的主要安全风险，尤其是在地层松软且地下水丰富的中国东南沿海地区，涌水涌砂灾害层出不穷，极易引发重大安全事故，造成经济损失，甚至人员伤亡^[5-6]. 大规模的涌水涌砂还会诱发水土流失、地层坍塌及地表沉降、既有管线破坏、建筑物倾斜破坏等次生灾害^[7-10]. 2018年，佛山地铁2号线湖涌站至绿岛湖站盾构区间透水涌砂，导致隧道破坏、盾构机被掩埋，12人死亡，8人受伤；还引发多间平房倒塌，地面路段坍塌超过30 m^[11].

学者在研究山岭隧道突涌水致灾构造及突水模式方面取得了许多有益的成果. 石少帅^[12]认为隧道突水灾害由灾害源（动力）、突水通道（优势运移通道）、隔水阻泥结构（最后屏障）三部分组成，并将致灾构造概括为裂隙型、断层型、溶洞溶腔型、管道及地下河型. 罗雄文等^[13]针对深长隧道水害提出5种致灾构造和突水模型. 贺振宇等^[14]根据致灾构造的成因和灾害特点的统计分析将致灾构造分为5类13型，并归纳总结出6种防突层结构及相应的突水模式. 李术才等^[15-18]基于大量隧道突水突泥案例统计分析，将致灾构造划分为3类11型，并从突水方式、致灾构造、隔水阻泥结构等角度对隧道突水灾害分类，提出4种典型突水孕灾模式. 通过研究大量案例，李新宇等^[19]将越江跨海隧道突水模式归纳为水力劈裂型、渗透型、界面张开型和整体破坏型4种，并分析相应的地质条件和水文条件. 由于城市隧道及地下工程在地层地质及周边环境、工程自身结构等方面具有区别于其他类型隧道的特点，学者开始关注地铁隧道施工过程中的水害问题. 针对青岛黄岛区某地铁区间隧道穿越断层破碎带时发生的突水涌砂灾害，陈剑等^[20]对富水断层破碎带突水涌砂的原因及力学形成过程进行分析，认为断层构造、含黏性土粗砾砂地层、丰富地下水等构成突涌水的地质条件，施工过程中地质勘查不明、提前进入破碎带施工、爆破扰动、封闭加固不及时等为突涌水灾害的工程因素. 戴轩^[21]按照灾害发生的位置以及影响将盾构隧道施工漏水漏砂分为出入洞、联络通道以及隧道区间3类，并将隧道区间细分为螺旋输送机喷涌、盾尾密封不良、管片接缝漏水漏砂. 顾雷雨等^[22]以某市轨道交通盾构区间透水事故为例，结合地质调查和试验研究了导致灾害发生的地质因素，指出古河道分布发育和复合地层沉积组合的特殊地层以及复杂的水文地质条件是富水砂层涌水涌砂的主控不良地质因素.

以上研究大多集中在山岭隧道领域，或是以单一地铁涌水涌砂灾害为例展开的调查分析，地铁工程孕灾地层地质和复杂的水文地质条件特殊，造成涌水涌砂灾害的原因不同，针对地铁隧道涌水涌砂灾害特征及致灾模式系统全面的综合性研究鲜少. 本文基于大量地铁隧道涌水涌砂灾害实例数据，对灾害发生特征、孕灾环境和致灾因素进行统计分析，结合灾害源赋存条件（水源、地层）和致灾因素，总结归纳致灾构造类型，探讨地铁隧道涌水涌砂灾变模式，以期为工程实践中的灾害风险识别以及机理和防治研究提供基础与参考.

隧道涌水涌砂的实质是地下水和所处地层介质受区域地质条件、水文条件以及外界干扰（如降雨等极端气候环境、地下管线渗漏水、地下工程开挖、地面动静荷载等人类活动），在隧道临空面发生流失的动力失稳现象，是多种因素综合作用的结果. 诱发涌水涌砂灾害的必要条件有2个：灾害源和优势运移通道. 区域工程地质与水文条件是灾害赋存环境，为灾害源；外界扰动及地下水的渗流力导致围岩软化、开裂，促进连通灾害源和临空面的优势运移通道形成，诱发隧道涌水涌砂灾害.

