Badania nad cechami odkształcania skał otaczających i optymalizacją oporowania przy przebiegu tunelu TBM przez strefy uskoków i rozdrobnienia

Dlaczego tunele przez góry mogą nagle „zachowywać się źle”

Długie tunele drogowe i kolejowe przecinają dziś niektóre z najwyższych i najbardziej surowych masywów górskich. Przeważnie drążone są one przez wielkie tarcze TBM, które stale mielą twardą skałę. Gdy jednak TBM napotka ukrytą strefę uskoku — skałę rozdrobnioną i osłabioną przez dawne trzęsienia ziemi — tunel może się odkształcić, zawalić lub nawet zatrzymać maszynę. Niniejsze badanie analizuje takie wysokiego ryzyka spotkanie w chińskim tunelu górskim i pokazuje, jak starannie zaprojektowany system podparcia może drastycznie zmniejszyć te zagrożenia.

Kłopotliwy odcinek w głębokim tunelu górskim

Badanie koncentruje się na tunelu Daliangshan nr 1 w prowincji Syczuan, który biegnie ponad 10 kilometrów pod stromymi, V‑kształtnymi dolinami. Większość trasy przebiega przez stosunkowo mocną skałę, ale jeden odcinek przecina strefę rozdrobnienia uskoku F1, gdzie niegdyś zwarta bazaltowa i tufowa masa została rozbita na słabe, wietrzejące fragmenty. W tej strefie strop i ściany skalne odrywają bloki, powstają duże pustki, pojawia się przesiąkanie wody, a typowe punkty oparcia, na których TBM opiera swoje elementy, tracą nośność. Podczas wczesnego drążenia te warunki prowadziły do obfitych opadów skalnych, odkształceń stalowych żeber, zbieżności ścian tunelu, a nawet epizodu, w którym TBM utknął po zatrzymaniu.

Pomiary ruchu gruntu

Aby zrozumieć, co się działo — i jak to kontrolować — zespół połączył trzy podejścia. W laboratorium badano sproszkowane próbki rdzeni z strefy uskoku, aby określić rzeczywiste osłabienie zmienionej skały. W komputerze wykorzystano program elementów skończonych ABAQUS do symulacji postępu TBM przez tunel o szerokości 8 metrów przecinający 40‑metrowy pas uskoku nachylony pod kątem 40 stopni. W terenie zainstalowano przyrządy wzdłuż kilku przekrojów, aby monitorować ruchy stropu, ścian i powierzchni terenu w miarę postępu prac. To połączenie badań laboratoryjnych, modelowania i pomiarów na miejscu pozwoliło powiązać obserwacje pod ziemią z niewidoczną redystrybucją naprężeń w przyległych górach.

Co się dzieje, gdy maszyna natrafi na uskok

Symulacje i pomiary ujawniły wyraźny wzorzec: odkształcenie było „większe pośrodku i mniejsze na końcach” strefy uskoku. Gdy TBM wszedł w najsłabsze jądro F1, strop tunelu zapadł się dramatycznie — do 92 milimetrów — podczas gdy powierzchnia gruntu nad tunelem osiadła do 42 milimetrów. Strop zaczął się obniżać około 10 metrów przed osiągnięciem monitorowanego przekroju i kontynuował ruch aż do około 10 metrów za nim. Ściany boczne reagowały później i słabiej, z maksymalnymi przemieszczeniami około 15 milimetrów. Z dala od uskoku, gdzie skała była bardziej zwarta, przyrosty osiadania spadły poniżej 5 milimetrów, a zachowanie tunelu stało się znacznie bardziej stabilne. Bez interwencji jednak duże przemieszczenia w jądrze uskoku zagrażały zarówno bezpieczeństwu pracowników, jak i zdolności TBM do dalszego postępu.

Budowa mocniejszej obudowy tunelu

Kierowani tymi ustaleniami oraz doświadczeniem z innych projektów inżynierowie zaprojektowali wzmocniony system podparcia dopasowany do uskokowego gruntu. Zamiast polegać wyłącznie na stalowych żebrach i podstawowym natrysku betonu, dodano gęstą sieć nowych stalowych taśm wzmacniających wokół dużej części obwodu tunelu, podniesiono wytrzymałość mieszanki natryskowego betonu oraz zastosowano szalunki i iniekcje, aby stworzyć solidne siedzisko nośne, na które opierają się buty chwytne TBM. W bardzo luźnych lub zapadających się partiach zainstalowano kotwy samowiercące i kotwy z włókna szklanego oraz wypełniono pustki i jaskinie krasowe betonem. Modele numeryczne uwzględniające te środki przewidziały znacznie mniejsze przesunięcia, a monitoring polowy potwierdził poprawę.

O ile bezpieczniejszy stał się tunel

Po wzmocnieniu maksymalne osiadanie stropu we wszystkich monitorowanych przekrojach spadło do około 17 milimetrów, a osiadanie powierzchni do około 7 milimetrów — czyli redukcja rzędu 80 procent w porównaniu z przypadkiem bez wzmocnienia. Ściany tunelu i stopa łuku poruszały się tylko o kilka milimetrów, a ogólny wzorzec odkształceń stał się bardziej gładki i przewidywalny. Łuszczenie skały i pustki po zawaleniach zostały znacznie ograniczone, poprawiła się nośność pod buty TBM, a maszyna mogła postępować bez ponownych zatorów. W praktyce zmodernizowane oporowanie przekształciło wysoce niestabilny odcinek tunelu w problem inżynieryjny możliwy do opanowania.

Co to oznacza dla przyszłych tuneli

Dla osób niezajmujących się na co dzień geotechniką kluczowy wniosek jest taki, że „zły grunt” w strefach uskoku nie musi zniweczyć głębokich projektów tunelowych. Najpierw mierząc zachowanie skały, następnie modelując interakcję tunelu z masywem skalnym i wreszcie dostosowując wzmocnienia do tych warunków, inżynierowie mogą znacznie ograniczyć odkształcenia tunelu — nawet w rozdrobnionej, wietrzejącej skale kilometr pod powierzchnią. Podejście zastosowane w tunelu Daliangshan nr 1 stanowi drogowskaz dla innych tuneli górskich, które muszą przeciąć podobne układy wietrzejącej skały i aktywnych lub dawnych uskoków, poprawiając bezpieczeństwo i zmniejszając ryzyko kosztownych zatrzymań TBM.

Cytowanie: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Słowa kluczowe: tarcza TBM, strefa rozdrobnienia uskoku, oparcie tunelu, osiadanie gruntu, tunele górskie