Forschung zu Verformungsmerkmalen des umgebenden Felses und Optimierungsmaßnahmen der Ausrüstung für TBM‑Tunnel beim Durchqueren von Störungszertrümmerungszonen

Warum Tunnel in Bergen plötzlich Probleme machen können

Lange Straßen‑ und Eisenbahntunnel verlaufen heute durch einige der höchsten und schroffsten Gebirge der Welt. Diese Strecken werden meist von riesigen Tunnelbohrmaschinen (TBM) aufgefahren, die kontinuierlich in festen Fels vordringen. Trifft eine TBM jedoch auf eine verborgene Störungszone — Fels, der durch frühere Erdbeben zertrümmert und geschwächt ist —, kann der Tunnel sich verformen, einstürzen oder sogar die Maschine einklemmen. Diese Studie untersucht eine derartige risikoreiche Begegnung in einem chinesischen Gebirgstunnel und zeigt, wie ein sorgfältig entworfener Ausbausystem diese Gefahren deutlich mindern kann.

Ein problematischer Abschnitt in einem tiefen Gebirgstunnel

Die Untersuchung konzentriert sich auf den Daliangshan Nr. 1‑Tunnel in der Provinz Sichuan, der auf mehr als 10 Kilometern unter steilen, V‑förmigen Tälern verläuft. Der Großteil der Strecke führt durch relativ festen Fels, doch ein Abschnitt kreuzt die F1‑Störungszertrümmerungszone, in der einst kompakter Basalt und Tuff in schwache, verwitterte Fragmente zerbrochen ist. In dieser Zone bröckeln Decke und Wände, große Hohlräume öffnen sich, Wasser tritt ein, und die üblichen Auflagepunkte, an denen sich die TBM abstützt, verlieren an Tragfähigkeit. Während der Frühphase des Vortriebs führten diese Bedingungen zu starken Steinschlägen, Verformung von Stahlverbau, Konvergenz der Tunnelwände und sogar zu einem Vorfall, bei dem die TBM nach einer Abschaltung stecken blieb.

Messung der Bodenbewegungen

Um zu verstehen, was vor sich ging — und wie man es beherrscht — kombinierte das Team drei Ansätze. Im Labor prüften sie pulverisierte Kernproben aus der Störungszone, um die tatsächliche Schwäche des veränderten Gesteins zu bestimmen. Im Rechner nutzten sie das Finit‑Elemente‑Programm ABAQUS, um eine TBM darstellend durch einen 8 Meter breiten Tunnel zu simulieren, der eine 40 Meter breite Störungsbank mit einer Neigung von 40 Grad schneidet. Und im Feld installierten sie Instrumente entlang mehrerer Querschnitte, um zu überwachen, wie sich Gewölbe, Wände und Geländeoberfläche beim Vortrieb bewegten. Diese Mischung aus Tests, Modellierung und Messung vor Ort erlaubte es, die unterirdisch beobachteten Phänomene mit der unsichtbaren Umverteilung der Spannungen in den umgebenden Bergen zu verknüpfen.

Was passiert, wenn die Maschine die Störung trifft

Die Simulationen und Messungen zeigten ein klares Muster: Die Verformung war »in der Mitte größer und an beiden Enden kleiner« in der Störungszone. Als die TBM in den schwächsten Kern der F1‑Zone eintrat, senkte sich die Tunneldecke deutlich — bis zu 92 Millimeter —, während die Geländeoberfläche darüber um bis zu 42 Millimeter absank. Die Deckensetzung begann etwa 10 Meter, bevor die Maschine einen überwachten Abschnitt erreichte, und setzte sich bis etwa 10 Meter hinter diesem Abschnitt fort. Die Seitenwände reagierten später und weniger stark, mit maximalen Bewegungen um die 15 Millimeter. Abseits der Störung, wo der Fels intakter war, fielen Setzungszuwächse unter 5 Millimeter und das Tunnelverhalten wurde deutlich stabiler. Ohne Gegenmaßnahmen bedrohten die großen Verschiebungen im Störungskern jedoch sowohl die Sicherheit der Arbeiter als auch die Fähigkeit der TBM, weiterzufahren.

Aufbau einer stärkeren Hülle um den Tunnel

Anhand dieser Befunde und Erfahrungen aus anderen Projekten entwarfen die Ingenieure ein verstärktes Ausbausystem, das auf die gestörten Verhältnisse abgestimmt ist. Anstatt sich nur auf Stahlrippen und einfache Spritzbetonierung zu verlassen, ergänzten sie den Ausbau mit einem dichten Netz neuer Stahlbewehrungsstreifen um weite Teile des Tunnelumfangs, setzten höherwertige Spritzbetonmischungen ein und verwendeten Schalung sowie Verpressung, um eine feste Auflage zu schaffen, gegen die die Drucksohlen der TBM greifen. In sehr lockeren oder einsturzgefährdeten Bereichen brachten sie selbstbohrende Anker und Glasfaserverankerungen ein und füllten Hohlräume und Karstbereiche mit Beton auf. Numerische Modelle, die diese Maßnahmen berücksichtigten, sagten deutlich geringere Bewegungen voraus, und die Feldüberwachung bestätigte die Verbesserung.

Wie viel sicherer der Tunnel wurde

Nach der Verstärkung sank die maximale Deckensetzung in allen überwachten Abschnitten auf etwa 17 Millimeter, die Oberflächensetzung auf etwa 7 Millimeter — Reduktionen von rund 80 Prozent im Vergleich zum unverstärkten Fall. Die Tunnelwände und der Gewölbefuß verschoben sich nur um wenige Millimeter, und das Gesamterformungsmuster wurde glatter und besser vorhersagbar. Felssprengungen und Einsturzhohlräume wurden deutlich reduziert, die Auflagefähigkeit für die Sohlen der TBM verbesserte sich, und die Maschine konnte ohne erneute Einklemmung kontinuierlich vorankommen. Praktisch betrachtet verwandelte der verstärkte Ausbau einen höchst instabilen Tunnelabschnitt in ein beherrschbares ingenieurtechnisches Problem.

Was das für künftige Tunnel bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Kernbotschaft: »Schlechtes Gelände« in Störungszonen muss Tiefbauprojekte nicht zum Scheitern bringen. Indem man zuerst misst, wie der Fels reagiert, dann simuliert, wie Tunnel und Gebirge interagieren, und schließlich den Ausbau an diese Bedingungen anpasst, können Ingenieure die Verformungen des Tunnels stark begrenzen — selbst in zertrümmertem, verwittertem Gestein einen Kilometer unter der Oberfläche. Der im Daliangshan Nr. 1‑Tunnel angewandte Ansatz bietet eine Blaupause für andere Gebirgstunnel, die ähnliche Kombinationen aus verwittertem Gestein und aktiven oder alten Störungen kreuzen müssen, und erhöht Sicherheit sowie das Risiko‑Management gegenüber kostspieligen Stillständen der TBM.

Zitation: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Schlüsselwörter: Tunnelbohrmaschine, Störungszertrümmerungszone, Tunnelstützung, Setzung des Bodens, Gebirgstunnel