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。
圣保罗地铁4号线公里，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。
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m)。
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。
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 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。
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。
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(图2a)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。
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。
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。
图3a 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。（图3b）
图4及图5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。
图4 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。
图5 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。图6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。
图6 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。
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。
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，如图8所示。
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。
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，仔细挖掘了如图9c所示的塌方物。
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(图10)。
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（图11）。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。
图12 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。
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。
图13b 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。
图14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。如果岩面高度线m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。
图14b 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。
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。
图15a 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
图15b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。
图15b 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。
图16 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。
如图17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。
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。
图18 “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(图19)仍然非常理想化。
图19 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。
。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(图21)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。
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。
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(图4、5和23)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。
图23 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。图24和图25显示了纵向剖面图中的情况。
图24 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。
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。
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。
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(如图2)，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图27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：
图27 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。
图28 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，如图29所示。
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。
图30 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。
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。
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
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。半岛平台