Experimentelle Untersuchung des Ausfallrisikos bestehender U-Bahn-Stationen bei einseitigen großflächigen Ausgrabungen

Warum Graben in der Nähe von U-Bahnen riskant sein kann

Wenn Städte neue U-Bahn-Linien und unterirdische Einkaufszentren bauen, müssen Bauherren oft direkt neben bereits in Betrieb befindlichen Stationen große Gruben ausheben. Auf den ersten Blick wirken diese Stationen wie solide unterirdische Festungen. Wird jedoch auf nur einer Seite Boden entfernt, verändert sich das verborgene Gleichgewicht der Bodendrücke. Die Studie stellt eine praktische Frage mit großen Sicherheitsfolgen: Wie breit und wie tief dürfen Ingenieure auf einer Seite einer fahrenden U-Bahn-Station graben, bevor die Station kippt, Straßen reißen oder Gebäude zu versagen beginnen?

Eine reale Station inspiriert ein Laborversuch

Die Untersuchung basiert auf der Jincheng-Plaza-Station in Chengdu, China, einem belebten unterirdischen Knotenpunkt, an dem drei Metro-Linien zusammentreffen. Eine Linie ist bereits gebaut, während für die anderen ein massiver neuer Aushub direkt neben der fertigen Station erforderlich ist, wodurch eine ihrer langen Seitenwände freigelegt wird. Um die Risiken vor der eigentlichen Bauausführung zu erkunden, bauten die Autoren ein detailliertes Modell der Station und des umgebenden schwachen Fels- und Lockergesteins im Labor nach. Im Maßstab 1:100 stellten sie eine durchsichtige Erdbox auf, platzierten eine Miniaturstation aus steifem Kunststoff und „gruben“ dann eine Seite des Bodens in sorgfältig kontrollierten Schritten aus.

Beobachtung von Bewegung und Verformung einer Miniaturstation

Das Modell war wie eine reale Baustelle instrumentiert. Verschiebungsmessgeräte verfolgten, wie sich das Stationsdach vertikal und seitlich bewegte. Druckzellen hinter der Wand maßen Änderungen in der Bodenpressung, und Dehnungsmessstreifen an der Wand registrierten, wie stark die Struktur der Station gestreckt oder gestaucht wurde. Das Team führte 28 verschiedene Aushub-Szenarien durch, die vier Tiefen und sieben Breiten einseitigen Aushubs kombinierten – von moderaten Gruben bis zum Entfernen des Bodens über die gesamte Stationslänge. Nach jedem kleinen Aushubschritt warteten sie, bis sich der Boden gesetzt hatte, und zeichneten dann die neuen Deformationen, Drücke und Dehnungen auf.

Was passiert, wenn eine Seite übermäßig ausgehoben wird

Die Experimente zeigten, dass die vertikale Setzung des Stationsdachs in allen getesteten Fällen gering und innerhalb der Sicherheitsgrenzen blieb; die Station sank kaum. Die eigentliche Gefahr entstand durch seitliche Bewegungen. Mit zunehmender Tiefe und Breite des einseitigen Aushubs neigte sich die Station stetig in Richtung Grube. Überschritt die Aushubtiefe etwa zwei Drittel der Stationshöhe, wurde die Neigung deutlich sichtbar. Bei Aushubbreiten um die Hälfte bis zur vollen Stationsbreite erreichten die seitlichen Bewegungen Warnstufen; bei noch größeren Breiten (entsprechend etwa 100 Metern und mehr im realen Projekt) überschritt die laterale Verformung die normbasierte Sicherheitsgrenze, wodurch ein regulärer Zugbetrieb nicht mehr garantiert werden konnte.

Oberer Boden lockert, tieferer Boden wird zusammengedrückt

Auch der Boden selbst verhielt sich aufschlussreich. Während die Station sich neigte, verlor der flache Boden direkt hinter der ausgehobenen Wand den Kontakt zur Struktur und wurde lockerer, sodass der Erdpressungswert dort stark abnahm – in Extremfällen um bis zu etwa 98 Prozent. Gleichzeitig wurde der tiefere Boden in der Nähe der Wandsohle stärker zusammengedrückt, und der Druck in dieser verdichteten Zone stieg an. Diese Kombination bedeutet, dass der Boden in der Nähe der Oberfläche nicht mehr sicher Fahrbahnen oder Gebäudefundamente tragen kann, wodurch das Risiko von Straßeneinbrüchen oder geneigten Hochhäusern steigt, selbst wenn die Betonschale der Station noch ausreichend Tragfähigkeit besitzt und nicht reißt.

Eine praktische Warnkarte für Bauherrn

Da sich seitliches Kippen als der empfindlichste Indikator für Probleme herausstellte, nutzten die Autoren ihre Daten, um eine einfache Risikozonentafel zu erstellen. Sie unterteilt Kombinationen von Aushubtiefe und -breite in vier farblich gekennzeichnete Stufen: A (kein Risiko), wo der Bau normal fortgesetzt werden kann; B (allgemeines Risiko), das engere Überwachung erfordert; C (hohes Risiko), wo die Arbeiten zur Sicherheitsprüfung pausiert werden sollten; und D (großes Risiko), wo sofortige Notmaßnahmen nötig sind. Auf das Jincheng-Plaza-Projekt angewandt, sagte die Methode korrekt eine Hochrisikozone C für einen geplanten Aushub von 22 Metern Tiefe und 80 Metern Breite voraus; nachdem zusätzliche Stützen eingebracht wurden, verringerte sich die tatsächliche Stationsbewegung um etwa zwei Drittel. Für Stadtplaner und Ingenieure verwandelt diese Studie komplexe unterirdische Mechanik in ein praktisches, leicht anwendbares Werkzeug, um U-Bahn-Stationen und umliegende Gebäude während großangelegter Ausgrabungen zu schützen.

Zitation: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Schlüsselwörter: Sicherheit von U-Bahnhöfen, Tiefe Aushubarbeiten, Bodendeformation, städtischer Tunnelbau, Risikobewertung