При проходке подводного тоннеля исследовали воздействие щита большого диаметра на четыре натурные сваи

При строительстве подводного тоннеля через залив Чжаньцзян в Китае исследователи провели полномасштабный геотехнический эксперимент, позволивший установить особенности воздействия проходческого щита большого диаметра на расположенные поблизости свайные фундаменты. Для этого на участке выхода тоннеля оборудовали четыре испытательные сваи, оснащённые распределёнными волоконно-оптическими датчиками. Измерения показали, что наиболее интенсивное перераспределение усилий происходит при прохождении режущей головки щита непосредственно вблизи свай, а зона существенного влияния проходки в неукреплённых грунтах может распространяться на расстояние до двух диаметров тоннеля.

Результаты исследования опубликованы 12 октября 2026 года в журнале Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Американского общества инженеров-строителей (ASCE). Авторами работы стали Сянцоу Чжэн, Чун Тан, Цзюньшэн Ян, Цзиньшань Лэй, Ихао Инь и Ашраф Осман, представляющие китайские университеты и инженерные организации, а также Даремский университет Великобритании.

Работа посвящена одной из наиболее сложных задач городского и подводного тоннелестроения — прогнозированию поведения существующих или специально сооружённых свай при проходке рядом с ними тоннеля большого диаметра.

В процессе продвижения тоннелепроходческого комплекса изменяется напряжённо-деформированное состояние окружающего грунтового массива. Это связано с выемкой грунта в забое, поддержанием давления грунтопригруза, взаимодействием щитовой оболочки с грунтом, монтажом обделки и заполнением пространства за ней.

В зависимости от инженерно-геологических условий возникающие изменения напряжений и перемещения грунта могут передаваться соседним фундаментам. При этом сваи воспринимают не только дополнительные горизонтальные воздействия, но и изменения продольных усилий и изгибающих моментов.

Особенно сложным становится прогнозирование таких воздействий при строительстве тоннелей большого диаметра в условиях малого грунтового покрытия. В этой ситуации зона влияния проходки может затрагивать значительную часть окружающего массива, а пространственное распределение возникающих деформаций существенно зависит от положения режущей головки относительно свай.

Для исследования этих процессов учёные организовали эксперимент непосредственно на строительной площадке тоннеля через залив Чжаньцзян.

В отличие от лабораторных модельных исследований здесь использовались четыре полноразмерные сваи, находившиеся в зоне влияния реальной щитовой проходки.

Испытательная система включала специальную самозаанкеривающуюся установку для приложения нагрузки и массив распределённых волоконно-оптических датчиков. Такое сочетание позволило контролировать работу свай в условиях заданного нагружения и непрерывно регистрировать изменение внутренних усилий по мере продвижения проходческого комплекса.

Применение распределённых волоконно-оптических измерений особенно важно для геотехнического мониторинга протяжённых конструкций. В отличие от отдельных тензометрических датчиков, фиксирующих деформации лишь в ограниченном количестве сечений, распределённая система позволяет исследовать изменение деформаций вдоль значительной части контролируемого элемента.

Это даёт возможность прослеживать перемещение зон концентрации усилий и анализировать, каким образом воздействие тоннельной проходки распространяется по длине сваи.

В ходе эксперимента исследователи сопоставляли измеренные продольные усилия и изгибающие моменты с текущим положением режущей головки щита относительно испытательных свай.

Установлено, что наиболее интенсивное перераспределение продольных напряжений возникает на критической стадии проходки, когда режущая головка находится в пределах примерно половины диаметра тоннеля до или после ближайшего положения относительно свай.

В исследовании этот интервал обозначен как 0,0D ± 0,5D, где D — диаметр выработки.

Таким образом, максимальное воздействие не обязательно совпадает с моментом, когда режущая головка располагается строго напротив конкретного элемента фундамента. Существенные изменения внутренних усилий могут начинаться ещё при приближении щита и продолжаться после прохождения соответствующего сечения.

Для неукреплённых грунтов исследователи зафиксировали распространение зоны влияния проходки до расстояния порядка 2D.

