Испытания на виброплатформе подтвердили эффективность тоннельной обделки переменной жёсткости при пересечении активных разломов

Китайские исследователи разработали новую конструкцию тоннельной обделки для участков пересечения активных тектонических разломов. Предложенная система объединяет первичную крепь, вторичную обделку, промежуточный демпфирующий слой и гибкие соединения. Жёсткость отдельных элементов изменяется таким образом, чтобы ограничивать передачу деформаций и динамических усилий между конструкциями. Крупномасштабные испытания на виброплатформе подтвердили эффективность решения. На основании расчётов исследователи рекомендовали ограничивать рассматриваемое соотношение жёсткостей величиной 1,4.

Результаты работы опубликованы в октябрьском выпуске журнала Soil Dynamics and Earthquake Engineering за 2026 год. Авторами исследования стали Гаомин Янь, Юйтун У, Цзинци Хуан, Хао Цзян и Бомин Чжао.

Исследование посвящено одной из наиболее сложных задач сейсмической геотехники — обеспечению устойчивости подземных сооружений при пересечении зон активных тектонических нарушений.

Тоннели, проходящие через разломы, могут подвергаться не только динамическому воздействию сейсмических волн, но и значительным неравномерным перемещениям окружающего грунтового или скального массива.

В зависимости от характера сейсмического события возможно развитие относительных смещений отдельных блоков пород.

Для тоннельной конструкции такие воздействия особенно опасны, поскольку протяжённая обделка одновременно взаимодействует с участками массива, испытывающими различную деформацию.

В результате в конструкции могут возникать дополнительные изгибающие моменты, поперечные силы и локальные концентрации напряжений.

Традиционный подход к обеспечению сейсмостойкости часто предполагает повышение прочности и жёсткости отдельных элементов.

Однако для сооружений, пересекающих активные разломы, простое увеличение жёсткости не всегда оказывается оптимальным решением.

Жёсткая конструкция способна ограничивать собственные деформации, но одновременно воспринимать более высокие усилия при перемещении окружающего массива.

Поэтому в ряде случаев эффективнее управлять передачей нагрузок между элементами сооружения и создавать зоны контролируемой деформативности.

Именно такой принцип положен в основу новой комбинированной обделки.

Предложенная исследователями система включает первичную крепь, вторичную обделку и промежуточный буферный слой.

Дополнительно используются гибкие соединения, обеспечивающие возможность перераспределения деформаций вдоль тоннельной конструкции.

Главное отличие решения заключается в целенаправленном изменении жёсткости отдельных элементов.

Это позволяет воздействовать на динамическую реакцию тоннеля не только посредством увеличения прочности материалов, но и через управление взаимодействием между конструктивными слоями.

Для анализа предложенной системы авторы разработали механическую модель, основанную на теории двух балок.

В рамках такого представления первичная крепь и вторичная обделка рассматриваются как взаимодействующие элементы, связанные промежуточным слоем.

Буферный слой передаёт усилия между ними, но его деформативность может быть выбрана таким образом, чтобы уменьшить интенсивность динамического воздействия на внутреннюю конструкцию.

Для получения аналитического решения использовался метод функций Грина.

Этот математический подход позволяет описывать реакцию системы на внешнее воздействие и исследовать влияние отдельных параметров на перемещения и внутренние усилия.

На основании разработанной модели учёные выполнили параметрические расчёты, изменяя жёсткость элементов обделки, характеристики промежуточного слоя и гибких соединений.

Особое внимание уделялось оценке перемещений, изгибающих моментов и поперечных сил.

Расчёты показали, что эффективность системы определяется сочетанием нескольких параметров, а не только характеристиками отдельного материала.

Например, повышение жёсткости вторичной обделки способствует ограничению её деформаций.

Однако одновременно это может увеличивать внутренние усилия в самой вторичной обделке.

Таким образом, уменьшение перемещений не обязательно сопровождается снижением изгибающих моментов и поперечных сил.

Авторы установили, что чрезмерное увеличение соотношения жёсткостей способно приводить к неблагоприятной динамической реакции системы.

По результатам исследования рекомендовано принимать рассматриваемый параметр соотношения жёсткостей ξ не более 1,4.

Важно учитывать, что этот показатель относится к конкретной модели комбинированной обделки и принятому авторами определению параметра.

Он не является универсальным нормативным ограничением для любых тоннелей, пересекающих тектонические нарушения.

При проектировании конкретного сооружения необходимо отдельно определять соответствующие характеристики материалов и конструктивных элементов.

Другим важным результатом стало установление влияния жёсткости буферного слоя.

При её уменьшении динамические воздействия, передаваемые на вторичную обделку, существенно ослабевали.

