Wpływ ruchu uskoku normalnego na mechanizm uszkodzenia tuneli wodociągowych z uwzględnieniem oddziaływań wielopolowych

Dlaczego podziemne tunele wodne mogą ulegać awariom podczas trzęsień ziemi

Wiele miast i obszarów rolniczych polega na długich podziemnych tunelach, które transportują wodę z gór do miejsc zamieszkania. Te naczyniowe tunele często przecinają aktywne uskoki — pęknięcia w skorupie ziemskiej, które mogą nagle się przemieścić podczas trzęsień ziemi. Gdy uskoku pod tunelem następuje przesunięcie, grunt po obu jego stronach porusza się w różnych kierunkach, rozciągając i wyginając strukturę. Badanie to analizuje, w jaki sposób ruch takiego uskoku uszkadza duże tunele wodne oraz jakie decyzje projektowe mogą zwiększyć ich odporność.

Co się dzieje, gdy uskoku przecina tunel wodny

Badacze koncentrują się na powszechnym typie uskoku zwanym uskokiem normalnym, gdzie jedna część skały opada względem drugiej. W wielu wcześniejszych trzęsieniach najpoważniejsze uszkodzenia tuneli występowały właśnie w miejscach przecięcia z uskoku, nawet gdy otaczające skały wydawały się zwarta. Zanotowano pęknięcia, rozkruszenie betonu, a nawet zawalenia w tych przekrojach. Dla systemów wody pitnej i nawadniania takie awarie mogą przerwać dostawy, powodować przecieki i erozję oraz być bardzo trudne i kosztowne do naprawy głęboko pod ziemią.

Wirtualny eksperyment obejmujący skałę, beton i przepływającą wodę

Aby zbadać problem, autorzy stworzyli szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy dużego, ciśnieniowego tunelu wodnego przecinającego uskok normalny. Model obejmuje otaczającą skałę, słabszą strefę uskokową o rozdrobnionej strukturze, zbrojone skorupy betonowe tunelu oraz przepływającą w nim wodę. Powiązano dwa wyspecjalizowane narzędzia programowe: jedno oblicza odkształcenia i pękanie ciał stałych skały i betonu, drugie symuluje turbulentny przepływ wody. Platforma sprzężenia pozwala tym dwóm sferom „rozmawiać” ze sobą, przekazując informacje o ruchach tunelu i oddziaływaniu wody na konstrukcję. Zanim uruchomiono dużą liczbę symulacji, zespół zweryfikował model porównując go ze zminiaturyzowanym testem laboratoryjnym typu „piaskownica” dla tunelu przecinającego uskok. Tunel numeryczny wyginał się i pękał niemal w taki sam sposób jak model fizyczny, szczególnie pod względem lokalizacji koncentracji odkształceń i występowania największych pęknięć, co daje przekonanie, że wirtualne ustawienie odzwierciedla kluczowe zachowanie.

Gdzie i w jaki sposób tunel ulega uszkodzeniu

We wszystkich symulowanych scenariuszach wyraźnie pojawił się jeden wzorzec: ruch uskoku powodował bardzo zlokalizowane uszkodzenia. Otwór betonowy w strefie uskoku oraz ograniczony odcinek — rzędu kilkudziesięciu metrów — po każdej stronie doznały silnej deformacji, podczas gdy reszta długiego tunelu pozostała niemal sprężysta, z niewielkimi trwałymi zmianami. Najbardziej podatne miejsca to sklepienie (górna część) i podstawa (dno) tunelu w pobliżu uskoku, gdzie wyginanie i ścinanie łączą się, rozrywając beton na rozciąganie. Autorzy zastosowali pojedynczy wskaźnik uszkodzeń, nazwany Ogólnym Uszkodzeniem Obudowy w Rozciąganiu (OLDT), aby zsyntetyzować stopień pękania obudowy na odcinku tunelu. W miarę wzrostu przesunięcia uskoku ten wskaźnik szybko rósł w strefie uskoku, zbliżając się do stanu odpowiadającego niemal całkowitej utracie funkcji, podczas gdy poza tą strefą pozostawał niski.

Jak geologia i wybory projektowe zmieniają wynik

Zespół następnie zmieniał pięć głównych czynników: wielkość przesunięcia uskoku, kąt uskoku, szerokość strefy rozdrobnienia, wytrzymałość tej słabej strefy oraz wytrzymałość betonu obudowy tunelu. Większe przemieszczenia uskoku znacząco podniosły wskaźnik uszkodzeń w strefie uskoku, potwierdzając, że trwałe przemieszczenie gruntu jest głównym czynnikiem napędzającym awarię. Bardziej strome kąty uskoku i szersze strefy rozdrobnienia głównie zmieniały zasięg deformacji wzdłuż tunelu, ale nie podnosiły gwałtownie maksymalnych uszkodzeń. Natomiast zwiększenie spójności strefy uskoku (czyli uczynienie jej „twardszą”) lub zastosowanie obudowy z betonu o wyższej wytrzymałości zarówno zmniejszały obszar poważnych uszkodzeń, jak i obniżały wartość wskaźnika. Co ciekawe, ciśnienie wody wewnątrz tunelu nieco przesuwało rozkład naprężeń w obudowie, ale nie zmieniało zasadniczo mechanizmu awarii; główną kontrolę w dalszym ciągu stanowiła względna sztywność skały, strefy uskoku i obudowy.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych naczyni wodnych

Dla inżynierów przesłanie jest takie, że wysiłki projektowe powinny koncentrować się na przekrojach tunelu przecinających uskoku, a nie na całej trasie. Wzmocnienie lub iniekcja bardzo słabej strefy uskoku oraz zastosowanie mocniejszych materiałów obudowy lub specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych w miejscach przecięcia z uskoku mogą znacznie zmniejszyć ryzyko przebicia pęknięciami i zawalenia, nawet przy dużym przemieszczeniu uskoku. Badanie pokazuje również, że pojedynczy ilościowy wskaźnik uszkodzeń, taki jak OLDT, może pomóc w porównywaniu opcji projektowych i ustalaniu celów wydajności. W istocie, chociaż ruch uskoku normalnego stanowi poważne zagrożenie, staranne projektowanie zarówno obróbki skały, jak i obudowy tunelu wokół uskoku może utrzymać te krytyczne tunele wodne w funkcji wtedy, gdy są najbardziej potrzebne.

Cytowanie: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

Słowa kluczowe: tunele wodociągowe, uskoky normalne, uszkodzenia tuneli sejsmiczne, oddziaływanie ciecz–struktura, bezpieczeństwo infrastruktury podziemnej