Analiza podnoszenia segmentów podczas budowy tunelu tarczowego z uwzględnieniem wpływu przesiąkania warstw gruntowych

Dlaczego podnoszenie tunelu ma znaczenie dla życia miasta

Współczesne miasta coraz bardziej polegają na podziemnych liniach kolejowych, aby złagodzić ruch i uwolnić przestrzeń na poziomie ulicy. Jednak drążenie długich tuneli pod zabudową nie jest pozbawione ryzyka. Kiedy tunel jest drążony dużą tarczą, betonowe pierścienie obudowy czasem unoszą się, czyli dochodzi do tzw. „upliftu”, bardziej niż przewidywano. Nadmierne podniesienie może spowodować pęknięcia obudowy, przedostawanie się wody oraz zaburzenia gruntu i budynków nad tunelem. Niniejsze badanie szczegółowo analizuje, jak mieszanka wtłaczanego zaczynu iniekcyjnego i naturalnej wody gruntowej powoduje podnoszenie tunelu, wykorzystując fragment linii metra w Dalian w Chinach jako studium przypadku.

Przyjrzenie się temu, co dzieje się pod ulicami

Naukowcy skoncentrowali się na odcinku tunelu przebiegającym pod gruntami miejskimi z warstwami nasypów, iłów oraz żwirowatych gruntów zawierających wodę gruntową. W miarę postępu tarczy pozostaje niewielka szczelina między okrągłą obudową betonową a otaczającym gruntem. Szczelina ta jest natychmiast wypełniana płynnym zaczynem iniekcyjnym, aby podtrzymać grunt i ustabilizować tunel. Ponieważ zaczyn jest lżejszy i bardziej płynny niż grunt, a podłoże zawiera wodę, obudowa może zostać wypchnięta ku górze wskutek kombinacji ciśnienia zaczynu i ciśnienia wody. Wcześniejsze badania często upraszczały ten efekt i nie uwzględniały w pełni, jak woda przemieszcza się przez grunt w trakcie wtłaczania i wiązania zaczynu.

Wirtualne odtworzenie tunelu w komputerze

Aby rozplątać te procesy, zespół stworzył trójwymiarowy model komputerowy tunelu, zaczynu i otaczającego gruntu. Model odtwarzał rzeczywiste warstwy geologiczne i pozwalał na przesiąkanie wody przez grunt zgodnie z powszechnie znanymi prawami przepływu. Odwzorowano też etapowy postęp tarczy: wykopywanie gruntu, podparcie czoła tunelu, montaż kolejnych pierścieni segmentów oraz wtłaczanie zaczynu wokół nich. Zaczynowi przypisano różne poziomy sztywności w miarę przechodzenia od świeżo wtłoczonego płynu do materiału związującego. Model został zweryfikowany na podstawie starannych pomiarów terenowych wykonanych za pomocą punktów monitorujących na powierzchni oraz systemu laserowego śledzącego położenie obudowy podczas pracy maszyny.

Jak woda i zaczyn współdziałają, podnosząc tunel

Symulacje wykazały, że ciśnienie wody porowej wokół obudowy tunelu zmienia się gwałtownie w miarę przejścia tarczy i wtłaczania zaczynu. Najsilniejsze wahania ciśnienia porowego występują na spodzie obudowy, słabsze po bokach, a najmniejsze u góry. Wzór podnoszenia jest podobny: najwięcej unosi się deniwel (dół) tunelu, nieco mniej boki, a najmniej sklepienie (góra). Większość całkowitego podniesienia następuje w pierwszych pięciu pierścieniach za ogonem tarczy, w fazie, gdy zaczyn jest nadal bardzo płynny, a jego ciśnienie wysokie. W miarę wiązania zaczynu i ponownego rozkładu naprężeń w gruncie tempo wzrostu upliftu zwalnia i ostatecznie się stabilizuje. Po uwzględnieniu przesiąkania wód gruntowych końcowe podniesienie jest zauważalnie większe — około jedna piąta całkowitego upliftu w modelu wynika ze współdziałania przesiąkania z ciśnieniem zaczynu, a nie tylko z samego zaczynu.

Które decyzje konstrukcyjne pogarszają podnoszenie

Korzystając ze zweryfikowanego modelu, autorzy zmieniali następnie kluczowe czynniki przy zachowaniu pozostałych warunków. Głębsze tunele doświadczały większego podnoszenia, głównie dlatego, że ciśnienie wód gruntowych rośnie wraz z głębokością i przyczynia się do rozszerzania zaczynu oraz wypychania obudowy. Wyższe ciśnienia iniekcji także powodowały silniejsze podnoszenie, choć efekt ten był mniejszy niż wpływ głębokości. Kolejnym istotnym czynnikiem była szybkość i odległość od tarczy, w których zaczyn zaczynał wiązać. Jeśli początkowy punkt zestalania występował dalej za tarczą, zaczyn dłużej pozostawał płynny wokół obudowy, dając więcej czasu na rozwój upliftu. Badanie zestawiło te trendy w proste wzory empiryczne łączące podnoszenie z głębokością zasypania, ciśnieniem iniekcji i odległością od czoła tunelu, co daje inżynierom praktyczny sposób oszacowania upliftu w podobnych warunkach gruntowych.

Implikacje dla bezpieczniejszej infrastruktury podziemnej

Dla osób niebędących specjalistami główny przekaz jest taki, że podnoszenie tunelu nie zależy wyłącznie od siły, z jaką inżynierowie wtłaczają zaczyn — zależy też w dużym stopniu od tego, jak woda gruntowa przemieszcza się przez grunt i jak szybko zaczyn twardnieje. Uchwycenie skoordynowanego działania ciśnienia zaczynu i przesiąkania wody oraz weryfikacja wyników z pomiarami terenowymi daje bardziej realistyczny obraz tego, jak i kiedy obudowy tuneli unoszą się podczas budowy. Wyniki mogą pomóc projektantom w doborze bezpieczniejszych głębokości posadowienia, ciśnień iniekcji i receptur zaczynu, zmniejszając ryzyko pęknięć, przecieków i wypiętrzeń powierzchni podczas budowy nowych linii metra pod naszymi miastami.

Cytowanie: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Słowa kluczowe: podnoszenie tunelu tarczowego, przesiąkanie wód gruntowych, zsynchronizowane iniekcje, budowa tunelu metra, modelowanie numeryczne