Badania eksperymentalne nad wpływem synchronicznego zalewania otworów w tarczowym drążeniu na istniejący tunel górny w warstwie piasku

Dlaczego to, co dzieje się pod naszymi miastami, ma znaczenie

Współczesne miasta coraz częściej opierają się na wielowarstwowych układach podziemnych tuneli dla metra, instalacji i dróg. Gdy inżynierowie muszą wybudować nowy tunel pod istniejącym, wstrzykują płynny zaczyn wokół nowej konstrukcji, żeby zapobiec osiadaniu gruntu. Jednak w luźnych, piaszczystych glebach ten sam zaczyn może niezamierzenie oddziaływać na tunel powyżej, wyginając go i ściskając w sposób, który może zagrażać bezpieczeństwu w dłuższej perspektywie. Niniejsze badanie wykorzystuje starannie skalowany model laboratoryjny, aby pokazać, jak i dlaczego to się dzieje oraz jaka ilość zaczynu staje się nadmierna.

Budowanie miniaturowego miasta pod ziemią

Aby zbadać te ukryte procesy, badacze skonstruowali duże pudełko z gruntem wypełnione piaskiem o ziarnistości i gęstości odwzorowującej rzeczywiste warunki metra. W jego wnętrzu zamontowali stalowy model „istniejącego” tunelu o przekroju kołowym, a poniżej — drugi tunel reprezentujący ten nowo drążony za pomocą tarczy. Cały układ wykonano w skali jedna dziesiąta, co pozwoliło na precyzyjną kontrolę przy jednoczesnym uchwyceniu realistycznych zachowań. Zamiast symulować wszystkie etapy drążenia jednocześnie, rozdzielono fazy: drążenie zostało odwzorowane w wcześniejszych pracach, a ta analiza koncentrowała się wyłącznie na zalewaniu zaczynem za tarczą podczas montażu nowych segmentów.

Jak wtryskuje się i mierzy zaczyn

W realnych projektach zaczyn jest pompowany do wąskiej szczeliny za częścią ogonową tarczy, aby wypełnić przestrzeń między obudową a gruntem. Zespół odtworzył to rozwiązanie za pomocą specjalnej części ogonowej tarczy, uszczelniających szczotek i rur zasilających połączonych z pompą. Modyfikowano dwa kluczowe parametry: zawartość wody w zaczynie oraz ilość wstrzykniętego zaczynu w stosunku do objętości, którą trzeba było wypełnić — tzw. współczynnik wypełnienia zaczynem. Małe czujniki osadzone w piasku mierzyły, jak zmienia się ciśnienie w gruncie wokół górnego tunelu. Wewnątrz tego tunelu nachodzące na siebie stalowe linijki, lasery i kamery śledziły drobne zmiany średnicy i zginania, pozwalając badaczom dokładnie zobaczyć, jak konstrukcja odkształca się w trakcie zalewania.

Ukryte naciski i zagięcia w tunelu górnym

Pomiary wykazały, że zalewanie nie działa równomiernie. W miarę przesuwania się strefy zalewania pod istniejącym tunelem ciśnienie w piasku gwałtownie wzrastało, szczególnie bezpośrednio pod środkiem tunelu. Największy wzrost odnotowano na spodzie górnego tunelu, podczas gdy boki zmieniały się niewiele, a góra tylko umiarkowanie. Przy wysokim współczynniku wypełnienia naprężenie ku górze przy spodzie tunelu było około półtora raza większe niż przy skromniejszej ilości zaczynu. To nierównomierne obciążenie powodowało, że tunel górny wygiął się ku górze nad ścieżką zalewania, z większym podnoszeniem na spodzie niż u góry. Równocześnie przekrój tunelu zmieniał kształt: jego pionowa średnica malała, a pozioma rosła, zamieniając koło w łagodnie spłaszczone poziomo jajo.

Kiedy większa ilość zaczynu staje się problemem

Te odkształcenia mają znaczenie, ponieważ tunele zaprojektowano tak, by siły rozkładały się równomiernie wokół ich pierścieni. Gdy spód uwypukla się, a przekrój staje się eliptyczny, niektóre partie obudowy przejmują znacznie większe naprężenia niż inne. Badanie pokazuje, że w gruntach piaszczystych zastosowanie dużego współczynnika wypełnienia zaczynem (około 1,6 razy ścisłej objętości pustki) może spowodować istotne podnoszenie i owalizację tunelu nad nim. Gdy zaczyn pod tunelem stwardniał i nieco skurczył się, część podniesienia częściowo się cofnęła, lecz okres dodatkowego zginania i tak obciążył strukturę. Z biegiem czasu takie zmiany mogą sprzyjać pęknięciom, rozchodzeniu się szwów, uszkodzeniom śrub i nieszczelnościom.

Praktyczne wnioski dla bezpieczniejszych tuneli

Dla osoby niebędącej specjalistą przesłanie jest proste: przy drążeniu nowego tunelu pod starym w gruncie piaszczystym zbyt dużo zaczynu wspierającego może być niemal równie problematyczne jak jego niedobór. Eksperymenty sugerują, że utrzymywanie współczynnika wypełnienia zaczynem poniżej około 1,6 oraz dostosowywanie go na podstawie monitoringu w czasie rzeczywistym pomaga unikać nadmiernego podnoszenia i odkształceń istniejącego tunelu. Lepsze zrozumienie tych niewidocznych sił podziemnych pozwala inżynierom udoskonalać projekty i kontrolę wykonawstwa, chroniąc tunele, którymi codziennie podróżują miliony pasażerów, jednocześnie dodając nowe, jakich domagają się rozwijające się miasta.

Cytowanie: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Słowa kluczowe: drążenie tarczą, synchroniczne zalewanie, tunel metra, gleba piaszczysta, odkształcenie tunelu