要实现安全建设与防灾减灾，从根本上理解地铁隧道施工期发生涌水涌砂灾害的成因及灾变机制是前提，通过统计学方法在大量案例的基础上分析灾害的共性问题是有效的手段. 本文搜集126例地铁隧道施工过程中发生的涌水涌砂灾害，剔除信息记录不全和特殊情况的案例，从施工方法、地层地质、发生位置、涌出物介质状态、灾害影响及发生机制等多方面进行统计总结. 如表1所示为中国2002—2019年数据较为全面且影响较大的47例典型灾害案例. 由表可知，地铁隧道涌水涌砂不同于山岭隧道突涌水，灾害发生受富水软土地层影响显著，且致灾原因具有多样性. 此外，松散岩土介质在多因素（如水体渗流和颗粒迁移）作用下的动力失稳极易影响地层及地表的稳定性，进而引发水环境失衡、地层空洞、地面沉降和塌陷等次生灾害. 有必要充分认识灾害特征，为地铁隧道涌水涌砂灾害模式和机制研究提供数据支持，同时为地铁隧道风险管理与灾害防治提供参考.

由于工程地质、水文地质及气象条件、工程结构复杂程度、设计和现场施工组织水平等主客观因素存在差异，引发的地铁隧道涌水涌砂灾害具有不同的响应特征. 考虑到地铁工程埋深浅、地层和周边环境复杂，受地下水渗流和地表入渗、径流影响大等特点，分别从灾害发生特征、地层地质以及致灾因素等方面对表1进行统计分析，归纳地铁隧道涌水涌砂灾害发生特征、孕灾环境与致灾因素，总结灾害特征及规律性.

地铁工程埋深浅，场地及周边环境复杂多变，所处地层一般类型较多且分布复杂，受地表水和地下水的影响大，一旦发生隧道灾害将严重威胁上方地层及构建筑物的安全.

在地铁工程中，区间隧道的施工方法有明挖法、矿山法、盾构法、顶管法和沉管法等，其中矿山法包括浅埋暗挖法和盖挖法等. 地铁工程大多分布于周边建筑密集的市中心，穿越的地层一般是由粗粒的砂土、块石和细粒的黏土、粉土以及风化基岩等组成，强度较低且渗透性差异大，受工程条件和场地水文地质环境的影响，区间隧道的施工一般采用包括盾构法、矿山法在内的暗挖法，竖井和联络通道普遍采用矿山法.

统计表1中的47例灾害按施工方法（顶管法共1例，计入机械化施工的盾构法，下同），绘制如图1所示的饼状图. 案例涉及的施工方法有盾构法、矿山法和顶管法，盾构法略多于矿山法，两者占比分别为55.3%和44.7%，这是由于盾构法安全隐患多，应对复杂多变地质条件的灵活性和适用性不如矿山法. 2种方法在灾害发生位置上体现出不同的特征：矿山法区间隧道、施工竖井和联络通道发生涌水涌砂的占比分别为52.4%、14.3%和33.3%，盾构法的分别为48%、48%和4%. 可见区间隧道均为2种方法容易发生灾害的位置，不同的是矿山法在联络通道出现灾害的占比比施工竖井的高，而盾构法中施工竖井远高于联络通道，盾构法在施工竖井处的灾害主要由盾构进出洞时洞门破损引发，与盾构法的区间隧道占比相当，其中盾构法联络通道发生灾害的施工方法为顶管法.

分析施工方法分布特征的原因. 1）地铁隧道施工最常用的方法是盾构法和矿山法，且联络通道的开挖一般情况下采用矿山法，2种工法都存在自身技术层面的不足，加上对复杂地质和水文条件的动态认知不足以及灾害发生机制的研究较少，导致施工过程中均存在较高的安全风险. 2）各工法的结构缺陷不同：矿山法的薄弱环节是开挖工作面，盾构开挖安全隐患较多（如在盾尾密封刷、管片接缝、进出洞时竖井与隧道相接处等部位容易发生破坏）. 在面对复杂地质条件时盾构法施工发生涌水涌砂灾害的风险较大，由于工法特点的差异，不同施工方法的薄弱环节区别较为明显，工程施工及防治应采取针对性的措施.

