Исследование деформационной реакции крепи водопроводных тоннелей в холодных районах при условиях вентиляции и конвекции

Почему форма тоннеля важна зимой

Через высокие горы и промёрзшие плоскогорья длинные тоннели тихо проводят воду и транспорт через породу, испытывающую экстремальный холод, глубокие снегопады и сильные ветры. В таких местах воздух, втекающий в тоннель, и грунтовые воды, просачивающиеcя вокруг него, влияют не только на ощущение холода у путешественника — они могут постепенно изгибать, растрескивать и ослаблять бетонную оболочку тоннеля. В этом исследовании рассматривается, как температура, влажность и вентиляция вместе влияют на деформацию водопроводных тоннелей в холодных районах и как инженеры могут корректировать схемы вентиляции и дренажа, чтобы сохранять эти скрытые артерии безопасными на десятилетия.

Как холодный воздух и влажная порода действуют сообща

Авторы сосредоточились на водопроводных тоннелях в высокогорных, очень холодных ландшафтах, где зимние температуры держатся ниже нуля и грунт многократно переходит из замороженного состояния в оттаявшее. Естественная вентиляция втягивает наружный воздух в тоннель, и его температура и влажность меняются по сезонам. По мере движения этот воздух обменивается теплом и влагой с бетонной облицовкой и окружающей породой. Одновременно грунтовые воды текут по трещинам и порам в породе, принося собственное тепло и влагу. В совокупности эти процессы формируют сложные циклы замерзания, оттаивания, увлажнения и высыхания, которые постепенно ослабляют материалы и меняют силы, действующие на облицовку.

Создание цифрового двойника морозного тоннеля

Поскольку практически невозможно измерить все детали внутри закопанного тоннеля на протяжении многих лет, команда создала детальную компьютерную модель, имитирующую реальную среду. Они объединили расчёты потоков воздуха из одной программной платформы со второй моделью, отслеживающей теплообмен, движение воды и механические напряжения в породе и облицовке. Чтобы сохранить задачу управляемой, но реалистичной, предположили, что порода ведёт себя как однородная пористая среда, воздух в тоннеле — идеальная несжимаемая жидкость, а вода в породе перемещается в основном в жидкой фазе. Модель включает перенос тепла, диффузию и просачивание влаги, а также отклик облицовки на изменения температуры и влагосодержания. Полевые измерения температуры и влажности воздуха, температуры стен, расхода воздуха в реальном тоннеле, а также сопоставление с классическими экспериментами по замерзанию в грунтах использовались для проверки того, что симуляции воспроизводят поведение в реальном мире.

Что на самом деле делает вентиляция с тоннелем

С помощью этого цифрового тоннеля авторы изучали, как различные скорости и влажность приточного воздуха, уровни грунтовых вод и расстояние до соседнего дренажного тоннеля изменяют температуру, влажность, напряжения и смещения. Они обнаружили, что скорость воздуха действует двояко. При медленном движении воздух дольше контактирует со стенами, что усиливает охлаждение и увлажнение облицовки; при очень быстром потоке времени на обмен меньше, но более сильный поток всё равно может вызывать большие изменения напряжений. Выше примерно 2 метров в секунду дальнейшее увеличение скорости уже мало меняет температуру или влажность воздуха, однако основное напряжение в облицовке становится более чувствительным к потоку воздуха. Влажность приточного воздуха сильнее влияет на влагосодержание, чем на температуру: умеренная влажность около 40 процентов делала коронную часть облицовки наиболее отзывчивой и вызывала наибольшие вертикальные перемещения, тогда как очень сухой или очень влажный воздух приводил к более стабильному поведению.

Скрытая роль грунтовых вод и планировки дренажа

Грунтовые воды оказались не менее важны, чем воздух. Высокий уровень воды, при почти насыщенной породе, сглаживает температурные колебания, но повышает влажность, что стимулирует более активную миграцию влаги. Мелководные условия, наоборот, приводят к большим пикам напряжений и смещений в коронной части тоннеля в ходе циклов замораживания–оттаивания. Также имеет значение расстояние между основным тоннелем и его дренажным. Когда тоннели расположены слишком близко, облицовка испытывает крупные периодические смещения в результате взаимодействия полей воды и температуры; если они расположены слишком далеко, напряжение в короне может подниматься до высоких уровней и сильно колебаться, повышая риск трещинообразования. Умеренное расстояние снижает и амплитуду деформаций, и концентрацию напряжений.

Беспокойный вход в подземелье

Портал тоннеля выделяется как особо проблемная зона. Там облицовка и окружающая порода испытывают на себе полную силу меняющейся погоды, переменного потока воздуха и сильных градиентов температуры и влажности. Модель показывает, что и напряжение, и смещение увеличиваются по мере приближения к входу, а сочетание осадки короны и выпирания боковых стен становится наиболее выраженным. Глубже внутри тоннеля, где воздух спокойнее, а порода служит тепловым буфером, условия гораздо более стабильны и напряжения распределяются равномернее.

Что это значит для более безопасных тоннелей

Для неспециалистов главный вывод таков: безопасность тоннелей в холодных районах определяется не только прочностью бетона, но и тем, как управляют воздухом и водой. Исследование показывает, что тщательный выбор скоростей естественной вентиляции, избегание входной влажности в наиболее чувствительном диапазоне, размещение дренажных тоннелей и отверстий на подходящем удалении и учёт сезонных уровней грунтовых вод могут заметно снизить деформацию и напряжения в облицовке — особенно вблизи входа. Хотя модель упрощает некоторые свойства материалов, она даёт инженерам практическую основу для прогнозирования, где и когда в холодном тоннеле наиболее вероятны деформации, и как корректировать проект и эксплуатацию, чтобы эти важные подземные коммуникации оставались безопасными в долгосрочной перспективе.

Цитирование: Chang, X., Qiao, J., Ren, J. et al. Study on the deformation response of support for water diversion tunnels in cold regions under ventilation and convection conditions. Sci Rep 16, 9391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34234-6

Ключевые слова: тоннели в холодных районах, вентиляция тоннеля, повреждения от замораживания–оттаивания, просачивание грунтовых вод, деформация облицовки