Анализ влияния проходки нового тоннеля на устойчивость соседних существующих тоннелей

Почему в плотных городах нужны более безопасные тоннели

По мере того как крупные города прокладывают всё больше линий метро, новые тоннели всё чаще приходится прокладывать в непосредственной близости от действующих. Проходка нового тоннеля слишком близко к существующему может сдвинуть, искривить или повредить старую конструкцию, что очевидно сказывается на безопасности и работе. В этом исследовании изучают, насколько может деформироваться эксплуатируемый метротоннель при проходке рядом нового туннеля, и предлагают простые формулы, которыми инженеры могут пользоваться, чтобы будущие работы не ставили под угрозу безопасность пассажиров.

Как новые тоннели нарушают равновесие грунта

Щитовые комплексы вырезают грунт и породу и замещают выемку трубой с бетонной обделкой. Этот процесс немного ослабляет и смещает окружающий грунт. В свою очередь грунт начинает по‑другому давить на уже залегавшие сооружения, например на старый тоннель. Авторы сначала пересматривают, как обычно оценивают нагрузку от грунта над тоннелем. Классические методы предполагают гладкую «арку» грунта, несущую нагрузки вокруг отверстия, но они не учитывают, сколько грунта фактически теряется или смещается в процессе проходки. Команда уточняет этот подход применительно к лёссу и похожим грунтам, распространённым в Сиане (Китай), где запланировано много новых линий метро.

Актуализация методов расчёта давления грунта

Традиционные расчёты, восходящие к Карлу Терцаги в 1930‑е годы, рассматривают грунтовую арку над тоннелем как полностью сформированную и используют постоянный коэффициент для преобразования вертикального веса в боковое давление на обделку. Последующие исследования показали, что это упускает важный момент: при продвижении лицевой части тоннеля часть грунта оседает или перемещается, ослабляя арку. Авторы применяют более современный подход «неполной грунтовой арки», который явно учитывает коэффициент потери грунта — то есть насколько поверхность или корона оседают по мере проходки. Они показывают, что для реалистичных уровней потерь в глинистом лёссе уточнённый метод обычно предсказывает более низкие и более правдоподобные давления на тоннель по сравнению со старыми формулами, особенно когда потери грунта значительны.

Виртуальные эксперименты с парой туннелей

Чтобы выяснить, как новый тоннель влияет на уже существующий рядом, исследователи создали детализированные трёхмерные компьютерные модели, использующие типичные для Сианя характеристики грунта и размеры метротоннелей. Они варьировали три параметра: диаметры туннелей, расстояние между ними и их взаимное положение — рядом в одной плоскости, со смещением по диагонали или один под другим. В каждом случае они моделировали процесс проходки кольцо за кольцом и отслеживали перемещения восьми ключевых точек по сечению существующего тоннеля. Модели показывают: чем ближе туннели и чем больше диаметр существующего тоннеля, тем сильнее его деформация. Они также выявляют, что существующие тоннели не просто смещаются — они склонны к кручению, причём одна сторона обычно двигается сильнее другой.

Как тоннели сдвигаются, крутятся и проседают

Когда новый тоннель идёт примерно параллельно и на сопоставимой глубине, старый тоннель в основном сдвигается вбок в сторону выработки, а вертикальная просадка остаётся небольшой. В таком случае доминируют горизонтальные перемещения, и кручение (поворот) старого тоннеля наиболее заметно при толщине просвета около пяти метров. По мере увеличения расстояния до 20 метров максимальное боковое смещение может уменьшиться более чем в три раза, а кручение становится незначительным. Если новый тоннель расположен по диагонали или прямо под существующим, картина меняется: старый тоннель и смещается, и проседает. Вертикальные перемещения могут достигать почти двух сантиметров при близком расположении и больших диаметрах, затем постепенно снижаются с ростом расстояния. Во всех схемах угол поворота растёт с диаметром тоннеля, но уменьшается по мере удаления тоннелей друг от друга, следуя плавным математическим кривым.

Простые формулы, которыми инженеры действительно могут пользоваться

Из этих моделирований авторы вывели формулы-прогнозы, связывающие максимальные боковые и вертикальные перемещения существующего тоннеля с двумя легко измеряемыми величинами: его радиусом и расстоянием до нового тоннеля. Зависимости в основном следуют логарифмическим законам по расстоянию, то есть при очень близком расположении деформации резко возрастают, тогда как увеличение расстояния сверх примерно 15–20 метров даёт убывающую отдачу. Исследование также уточняет, что для расположения «рядом в одной плоскости» соблюдение нормативных пределов по горизонтальным перемещениям автоматически обеспечивает безопасность по вертикальным смещениям.

Что это значит для будущего строительства метро

Для неспециалистов ключевая мысль проста: при проходке нового метротоннеля рядом со старым последний будет смещаться, но величина этого смещения предсказуема, если известны расстояние, размеры и условия грунта. Уточнив методы оценки давления грунта в лёссовых отложениях и предоставив компактные формулы для кручения и смещений, эта работа даёт проектировщикам практичные инструменты, чтобы решать, насколько близко можно подходить, когда требуется дополнительное усиление, и как планировать трассы, защищающие уже эксплуатируемые тоннели городов.

Цитирование: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Ключевые слова: метрополитен, проходка тоннеля, деформация грунта, взаимодействие тоннелей, урбанистическое подземное пространство