Экспериментальное исследование влияния синхронной инъекционной подтяжки при щитовой проходке на существующий верхний туннель в песчаном слое грунта

Почему то, что происходит под нашими городами, имеет значение

Современные города всё чаще опираются на многослойные подземные сети туннелей для метро, коммуникаций и дорог. Когда инженерам приходится прокладывать новый туннель под уже существующим, вокруг нового сооружения закачивают жидкий раствор (гроут), чтобы предотвратить просадку грунта. Но в рыхлых песчаных грунтах тот же раствор может непреднамеренно воздействовать на верхний туннель, изгибая и сжимая его таким образом, что это может угрожать долговременной безопасности. В этом исследовании использована тщательно масштабированная лабораторная модель, чтобы показать, как и почему это происходит и сколько раствора уже слишком много.

Построение миниатюрного подземного города

Чтобы изучить эти скрытые процессы, исследователи сконструировали большой грунтовый ящик, заполненный песком с фракциями зерен и плотностью, имитирующими реальные условия метро. Внутри они установили стальную модель «существующего» круглого туннеля и, под ним, второй туннель, представляющий тот, который прокладывает щитовая машина. Вся установка была выполнена в масштабе одна десятая от реального размера, что позволило точно контролировать процесс, сохранив при этом реалистичное поведение. Вместо того чтобы моделировать все этапы проходки одновременно, они разделили стадии: выемка грунта была смоделирована в предыдущих работах, а в этом исследовании сосредоточились исключительно на инъекционном заполнении пазухи позади щита при установке новых секций обделки.

Как вводят раствор и как измеряют эффекты

В реальных проектах раствор закачивают в узкий зазор позади торца щита, чтобы заполнить пространство между обделкой и грунтом. Команда воссоздала это с помощью заказного торца щита, уплотняющих щеток и труб для инъекций, подключённых к насосу. Они варьировали два ключевых параметра: водосодержание суспензии раствора и объём раствора, закачиваемого относительно объёма, который строго необходим для заполнения пустоты — так называемое отношение заполнения раствором (grout fill ratio). Небольшие датчики, встроенные в песок, измеряли изменение давления в грунте вокруг верхнего туннеля. Внутри этого туннеля перекрывающиеся стальные рейки, лазеры и камеры отслеживали крошечные изменения диаметра и прогиба, позволяя исследователям точно видеть, как конструкция деформируется в процессе инъекций.

Скрытые упоры и изгибы в верхнем туннеле

Измерения показали, что влияние инъекций не распределяется равномерно. По мере продвижения зоны, заполненной раствором, под существующим туннелем давление в песке резко возрастало, особенно непосредственно под серединой туннеля. Наибольший прирост наблюдался внизу верхнего туннеля, тогда как по бокам изменения были незначительными, а сверху — умеренными. При высоком отношении заполнения раствором восходящее давление внизу туннеля было примерно в полтора раза больше, чем при более умеренном объёме. Такое неравномерное нагружение заставляло верхний туннель выгибаться вверх вдоль пути инъекций, при этом нижняя часть поднималась больше, чем верхняя. Одновременно поперечное сечение туннеля меняло форму: его вертикальный диаметр уменьшался, а горизонтальный увеличивался, превращая круг в плавно вытянутое по ширине овалеобразное сечение.

Когда избыток раствора становится проблемой

Эти деформации имеют значение, потому что туннели рассчитывают так, чтобы кольца равномерно воспринимали усилия по окружности. Когда низ выпячивается и поперечное сечение становится эллиптическим, отдельные участки обделки несут значительно больше напряжений, чем другие. Исследование показывает, что в песчаном грунте использование большого отношения заполнения (порядка 1,6 от строго необходимого объёма пустоты) может вызвать заметный подъём и овали-зацию перекрывающегося туннеля. После схватывания и незначительного усадочного сжатия раствора под туннелем часть подъёма частично возвращалась, но эпизод дополнительного изгиба всё равно подверг бы конструкцию повышенным напряжениям. Со временем такие изменения могут способствовать трещинам, раскрытию швов, повреждению болтов и появлению протечек.

Практические выводы для более безопасных туннелей

Для неспециалиста послание ясно: при прокладке нового туннеля под старым в песчаном грунте избыток поддерживающего раствора может быть почти так же опасен, как и его недостаток. Эксперименты показывают, что поддержание отношения заполнения раствором ниже примерно 1,6 и его корректировка на основе оперативного мониторинга помогает избежать чрезмерного подъёма и искажения существующего туннеля. Лучше понимая эти невидимые подземные силы, инженеры могут уточнять проекты и методы контроля строительства, защищая туннели, которые уже перево-зят миллионы пассажиров, одновременно добавляя новые, необходимые растущим городам.

Цитирование: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Ключевые слова: щитовая проходка, синхронная инъекционная подтяжка, метротоннели, песчаный грунт, деформация туннеля