隧道涌水涌砂灾害发生特征与灾害发生位置有密切联系，灾害发生位置按结构形式可分为区间隧道、施工竖井和联络通道，按施工过程可分为掌子面、隧道衬砌、洞门和盾尾，按隧道断面灾害方位可分为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，统计结果分别如图2、图3所示. 从结构形式上分析，灾害发生在区间隧道的占比最大，为53.1%；其次为施工竖井，占30.6%，联络通道占16.3%. 从施工过程上分析，灾害发生在掌子面的占比为54%，洞门为24%，隧道衬砌为12%，盾尾为10%，其中掌子面涌水涌砂的27例灾害中有21例为采用矿山法施工的隧道，而盾构法施工隧道涌水涌砂主要风险位置在区间隧道和竖井洞门. 区间隧道和掌子面处发生灾害的案例最多，远超其他位置，这2个位置穿越的地层多，水文及地质条件复杂，遇到的风险源较多，是施工中风险较大的位置. 不同位置的施工工艺和防水结构差别较大，掌子面开挖后如未得到及时有效的封闭，软弱岩土在水体的渗流裹携下极易涌入隧道. 施工竖井和洞门发生涌水涌砂的原因主要是盾构进出洞时破坏围护结构的防水功能，造成涌水涌砂灾害，实际工程中发生的频次同样居高不下. 盾尾和隧道衬砌处发生涌水涌砂是由于外力作用导致结构破裂或缝隙张开，其风险也不容忽视. 从灾害发生的方位上分析，隧道断面横向上各个方位表现出不同的频次，但与按结构形式和施工过程分的灾害位置相比差别较小，其中方位D和A（即隧道仰拱和拱顶）占比较高，分别为22.3%和18.5%，其次为方位B、C、G，均为14.8%. 灾害发生的方位不仅与隧道所处的水文及地质条件相关，还受施工工序和结构力学性能的影响，在施工过程中除了掌握准确的地质勘察资料外，还应根据监测数据及时调整施工和支护方案.

涌出物介质类型受工程水文及地质条件、突涌点形态（如形状、大小）等因素控制，直接关系灾害危害程度. 将案例中灾害发生时涌出物的介质类型分为水、水/砂（包括砾石和卵石）、水/泥以及水/砂/泥；需要注意的是，涌出物介质类型可能是多种多样的，而且在灾害过程中可能发生变化，即某案例可能包含多种介质类型，统计结果如表2所示，其中N为案例数量，P为占比. 由表可知，地铁隧道涌水涌砂灾害涌出物介质类型主要为水和砂，占比为49.1%. 地铁工程埋深浅，地层以细粒填土、黏土、粉土和粗粒砂土、卵砾石层以及强度较低的破碎岩和风化岩等软岩为主，且城市地下水和地表水入渗丰富，软土地层物理力学性质差异较大，自稳能力较差，特别是在富水环境下的富水砂层，开挖扰动后如未及时进行封闭或加固处理将极易出现流失现象. 因此灾害发生时，浅层岩土体在水渗流作用下承载力急剧下降并具有流动性，岩土颗粒随水流进入隧道掩埋已施工的地下空间，甚至破坏附近地层，导致地层空洞或塌陷. 案例中涌出物只有水的占比排第二，为34.5%，这主要受隧道附近岩土体性质、渗透性以及工程水文条件影响，且取决于突涌点形态，致灾形式为渗漏水、涌透水及突水等特征. 如图4所示，水介质的致灾形式为渗漏水、（喷）涌水以及突水等；水/砂介质的致灾形式主要为（渗）漏水漏砂、涌水涌砂以及突水涌砂等，其中发生涌水涌砂的案例是（渗）漏水漏砂的近3倍；水/泥和水/砂/泥介质的致灾形式为涌水涌泥、涌（透）水涌砂涌泥等，案例中出现的频率较上述2类少. 致灾形式在灾害发展过程中会发生转变，例如初期的渗漏水、漏砂若未及时处理和控制，可能发展为涌、突的水力特征，诱发更严重的涌水涌砂灾害. 灾害物源的补给不足时，涌水涌砂可能会转变为渗漏水或停止，但灾害造成的水土流失仍然存在较大的安全隐患.

