Механизмы деформации существующего тоннеля, примыкающего к глубокому подвалу, опирающемуся на кольцевые балки в мягких иловых грунтах

Почему важно копать рядом с тоннелями

По мере того как города растут в глубину, а не вширь, инженерам приходится устраивать большие подземные подвалы прямо рядом с действующими метротоннелями. Удаление грунта в мягких отложениях может привести к смещениям, трещинам или потере выравнивания у близлежащих тоннелей. В этом исследовании изучается, как новая система креплений — использование кольцевых балок внутри глубоких подвалов — изменяет поведение грунта и степень воздействия на соседние тоннели, а также даются рекомендации для обеспечения безопасности городских железных дорог во время строительства.

Наблюдение за огромной котлованной выемкой в мягком иле

Исследователи начали с реального строительного объекта в мягком иле, где копали очень большой подвал, применяя необычную систему крепления. Вместо традиционных прямых опор подрядчики использовали две крупные кольцевые бетонные балки для подпора стен котлована. Участок был насыщен приборами: датчики фиксировали, насколько изгибались стены и насколько оседала поверхность по мере поэтапного удаления грунта. На основе этих подробных полевых данных команда построила трехмерную компьютерную модель, воспроизводящую точные слои грунта, схему стен и балок и последовательность разработки котлована, применённую на объекте.

Сопоставление компьютерных прогнозов с реальным поведением грунта

Чтобы убедиться, что модель соответствует действительности, авторы сравнили её прогнозы с показаниями приборов. Они использовали усовершенствованную модель грунта, настроенную на поведение мягкого ила: укрупнение жесткости при очень малых деформациях и ослабление по мере нарушения структуры. Рассчитанные боковые перемещения удерживающих стен и просадка поверхности почти идеально совпали с измерениями. Максимальная осадка, предсказанная моделью, отличалась от наблюдаемой менее чем на два процента, причём модель также воспроизвела место наибольшей просадки и протяжённость зоны воздействия за котлованом. Это близкое согласие дало команде уверенность использовать модель для изучения множества других конфигураций тоннель–подвал, которые было бы трудно или невозможно испытать в полевых условиях.

Как на самом деле движутся соседние тоннели

Имея проверенную модель, исследователи симулировали типичный метротоннель, проходящий близко к одной стороне глубокого подвала, опирающегося на кольцевые балки. Они варьировали три основных фактора: толщину слоя грунта над сводом тоннеля, расстояние между тоннелем и подвалом и отношение длины подвала к его глубине. Моделирование показало, что тоннель не просто проседает; он перемещается в трёх измерениях, причём доминирующую роль играет боковой изгиб. Наибольшие смещения тоннеля наблюдались напротив средней части подвала, и для многих реалистичных схем боковые перемещения были почти вдвое больше оседания. По мере увеличения расстояния между тоннелем и подвалом как боковые, так и вертикальные перемещения резко уменьшались, особенно в пределах примерно от одной до двух глубин выемки.

Глубина заложения и размеры подвала меняют риск

Толщина грунта над тоннелем оказала нетривиальное влияние. По мере углубления тоннеля перемещения сначала увеличивались, а затем снова снижались, с наибольшим откликом обычно при расположении свода на глубине чуть более половины глубины котлована. Форма искажения тоннеля вокруг его поперечного сечения также поворачивалась с изменением глубины, смещая районы наибольших деформаций. Размер подвала был не менее важен: более длинные выемки снимали больше напряжений в окружающем иле, что приводило к почти линейному увеличению как боковых смещений, так и просадки по мере роста длины подвала. Когда длина подвала превышала примерно шесть его глубин, прогнозируемые перемещения тоннеля превосходили обычные эксплуатационные пределы, если не были применены специальные защитные меры.

Простая диаграмма для практического применения инженерами

Чтобы превратить эти сложные трёхмерные результаты в прикладный инструмент, авторы объединили свои симуляции в простую конструктивную диаграмму. Диаграмма делит пространство вокруг подвала на зоны, где ожидаемые перемещения тоннеля незначительны, умеренны или достаточно велики, чтобы вызывать беспокойство. Эти зоны в основном зависят от расстояния между тоннелем и подвалом и от относительной глубины тоннеля по сравнению с выемкой. Для каждой комбинации диаграмма показывает, останутся ли перемещения тоннеля в пределах пяти, десяти или двадцати миллиметров, либо превысят эти пороги.

Что это означает для городского строительства

Для неспециалистов ключевое послание таково: глубокие подвалы, опирающиеся на кольцевые балки в мягком иле, можно строить рядом с метротоннелями безопасно, но перемещения тоннеля в наибольшей степени контролируются расстоянием, глубиной и длиной подвала. Боковое «вдавливание» тоннеля обычно более критично, чем простая осадка. Предложенная в работе диаграмма даёт инженерам быстрый способ оценить, когда планируемая выемка, вероятно, будет безвредной, а когда потребуется дополнительная защита, такая как улучшение грунта или изоляционные стены, до начала работ.

Цитирование: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

Ключевые слова: деформация тоннеля, глубокая выемка, мягкий ил, строительство подвала, безопасность метротоннеля