Экспериментальное исследование риска разрушения существующей станции метро при односторонних крупномасштабных котлованах

Почему раскопки рядом с метро могут быть опасны

По мере того как города строят новые линии метро и подземные торговые центры, строителям часто приходится рыть огромные котлованы прямо рядом с уже действующими станциями. На первый взгляд такие станции выглядят как прочные подземные крепости. Но при удалении грунта только с одной стороны нарушается скрытое равновесие давлений в грунте. В этом исследовании ставится практический вопрос с серьёзными последствиями для безопасности: насколько глубоко и широко можно копать с одной стороны действующей станции, прежде чем станция начнёт крениться, на улицах появятся трещины или начнётся разрушение зданий?

Реальная станция вдохновила лабораторный эксперимент

Исследование основано на станции «Jincheng Plaza» в Чэнду, Китай — оживлённом подземном узле, где пересекаются три линии метро. Одна линия уже построена, а для других требуется массивная новая выемка грунта прямо рядом с готовой станцией, оголяющая одну из её длинных боковых стен. Чтобы оценить риски до начала полномасштабного строительства, авторы сделали детализированную масштабную модель станции и окружающих слоёв мягких пород и грунта. В масштабе 1:100 они поместили в лаборатории прозрачную коробку с грунтом, встроили миниатюрную станцию из жёсткого пластика и затем «выкапывали» одну сторону грунта в тщательно контролируемых шагах.

Наблюдение за движением и деформацией маленькой станции

Модель была оснащена приборами, как на реальном строительстве. Датчики перемещений отслеживали, как крыша станции смещается по вертикали и в стороны. Механические ячейки за стеной измеряли изменения грунтового давления, а тензометры на стене регистрировали, насколько конструкция станции растягивается или сжимается. Команда провела 28 различных сценариев котлованных работ, сочетая четыре глубины и семь ширин односторонней выемки — от умеренных ям до удаления грунта вдоль всей длины станции. После каждого небольшого шага выемки они ждали установления грунта и затем фиксировали новые деформации, давления и напряжения.

Что происходит при чрезмерной выемке с одной стороны

Эксперименты показали, что вертикальные осадки кровли станции оставались небольшими и в пределах безопасных норм для всех испытанных случаев; станция почти не опускалась. Настоящая опасность исходила от боковых перемещений. По мере увеличения глубины и ширины односторонней выемки станция неуклонно наклонялась в сторону котлована. Когда глубина выемки превысила примерно две трети высоты станции, крен стал заметным. При ширинах выемки порядка половины до равной ширине станции поперечные перемещения достигали предупредительных уровней; при ещё больших ширинах (в реальном проекте — 100 метров и более) боковая деформация превысила нормативный порог безопасности, что означало, что нормальная эксплуатация поездов больше не могла быть гарантирована.

Грунт разрыхляется сверху и уплотняется снизу

Сам грунт также вел себя по-настоящему показательно. По мере наклона станции мелкий грунт сразу за вырезанной стеной терял контакт с конструкцией и становился более рыхлым, поэтому давление в этой зоне резко падало — до примерно 98 процентов в самом экстремальном случае. Одновременно более глубокие слои у основания стены сжимались сильнее, увеличивая давление в уплотнённой зоне. Такое сочетание означает, что верхние слои грунта уже не могут безопасно поддерживать дорожные покрытия или фундаменты зданий, повышая риск провала дорог или крена высотных сооружений, хотя бетонная оболочка станции при этом всё ещё имеет достаточную прочность и не трескается.

Практическая карта предупреждений для строителей

Поскольку боковой крен оказался самым чувствительным индикатором опасности, авторы использовали свои данные для построения простой карты зон риска. Она делит сочетания глубины и ширины выемки на четыре цветные категории: A (без риска), где можно вести работы в обычном режиме; B (общий риск), требующая более тщательного мониторинга; C (высокий риск), где работы следует приостановить для оценки безопасности; и D (критический риск), где необходимы немедленные аварийные меры. Применённый к проекту «Jincheng Plaza», метод правильно предсказал зону высокого риска C для планируемой выемки глубиной 22 метра и шириной 80 метров; после добавления дополнительных подпорок фактические перемещения станции уменьшились примерно вдвое с ещё большим запасом (примерно на две трети). Для городских планировщиков и инженеров это исследование превращает сложную подземную механику в практичный, легко применимый инструмент для сохранения безопасности станций метро и соседних зданий во время крупных раскопок.

Цитирование: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Ключевые слова: безопасность станции метро, глубокий котлован, деформация грунта, городское тоннелестроение, оценка риска