Это означает, что воздействие тоннеля большого диаметра необходимо оценивать не только для свай, непосредственно примыкающих к контуру выработки, но и для конструкций, расположенных за пределами ближайшей к тоннелю зоны.

При этом полученное расстояние не следует считать универсальной нормативной границей влияния любых щитовых работ. Оно характеризует условия рассматриваемого эксперимента и зависит от геометрии тоннеля, свойств грунтов, положения свай и технологии проходки.

Отдельную часть исследования посвятили влиянию предварительного укрепления грунтов.

Оказалось, что укрепление существенно изменяет характер взаимодействия между тоннельной проходкой и свайным фундаментом.

В укреплённых зонах измеренные продольные усилия в сваях оказались выше, чем в неукреплённых, тогда как изгибающие моменты были ниже.

Это показывает, что предварительное укрепление грунтов не сводится к простому уменьшению всех воздействий на фундамент. Повышение жёсткости массива изменяет схему передачи нагрузок, и разные компоненты напряжённо-деформированного состояния могут реагировать на такое изменение по-разному.

Для проектирования защитных мероприятий подобный результат имеет принципиальное значение. Оценка эффективности грунтоукрепления должна учитывать не только снижение перемещений, но и изменение распределения усилий в конструкциях.

Исследователи также установили существенное влияние взаимного положения подошвы сваи и тоннельной выработки по вертикали.

По мере увеличения длины сваи зоны максимальных продольных усилий смещались вниз. Одновременно изменение относительного положения проходки и свай влияло на развитие изгибающих моментов.

Таким образом, при проектировании тоннеля рядом со свайными фундаментами недостаточно учитывать только горизонтальное расстояние от щита до оси сваи. Необходимо анализировать пространственное расположение конструкций, глубину их заглубления и характер передачи усилий через грунтовый массив.

Важная часть исследования связана с оценкой эффективности предусмотренных мер защиты и контроля деформаций.

По результатам натурных наблюдений осадки земной поверхности удалось ограничить величиной менее 12 мм. Перемещения голов свай не превысили 8 мм, а снижение анкерных усилий составило менее 6%.

Эти показатели соответствовали установленным для рассматриваемого объекта требованиям безопасности.

Однако они характеризуют результат сочетания конкретных инженерных решений, условий проходки и применённых защитных мероприятий. Их нельзя автоматически использовать как допустимые значения для других тоннелей или соседних сооружений.

Особое значение проведённой работы заключается в том, что исследователи получили не только сведения о перемещениях грунта и конструкций, но и данные о внутренней силовой реакции свай на разных стадиях продвижения щита.

Такая информация необходима для проверки расчётных моделей взаимодействия тоннеля, грунта и свайных фундаментов.

Обычный мониторинг осадок земной поверхности может показывать, что суммарные перемещения остаются сравнительно небольшими. Однако это само по себе не исключает перераспределения продольных усилий или возникновения дополнительных изгибающих моментов в сваях.

Волоконно-оптические измерения позволяют обнаруживать подобные изменения и сопоставлять их с последовательностью строительных операций.

Для инженерно-геотехнической практики результаты исследования представляют интерес прежде всего при проектировании тоннелей в условиях плотной городской застройки, пересечении участков со свайными фундаментами и выполнении проходки под действующими инженерными сооружениями.

Полученные данные также могут использоваться для уточнения программ геотехнического мониторинга. В частности, результаты показывают целесообразность повышенного внимания к периоду прохождения режущей головки в пределах критической зоны влияния, а также необходимость совместного контроля перемещений и внутренних усилий в ответственных конструкциях.

Исследование демонстрирует, что при строительстве тоннеля большого диаметра воздействие на свайный фундамент определяется сложным сочетанием геометрии, свойств грунтов, предварительного укрепления массива и положения проходческого комплекса.

Полномасштабный эксперимент на тоннеле через залив Чжаньцзян позволил количественно оценить эти закономерности и подтвердить эффективность предусмотренных мер ограничения деформаций. Его результаты могут быть использованы для совершенствования расчётных моделей и повышения обоснованности инженерных решений при строительстве тоннелей вблизи свайных оснований.