В статье представлено численное решение пространственной упругопластической задачи определения устойчивости грунтов забоя тоннеля при пересечении нарушенных зон грунтового массива. Актуальность исследования связана с необходимостью учета зон нарушенных грунтов при оценке устойчивости забоя для расчета параметров крепи. На основе метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе PLAXIS 3D, выполнено построение конечно-элементной системы «грунтовый массив – нарушенность – крепь забоя» и моделирование пересечения нарушенных зон грунтового массива. Для оценки состояния грунтов приняты деформационный и прочностной критерий. Деформационный критерий выражен величиной расчетного смещения контура тоннеля в забое, а прочностной – коэффициентом запаса прочности до достижения предельных величин напряженного состояния по критерию Кулона – Мора. Результаты исследования представлены в виде гистограмм зависимостей коэффициента запаса прочности от расстояния до нарушенности при различной изгибной жесткости конструкции крепи забоя, а также изополей развития деформаций. Определены параметры вывалообразования в призабойной зоне при пересечении зон нарушенных грунтов. Локальное снижение прочностных и деформационных свойств в массиве по трассе тоннеля должно быть учтено при оценке устойчивости забоя тоннеля и расчете параметров крепи. В рамках построенной замкнутой системы получено качественное согласование результатов моделирования со случаем обрушения в забое при строительстве станции «Владимирская-2» Санкт-Петербургского метрополитена.

The article presents a numerical solution of the spatial elastic-plastic problem of determining the stability of the tunnel face soils at the intersection of disturbed zones of the soil mass. The relevance of the study is related to the need to take into account the zones of disturbed soils when assessing the face stability to calculate the parameters of the support. Based on the finite element method implemented in the PLAXIS 3D software package, the construction of a finite element system "soil mass-disturbance-face support" and modeling of the intersection of the disturbed zones of the soil mass were performed. To assess the condition of soils, deformation and strength criteria are taken. The deformation criterion is expressed by the value of the calculated displacement of the tunnel contour in the face, and the strength criterion - by the safety coefficient until the maximum values of the stress state are reached according to the Coulomb–Mohr criterion. The results of the study are presented in the form of histograms of the safety coefficient dependences on the distance to the disturbance at different bending stiffness of the face support structure, as well as the isofields of deformation development. The parameters of rockfall formation in the face zone at the intersection of zones of disturbed soils were determined. The local decrease in strength and deformation properties in the rock mass along the tunnel track should be taken into account when assessing the stability of the tunnel face and calculating the parameters of the support. Within the framework of the constructed closed system, a qualitative agreement of the simulation results with the case of a collapse in the face during the construction of the Vladimirskaya-2 station of the St. Petersburg Metro was obtained.