Двухэтапный метод расчета и анализ деформации существующего туннеля метро, вызванной диагональным пересечением нового туннеля

Почему пересечение туннелей метро важно для городов

По мере роста городов и прокладки новых линий метро свежие тоннели часто приходится прокладывать вблизи уже действующих. Прокладка нового туннеля под загруженной существующей линией чревата смещением старого туннеля, что может повлиять на комфорт поездки и долговременную безопасность. В этом исследовании решается практическая задача для городских планировщиков и инженеров: когда новый туннель пересекает диагонально изогнутый существующий туннель, насколько сместится последний и какие конструктивные решения помогут минимизировать это смещение?

Разделение сложной подземной задачи на два этапа

Авторы предлагают уточненный «двухэтапный» метод расчета, который превращает сложную задачу подземного строительства в модель, надежно анализируемую на компьютере. На первом этапе они оценивают, насколько нарушается грунт вокруг существующего туннеля при проходке нового щитового туннеля под ним. Для этого используется хорошо известное решение в механике грунтов, описывающее распределение напряжений в грунте от подземной нагрузки. Это позволяет вычислить дополнительные усилия, которые вызывают выемка и проходка нового туннеля в каждой точке вдоль старого туннеля, даже когда туннели пересекаются под углом, а существующий туннель имеет кривизну.

Модель существующего туннеля как гибкого бруса в грунте

На втором этапе существующий туннель рассматривают как длинный, слегка гибкий брус, опирающийся на упругую подушку, представляющую окружающий грунт. Эта подушка не только сжимается вертикально, подобно множеству небольших пружин, но и сдвигается по касательной, что делает модель более реалистичной при сохранении простоты, пригодной для рутинного проектирования. Рассчитанные на первом этапе дополнительные нагрузки прикладываются вдоль этого бруса, чтобы определить, насколько туннель изгибается и как велико его вертикальное перемещение. В модель также введен «коэффициент снижения напряжений», учитывающий зоны, где грунт вокруг туннеля упрочнен инъекциями (гратированием) — распространенной защитной мерой в строительстве метро.

Проверка метода на реальном участке метро

Чтобы проверить соответствие теории практике, исследователи применили свой метод к реальному участку метро в Чжэнчжоу, где новая линия проходила диагонально под существующим изогнутым туннелем. Они использовали местные свойства грунта и характеристики туннеля, провели расчеты и сравнили предсказанные вертикальные перемещения с точными измерениями, сделанными в ходе строительства. Предсказанное максимальное перемещение в венце туннеля оказалось немного больше, чем измеренное перемещение в уровне днища — это ожидаемо, поскольку кровля обычно деформируется сильнее. Более важно то, что форма и величина рассчитанной кривой деформации хорошо соответствовали данным мониторинга, показывая, что метод может давать инженерам надежную картину происходящего под землей.

Какие проектные решения наиболее важны под землей

После валидации метода авторы исследовали, как ключевые проектные и технологические параметры влияют на смещение туннеля. Они обнаружили, что вертикальное расстояние между новым и старым туннелями оказывает явное влияние: чем ближе новый туннель проходит под существующим, тем больше будет выдавливание вверх старого туннеля. Угол пересечения туннелей оказался не менее важным. Мелкие, почти параллельные пересечения вызывают большие деформации, растянувшиеся на большую длину, тогда как более крутые, близкие к прямому углу пересечения значительно снижают воздействие. Напротив, радиус кривизны существующего туннеля в плане оказал очень небольшое влияние на вертикальное смещение, что свидетельствует о том, что умеренные повороты не являются значительной проблемой в такого типа пересечениях.

Роль укрепления грунта вокруг туннеля

Исследование также рассмотрело, как инъекционное упрочнение грунта (гратирование) вокруг туннеля помогает контролировать перемещения. Увеличение длины укрепленной зоны вдоль существующего туннеля существенно снижало его вертикальное смещение, особенно при переходе от отсутствия укрепления к умеренной длине обработанного грунта. Однако после определенной длины дополнительное упрочнение давало лишь незначительный эффект, указывая на практическую «зону оптимума» между безопасностью и затратами. Точное упругое поведение укрепленного грунта, описываемое параметром — коэффициентом Пуассона, в тестируемом диапазоне оказало лишь незначительное влияние на перемещение туннеля по сравнению с длиной обрабатываемой зоны.

Что это означает для будущего строительства метро

В целом работа дает инженерам практический инструмент для прогнозирования реакции существующего туннеля метро при прокладке нового щитового туннеля диагонально под ним, даже если старый туннель изогнут и грунт упрочнен. Для неспециалистов вывод ясен: сохранение разумного зазора между туннелями, организацию пересечений ближе к прямым углам и проектирование адекватной, но не чрезмерной длины укрепления грунта — самые эффективные меры для поддержания безопасности и комфорта действующего туннеля при прокладке новых линий под ним.

Цитирование: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Ключевые слова: тоннели метро, щитовая проходка, деформация туннеля, укрепление грунта, подземное строительство