当前的地铁线路大多分布于工业及城市化发达的市中心附近，工程场地范围内建构筑物密集、地下管线埋设多、人口密度大，灾害的发生不仅直接影响工程施工，还将造成多种建构筑物的破坏以及不良社会影响. 一次灾害可能造成多种形式的影响，地铁隧道涌水涌砂灾害的影响可分为直接危害和间接危害，直接危害包括隧道结构破坏、洞内设备和材料损失、人员伤亡等；间接危害主要体现在地表下方水土流失、地面变形、沉降和塌陷、灾害附近管线及建构筑物破坏等. 如图5所示，地铁隧道涌水涌砂造成的危害以间接危害为主，占比为63.4%，其中地表塌陷为39.4%，地面沉降为14.1%. 间接危害具有强隐蔽性，在形成机理上具有缓变性，在发生的过程中却具有突发性，造成的不良后果和社会影响较大. 管线及地面构建筑物受损会进一步加剧灾害的严重性与影响范围，如水管遭到破坏将直接提供灾害水源，燃气管易于引发爆炸事故，在施工或灾害防治过程中应重视相关管线和构建筑物的保护工作. 案例中直接危害占36.6%，以隧道的严重破坏为主，占比为25.4%. 灾害造成盾构被埋/淹以及人员伤亡也不容忽视. 由分析结果表明，地铁隧道涌水涌砂灾害的影响主要为对地面变形、沉降和塌陷等间接危害，具有突发性及难以预测的特点，带来的后果及不良社会影响极大.

综合施工方法、发生位置、涌出物介质类型和灾害影响等方面，分析地铁隧道涌水涌砂灾害发生特征，得出1）盾构法薄弱环节较多，处理复杂地质条件的灵活性和适应性不如矿山法，案例中灾害发生在盾构隧道略高于矿山隧道，盾构法灾害主要发生在区间隧道和施工竖井，矿山法容易发生在区间隧道和联络通道处. 2）对灾害发生的位置按结构形式和施工过程分类，区间隧道和掌子面分别为2个类制的主要灾害位置，其次为施工竖井和洞门；隧道断面横向上灾害发生方位的分布差异较小，其中拱顶和仰拱占比较大. 3）涌出物的类型为水、水/砂、水/泥、水/砂/泥，其中水/砂为主要灾害介质，以涌水涌砂和（渗）漏水漏砂为主要致灾形式，这是由于砂层自稳力差，承载力低，在水渗流作用下具有流动性，危害性极大. 4）灾害产生的影响可划分为直接危害和间接危害，案例中以具有隐蔽性和难以预测的间接危害为主要灾害影响.

地下工程施工环境复杂且难以准确探明工程附近的地质情况，工程所处的复杂地层地质及水文条件往往是灾害发生的孕灾环境. 灾害地层地质统计分析可以在一定程度上从水文地质角度得到地铁隧道涌水涌砂灾害发生的相关规律性. 浅埋地层类型多且分布复杂，灾害发生时隧道掌子面穿越的地层可归纳为风化基岩开挖上覆富水软土层、富水砂（砾）层、富水软弱黏土层、上软下硬地层、黄土地层、断裂带上覆富水砂层等. 如图6所示，富水砂（砾）层的占比最大，为42.8%，富水砂（砾）层具有良好的蓄水性能，可视为主要孕灾地层；其次为富水软弱黏土层，占比为23.2%，水体渗流作用下黏土层中容易形成水囊；上软下硬地层占比为16.1%，开挖对上下两层岩土扰动程度差别较大，导致上层软土塌方，灾害风险也较大；风化基岩上覆富水软土层发生灾害占比为12.5%，通常是开挖扰动或揭露导通上部含水岩土层. 城市地下水丰富，水位埋深较浅，受大气降水与市政供水管线的动态影响大，因此浅埋软土地层通常处于富水状态，在区域高水头以及具备上覆隔水层的情况下甚至存在较高承压水，不利于岩土体的稳定性.

