Анализ подъёма колец при строительстве щитового тоннеля с учётом влияния фильтрации в породе

Почему подъём тоннеля важен для городской жизни

Современные города всё больше полагаются на подземные железные дороги, чтобы разгрузить уличное движение и освободить пространство на поверхности. Но рытьё длинных тоннелей под зданиями связано с рисками. Когда тоннель продвигается гигантским щитовым способом, бетонные кольца обделки иногда поднимаются — «всплывают» — сильнее, чем ожидалось. Чрезмерный подъём может треснуть обделку, допустить проникновение воды и даже нарушить состояние грунта и сооружений сверху. В этом исследовании подробно рассмотрено, как взаимодействие инъекционного раствора и природных грунтовых вод вызывает подъём колец, на примере реального участка метро города Даляня в Китае.

Взгляд глубже под улицы

Исследователи сосредоточились на участке тоннеля, проходящем под городским грунтом, сложенным из слоёв насыпей, глин и гравелистых пород с наличием грунтовых вод. По мере продвижения щита остаётся небольшой зазор между круглой бетонной обделкой и окружающим грунтом. Этот зазор немедленно заполняют жидким инъекционным раствором, чтобы поддержать грунт и сохранить стабильность тоннеля. Поскольку раствор легче и более текуч, чем грунт, и потому что грунт насыщен водой, обделка может подниматься под действием сочетания давления раствора и давления воды. Ранние исследования часто рассматривали этот эффект упрощённо и не полностью учитывали, как вода перемещается через грунт во время инъекции и твёрдения раствора.

Построение виртуального тоннеля в компьютере

Чтобы разобраться в этих процессах, команда создала трёхмерную компьютерную модель тоннеля, раствора и окружающего грунта. Модель воспроизводила реальные геологические слои и позволяла воде просачиваться через грунт в соответствии с хорошо известными законами фильтрации. Также моделировалось пошаговое продвижение щита: выемка грунта, поддержка забоя, установка каждого кольца сегментов и инъекция раствора вокруг них. Раствору придавали разные уровни жёсткости по мере перехода от свежепомпанного текучего состояния к затвердевшему материалу. Модель была проверена по точным полевым измерениям, полученным с помощью контрольных точек на поверхности и лазерной системы навигации, отслеживавшей положение обделки по мере продвижения машины.

Как вода и раствор действуют совместно, поднимая тоннель

Моделирование показало, что напор воды вокруг обделки резко меняется по проходу щита и при инъекции раствора. Наибольшие колебания порового давления возникают у низа обделки, меньшие — по бокам и самые малые — вверху. Подъём следует схожей закономерности: дно тоннеля (инверт) поднимается сильнее всего, боковые стороны — меньше, а свод — наименее. Большая часть суммарного подъёма происходит в первых пяти кольцах позади хвоста щита, в фазу, когда раствор ещё очень текуч и его давление велико. По мере начала затвердевания раствора и перераспределения напряжений в грунте рост подъёма замедляется и в конечном итоге стабилизируется. При учёте фильтрации грунтовых вод итоговый подъём оказывается заметно большим — примерно одна пятая от общего подъёма в модели объясняется совместным действием фильтрации и давления раствора, а не только давлением раствора.

Какие строительные решения усиливают подъём

С помощью верифицированной модели авторы затем варьировали ключевые факторы при прочих равных условиях. Более глубокое залегание сопровождалось большим подъёмом, главным образом потому, что напор грунтовых вод на глубине выше и способствует расширению раствора и подъёму обделки. Более высокое давление инъекции также вызывало более сильный подъём, хотя этот эффект был менее значим, чем влияние глубины. Важным оказался и характер затвердевания раствора: если начальная точка схватывания находилась дальше позади щита, раствор дольше оставался текучим вокруг обделки, что давало больше времени для развития подъёма. Исследование объединило эти тенденции в простые эмпирические формулы, связывающие подъём с глубиной заложения, давлением инъекции и расстоянием от забоя, предлагая инженерам практический способ оценки подъёма при схожих грунтовых условиях.

Выводы для более безопасных подземных перевозок

Для неспециалистов главное послание состоит в том, что подъём тоннеля определяется не только интенсивностью инъекции раствора — он сильно зависит и от того, как грунтовые воды перемещаются по породе, и от скорости застывания раствора. Захватив совместное действие давления раствора и фильтрации воды и сопоставив результаты с полевыми измерениями, работа даёт более реалистичную картину того, как и когда обделка тоннеля поднимается в процессе строительства. Эти результаты могут помочь проектировщикам выбирать более безопасные глубины заложения, давления инъекции и составы раствора, снижая риск трещин, протечек и вспучивания поверхности при строительстве новых линий метро под городами.

Цитирование: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Ключевые слова: подъём колец тоннеля, просачивание грунтовых вод, синхронная инъекция, строительство метротоннеля, численное моделирование