Исследование деформационных характеристик массива пород и оптимизации крепления при проходке тоннеля ЩПМ через зоны трещиноватости разломов

Почему горные тоннели внезапно начинают вести себя ненадёжно

Длинные автомобильные и железнодорожные тоннели сейчас прокладывают через одни из самых высоких и суровых гор мира. Эти проходы обычно бурят гигантские туннелепроходческие комплексы (ЩПМ), которые равномерно фрезеруют прочную породу. Но когда ЩПМ попадает на скрытую зону разлома — породу, раздробленную и ослабленную древними землетрясениями — тоннель может деформироваться, обрушиваться или даже зажать механизм. В этом исследовании рассматривается такой высокорискованный случай в горном тоннеле в Китае и показано, как тщательно спроектированная система крепления существенно снижает эти риски.

Проблемный участок в глубоком горном тоннеле

Исследование сосредоточено на тоннеле Далианшань №1 в провинции Сычуань, который проходит более 10 километров под крутыми V-образными долинами. Большая часть трассы пролегает через относительно прочную породу, но один участок пересекает зону трещиноватости разлома F1, где некогда монолитная базальтовая и туфовая порода разрушена и разложилась до слабых, выветренных фрагментов. В этой зоне свод и стенки сбрасывали обломки, образовывались большие полости, появлялась влага, и обычные опорные контакты, за которые ЩПМ упирается в породу, теряли несущую способность. На ранних этапах проходки такие условия привели к сильным обвалам, деформации стальных элементов крепления, сближению стенок тоннеля и даже к случаю, когда ЩПМ застрял после остановки.

Измерение перемещений массива

Чтобы понять происходящее и способы его контроля, команда сочетала три подхода. В лаборатории протестировали измельчённые керновые образцы из зоны разлома, чтобы определить фактическую слабость изменённой породы. В вычислительной модели с помощью программного комплекса ABAQUS ими смоделировали проход ЩПМ через тоннель шириной 8 метров, пересекающий полосу разлома шириной 40 метров с падением 40 градусов. На площадке установили инструменты на нескольких поперечных сечениях для мониторинга перемещений свода, стенок и поверхности грунта по мере продвижения выработки. Это сочетание испытаний, моделирования и полевых измерений позволило связать наблюдаемое под землёй с невидимой перераспределённой нагрузкой в окружающих горах.

Что происходит при встрече механизма с разломом

Моделирование и измерения выявили ясную картину: деформация была «большей в середине и меньшей на концах» полосы разлома. Когда ЩПМ вошёл в наиболее слабое ядро F1, свод тоннеля заметно просел — до 92 миллиметров — в то время как осадка поверхности над ним достигала до 42 миллиметров. Свод начал оседать примерно за 10 метров до того, как механизм достигал контролируемого сечения, и продолжал двигаться примерно на 10 метров за ним. Боковые стены реагировали позже и слабее, с максимальными перемещениями около 15 миллиметров. Вне зоны разлома, где порода была более целостной, приросты осадки падали ниже 5 миллиметров, и поведение тоннеля становилось гораздо стабильнее. Без вмешательства большие перемещения в ядре разлома угрожали безопасности рабочих и способности ЩПМ продолжать проходку.

Создание более прочной «оболочки» вокруг тоннеля

Исходя из этих выводов и опыта других проектов, инженеры спроектировали усиленную систему крепления, адаптированную к раздробленному грунту. Вместо опоры только на стальные ребра и обычный торкретбетон они добавили плотную сеть стальных усилительных полос по окружности тоннеля, применили торкрет высокого класса прочности и использовали опалубку с инъекционной заделкой для создания жёсткой опорной подошвы в местах упора лап ЩПМ в стенки. В очень рыхлых или обвалившихся участках установили самосверлящие анкера и стекловолоконные стержни, а полости и каверны заполнили бетоном. Численные модели с учётом этих мер предсказали значительно меньшие перемещения, и полевой мониторинг подтвердил улучшение.

Насколько безопаснее стал тоннель

После усиления максимальная осадка свода во всех контролируемых сечениях снизилась примерно до 17 миллиметров, а осадка поверхности — до примерно 7 миллиметров, то есть уменьшилась примерно на 80% по сравнению с неусиленным случаем. Стенки тоннеля и подошва арки сместились всего на несколько миллиметров, а общая картина деформаций стала более плавной и предсказуемой. Обрушение пород и каверны значительно уменьшились, несущая способность опорных лап ЩПМ повысилась, и механизм мог продвигаться непрерывно без повторных зажаний. На практике обновлённое крепление превратило крайне нестабильный участок в управляемую инженерную задачу.

Что это означает для будущих тоннелей

Для неспециалистов ключевой вывод в том, что «плохой грунт» в зонах разломов не обязательно ставит крест на глубоких тоннелях. Сначала измерив поведение породы, затем смоделировав взаимодействие тоннеля и массива, и наконец адаптировав усиление под эти условия, инженеры могут существенно ограничить деформации тоннеля — даже в раздробленной, выветренной породе на глубине километра. Подход, применённый в тоннеле Далианшань №1, представляет собой дорожную карту для других горных тоннелей, которые вынуждены пересекать похожие сочетания выветренных пород и активных или древних разломов, повышая безопасность и снижая риск дорогостоящих остановок ЩПМ.

Цитирование: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Ключевые слова: щелевой проходческий механизм, зона трещиноватости разлома, крепление тоннеля, осадка грунта, горные тоннели