Анализ влияния строительства и оценка безопасности проходки метро щитовым методом под существующим свайным основанием моста

Почему важно копать под мостами

По мере того как города прокладывают новые линии метро для разгрузки транспорта, многие новые тоннели должны проходить близко к существующим мостам или прямо под ними. Если грунт сместится слишком сильно во время проходки, мост сверху может накрениться, дать трещины или даже разрушиться. В этом исследовании рассматривается реальный проект, в котором метротоннель прошёл под свайными основаниями загруженного городского виадука, и поставлен простой, но критически важный вопрос: можно ли это выполнить безопасно и какие защитные меры при этом работают лучше всего?

Городской трафик сверху — проходка внизу

Проект реализуется в плотной застройке, где новая линия метро проходит под шоссе на мосту, опирающемся на глубокие бетонные сваи. Щитовой тоннелепроходческий комплекс идёт через смешанные слои породы и грунта всего в нескольких метрах под фундаментами моста. Поскольку по мосту идёт интенсивное движение, а сваи трудно изменить, инженерам необходимо заранее предсказать, как поведут себя грунт и сваи в процессе строительства, и определить приемлемый уровень риска во время работ.

Виртуальные испытания на 3D‑модели

Чтобы предварительно увидеть подземные эффекты, авторы построили детализированную трёхмерную компьютерную модель моста, свай, слоёв грунта и продвижения тоннеля. Модель откалибровали, сравнив её прогнозы с реальными данными мониторинга с датчиков на мосту во время работ. Совпадение оказалось очень близким, что вселило уверенность в способность модели воспроизводить ключевые явления — например, величины осадки свай, изменения напряжений в бетоне и деформации окружающих пород и грунта при прохождении тоннеля.

Какие перемещения и напряжения считаются безопасными

Моделирование показало, что подошва свай моста проседает сильнее, чем верхняя часть, по мере приближения, прохождения тоннеля под ними и его удаления. Максимальная вертикальная осадка свай достигла примерно одного сантиметра, затем стабилизировалась и оставалась в пределах, допускаемых китайскими нормами безопасности для существующих мостов. Напряжения и деформации в бетонных сваях и окружающих породах также оставались значительно ниже значений, приводящих к растрескиванию или разрушению. Иными словами, в смоделированных условиях мост мог продолжать нормальную эксплуатацию вопреки подземным возмущениям.

Преобразование сложных рисков в понятную оценку безопасности

Поскольку реальные грунтовые условия неравномерны, а строительство редко идёт по идеальному плану, команда не полагалась только на моделирование. Они проанализировали более 300 научно‑технических публикаций, чтобы выделить факторы, наиболее влияющие на безопасность при проходке щита под сваями моста — такие как расстояние тоннеля до свай, прочность грунта и жёсткость моста. С помощью экспертных оценок и статистического взвешивания разработали многопараметрическую систему рейтинга, а затем применили метод ранжирования, сравнивая проект с идеализированными безопасными и опасными случаями. Процесс классифицировал строительную ситуацию как Класс III, что означает относительно высокий риск, требующий специальных мер контроля и тщательного мониторинга, хотя прямого разрушения ожидать маловероятно.

Испытание четырёх способов защиты моста

Затем исследование вернулось к цифровой модели, чтобы сравнить четыре стратегии защиты. Одна предусматривает установку новых подпорных свай для дополнительной нагрузки моста. Другая укрепляет существующие сваи добавкой бетона. Третья — инъекцию цементного раствора в грунт вокруг свай с образованием более жёсткого блока. Четвёртая замена стандартной бетонной обделки тоннеля на более прочные стальные секции непосредственно под мостом. Все четыре варианта уменьшают осадку моста до более безопасных значений, но не в равной степени: замена обделки на стальную даёт наименьшие перемещения свай, за ней следует инъектирование, затем усиление свай, а активное подпиранье показывает наименьшее улучшение относительно своих затрат и сложности выполнения.

Что это значит для будущих городских тоннелей

Для неспециалистов главный вывод одновременно обнадёживающий и предостерегающий. Исследование показывает, что при тщательном планировании, использовании продвинутого компьютерного моделирования и подборе защитных мер новые метротоннели могут безопасно проходить под существующими мостами, не подвергая их опасности. Одновременно количественный рейтинг риска — Класс III — сигнализирует, что такие проекты никогда не являются рутинными и требуют особо внимательного подхода. Среди протестированных вариантов локальная замена туннельных секций на стальные вблизи свай моста оказалась наиболее эффективной и практичной мерой защиты, предлагая четкое решение для инженеров, сталкивающихся с похожими подземными задачами в растущих городах.

Цитирование: Xu, J., Zhang, X., Lin, S. et al. Analysis of construction impact and safety evaluation of metro shield tunnel under-crossing existing bridge pile foundation. Sci Rep 16, 11899 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42025-w

Ключевые слова: строительство метро, свайные основания мостов, оценка рисков в подземных работах, безопасность щитовой проходки, защита городской инфраструктуры