Badania eksperymentalne nad ryzykiem awarii istniejącej stacji metra przy jednostronnych dużych wykopach

Dlaczego kopanie przy stacjach metra może być ryzykowne

W miarę rozbudowy sieci metra i powstawania podziemnych galerii handlowych wykonawcy często muszą wykopać ogromne jamy tuż obok stacji już eksploatowanych. Na pierwszy rzut oka takie stacje wyglądają jak solidne podziemne twierdze. Jednak gdy grunt usuwany jest tylko z jednej strony, ukryta równowaga ciśnień w podłożu ulega zaburzeniu. Niniejsze badanie stawia praktyczne pytanie o duże znaczenie dla bezpieczeństwa: jak szeroko i jak głęboko można prowadzić wykop jednostronny przy działającej stacji metra, zanim stacja się przechyli, pobliskie ulice popękają lub budynki zaczną ulegać uszkodzeniom?

Prawdziwa stacja jako inspiracja do eksperymentu laboratoryjnego

Badania oparto na stacji Jincheng Plaza w Chengdu w Chinach — ruchliwym podziemnym węźle, gdzie krzyżują się trzy linie metra. Jedna linia już funkcjonuje, natomiast powstanie masywny nowy wykop bezpośrednio obok gotowej stacji, odsłaniając jedną z jej długich ścian bocznych. Aby ocenić ryzyka przed rozpoczęciem pełnej budowy, autorzy wykonali szczegółowy model skali stacji i otaczających ją miękkich skał oraz gruntów. W skali 1:100 umieszczono w laboratorium przezroczyste pudło z gruntem, osadzono w nim miniaturową stację z twardego plastiku, a następnie „wykopywano” jedną stronę gruntu w kontrolowanych, stopniowych etapach.

Obserwacja ruchów i odkształceń małej stacji

Model wyposażono w przyrządy jak na prawdziwym placu budowy. Mierniki przemieszczeń rejestrowały pionowe i poziome ruchy stropu stacji. Czujniki ciśnienia za ścianką mierzyły zmiany nacisku gruntu, a tensometry na ścianie zapisywały rozciąganie lub ściskanie elementów konstrukcji. Zespół przeprowadził 28 scenariuszy wykopu, łącząc cztery głębokości i siedem szerokości jednostronnego odkopywania — od umiarkowanych jam po usunięcie gruntu wzdłuż całej długości stacji. Po każdym małym etapie wykopu czekano na ustabilizowanie się gruntu i rejestrowano nowe odkształcenia, ciśnienia i naprężenia.

Co się dzieje, gdy jednostronnie wykopie się za dużo

Eksperymenty wykazały, że osiadanie pionowe stropu stacji pozostawało niewielkie i mieściło się w granicach bezpieczeństwa we wszystkich badanych przypadkach; stacja praktycznie się nie zapadała. Prawdziwe zagrożenie pochodziło z przemieszczeń poziomych. Wraz ze zwiększaniem głębokości i szerokości jednostronnego wykopu stacja stopniowo przechylała się w stronę jamy. Gdy głębokość wykopu przekroczyła około dwóch trzecich wysokości stacji, przechylenie stało się wyraźne. Przy szerokościach wykopu rzędu połowy do równej szerokości stacji przemieszczenia boczne osiągały poziomy ostrzegawcze; przy jeszcze większych szerokościach (w realnym projekcie rzędu 100 metrów i więcej) odkształcenia boczne przekraczały dopuszczalne progi normowe, co oznaczało, że normalna eksploatacja pociągów nie mogła być już gwarantowana.

Grunt rozluźnia się u góry, u podstawy się zagęszcza

Sam grunt zachowywał się w ujmujący sposób. W miarę przechylania się stacji płytkie warstwy gruntu tuż za wykopaną ścianką traciły kontakt z konstrukcją i stawały się luźniejsze, przez co ciśnienie gruntu w tym miejscu gwałtownie spadało — nawet do około 98 procent w najbardziej ekstremalnym przypadku. Jednocześnie głębsze warstwy gruntu przy podstawie ścianki były silniej ściskane, co powodowało wzrost ciśnienia w zagęszczonej strefie. Takie połączenie oznacza, że teren przy powierzchni nie jest już w stanie bezpiecznie przenosić nawierzchni drogowych czy fundamentów budynków, zwiększając ryzyko zapadnięć jezdni lub przechyłów wysokich budynków, nawet jeśli betonowa powłoka stacji wciąż ma wystarczającą wytrzymałość i nie pęka.

Praktyczna mapa ostrzegawcza dla wykonawców

Ponieważ to przemieszczenie boczne okazało się najbardziej czułym wskaźnikiem zagrożenia, autorzy wykorzystali swoje dane do opracowania prostego wykresu strefowania ryzyka. Dzieli on kombinacje głębokości i szerokości wykopu na cztery poziomy kodowane kolorami: A (brak ryzyka), gdzie prace można prowadzić normalnie; B (ryzyko ogólne), wymagające bliższego monitoringu; C (wysokie ryzyko), gdzie prace powinny zostać wstrzymane do oceny bezpieczeństwa; oraz D (poważne ryzyko), gdzie konieczne są natychmiastowe środki awaryjne. Zastosowana do projektu Jincheng Plaza metoda poprawnie przewidziała strefę wysokiego ryzyka C dla planowanego wykopu o głębokości 22 m i szerokości 80 m; po dodaniu dodatkowych zabezpieczeń rzeczywiste przemieszczenie stacji zmniejszyło się o około dwie trzecie. Dla urbanistów i inżynierów badanie to przekształca złożoną mechanikę podziemną w praktyczne, łatwe w użyciu narzędzie, które pomaga chronić stacje metra i pobliskie budynki podczas ambitnych wykopów.

Cytowanie: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo stacji metra, głębokie wykopy, odkształcenia gruntu, tunelowanie miejskie, ocena ryzyka