Анализ прочности кабельных тоннелей с разной глубиной заложения методом конечных элементов

Как зарытые тоннели сохраняют подачу электроэнергии

Современные города зависят от скрытых энергетических магистралей: длинных подземных тоннелей, заполненных высоковольтными кабелями. Эти проходы освобождают место на переполненных улицах и защищают важную инфраструктуру — но построить их безопасно и при этом не переплатить — тонкое дело. В этом исследовании изучается, как глубина и форма тоннеля влияют на его прочность и долговременную устойчивость, помогая инженерам решить, достаточно ли простой прямоугольной конструкции или же дорожестоящая арочная форма оправдана дополнительными затратами.

Скрытая под городом линия электропередачи

Исследование сосредоточено на 15,6‑километровом кабельном тоннеле, предназначенном для прокладки линий напряжением 110 кВ и 10 кВ, которые питают дома и предприятия. На своём протяжении тоннель проходит через четыре принципиально разные грунтовые зоны: мелкозалегающая скала (ZK1), мелкие грунты (ZK2), глубокая скала с уровнем грунтовых вод (ZK3) и глубокие грунты с грунтовыми водами (ZK4). Каждая зона характеризуется собственной плотностью, прочностью и влагосодержанием, что влияет на то, как окружающий грунт давит на обделку тоннеля. Ошибки в учёте этих сил могут привести к трещинам, протечкам или дорогостоящему ремонту; чрезмерная консервативность, в свою очередь, ведёт к перерасходу материалов и средств.

Две простые формы — очень разное поведение

Инженеры сравнили две формы поперечного сечения обделки тоннеля. Одна — простая прямоугольная — фактически бетонный короб. Другая — так называемая трёхцентровая арка, напоминающая закруглённый свод на коротких вертикальных стенках. Арочные формы известны своей эффективностью при восприятии сжимающих нагрузок — «сжимающих» сил со стороны окружающего грунта, — но они сложнее в строительстве и обычно дороже. Ключевой вопрос исследования: в каждой грунтовой зоне и на каждой глубине — какая форма обеспечивает достаточную безопасность при наименьших общих затратах?

Испытание прочности тоннеля в виртуальной лаборатории

Вместо того чтобы полагаться лишь на грубые эмпирические правила, авторы построили детализированную трёхмерную компьютерную модель тоннеля и окруживающего грунта. Они использовали стандартный в гражданском строительстве подход — метод конечных элементов, который разбивает тоннель и его окружение на множество мелких элементов и рассчитывает, как каждый элемент деформируется и воспринимает нагрузку. Сам грунт был смоделирован с применением общепринятой теории разрушения грунтов и пород под давлением, что позволило оценить как напряжения (насколько материал сжимается или растягивается), так и перемещения (насколько он смещается). Команда рассмотрела три типичных ситуации на поверхности над тоннелем: зелёная зона без движения транспорта, лёгкая немоторизованная полоса и более нагружённая дорога на четыре–шесть полос — самый требовательный случай.

Где могут начаться трещины и как этого избежать

Для каждой грунтовой зоны и формы тоннеля исследователи проанализировали ключевые точки вокруг обделки, особенно углы и «опоры» арки, где напряжения обычно концентрируются. Во всех рассматриваемых случаях общие сжимающие усилия в бетоне оставались существенно ниже допустимой прочности, то есть ни одна форма не была под угрозой «раздавливания». Существенная разница проявилась в растяжении — тяговой силе, которую бетон переносит плохо и которая может привести к появлению трещин. В мелкозалегающих условиях (ZK1 и ZK2) обе формы оставались безопасными, и более простая прямоугольная конструкция оказалась экономичнее за счёт простоты возведения. В более глубоких и влажных условиях (ZK3 и ZK4), однако, коробчатая форма создавала заметные растягивающие напряжения в отдельных участках обделки, тогда как арочная конструкция превращала эти растягивающие силы в более мягкое сжатие. Чтобы сделать прямоугольный тоннель безопасным на таких глубинах, инженерам пришлось бы увеличивать армирование стальных каркасов, что повысило бы стоимость и сложность работ.

Проектные решения, уравновешивающие безопасность и стоимость

Сочетая реалистичные данные о грунте с детализированными компьютерными симуляциями, исследование показывает, что универсальной формы тоннеля не существует. Для мелких участков кабельного тоннеля прямоугольный короб надёжно воспринимает нагрузки при меньших затратах. Для глубоких участков под повышенным давлением грунта и при наличии грунтовых вод арочная форма оказывается более разумным выбором, поскольку она естественным образом снижает риск появления трещин в бетонной обделке. Для неспециалистов вывод прост: понимание того, как грунт действует на подземные сооружения, позволяет инженерам адаптировать форму тоннеля к местным условиям и обеспечивать надёжную подачу электроэнергии под нашими ногами без лишних расходов.

Цитирование: Li, C., Yan, M. Strength analysis of cable tunnels with different embedding depths by using finite element method. Sci Rep 16, 5578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35672-6

Ключевые слова: проектирование кабельных тоннелей, подземные линии электропередачи, форма тоннеля, моделирование методом конечных элементов, городская инфраструктура