Эволюция сейсмических повреждений и динамические характеристики окружающей горной породы в порталах туннеля на антиуклонах, усиленных рамными балками

Почему входы в туннели важны при больших землетрясениях

Когда происходит крупное землетрясение, большинство из нас представляет себе разрушенные здания и сломанные мосты. Однако горные туннели, по которым проходят трассы и железные дороги, часто выдерживают с удивительно небольшими внутренними повреждениями. Слабым звеном оказывается вход в туннель — место встречи массивных подземных сооружений с крутыми скальными откосами. В этом исследовании поднимается практический вопрос с большими последствиями для безопасности инфраструктуры: как и почему землетрясения концентрируют повреждения вокруг порталов туннелей, вырезанных в неустойчивых слоистых откосах, и что инженеры могут сделать, чтобы лучше их защитить?

Встряхивание уменьшенной модели горы в лаборатории

Чтобы изучить этот вопрос, исследователи сконструировали крупнормасштабную уменьшенную модель реального портала туннеля вдоль реки Нуцзян в Китае. Склон над туннелем выполнен из так называемых антиуклонных слоев — наклонных пластов породы, отстоящих от плоскости откоса, геометрия которых известна своей склонностью к опрокидыванию при сейсмических возмущениях. Модель откоса была укреплена рамными балками, закрепленными стальными тросами и анкерными стержнями, аналогично системам, применяемым на реальных автомагистралях и железных дорогах. Вся модель была установлена на трёхосный вибростол, где ей подвергали реалистичным землетрясениям, записанным во время прошлых событий, таких как землетрясения в Кобе, Эль-Сентро и Вэнчуане.

Как склон и туннель реагировали на толчки

По мере увеличения моделируемой сейсмической нагрузки команда измеряла ускорения, деформации, земное давление и перемещения по всему откосу и вокруг обделки туннеля. Рамные балки в значимом смысле выполнили свою задачу: они предотвратили коллапс откоса в виде драматического полного опрокидывания. Тем не менее, поверхность откоса сильно обломалась, гребень склона сместился вниз, а скальные колонны наклонились в сторону открытого лица. Что наиболее критично для транспортной безопасности, портал туннеля пострадал значительно. При уровне вибрации, близком к ускорению силы тяжести Земли (1,0–1,2 g), появились трещины у подошвы обделки туннеля и в стыках между секциями обделки, которые в итоге соединились в сквозную трещину в инверте — днище кольца туннеля.

Где толчки сильнее и почему портал страждет

Измерения показали, что сейсмическая нагрузка не распределяется по всему откосу равномерно. Ускорения усиливались по мере распространения волн к гребню откоса и были максимальны у поверхности — сочетание эффектов «высоты» и «поверхности». При вертикальной сейсмической нагрузке портал туннеля становился горячей точкой, где входящие волны отражались и огибали обделку и наклоненные слои породы, создавая сложную картину усиленного движения. Вдоль самого туннеля мелко залегающий участок у входа испытывал гораздо более интенсивные колебания, чем более глубокая часть. Разница в движении между породой над и под туннелем значительно возрастала вблизи портала, нагружая обделку и окружающую породу и помогая объяснить, почему повреждения концентрировались именно там, а не глубже в горе.

Отслеживание скрытых повреждений через свойства породы и энергию волн

Чтобы выйти за рамки поверхностных наблюдений, исследователи отследили, как механические свойства массива породы изменяются при воздействии толчков. Они использовали установленные зависимости между деформацией и двумя ключевыми динамическими параметрами: сдвиговой жёсткостью породы и её способностью диссипировать энергию (демпфированием). По мере усиления сейсмической нагрузки жёсткость породы снижалась, а демпфирование возрастало, особенно в породе непосредственно под обделкой туннеля. Картирование этих изменений показало, что зоны повреждений сначала формируются вблизи нижней части обделки у входа, затем при возрастании входной энергии распространяются глубже вдоль туннеля. Команда также применила временно–частотный инструмент Хилберта–Хуанга для изучения распределения сейсмической энергии по частотам. Они обнаружили, что при вертикальной нагрузке низкочастотные компоненты в диапазоне 9–12 Гц особенно важны для повреждения породы и обделки возле портала. Когда обделка начала трескаться, энергия волн в этом диапазоне заметно ослабевала в породе под туннелем, что предлагает потенциальный способ обнаружения повреждений посредством тщательного мониторинга сейсмических сигналов.

Что это значит для более безопасных туннелей

Для неспециалистов вывод ясен: порталы туннелей в крутых слоистых породах — это не просто уменьшенные варианты подземных туннелей, а особые слабые места, где движение откоса, фокусировка волн и конструктивные детали совместно усиливают сейсмические повреждения. Исследование показывает, что даже при видимых опорах, предотвращающих обрушение откоса, в породе и обделке могут накапливаться скрытые повреждения, особенно в её нижней дуге. Авторы приходят к выводу, что инженерам следует укреплять инверт (днище обделки) и породу под ним, а при проектировании и оценке входов туннелей уделять особое внимание вертикальным низкочастотным колебаниям. Лучшее понимание того, где и как концентрируется энергия при землетрясениях, поможет разрабатывать более разумные меры усиления и мониторинга, сохраняя жизненно важные туннели открытыми, когда они наиболее нужны.

Цитирование: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Ключевые слова: портал туннеля, сейсмические повреждения, скальный откос, сейсмическая нагрузка, подземная инфраструктура