如图7所示，孕灾地层中的软土大致可分为砂（砾卵石）层和土层，具体包括粉细砂、中粗砂、砾砂和卵砾石、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、粉土、黄土等. 案例中砂土类占比略高于黏土类，砂土中以粉细砂为主，黏土中以粉土、淤泥质黏土和粉质黏土为主. 如图8所示，分析富水砂（砾）层、富水软弱黏土层和上软下硬地层主要孕灾地层的具体土质组成. 富水砂（砾）层以粉细砂为主，富水软弱黏土层以淤泥质黏土、粉质黏土和粉土为主；上软下硬地层中软土主要为粉细砂、中粗（砾）砂以及淤泥质黏土、粉质黏土，风化基岩包括花岗岩、砂岩和泥岩，富水软土组成与上述分析相一致. 由此推断，富水软土地层是地铁隧道涌水涌砂灾害的主要地质风险源.

地铁隧道涌水涌砂致灾因素是指在地铁工程中由于自然或人为等作用，直接或间接导致隧道涌水涌砂灾害发生的原因和条件. 致灾因素可分为内因和外因. 内因是指工程所处的工程地质及水文地质条件等与地层地质环境相关的因素；外因是指施工扰动、地面荷载、隧道结构、围护结构等与工程相关的因素. 地铁隧道涌水涌砂灾害受多种因素影响，是在内因和外因共同作用下并在一定的时空条件下满足主导性发生的，不同因素主导或多因素共同主导作用下的灾变机理不同. 灾害案例中的内因包括隧道/管线渗漏导致土层软化流失及形成水囊、地层中水位上升，外因有围护结构或其他防水结构失效、开挖扰动或直接揭露. 如图9所示，内因占比为36.1%，其中水位上升为14.8%，管线渗漏导致土层软化及形成水囊为11.5%，隧道渗漏导致土层软化流失为9.8%；外因占比为63.9%，其中结构失效为34.4%，施工扰动为29.5%. 可见地铁隧道涌水涌砂灾害主要是工程因素作用诱发的，内因以水渗流侵蚀作用改变土层性质以及地下水位升高使地层压力增加为主. 灾害具有主控致灾因素的特征，一个致灾因素出现后，在一定条件下可能触发另一个致灾因素，涌水涌砂灾害的发展也会触发新的致灾因素或加剧致灾因素的影响程度，进而形成链式灾害过程. 因此，早期的发现及预警预防措施对地铁隧道涌水涌砂灾害防治尤为重要.

统计结构失效、水位升高和施工扰动致灾因素的具体原因，结果如图10所示. 结构失效包括洞门、盾尾、管片及其接缝、盾构仓及螺旋机，以洞门失效为主（占比为46.1%），大多为盾构进出洞时破坏洞门防水结构引发涌水涌砂. 结构破坏的原因一般是突然出现的外力打破结构平衡状态，说明这些部位是地铁工程隧道涌水涌砂的多发区及薄弱环节，施工过程中应加强支护与监测. 地层水位上升的直接原因包括降雨和管线破裂，其中降雨占比为70.0%，地层沉降诱发管线破裂占比为30.0%，大量水源补给使区域浅部地层中的水压短时间大幅增加，导致灾害的发生. 施工扰动包括开挖扰动、直接揭露、施工不当等，其中开挖扰动占比为68.4%，主要发生在风化基岩开挖上覆富水软土层、上软下硬地层以及存在水囊或空洞的富水黏土层中，爆破或机械开挖使掌子面附近岩土体在长期扰动作用下产生裂隙或土体软化流失，导通掌子面与灾害源. 直接揭露一般是由于对地质资料掌握不充分，开挖直接导通富水砂层、水囊、空洞、断层等含水构造.

进一步分析各类孕灾地层与致灾因素的相关性. 如图11所示，风化基岩开挖，上覆富水软土层的致灾因素主要为开挖扰动以及管片、洞门和螺旋机处结构失效；富水砂（砾）层绝大部分是粉细砂层，致灾因素主要是洞门、围护结构、管片、盾尾等结构失效，开挖扰动和降雨导致的水位上升；富水软弱黏土层以洞门、管片、盾尾等结构失效，开挖扰动和渗漏诱发的土体软化和水囊为主要致灾因素；上软下硬地层发生涌水涌砂的主要致灾因素是开挖扰动. 不同类型的地层地质在隧道涌水涌砂灾害中表现为不同的性质和特点，不同类型的孕灾环境下发生涌水涌砂的主要致灾因素具有差异性. 如开挖对风化基岩的扰动较大，容易形成裂隙并发展至与上覆软土地层连通. 砂层孔隙大、透水性强、流动性好，受地下水位变化影响较大，在结构失效或施工扰动下极易诱发成为优势渗流通道，导致水土流失甚至涌水涌砂. 砂砾（卵）石层在冲积和沉积作用下一般下层为粒径较大的砾石或卵石，上部为粒径较小的砂层，相邻地层孔隙和渗透性相差较大，下层砾（卵）石层通常赋存承压水，上层较细砂层赋存潜水，当上层砂土在扰动下不能抵御承压水压力时，将发生流砂或流土. 土层大多是透水性较弱的黏性土，表现为具有一定承载能力的隔水层，在水渗流作用下容易软化或形成水囊或空洞，在结构失效或开挖扰动条件下容易发生流动，是隐蔽性较大的风险源.

