Analyse des Einflusses neuer Tunnelvortriebe auf die Stabilität benachbarter bestehender Tunnel

Warum dicht besiedelte Städte sicherere Tunnel brauchen

Wenn Großstädte weitere U-Bahn-Linien hinzufügen, müssen neue Tunnel zunehmend um bereits in Betrieb befindliche Bauwerke herumgeführt werden. Ein frischer Tunnelvortrieb zu nahe an einem bestehenden Tunnel kann das ältere Bauwerk verschieben, verdrehen oder Risse verursachen – mit offensichtlichen Folgen für Sicherheit und Betrieb. Diese Studie untersucht, wie stark sich ein in Betrieb befindlicher U-Bahn-Tunnel verformen kann, wenn in der Nähe ein neuer Tunnel aufgefahren wird, und liefert einfache Formeln, mit denen Ingenieure künftige Bauarbeiten so planen können, dass heutige Fahrgäste nicht gefährdet werden.

Wie neue Tunnel den Boden stören

Tunnelbohrmaschinen entfernen Boden und Gestein und ersetzen ihn durch einen betonierten Tübbingring. Dieser Vorgang löst den umgebenden Boden leicht und verschiebt ihn ein wenig. Dadurch verändert sich wiederum die Belastung auf bereits vergrabene Bauwerke wie einen älteren Tunnel. Die Autoren betrachten zunächst noch einmal, wie das Gewicht des Bodens über einem Tunnel üblicherweise abgeschätzt wird. Klassische Methoden gehen von einem glatten „Erdbogen“ aus, der Lasten um die Öffnung herumträgt, vernachlässigen aber, wie viel Boden während des Vortriebs tatsächlich verloren geht oder verdrängt wird. Das Team verfeinert diesen Ansatz für Löss und ähnliche Böden, die in Xi’an, China, verbreitet sind und wo viele neue U-Bahn-Linien geplant sind.

Aktualisierung der Abschätzung des Bodendrucks

Traditionelle Berechnungen, die bis zu Karl Terzaghi in den 1930er-Jahren zurückreichen, betrachten den Erd-Bogen über einem Tunnel als vollständig ausgebildet und verwenden einen festen Faktor, um vertikale Lasten in seitliche Druckkräfte auf die Schale umzuwandeln. Spätere Untersuchungen zeigten, dass dabei ein wichtiger Punkt fehlt: Wenn das Tunnelvortriebs-Front fortschreitet, setzt Boden nach oder verlagert sich, wodurch der Bogen geschwächt wird. Die Autoren übernehmen einen neueren Ansatz des „unvollständigen Erd-Bogens“, der explizit das Bodenverlustverhältnis berücksichtigt — also wie stark die Oberfläche oder die Tunnelsohle während des Vortriebs absinkt. Sie zeigen, dass die verfeinerte Methode bei realistischen Verlustgraden in tonigen Lössböden in der Regel geringere und realistischere Drücke auf den Tunnel vorhersagt als ältere Formeln, insbesondere wenn der Bodenverlust nicht vernachlässigbar ist.

Virtuelle Experimente mit Zwillings-Tunneln

Um zu sehen, wie ein neuer Tunnel einen bereits vorhandenen in der Nähe beeinflusst, bauten die Forscher detaillierte dreidimensionale Computermodelle, die typische Böden und Tunnelabmessungen von Xi’an verwenden. Sie variierten drei Parameter: die Durchmesser der Tunnel, den Abstand zwischen ihnen und ihre relative Lage – nebeneinander, diagonal versetzt oder einer direkt über dem anderen. In jedem Fall simulierten sie den Vortrieb Ring für Ring und verfolgten, wie sich acht Schlüsselstellen im Querschnitt des bestehenden Tunnels bewegten. Die Modelle zeigen: Je näher die Tunnel beieinanderliegen und je größer der bestehende Tunnel ist, desto stärker verformt er sich. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass bestehende Tunnel sich nicht einfach nur verschieben; sie neigen dazu, zu verdrehen, wobei eine Seite stärker bewegt wird als die andere.

Wie Tunnel sich verschieben, verdrehen und setzen

Wenn der neue Tunnel ungefähr parallel und in ähnlicher Tiefe verläuft, wird der ältere Tunnel hauptsächlich seitlich in Richtung der Ausgrabung gedrückt, mit nur geringen vertikalen Setzungen. In diesem Fall dominiert die horizontale Verschiebung; die Verdrehung (Rotation) des alten Tunnels ist am ausgeprägtesten, wenn der freie Abstand nur etwa fünf Meter beträgt. Vergrößert sich der Abstand auf 20 Meter, kann die maximale seitliche Bewegung um mehr als zwei Drittel abnehmen und die Verdrehung wird vernachlässigbar. Liegt der neue Tunnel diagonal oder direkt darunter, ändert sich das Bild: Der bestehende Tunnel verschiebt sich und setzt sich zugleich. Vertikale Verschiebungen können bei dicht beieinanderliegenden und großen Tunneln nahezu zwei Zentimeter erreichen und nehmen mit wachsendem Abstand stetig ab. In allen Anordnungen wächst der Rotationswinkel mit dem Tunnelradius, nimmt aber ab, wenn die Tunnel weiter auseinanderliegen, und folgt dabei glatten mathematischen Kurven.

Einfache Formeln, die Ingenieure tatsächlich nutzen können

Aus diesen Simulationen leiteten die Autoren Vorhersageformeln ab, die die maximalen seitlichen und vertikalen Bewegungen eines bestehenden Tunnels mit zwei leicht messbaren Größen verknüpfen: seinem Radius und seinem Abstand zum neuen Tunnel. Die Zusammenhänge folgen überwiegend logarithmischen Trends in Abhängigkeit vom Abstand, das heißt: Wird der Abstand sehr gering, steigen die Verformungen stark an, während zusätzlicher Abstand jenseits von etwa 15–20 Metern nur noch abnehmende Verbesserungen bringt. Die Studie macht außerdem deutlich, dass bei nebeneinander liegenden Tunneln das Einhalten der zulässigen horizontalen Bewegungen nach Vorschriften automatisch auch die vertikalen Bewegungen in sicheren Grenzen hält.

Folgen für künftigen U-Bahn-Bau

Für Nicht-Spezialisten ist die Kernbotschaft klar: Wenn ein neuer U-Bahn-Tunnel nahe bei einem bestehenden gebaut wird, wird sich der ältere Tunnel bewegen — aber in vorhersehbarer Weise, sofern Abstand, Größenverhältnis und Bodenverhältnisse bekannt sind. Durch die Verfeinerung der Abschätzung von Bodendrücken in Löss sowie durch kompakte Formeln für Tunnelverdrehung und -verlagerung erhalten Planer praktische Werkzeuge, um zu entscheiden, wie nah zu nahe ist, wann zusätzliche Verstärkungen nötig sind und wie Trassen zu planen sind, die bereits vorhandene Tunnel schützen, auf die Städte angewiesen sind.

Zitation: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Schlüsselwörter: U-Bahn-Tunnel, Tunnelvortrieb, Bodenverformung, Tunnelwechselwirkung, städtischer Untergrund