Численный анализ и оптимизация влияния сложного строительства котлована на деформацию соседних сооружений метро

Почему выемка рядом важна для городского метро

По мере роста городов новые подземные дороги и коммуникации часто приходится строить вплотную к действующим туннелям метро. Вскрытие глубоких котлованов для таких проектов может незаметно изгибать и вызывать просадку соседних туннелей, что ставит под угрозу долговременную безопасность и комфорт пассажиров. В этом исследовании изучается, как тщательное планирование порядка выемки и возведения внутренних конструкций позволяет минимизировать перемещения тоннеля, предлагая практические рекомендации для плотной городской застройки с ограниченным пространством.

Задача совместного использования тесного подземного пространства

Когда инженеры роют глубокий котлован рядом с уже существующей линией метро, грунт вокруг котлована разупрочивается и смещается в сторону открытого пространства. Одновременно туннель ведёт себя как жёсткое замкнутое кольцо, встраиваемое в грунт, что меняет характер этих перемещений. Ранее показано, что расстояние между котлованом и туннелем, глубина выемки и местная геология имеют значение, но часто выемку рассматривали как простой односторонний процесс. На практике современные проекты сложнее: внутри котлована по мере выемки заливают крупные бетонные коробки или каналы, и их нарастающая жёсткость меняет отклик грунта и туннеля.

Виртуальная испытательная площадка под Пекином

Авторы построили детальную трёхмерную компьютерную модель реального проекта в районе Фэнтай в Пекине, где длинный дорожный туннель и большой подземный коллектор возводятся рядом с линией метро 10. Модель включает слоистые грунты, глубокий прямоугольный котлован, подпорные стены, туннель метро и коробчатый коллектор, который в итоге будет расположен в котловане. С использованием общепринятых моделей поведения грунтов они смоделировали, как будут перемещаться грунт и туннель по мере поэтапного удаления грунта и отвердевания бетонных конструкций внутри котлована. Такая виртуальная площадка позволила сравнить различные строительные планы, которые было бы непрактично или рискованно испытывать в реальных условиях.

Десять вариантов выемки и возведения

Ключевой вопрос заключался в том, как последовательность работ влияет на перемещения тоннеля. Команда комбинировала два основных выбора: заливка коллектора в прямом или обратном направлении и способ продвижения самой выемки. Были протестированы десять сценариев, включая выемку только с одной стороны, симметричную выемку с обеих сторон, разделение котлована на зоны и ступенчатое поэтапное продвижение. В каждом случае фиксировались вертикальная осадка тоннеля и боковое смещение подпорных стен. Хотя во всех сценариях перемещения тоннеля оставались небольшими, различия были достаточны, чтобы иметь значение для строгих стандартов безопасности метро.

Что показали симуляции

Наиболее благоприятным оказался план, сочетающий прямую последовательность заливки коллектора с односторонней выемкой «отдалённо к ближней», то есть грунт сначала удалялся со стороны, более удалённой от чувствительного туннеля, и только позднее — вблизи туннеля. Такой подход позволял оставшемуся грунту у туннеля временно выполнять функцию распорки, в то время как ранее отлитые сегменты коллектора успевали набрать прочность и частично воспринять нагрузки, прежде чем выемка достигла критической зоны. В противоположность этому, одним из наименее благоприятных был вариант с обратной последовательностью заливки коллектора и симметричной выемкой с обоих концов. Такая комбинация вызывала разгрузку грунта под туннелем с двух сторон одновременно, образуя двойной пик осадки и немного увеличивая прогиб туннеля, хотя абсолютные значения оставались порядка двух миллиметров и ниже.

Практические рекомендации для безопасной городской выемки

Для неспециалистов главный вывод таков: порядок, в котором выкапывают и отливают подземные конструкции, — это не мелочь, а важный проектный выбор. Отдавая предпочтение схемам, при которых выемка постепенно приближается к чувствительным туннелям со стороны, и где новые бетонные элементы вовремя заменяют несущую способность удаляемого грунта, инженеры могут снизить осадку туннеля на несколько процентов без использования дополнительного оборудования или материалов. Хотя модель содержит некоторые упрощения и акцентирует внимание на относительных различиях, а не на точных числах, она предоставляет градостроителям и проектировщикам рациональный способ выбирать более безопасные планы строительства в условиях соседства глубоких котлованов и действующего метро.

Цитирование: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Ключевые слова: туннель метро, глубокий котлован, последовательность выемки, деформация туннеля, метод конечных элементов