综合地铁隧道涌水涌砂致灾因素分析结果，得到1）地铁隧道涌水涌砂灾害在内因和外因共同作用下发生，具有主控致灾因素特征，容易形成链式灾害过程. 2）内因中以地层水位上升、隧道/管线渗漏水引起的岩土体软化流失及形成水囊或空洞为主，一般发生在富水软土地层，整个过程呈现渗流、水土流失、地层侵蚀等缓变性特征，同时涌水涌砂灾害具有突发性. 3）外因主要为结构失效和施工扰动，洞门、盾尾、管片及其接缝、盾构仓及螺旋机观察孔为地铁隧道涌水涌砂灾害的薄弱环节，施工扰动主要为开挖扰动和直接揭露. 4）不同类型孕灾地层条件下的致灾因素存在差异，总体上以结构失效和开挖扰动为主.

关于突涌水灾害机制的研究多针对山岭隧道和海底隧道. 由于地质条件、水文地质及工程特征的差异，城市地铁隧道涌水涌砂发生机制与硬岩隧道相比，既有联系又有区别：1）地铁隧道和地下水水位埋深均相对较浅，所处地层一般为如黏土、砂土的多层软土及风化基岩浅表部，接受降雨、管线渗漏、基岩裂隙水等水源的入渗补给，尤其易受降雨和管线渗漏的影响，直接导致土压力变化和水土流失. 2）城市地铁隧道穿越地质复杂，地面建（构）筑物和人口密集，施工工序多且复杂，增加了涌水涌砂灾害的发生风险. 有必要研究地铁隧道涌水涌砂致灾构造和灾变模式，为城市浅埋地下工程安全建设和灾害防治提供理论基础与科学依据.

灾害源是指在地铁隧道开挖过程中极可能诱发涌水涌砂灾害的蓄水构造，也称致灾构造，受地下水赋存环境与地下工程活动综合作用的影响. 灾害的规模和强度与致灾构造的规模、储存水体和充填介质等特征密切相关^[14]. 如表3所示，根据灾害物质源的赋存环境，将地铁隧道涌水涌砂灾害源归纳为大型不良地质体、含水砂层和软土地层、人工地下富水空间3个类别，再根据各类灾害源的表现形态和工程条件，细分为12个类型，进行致灾原因分析.

在构造运动、地下水动力和水化学、风化侵蚀等地质作用下，地层中形成大量的断层、岩溶、裂隙发育带等地质体，地下水丰富时可作为良好的储水空间和导水构造. 当隧道开挖接近这些大型地质构造时，由于围岩劣化或破碎且相对强度低、渗透性高，在高水压作用及开挖扰动下容易发生涌水涌砂灾害. 如图12（a）所示，按地质体的形态，典型大型不良地质体可分为断层及软弱破碎区、岩溶及地下河、层间裂隙带3个类型. 如图12（b）所示，水下地铁隧道还存在风化深槽型、侵入岩脉型、水下含水砂层型等大型不良地质体，一旦与上覆水体连通，将具有无限量水源补给的特点，危害程度极大. 学者根据典型不良地质构造的发育特征将断层型划分为富水断层、导水断层、阻水断层，将岩溶型划分为溶蚀裂隙、溶洞溶腔、岩溶管道及地下暗河，将裂隙型划分为单斜构造、向斜构造、背斜构造^[12-14].