Это свидетельствует о возможности использовать промежуточный деформируемый слой для ограничения передачи части сейсмической нагрузки между наружными и внутренними элементами конструкции.

Однако одновременно наблюдалось небольшое увеличение перемещений первичной крепи.

Таким образом, снижение воздействия на один элемент сопровождалось изменением условий работы другого.

Этот результат подтверждает необходимость совместного расчёта первичной и вторичной конструкций.

Отдельно авторы изучили влияние гибких соединений.

При уменьшении их жёсткости изгибающие моменты и поперечные силы в первичной крепи монотонно уменьшались, хотя её перемещения возрастали.

Для вторичной обделки была обнаружена более сложная зависимость.

При постепенном уменьшении жёсткости соединений внутренние усилия сначала увеличивались до определённого максимума, а затем начинали снижаться.

Это означает, что выбор промежуточной жёсткости не всегда обеспечивает наиболее благоприятную работу конструкции.

В отдельных диапазонах параметров возможно появление локально неблагоприятной комбинации усилий.

Поэтому оптимизация гибких соединений должна выполняться с учётом полной динамической реакции обделки.

Ещё одной особенностью исследования стало выявление противоположного характера колебаний первичной крепи и вторичной обделки.

В определённых условиях их динамические перемещения развивались в противоположных направлениях.

Авторы связывают такое поведение с совместным влиянием промежуточного буферного слоя, гибких соединений и соотношения жёсткостей конструктивных элементов.

Этот эффект имеет значение для оценки относительных перемещений между слоями обделки.

При проектировании необходимо учитывать не только абсолютное смещение каждого элемента, но и характер их совместной работы.

Для экспериментальной проверки аналитических результатов исследователи выполнили крупномасштабные испытания на виброплатформе.

Испытательная установка позволяла создавать динамические воздействия на физическую модель тоннеля и окружающего массива.

В ходе экспериментов регистрировались ускорения, напряжения и характер повреждений конструкции после воздействия.

Испытания подтвердили основные закономерности, выявленные при расчётном анализе.

По опубликованным результатам, применение обделки переменной жёсткости позволило уменьшить перемещения вторичной обделки и снизить внутренние усилия в элементах рассматриваемой системы.

При этом небольшое увеличение перемещений первичной крепи рассматривается как следствие перераспределения деформаций между конструктивными слоями.

Такой результат иллюстрирует принцип работы предложенной защиты: система не стремится полностью исключить любые перемещения, а перераспределяет их таким образом, чтобы снизить опасные воздействия на основные элементы тоннельной конструкции.

Для подземного строительства это представляет интерес прежде всего в районах высокой сейсмической активности и на участках, где тоннель пересекает зоны тектонических нарушений.

Однако необходимо различать воздействие сейсмических колебаний и постоянное смещение пород по активному разлому.

Разработанная модель и испытания подтверждают эффективность решения в рассмотренных динамических условиях, но не означают, что конструкция гарантированно сохранит работоспособность при любом возможном смещении тектонических блоков.

Для практического применения потребуется оценивать ожидаемые деформации массива, амплитуду и частотный состав воздействий, пространственную ориентацию разлома и конструктивные особенности тоннеля.

Отдельное значение имеет долговечность буферных слоёв и гибких соединений.

Эти элементы должны сохранять требуемые характеристики в течение расчётного срока эксплуатации сооружения и при воздействиях, предусмотренных проектом.

Дополнительно необходимо учитывать вопросы водонепроницаемости обделки, эксплуатационной пригодности тоннеля и возможности выполнения ремонтных мероприятий.

Опубликованные результаты также не свидетельствуют о том, что новая конструкция уже внедрена на действующем транспортном тоннеле.

Исследование включает аналитическую модель, параметрический анализ и крупномасштабную лабораторную проверку на виброплатформе.

Это существенная экспериментальная основа для дальнейшего развития технологии, однако её промышленное применение требует самостоятельного проектного обоснования.

Главный инженерный результат работы заключается в подтверждении эффективности комбинированной сейсмозащитной схемы, в которой жёсткость первичной крепи, вторичной обделки, промежуточного слоя и гибких соединений рассматривается как единая система взаимосвязанных параметров.

Исследование показывает, что при пересечении активных разломов повышение прочности и жёсткости конструкции не обязательно является единственным или наиболее эффективным способом защиты.

Управляемая деформативность отдельных элементов может использоваться для снижения динамических усилий и уменьшения повреждений тоннельной обделки.

Полученные результаты представляют интерес для развития расчётных методов и конструктивных решений при проектировании подземных сооружений в сейсмоопасных районах.