Analyse des Einflusses des Hebens durch Bodensack-Injektion auf das mechanische Verhalten von Schildtunneln

U-Bahntunnel sicher und eben halten

Moderne Städte sind auf unterirdische Bahnlinien angewiesen. Die Tunnel, durch die Züge fahren, können jedoch allmählich absinken oder kippen, wenn benachbarte Bauarbeiten und weiche Untergründe den Boden stören. Diese Arbeit untersucht eine vielversprechende Methode, abgesunkene U-Bahntunnel von unten schonend „hochzuheben“: flexible, mit Vergussmörtel gefüllte Säcke. Indem sie klärt, wie sich diese Säcke in verschiedenen Böden ausdehnen und wie sie auf den Tunnel drücken, weist die Studie auf sicherere und besser vorhersehbare Reparaturen hin, die die Lebensdauer stark belasteter Metro-Systeme verlängern können.

Warum Tunnel überhaupt absinken

Schildtunnel, also die mit Tunnelvortriebsmaschinen hergestellten kreisförmigen Rohre, liegen in Böden, die durch neue Fundamente, Unterführungen und andere unterirdische Arbeiten ständig gestört werden. Im Laufe der Zeit können Teile eines Tunnels stärker setzen als andere, was eine sanfte, aber schädliche Biegung entlang der Längsachse und eine leichte Verformung des runden Querschnitts zur Folge hat. Solche Verformungen können Fugen zwischen Segmenten öffnen, Lecks verursachen, Kanten abplatzen lassen und die sichere, gleichmäßige Fahrt der Züge gefährden. Ingenieure verwenden bereits Vergussverfahren—das Injizieren von flüssigem Brei in den Boden—um Tunnel anzuheben und zu stützen. Konventionelle Methoden injizieren den Verguss jedoch direkt in den Boden, wodurch es schwer wird vorherzusagen, wohin der Brei fließt und welche Kraft er tatsächlich auf den Tunnel ausübt.

Eine neue Methode, den unterirdischen „Wagenheber“ zu zielen

Das Verfahren mit Vergusssäcken begegnet dieser Ungewissheit, indem flexible Säcke in vorgebohrte Löcher unter oder neben dem Tunnel gelegt und dann mit Vergussmörtel gefüllt werden. Der Sack begrenzt den Brei; statt durch unvorhersehbare Risse zu sickern, schwillt er wie ein kontrollierter Ballon an und drückt gegen den umgebenden Boden. Die Autoren führten zunächst kleine „Einheitstests“ in transparenten Bodenbehältern mit entweder sandigem Boden oder Ton durch. Durch Messung der Druckveränderungen an vielen Punkten während der Injektion zeigten sie, dass bei gleichem Vergussvolumen und gleicher Sackanordnung steifere Böden (mit geringerer Kompressibilität) höhere zusätzliche Bodendrücke entwickelten als weichere Böden. In beiden Bodentypen verteilte sich der Verguss hauptsächlich durch Kompaktation innerhalb des Sacks und erzeugte eine begrenzte, klar definierte Druckzone anstelle einer breiten, unsicheren Ausbreitung.

Skalierung zu einem realistischen Tunnelmodell

Anschließend baute das Team ein großes dreidimensionales Modell: einen Stahlring, der einen U-Bahntunnel repräsentiert, eingebettet in eine Kiste mit verdichtetem Sand und ausgestattet mit Dutzenden Drucksensoren und Verschiebungsmessstäben. Sie testeten zwei Sanierungsstrategien. In einer wurde ein einzelner Sack direkt unter dem Tunnel platziert. In der anderen wurden zwei Säcke in 45-Grad-Positionen von der Sohle entfernt installiert, einer an jeder Seite. Während des Vergießens zeichneten die Sensoren nach, wie der Bodendruck um den Tunnel anstieg, wie sich der Innendurchmesser des Tunnels vertikal und horizontal veränderte und wie stark der Tunnel längs seiner Achse angehoben wurde.

Wie die Platzierung der Säcke das Tunnelverhalten verändert

Wurde der Verguss direkt unter dem Tunnel eingespritzt, stieg der Bodendruck an der Sohle stark an, während sich der obere Bereich nur wenig veränderte. Der Tunnel hob sich wie beabsichtigt, doch sein kreisförmiger Querschnitt wurde zu einer mehr horizontal liegenden Ellipse verformt: der vertikale Durchmesser schrumpfte und der horizontale Durchmesser nahm nahezu im gleichen Maße zu. Diese „horizontal elliptische Verformung“ ist unerwünscht, da sie neue Spannungen und Schäden verursachen kann. Im Gegensatz dazu erlebte der Tunnel bei seitlich in 45 Grad angebrachten Säcken ebenfalls eine deutliche Hebung, sein Querschnitt blieb jedoch weitgehend erhalten. Die Bodendrücke an Sohle und Seiten stiegen ausgewogener, und die vertikalen sowie horizontalen Durchmesser blieben nahe ihren ursprünglichen Werten.

Nachzeichnen, wie der Druck vom Pumpen zum Tunnel gelangt

Durch das Aufschneiden des ausgehärteten Vergusses nach den Tests visualisierten die Forschenden die Entwicklung der Vergusskörper. Unter der Tunnelmitte war der endgültige Vergussblock kegelartig und etwas asymmetrisch, was zu den ungleichmäßigen Druckaufzeichnungen an den beiden Tunnelseiten und zur ausgeprägten ovalen Verformung passte. Bei den seitlichen Säcken in 45-Grad-Positionen waren die Vergusskörper eher zylindrisch und auf beiden Seiten ähnlich, und die gemessenen Drücke waren fast symmetrisch. Aus diesen Beobachtungen beschreiben die Autoren eine klare Lastübertragungskette: Der Pumpdruck füllt den Sack, der sich ausdehnende Sack komprimiert den angrenzenden Boden und erhöht den Erddruck, und dieser zusätzliche Erddruck wird schließlich als zusätzliche Lasten an die Tunnelwand weitergeleitet, die Struktur zu biegen und anzuheben.

Was das für reale Tunnel bedeutet

Für Nicht-Fachleute lautet die Kernbotschaft, dass der Einsatz von mit Verguss gefüllten Säcken unter U-Bahntunneln Reparaturen genauer und weniger riskant machen kann als herkömmliches freifließendes Injizieren. Die Studie zeigt, dass der Bodentyp einen starken Einfluss darauf hat, welche Hebekraft ein gegebenes Vergussvolumen liefern kann, und dass die Platzierung der Säcke um den Tunnel entscheidend ist. In 45-Grad-Positionen an beiden Seiten platzierte Säcke können einen abgesunkenen Tunnel anheben und dabei weitgehend seine runde Form erhalten, wodurch neue Spannungen und Risse begrenzt werden. Dieses verbesserte Verständnis darüber, wie der Druck von der Pumpe durch Sack und Boden bis in den Tunnel gelangt, liefert Ingenieuren eine verlässlichere wissenschaftliche Grundlage für das Entwerfen sicherer, gezielter Hebeoperationen unter unseren Städten.

Zitation: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Schlüsselwörter: Schildtunnel, Injektion, U-Bahn-Wartung, Bodensetzungen, Tunnelhebung