隧道穿越大型不良地质体涌水涌砂灾害的致灾原因通常有2种：直接揭露和防突结构破坏. 直接揭露是在未完全掌握工程地质及水文地质资料的情况下，开挖施工过程直接导通隧道临空面与灾害源，致灾构造内储存的水体和充填物在重力和水压力的作用下涌向隧道，诱发涌水涌砂灾害，具有即时性特点. 防突结构破坏是在施工过程中预留安全厚度不足、防突结构性能弱化或地质体内水土压力突增，导致灾害源与隧道临空面间的阻水结构产生裂隙引发渗漏水，破坏发展为涌水涌砂灾害，是渐进性的过程.

城市地铁隧道埋深浅，普遍穿越孔隙率大、渗透性高的砂土类地层以及强度低、流动性好的黏土类地层，这些软土类地层结构松散、自稳能力差，遇水容易软化或流失. 工程场地水位埋深浅，丰富的地下水使砂层和软土的性质复杂多变，工序复杂繁多的隧道施工过程中极易发生涌水涌砂灾害. 根据隧道穿越地层的差异，将该类灾害源划分为上覆/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4个子类型，如图12（c）所示. 上覆/侵入软土型是指隧道在风化基岩中开挖，拱顶临近上覆含水软土地层或土体侵入隧道开挖临空面，在施工揭露或扰动以及水土压力共同作用下导致水砂涌入隧道. 上软下硬复合地层型是指隧道掌子面同时在上部砂层或软土和下部风化基岩中掘进，由于施工荷载对上部砂层或软土与下层岩石的扰动程度不同，造成上部砂层或软土水土流失、开挖面塌方等，诱发涌水涌砂灾害. 富水砂层型是指隧道穿越良好储水构造的砂层，施工过程中由于围护结构和其他防水结构的密封效果不理想或降雨因素使水土压力上升，导致涌水涌砂灾害的发生. 空洞/水囊及淤泥型是指隧道穿越地层中存在空洞、水囊和流塑状淤泥等不利于工程施工的不良地质体，多形成于黏土地层，形成原因众多，其中降雨入渗和管线渗漏对该类灾害源形成和发展的影响较大，开挖扰动将使土体松散剥落或流动，扩大了灾害体的影响范围，最终连通灾害体与隧道临空面，导致灾害的发生. 采用盾构法施工时还易出现掌子面结块淤堵-突涌的现象.

隧道穿越含水砂层和软土地层涌水涌砂灾害的致灾原因有3种：施工揭露或扰动、结构密封失效、降雨诱导. 施工揭露或扰动与大型不良地质体类似，隧道开挖直接导通灾害源，或阻水结构在施工扰动和较大的砂土压力作用下结构稳定性被破坏. 结构密封失效是地质、材料、施工工艺等因素导致隧道防水加固体失效而引发的涌水涌砂灾害，包括通过降水法、冻结法、钻孔注浆法等建立的围护结构，初支、二衬、管片接缝、壁后注浆、盾尾、土仓等支护结构失效. 降雨诱导是在长时间连续降雨或短时间内突降大暴雨的情况下，雨水与地表水汇聚并渗入地层，导致含水砂层和软土地层中水压骤升，突破隔水结构，涌入隧道，灾害发生时间一般滞后于降雨时间.

城市地下存在大量人工修建的含水体，如废弃巷道或采空区、防空洞等，在地应力、构造应力和地下水的长期作用下，这些空间的支护结构逐渐劣化开裂，形成了良好的蓄水结构. 此外，地铁隧道线路走向通常沿道路铺设，这些位置往往布设着密集的管线，其中规模最大且对地铁隧道建设影响较大的当属地下输水管线. 该类灾害源分布在地下几米至几十米不等的深度，废弃矿巷超过100 m. 当隧道穿越或临近人工地下富水空间时，容易导通结构中的水体使之涌入隧道，发生涌水涌砂灾害. 如图12（d）所示，根据人工地下富水空间的形态特征将人工地下富水空间类致灾构造划分为2个子类：地下输水管线型、充水废弃矿巷及防空洞型. 分析隧道在穿越人工地下富水空间涌水涌砂灾害的致灾原因，地下输水管线型一般分为2种：渗漏集聚、管线破裂. 输水管线在破损或腐蚀老化后产生渗漏水和流土现象，为水体和周边土体流失提供了新途径，经过长时间集聚，在漏点下方形成水囊，在漏点上方形成空洞，当隧道开挖至水囊附近时，水土体向隧道内渗漏，最终诱发涌水涌砂灾害. 管线破裂是在隧道开挖、土体变形、管内水压增大、强降雨或其他外力作用下，管线突然破裂，导致地层中水土压力骤升，同时大量水体涌入隧道，发生涌水涌砂灾害. 充水废弃矿巷及防空洞型与大型不良地质体类似，包括直接揭露和防突结构破坏.

