Анализ механической реакции туннелей, пересекающих бегущие разломы, при неравномерных сейсмических возмущениях

Почему подземные маршруты важны во время землетрясений

По мере того как города и страны прокладывают всё более длинные тоннели через горы для автомобильных и железных дорог, всё больше таких подземных трасс пересекают активные сейсмические разломы. Когда во время землетрясения происходит смещение грунта, породы вокруг туннеля могут смещаться неравномерно, раздавливая или разрывая бетонную оболочку, которая сохраняет проход проходимым. В этом исследовании изучается поведение туннелей, пересекающих обратный разлом, при его смещении во время землетрясения и какие проектные решения могут повысить безопасность этих сооружений для людей, от которых они зависят.

Реальный горный туннель в роли полигона

Исследование основано на крупном проекте в Тянь-Шаньских горах Китая: туннеле Тяньшань Шэнли, парном автомобильном туннеле длиной более 22 км, который пересекает несколько активных разломов в регионе с сильными сейсмическими воздействиями и высокими действующими напряжениями в породе. Прошлые землетрясения в Китае и Японии показали, что тоннели, пересекающие разломы, могут испытывать обрушения сводов, вспучивание пола, широкие трещины и нарушение дорожного покрытия при смещении разлома. Чтобы понять и предотвратить такие повреждения, авторы построили детальную трёхмерную компьютерную модель, включающую цельную породу, более слабую зону разлома и бетонную обделку, все элементы сопоставлены с одним из ключевых разломов, пересекающих трассу туннеля.

Неравномерное возбуждение грунта

Большинство предыдущих исследований исходило из предположения, что землетрясение возбуждает грунт под туннелем одинаково во всех точках. На деле сторона разлома, которая поднимается (висячая стенка), может испытывать иные движения и оставаться с постоянными смещениями по сравнению с нижней стороной (лежачая стенка). В этом исследовании учёные создали пару синтетических сейсмических сигналов на основе записей крупного калифорнийского землетрясения. Один сигнал включал постоянный смещающий сдвиг, имитируя выдергивание грунта вдоль разлома, а другой такого постоянного смещения не содержал. Движение с постоянным смещением применили к висячей стенке, а более простой сигнал — к лежачей, что позволило модели отразить, как разные входные воздействия по обе стороны разлома сочетаются с медленным, но крупным сдвигом самой плоскости разлома.

Где и как туннель получает повреждения

Моделирование показывает, что повреждения концентрируются в и около ядра разлома — узкой, наиболее разрушенной части зоны разлома — и особенно в навах, изогнутых плечах, где стенка туннеля переходит в свод. По мере роста сдвига разлома показатель повреждения бетонной обделки быстро приближается к уровням, связанным с широкими сквозными трещинами и даже дроблением. Эти зоны высокого повреждения распространяются наружу от ядра разлома в окружающую породу и систематически сильнее выражены на стороне висячей стенки, которая при обратном разломе испытывает более сильное сжатие и срез. Картины деформаций показывают, что поперечное сечение туннеля растягивается и сжимается по периметру, особенно в навах, в то время как продольные деформации вдоль оси туннеля остаются относительно умеренными при типичных условиях.

Роль ширины разлома и угла его падения

Авторы также исследовали, как толщина зоны разлома и угол падения плоскости разлома влияют на повреждения. Более широкая зона разлома, представленная более высоким отношением жесткости между породой в разломе и окружающей породой, более мягко распределяет деформации и улучшает согласованность движений массива породы и обделки. Это снижает пик повреждений в туннеле примерно до 45 процентов, хотя обделка внутри ядра разлома по-прежнему испытывает серьёзное растрескивание. Изменение угла падения разлома показывает пороговый эффект: при умеренном наклоне разлома (до примерно 60 градусов) общие схемы повреждений меняются мало. При более крутом уклоне повреждения в самом ядре разлома уменьшаются, тогда как повреждения на интерфейсе между разломом и висячей стенкой растут, и осевые деформации — растяжение или сжатие туннеля вдоль его длины — возрастают в нескольких ключевых частях поперечного сечения.

Проектные выводы для более безопасных туннелей

Для инженеров главное послание исследования заключается в том, что величина сдвига разлома является доминирующим фактором повреждений туннеля, важнее, чем ширина разлома или угол его падения. Именно области навах проявляются как наиболее уязвимые и потому важнейшие для усиления. Авторы предлагают такие меры, как предварительное укрепление породы перед выработкой с помощью малых инъекционных труб и глубокого инъекционного цементирования, локальное утолщение обделки и добавление большего количества арматуры в навах, где концентрируются напряжения. Хотя модель упрощает некоторые конструктивные детали, её результаты — сопоставленные с реальными повреждениями недавнего китайского туннеля, пострадавшего от смещения разлома — предлагают практические рекомендации по проектированию туннелей, пересекающих разломы, чтобы они лучше выдерживали будущие землетрясения и сохраняли критические транспортные связи открытыми в моменты наибольшей необходимости.

Цитирование: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Ключевые слова: повреждения туннелей при землетрясении, траншея через обратный разлом, сейсмическое проектирование туннелей, инфраструктура, пересекающая разлом, подземная сейсмическая реакция