Анализ влияния подъема с помощью инъекционных мешков на механическую реакцию щитовых тоннелей

Сохранение безопасности и ровности тоннелей метро

Современные города зависят от подземных железных дорог, но тоннели, по которым идут поезда, со временем могут проседать или наклоняться, когда близлежащие стройки и мягкие грунты нарушают естественное состояние почвы. В этой статье рассматривается перспективный метод аккуратного «поддомкрачивания» просевших тоннелей метро снизу с помощью гибких мешков, заполняемых раствором. Прояснив, как эти мешки расширяются в разных типах грунта и как они воздействуют на тоннель, исследование указывает путь к более безопасным и предсказуемым ремонтам, которые могут продлить срок службы загруженных линий метро.

Почему тоннели проседают

Щитовые тоннели — круглые трубы, сооружаемые с помощью тоннелепроходческих механизмов — располагаются в грунте, который постоянно подвергается возмущениям из‑за новых фундаментов, путепроводов и других подземных работ. Со временем отдельные участки тоннеля могут осесть сильнее других, образуя плавный, но вредный изгиб вдоль длины конструкции и некоторое уплощение её круглого поперечного сечения. Эти деформации могут размыкать стыки между сегментами, вызывать протечки, оббоины на кромках бетона и угрожать плавному и безопасному движению поездов. Инженеры уже применяют инъекционные работы — введение жидкой суспензии в грунт — для подъема и поддержания тоннелей, но традиционные методы вводят раствор прямо в грунт, из‑за чего трудно предсказать, как далеко расползется суспензия и какую реальную силу она передаст конструкции.

Новый способ направить подземный «домкрат»

Метод с мешками решает эту неопределённость путем размещения гибких мешков в предварительно пробуренных скважинах под или рядом с тоннелем и последующей накачки раствора в мешки. Мешок ограничивает суспензию, поэтому вместо того, чтобы расползаться по непредсказуемым трещинам, он разбухает как управляемый баллон и давит на окружающий грунт. Авторы сначала провели мелкомасштабные «единичные» испытания в прозрачных моделях грунта, заполненных либо песком, либо глиной. Измеряя изменение давления в многочисленных точках во время подачи раствора, они показали, что при одном и том же объеме раствора и конфигурации мешка в более жестких грунтах (с меньшей сжимаемостью) возникает более высокое дополнительное давление на грунт, чем в более мягких. В обоих типах грунта раствор распространялся в основном за счёт уплотнения внутри мешка, создавая ограниченную, чётко очерченную зону давления вместо широкого, непредсказуемого пятна.

Масштабирование до реалистичной модели тоннеля

Далее команда собрала большую трёхмерную модель: стальное кольцо, представляющее тоннель метро, зарытое в короб с уплотнённым песком и оснащённое десятками датчиков давления и измерительных рейек. Они испытали две стратегии ремонта. В одном варианте один мешок устанавливали прямо под тоннелем. В другом варианте два мешка помещали под углом 45 градусов по обе стороны от низа. Во время подачи раствора датчики отслеживали, как росло давление в грунте вокруг тоннеля, как менялся внутренний диаметр тоннеля по вертикали и горизонтали, а также насколько поднималась конструкция вдоль длины.

Как расположение мешков меняет поведение тоннеля

При инъекции раствора прямо под тоннелем давление грунта у его днища резко возрастало, тогда как у верха изменения были незначительными. Тоннель действительно поднимался, но его круглое поперечное сечение сжималось в более горизонтально вытянутый овал: вертикальный диаметр уменьшался, а горизонтальный увеличивался примерно на ту же величину. Такая «горизонтальная эллиптическая деформация» нежелательна, поскольку может вызвать новые напряжения и повреждения. Напротив, при размещении мешков под углом 45 градусов по обе стороны тоннель также получал ощутимый подъём, но его форма менялась минимально. Давления грунта у днища и по бокам возрастали более уравновешенно, и вертикальные и горизонтальные диаметры оставались близки к исходным размерам.

От насоса до тоннеля: путь давления

Разрезав затвердевший раствор после испытаний, исследователи визуализировали, как развивались тела раствора. Под центром тоннеля финальный блок раствора имел коническую и несколько асимметричную форму, что соответствовало неравномерным давлениям, зарегистрированным по двум сторонам тоннеля, и выраженной овализации. При боковом расположении мешков под 45 градусов тела раствора были более цилиндрическими и похожими с обеих сторон, а измеренные давления — почти симметричными. Из этих наблюдений авторы описывают чёткую цепочку переноса нагрузки: давление насоса раздувает мешок, расширяющийся мешок сжимает соседний грунт и увеличивает давление в нём, а это добавленное давление передаётся на стенку тоннеля в виде дополнительных нагрузок, изгибающих и поднимающих конструкцию.

Что это значит для реальных тоннелей

Для неспециалистов главный вывод в том, что применение мешков, заполненных раствором, под тоннелями метро может сделать ремонты более точными и менее рискованными по сравнению с традиционными свободно текучими инъекциями. Исследование показывает, что тип грунта сильно влияет на величину поднимательной силы, которую может обеспечить данный объём раствора, и что критически важно, где именно размещать мешки вокруг тоннеля. Мешки, установленные под углом 45 градусов по обе стороны, могут поднять просевший тоннель, сохраняя при этом его округлую форму и ограничивая возникновение новых напряжений и трещин. Это улучшенное понимание того, как давление передаётся от насоса через мешок и грунт к тоннелю, даёт инженерам более надёжную научную основу для проектирования безопасных, целенаправленных операций подъёма под городами.

Цитирование: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Ключевые слова: щитовой тоннель, инъекционный раствор, ремонт метро, осадка грунта, подъем тоннеля