灾变模式是指隧道涌水涌砂灾害的孕育和发展过程，即在开挖或其他外界扰动的作用下灾害源与隧道临空面间的岩土体由稳定状态到劣化再到破坏失效，导致涌水涌砂的灾变动态演化过程，受开挖扰动形式和程度、岩土体材料性质等因素的影响表现为不同类型的灾变模式，在硬岩方面已有系统深入的研究^{[11-18, 30]}.

如图13所示，关注地铁隧道中以砂土和黏土为代表的软土地层土体失稳导致涌水涌砂的灾变模式，依据土体失稳发展过程和破坏特征，将该灾变模式划分为滑移失效型、破断失效型、渗透失效型. 滑移失效型涌水涌砂是隧道临空面在与灾害源间的阻水结构预留厚度不足、开挖直接揭露灾害源或结构密封失效等情况下，渗透性较小的灾害介质或阻水结构主要通过与隧道和周围岩土体之间的剪切力来维持稳定状态. 随着开挖卸荷的推进，灾害介质或阻水结构的平衡条件被打破并产生裂隙，同时在重力和地下水水压力、软化、润滑、冲蚀等作用下出现薄弱剪切面，随后逐渐扩展使灾害体或阻水结构发生滑移剪切破坏，导致涌水涌砂灾害. 根据最终破坏的规模和形态可分为局部滑移破坏和整体滑移破坏. 破断失效型涌水涌砂是隧道在临空面与岩土体间未封闭或阻水结构预留厚度不足的情况下，渗透性较小且强度较大的灾害体或阻水结构在开挖扰动和地下水的共同作用下产生局部应力集，随后发生张拉破坏. 富水环境下岩土体张拉产生的新裂隙立刻被水体充填，水力耦合作用下促进裂纹持续扩展，形成渗流通道，弱化围岩承载能力，极易造成坍塌、冒顶失稳破坏，当连通灾害源时将导致大规模灾害水体和充填介质涌入隧道. 渗透失效型涌水涌砂是在隧道掘进过程中，在动荷载对周围松散胶结岩土介质的扰动以及水体渗流-侵蚀作用下发生的冲刷、流土、管涌现象，岩土体内部细颗粒在水流的携带下不断从地层中流失，形成贯通灾害源和隧道临空面的渗流通道. 初期渗水量较小，但在持续的开挖扰动和渗流作用下，渗流通道逐渐扩大，涌水量也随之增大，最终发生渗透破坏，诱发涌水涌砂灾害. 渗透失效型涌水涌砂不同于其他2种失效模式，一般具有滞后性和渐进性破坏的特点，灾变过程中岩土体既是阻水结构也是灾害介质.

（1）基于47例典型地铁隧道施工期涌水涌砂灾害案例的统计，从灾害发生的特征、孕灾环境与致灾因素等方面分析灾害特征. 结果表明，富水软土地层是地铁隧道涌水涌砂灾害的主要地质风险源，孕灾地层主要为富水砂（砾）层、富水黏土层和上软下硬地层. 致灾因素具有多样性，涌水涌砂灾害在内因和外因共同作用下发生，具有主控致灾因素特征，容易形成链式灾害过程，外因（如施工扰动和结构密封失效）为主要致灾因素.

（2）根据灾害源的赋存环境、成因和形态，将诱发地铁隧道涌水涌砂灾害的致灾构造类型划分为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），结合致灾因素分析各类灾害源的致灾原因.

（3）基于土体失稳破坏力学特征，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，表征涌水涌砂灾害的孕育和发展过程. 研究成果为地铁隧道涌水涌砂灾害机制及防治技术的研究奠定了基础，对提高地铁工程灾害风险识别与保障安全建设具有重要借鉴和指导意义.