Ewolucja uszkodzeń sejsmicznych i charakterystyki dynamiczne skały otaczającej w portalach tunelowych na zboczach przeciwnych nachyleniu wzmocnionych belkami ramowymi

Dlaczego wejścia do tuneli są istotne podczas silnych trzęsień ziemi

Gdy uderza silne trzęsienie ziemi, zwykle wyobrażamy sobie zawalone budynki i zniszczone mosty. Tymczasem tunelom górskim, które prowadzą autostrady i linie kolejowe przez surowy teren, często udaje się przetrwać z zaskakująco niewielkimi uszkodzeniami wewnętrznymi. Słabym ogniwem są wejścia do tuneli — miejsca, gdzie solidne konstrukcje podziemne stykają się ze stromymi skałami stoku. Badanie stawia praktyczne pytanie o duże znaczenie dla bezpieczeństwa infrastruktury: w jaki sposób i dlaczego trzęsienia skupiają uszkodzenia wokół portali tunelowych wykutych w niestabilnych, warstwowych zboczach skalnych oraz co inżynierowie mogą zrobić, by je lepiej chronić?

Wstrząsanie miniaturową górą w laboratorium

Aby to zbadać, badacze zbudowali duży, zeskalowany model rzeczywistego wejścia do tunelu wzdłuż rzeki Nujiang w Chinach. Pagórek nad tunelem wykonano z tzw. warstw antynachylenia — pochylonych pokładów skalnych odchylonych od czoła stoku, geometrii znanej z podatności na przewracanie podczas wstrząsów. Model stoku wzmocniono belkami ramowymi, zakotwionymi stalowymi kablami i prętami, podobnie jak systemy stosowane przy rzeczywistych autostradach i liniach kolejowych. Cały model zamontowano na trójosiowym stole sejsmicznym, gdzie poddawano go realistycznym ruchom trzęsienia ziemi nagranym podczas przeszłych zdarzeń, takich jak trzęsienia w Kobe, El Centro i Wenchuan.

Jak stok i tunel reagowały na wstrząsy

W miarę zwiększania symulowanych wstrząsów zespół precyzyjnie mierzył przyspieszenia, odkształcenia, ciśnienie gruntowe oraz przemieszczenia w całym stoku i wokół obudowy tunelu. Belki ramowe spełniły swoje zadanie w jednym ważnym sensie: zapobiegły spektakularnemu, całkowitemu przewróceniu stoku. Jednak powierzchnia stoku i tak doznała silnego odspajania, koronę stoku ściągnęło w dół, a filary skalne silnie odchylały się w stronę odkrytej ściany. Co najistotniejsze dla bezpieczeństwa transportu, wejście do tunelu zostało poważnie uszkodzone. Gdy poziom wstrząsów osiągnął około siły przyciągania ziemskiego (1,0–1,2 g), pojawiły się rysy u podstawy obudowy tunelu i na stykach między segmentami obudowy, które ostatecznie połączyły się w rysę przechodzącą przez dno — podwalinę pierścienia tunelu.

Gdzie wstrząsy są najsilniejsze i dlaczego portal cierpi

Pomiary wykazały, że wstrząsy nie oddziałują równomiernie na cały stok. Przyspieszenia były wzmacniane, gdy fale wspinały się ku grzbiecie stoku i były najsilniejsze blisko powierzchni — kombinacja efektów „wzniesienia” i „powierzchni”. Przy drganiach pionowych portal tunelu stał się miejscem, gdzie docierające fale były odbijane i załamywane wokół obudowy oraz nachylonych warstw skalnych, tworząc złożony wzorzec wzmocnionych ruchów. Wzdłuż samego tunelu płytko położony odcinek przy wejściu drgał znacznie intensywniej niż głębsza część. Różnica ruchu między skałą nad i pod tunelem rosła w pobliżu portalu, obciążając obudowę i otaczającą skałę, co pomaga wyjaśnić, dlaczego uszkodzenia koncentrowały się tam, zamiast głębiej w górze góry.

Śledzenie ukrytych uszkodzeń przez właściwości skały i energię fal

Aby wyjść poza obserwacje powierzchniowe, badacze śledzili, jak właściwości mechaniczne masywu skalnego zmieniały się wraz z wstrząsami. Wykorzystali ustalone zależności między odkształceniem a dwoma kluczowymi parametrami dynamicznymi: sztywnością ścinającą skały oraz jej zdolnością do rozpraszania energii (tłumieniem). W miarę nasilania wstrząsów sztywność skały spadała, a tłumienie rosło, szczególnie w warstwie skały tuż pod obudową tunelu. Mapowanie tych zmian pokazało, że strefy uszkodzeń najpierw formowały się w pobliżu dolnej części obudowy przy wejściu, a następnie rozszerzały się głębiej wzdłuż tunelu wraz ze wzrostem natężenia ruchu wejściowego. Zespół zastosował także narzędzie czasowo‑częstotliwościowe zwane transformatą Hilberta–Huanga do analizy, jak energia trzęsienia była rozłożona na różne częstotliwości. Stwierdzono, że przy drganiach pionowych szczególnie istotne dla uszkadzania skały i obudowy przy portalu były niskie składowe częstotliwościowe w zakresie 9–12 Hz. Gdy obudowa zaczęła pękać, energia fal w tym paśmie wyraźnie osłabła w skale pod tunelem, co sugeruje potencjalny sposób wykrywania uszkodzeń przez uważne monitorowanie sygnałów sejsmicznych.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych tuneli

Dla szerokiego odbiorcy wniosek jest prosty: portale tuneli w stromych, warstwowych skałach nie są po prostu mniejszymi wersjami wnętrza tunelu — to szczególne, słabe punkty, gdzie ruch stoku, ogniskowanie fal i szczegóły konstrukcyjne łączą się, by zwiększyć zasięg uszkodzeń sejsmicznych. Badanie pokazuje, że nawet gdy widoczne podpory zapobiegają zawaleniu się stoku, ukryte uszkodzenia mogą narastać w skale i w obudowie tunelu, szczególnie w dolnym łuku. Autorzy konkludują, że inżynierowie powinni wzmacniać łuk dolny (dno obudowy) oraz skałę pod nim i zwracać szczególną uwagę na pionowe, niskoczęstotliwościowe drgania przy projektowaniu i ocenie wejść tunelowych. Lepsze zrozumienie, gdzie i jak energia skupia się podczas trzęsień, może ukierunkować mądrzejsze wzmocnienia i monitoring, pomagając utrzymać kluczowe tunele w ruchu, gdy są najbardziej potrzebne.

Cytowanie: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Słowa kluczowe: portal tunelu, uszkodzenia sejsmiczne, skaliste zbocze, drgania sejsmiczne, infrastruktura podziemna