Оценка влияния техногенных полей напряжений на напряженно-деформированное состояние подземных конструкций

Предлагается новый подход к расчету подземных сооружений, расположенных в массиве пород, напряженно-деформированное состояние которого изменилось в результате техногенных воздействий. Оценка несущей способности конструкций выполняется на основе новых аналитических решений ряда плоских задач теории упругости для полубесконечной среды, ослабленной подкрепленным круговым отверстием, при действии полей напряжений, обусловленных различными факторами, в частности, связанными с влиянием строительства близко расположенных наземных и подземных сооружений. Методы решения рассматриваемых задач основаны на применении комплексных потенциалов Колосова–Мусхелишвили и аппарата аналитического продолжения регулярных в нижней полуплоскости функций через бесконечную прямолинейную границу в верхнюю полуплоскость, свойств комплексных рядов Лорана и интегралов типа Коши. Предложенный подход реализован в виде соответствующего программного обеспечения. В качестве примера практического применения разработанного подхода выполнена оценка напряженного состояния обделки перегонного тоннеля метрополитена, пройденного вблизи заглубленных опор путепровода Западного скоростного диаметра г. Санкт-Петербурга. Полученные на основе компьютерного моделирования результаты показали, что формирующиеся в грунтовом массиве дополнительные поля напряжений, обусловленные техногенными факторами, могут приводить к увеличению максимальных сжимающих напряжений в обделке тоннеля до 30%. Этот вывод подтверждается данными обработки показаний 32 датчиков, установленных в двух контрольных сечениях обделки построенного тоннеля.

Лебедев М. О., Саммаль А. С., Деев П. В., Анциферов С. В. Оценка влияния техногенных полей напряжений на напряженно-деформированное состояние подземных конструкций // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 6. – С. 68–81. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_6_0_68.

Лебедев Михаил Олегович — канд. техн. наук, доцент, заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе, ОАО «Научно-исследовательский проектно-изыскательский институт «Ленметрогипротранс», e-mail: lebedev-lmgt@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-7749-442X,
Саммаль Андрей Сергеевич¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: assammal@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-0615-1718,
Деев Петр Вячеславович¹ — д-р техн. наук, e-mail: dodysya@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0001-8655-2428,
Анциферов Сергей Владимирович¹ — д-р техн. наук, доцент, e-mail: antsser@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-8571-2258,
¹ Тульский государственный университет.

Лебедев М.О., e-mail: lebedev-lmgt@yandex.ru.

1. Chen R. P., Meng F. Y. Influence of a nearby large excavation on existing metro in soft soils // Japanese Geotechnical Society Special Publication. 2016, vol. 2, no. 44, pp. 1567—1572. DOI: 10. 3208/jgssp.ATC6-10.

2. Meng F. Y., Chen R. P., Xu Y., Wu K., Wu H. N., Liu Y. Contributions to responses of existing tunnel subjected to nearby excavation. A review // Tunnelling and Underground Space Technology. 2022, vol. 119, article 104195. DOI: 10.1016/j.tust.2021.104195.

3. Ye S., Zhao Z., Wang D. Deformation analysis and safety assessment of existing metro tunnels affected by excavation of a foundation pit // Underground Space. 2021, vol. 6, pp. 421—431. DOI: 10.1016/j.undsp.2020.06.002.

4. Huang F., Zhang M., Wang F., Ling T., Yang X. The failure mechanism of surrounding rock around an existing shield tunnel induced by an adjacent excavation // Computers and Geotechnics. 2020, vol. 117, article 103236. DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.103236.

5. Панкратенко А. Н., Цюпа Д. А. Обоснование технологических решений по сохранности и эксплуатационной надежности существующих тоннелей метро, попадающих в зону влияния нового строительства // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2023. — № 2. — С. 367—373.

6. Кавказский В. Н., Ледяев А. П., Мельник Я. В., Графов Д. Ю. Влияние объектов культурного наследия на коллекторные тоннели в Санкт-Петербурге // Путевой навигатор. — 2023. — № 54. — С. 22—31.

7. Meng F. Y., Chen R. P., Liu S. L., Wu H. N. Centrifuge modeling of ground and tunnel responses to nearby excavation in soft soil // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2020, vol. 147, no. 3, article 04020178 DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002473.

8. Shi J., Fu Z., Gu W. Investigation of geometric effects on three-dimensional tunnel deformation mechanisms due to basement excavation // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 106, pp. 108—116. DOI: 10.1016/j.compgeo.2018.10.019.

9. Wei G. Measurement and analysis of impact of foundation pit excavation on below existed shield tunnels // Rock and Soil Mechanics. 2013, vol. 34, no. 5, pp. 1421—1428.

10. Zhuang Y., Cui X., Hu S. Numerical simulation and simplified analytical method to evaluate the displacement of adjacent tunnels caused by excavation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023, vol. 132, article 104879. DOI: 10.1016/j.tust.2022.104879.

11. Qiu J. T., Jiang J., Zhou X. J., Zhang Y. F., Pan Y. D. Analytical solution for evaluating deformation response of existing metro tunnel due to excavation of adjacent foundation pit // Journal of Central South University. 2021, vol. 28, pp. 1888—1900. DOI: 10.1007/s11771-021-4737-3.

12. Liu J., Shi C., Lei M., Cao C., Lin Y. Improved analytical method for evaluating the responses of a shield tunnel to adjacent excavations and its application // Tunnelling and Underground Space Technology. 2020, vol. 98, article 103339. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103339.

13. Liang R., Xia T., Huang M., Lin C. Simplified analytical method for evaluating the effects of adjacent excavation on shield tunnel considering the shearing effect // Computers and Geotechnics. 2017, vol. 81, pp. 167—187.

14. Сокорнов А. А., Коньков А. Н., Новиков А. Л., Козин Е. Г. Определение добавочного давления на подземные сооружения метрополитена от наземного строительства // Путевой навигатор. — 2020. — № 42. — С. 36—41.

15. Sokornov A. A., Konkov A. N., Novikov A. L., Benin A. V. Additional pressure distribution on subway tunnels from ground construction // Civil and Environmental Engineering. 2022, vol. 18, no. 1, pp. 185—194. DOI: 10.2478/cee-2022-0017.

16. Анциферов С. В., Фомин А. В. Напряженное состояние крепи параллельных выработок, сооруженных вблизи склона, от массы расположенных на поверхности объектов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. —2020. — № 1. — С. 375—391. DOI: 10.46689/2218-5194-2020-1-1-375-391.

17. Воронина И. Ю., Саммаль А. С., Залесский К. Е. Геомеханическая оценка влияния зоны укрепленных пород на несущую способность обделки подводного тоннеля // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2023. — № 1. — С. 462—471. DOI: 10.46689/2218-5194-2023-1-1-462-471.

18. Muskhelishvili N. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. Noordhoff, Groningen, 1963, 732 p.

19. Тер-Мартиросян З. Г. Реологические параметры грунтов и расчеты оснований сооружений. — М.: Стройиздат, 1990. — 200 c.

20. Poulos H. G., Davis E. H. Elastic solutions for soil and rock mechanics. New York, John Wiley and Sons, 1974, 411 p.

21. Булычев Н. С., Фотиева Н. Н., Стрельцов Е. В. Проектирование и расчет крепи капитальных горных выработок. — М.: Недра, 1986. — 278 с.