Моделирование прорыва воды и грязи в зоне трещиноватости неисправности глубокого и длинного железнодорожного туннеля в горной местности

Почему затопления туннелей важны для повседневной жизни

Современные железные дороги и автомагистрали все чаще используют длинные тоннели, прорезающие горы и проходящие под морем. Хотя такие проходы сокращают время в пути и поддерживают развитие торговли, они также сталкиваются с скрытой угрозой: внезапными прорывами воды, смешанной с илом, которые могут ворваться в туннель из трещиноватой породы. Эти violent прорывы способны остановить строительство, повредить оборудование и даже поставить под угрозу жизни. В этом исследовании изучается порода вокруг глубокого железнодорожного туннеля, чтобы понять, как формируются такие прорывы и как инженеры могут заранее обнаруживать опасность и проектировать более безопасные тоннели.

Более пристальный взгляд на скрытые трещины в горах

Многие длинные тоннели неизбежно пересекают зоны разрушенной породы, известные как разломы. Эти зоны часто накапливают большие объемы сжатых под давлением грунтовых вод и рыхлого материала. Когда туннель продвигается в такую область, взрывные работы и выемка нарушают как породу, так и подземные воды. Если промежуточная порода между туннелем и разломом ослабнет слишком сильно, сжатые вода и ил могут быстро ворваться в тоннель, подобно проколу напорного шланга. Реальные проекты в Китае и других странах не раз терпели прорывы воды и ила, которые останавливали работы на месяцы и даже вызывали провалы поверхности земли, что подчеркивает необходимость предсказывать и контролировать эти бедствия заранее.

Создание виртуального туннеля внутри горы

Поскольку полномасштабные эксперименты внутри реальных гор невозможны, исследователи создали подробную трехмерную компьютерную модель глубокого железнодорожного туннеля, пересекающего водоносный разлом. В этой виртуальной горе порода и разлом были представлены с реалистичными прочностью, жесткостью и проницаемостью, учтены вес покрывающих пород и давление грунтовых вод. Команда моделировала проходку туннеля шаг за шагом, поочередно активируя и деактивируя элементы модели, чтобы имитировать продвижение забоя, при этом допуская взаимодействие деформации породы и потока подземных вод. Были исследованы два основных варианта: туннель, проходящий под разломом, и туннель, полностью пересекающий его; также варьировались толщина разлома, угол и расстояние до туннеля, чтобы выяснить, как геометрия влияет на риск.

Как порода смещается и вода реагирует по мере продвижения туннеля

Моделирование показало, что по мере продвижения забоя кровля туннеля постепенно прогибается, а затем резко оседает, когда забой оказывается очень близко к данному участку, после чего стабилизируется, когда забой проходит дальше. Боковые стены, особенно арочная полоса породы на стороне, ближайшей к разлому, демонстрируют постоянный рост боковых перемещений. Напряжения в породе концентрируются в определенных зонах: арочных стенках туннеля, их подошвах и в углах, где разлом встречается с интактной породой. Одновременно давление грунтовых вод перестраивается вокруг отверстия. Изначально давление просто увеличивается с глубиной, но выемка создает воронкообразную зону пониженного давления вокруг туннеля, притягивающую воду к нему. Непосредственно перед забоем поровое давление сначала возрастает, а затем внезапно падает по мере прохождения забоя, что сигнализирует о быстром высвобождении накопленной воды.

Самое опасное место: одна сторона арки туннеля

Отслеживая скорость и направление подземного потока, исследователи увидели, где образуются потенциальные каналы прорыва. По мере приближения проходки к разлому небольшие зоны высокоскоростного течения в разломе соединялись с зоной пониженного давления вокруг туннеля, создавая непрерывный путь. Пиковые потоки и наиболее сильные изменения давления и напряжения постоянно концентрировались на правой стороне арки туннеля, ближайшей к разлому, а не равномерно вокруг отверстия. Более толстые разломы и меньшие углы наклона повышали и запас воды, и прямоту её связи с туннелем, увеличивая риск, тогда как большее «буферное» расстояние из породы между туннелем и разломом снижало его. Это наложение интенсивных напряжений в породе, растрескивания и быстрого движения воды отмечает вероятное место зарождения прорыва воды и ила.

Как превратить виртуальные выводы в более безопасные тоннели

Хотя модель упрощает реальные горные породы и грунтовые воды, она дает инженерам ясную картину: сторона арки туннеля, обращенная к водоносному разлому, является основной зоной опасности внезапного попадания ила и воды. Исследование предлагает сосредоточить приборы именно там для мониторинга резких изменений порового давления и деформации как ранних предупреждающих признаков. Также показано, как форма и положение разлома могут использоваться для классификации риска и планирования дополнительной поддержки и инъекции раствора там, где это необходимо. Проще говоря, работа превращает скрытый, сложный процесс внутри гор в более предсказуемую проблему, помогая проектировщикам возводить длинные глубокие тоннели, которые не только впечатляют как инженерные сооружения, но и безопаснее для людей, которые ими пользуются и которые их строят.

Цитирование: Yang, S., Han, H., Chen, G. et al. Simulation of water-mud-inrush in fault fracture zone of deep and long railway tunnel in mountain area. Sci Rep 16, 13370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41909-1

Ключевые слова: затопление туннеля, зона трещиноватости разлома, подземная выемка, численное моделирование, геотехническая безопасность