Численное исследование взаимодействия грунта и тоннеля при поверхностных взрывных нагрузках с использованием регрессионных энергетических корреляций

Почему скрытые тоннели важны в мире поверхностных взрывов

Современные города всё активнее используют подземные тоннели для перемещения людей и защиты критически важных служб. Но по мере того как поверхностные взрывы от бомб, ракет или самодельных устройств становятся реальной угрозой, инженерам нужно понимать: насколько безопасны эти зарытые артерии, если над ними срабатывает мощный заряд? В этом исследовании применяются продвинутые численные моделирования, чтобы изучить поведение метротоннеля, заложенного в мягком глинистом грунте, при поверхностных взрывах и определить, какой глубины он должен быть, чтобы оставаться в зоне безопасности.

Подземные магистрали под огнём

Городские тоннели обычно проектируют с расчётом на обычные транспортные нагрузки и, в лучшем случае, на землетрясения — но не на прямое нападение. Тем не менее в современных конфликтах и террористических актах поверхностные взрывы встречаются часто и могут передавать ударные волны через грунт к зарытым сооружениям. Проведение полноразмерных взрывных испытаний на реальных тоннелях крайне дорого и опасно, поэтому авторы полагаются на детализированные трёхмерные компьютерные модели. Они сосредотачиваются на круглом метротоннеле в песчано-глинистом грунте, типичном для городских проектов, и изучают, как взрыв на поверхности деформирует тоннель и повреждает его бетонную обделку.

Создание виртуального тоннеля и взрыва

Для изучения проблемы исследователи создают цифровую копию железобетонного тоннеля диаметром пять метров, окружённого большим массивом грунта. Грунт, бетонная обделка и арматура получают реалистичные механические свойства, взятые из экспериментов, чтобы модель могла фиксировать растрескивание, остаточные деформации и поглощение энергии. Поверхностные взрывы моделируются с помощью широко используемой взрывной модели, изначально разработанной армией США, которая преобразует эквивалент веса тринитротолуола в переменное давление на поверхности. Прежде чем полагаться на установку, авторы проверяют её на известных результатах: они сравнивают предсказанные ударные характеристики грунта и размеры кратеров с общепринятыми формулами, а также моделируют взрывы на бетонных плитах, испытанных в лаборатории. Во всех случаях численные предсказания и реальные данные хорошо совпадают, что придаёт уверенности в достоверности виртуального тоннеля.

Прослеживание энергии в грунте и тоннеле

Суть исследования — энергетическая картина того, что происходит при воздействии взрыва на грунт. По мере увеличения заряда TNT от 25 до 1000 килограммов модель отслеживает, какая часть энергии взрыва переходит в быстрое движение (кинетическая энергия), какая расходуется на необратимые деформации (пластическая диссипация), и какая временно накапливается в виде упругих растяжений (энергия деформации) в системе грунт–тоннель. Все эти энергетические показатели растут быстрее линейной зависимости от массы взрывчатки, то есть десятикратное увеличение заряда даёт существенно более чем в десять раз большую отдачу. Авторы затем используют регрессию — простые математические аппроксимации — чтобы превратить эти зависимости в удобные формулы, связывающие массу взрыва с размерами кратера, энергетическими уровнями и деформациями тоннеля в исследованном диапазоне.

Насколько глубоко достаточно?

Ключевой практический вопрос — как глубина заложения влияет на безопасность тоннеля. В исследовании проверены три толщины покрова над верхним обделом: 15, 12 и 9 метров, при множестве сценариев взрывов до 1000 килограммов TNT. Две критерии работоспособности определяют «безопасный» тоннель: растрескивание бетона должно оставаться ограниченным, а радиальная деформация тоннеля — ниже 0,5% от его диаметра. Результаты демонстрируют сильный эффект глубины. Для наибольшей глубины — 15 метров — тоннель остаётся в этих пределах для взрывов примерно до 500 килограммов, хотя заряд в 1000 килограммов начинает вызывать серьёзные локальные повреждения. При 12 метрах более крупные заряды приводят к превышению обоих порогов по растрескиванию и деформации. При наименьшей глубине — 9 метров — мощные взрывы вызывают обширные растягивающие трещины и значительно большие искажения, что явно делает эту конфигурацию небезопасной при высокоинтенсивных воздействиях.

Что это значит для более безопасных городов

Проще говоря, исследование показывает, что более глубокие тоннели в мягких, глинистых грунтах гораздо более устойчивы к поверхностным взрывам, чем мелко заложенные, и что для заданной угрозы существует практическая «безопасная глубина». В рамках допущений модели метротоннель, заложенный примерно на 15 метров под поверхностью, может выдержать поверхностные взрывы до порядка 500 килограммов TNT без катастрофических повреждений, тогда как более мелкие тоннели становятся уязвимы при значительно меньших массах заряда. Регрессионные формулы, представленные авторами, дают инженерам быстрые инструменты для оценки размеров кратеров, передачи энергии и деформаций тоннеля в аналогичных условиях, что помогает при предварительном проектировании и оперативной оценке рисков в зонах конфликтов или в районах с высокой угрозой.

Цитирование: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

Ключевые слова: безопасность подземных тоннелей, поверхностная взрывная нагрузка, проектирование метротоннелей, взаимодействие грунт–конструкция, взрывозащищённая инфраструктура