Entwicklung seismischer Schäden und dynamische Eigenschaften des umgebenden Gesteins an Tunnelportalen in gegengefällten Böschungen, die mit Rahmenbalken verstärkt sind

Warum Tunnelzugänge bei starken Erdbeben wichtig sind

Wenn ein großes Erdbeben auftritt, denken wir meist an eingestürzte Gebäude und zerstörte Brücken. Bergtunnel, die Autobahnen und Eisenbahnstrecken durch unwegsames Gelände führen, überstehen solche Ereignisse jedoch oft mit überraschend geringen internen Schäden. Die Schwachstelle ist der Tunneleingang, wo feste unterirdische Strukturen auf steile Felsböschungen treffen. Diese Studie stellt eine praktische, für die Sicherheit der Infrastruktur wichtige Frage: Wie und warum konzentrieren sich Erdbebenschäden um Tunnelportale in instabilen, geschichteten Böschungen, und was können Ingenieure tun, um sie besser zu schützen?

Ein Miniaturgebirge im Labor erschüttern

Um das zu untersuchen, bauten die Forschenden ein großes, maßstabsgetreues Modell eines realen Tunneleingangs entlang des Nujiang-Flusses in China. Der Hang oberhalb des Tunnels besteht aus sogenannten gegengefällten Gesteinsschichten — geneigten Schichten, die vom Hang abfallen und bei Erschütterung zum Kippen neigen. Das Modell wurde mit Rahmenbalken verstärkt, die durch Stahldrähte und -stäbe verankert sind, ähnlich den Systemen, die auf realen Straßen- und Schienenstrecken verwendet werden. Das gesamte Modell war auf einer dreiachsigen Schütteltisch-Anlage montiert, wo es realistische Erdbebenbewegungen aus vergangenen Ereignissen wie Kobe, El Centro und Wenchuan ausgesetzt werden konnte.

Wie Hang und Tunnel auf Erschütterungen reagierten

Mit steigender simulierte Erschütterungsstärke maßen die Forscher Beschleunigung, Dehnung, Erddruck und Verschiebungen im Hang und rund um den Tunnelausbau. Die verstärkenden Rahmenbalken erfüllten eine wichtige Funktion: Sie verhinderten einen dramatischen großskaligen Umsturz des Hangs. Dennoch erlitt die Hangoberfläche starke Abschuppungen, der Hangkamm wanderte abwärts und Felsstümpfe neigten sich deutlich zur offenen Hangflanke. Am kritischsten für den Verkehrssicherheit war der starke Schaden am Tunneleingang. Bei Erschütterungsstärken in der Größenordnung der Erdgravitation (1,0–1,2 g) bildeten sich Risse am Boden des Tunnelausbaus und an Fugen zwischen Ausbauabschnitten, die schließlich zu einem durchgehenden Riss im Invert — dem Tunnelfußboden — führten.

Wo die Erschütterung am stärksten ist und warum das Portal leidet

Die Messungen zeigten, dass die Erschütterung nicht gleichmäßig über den Hang verteilt ist. Die Beschleunigungen wurden verstärkt, als sich Wellen zum Hangkamm hin ausbreiteten, und waren in der Nähe der Oberfläche am größten — eine Kombination aus "Höhen"- und "Oberflächen"effekten. Bei vertikaler Erregung wurde das Tunnelportal zu einem Hotspot, an dem eintreffende Wellen vom Ausbau und den schräg geschichteten Gesteinslagen reflektiert und umgelenkt wurden, was ein komplexes Muster verstärkter Bewegungen erzeugte. Entlang des Tunnels ergab sich, dass der flach überdeckte Abschnitt nahe dem Eingang deutlich stärker schüttelte als der tiefer liegende Abschnitt. Die Bewegungsdifferenz zwischen dem Gestein ober- und unterhalb des Tunnels wurde in Portalnähe groß, was den Ausbau und das umgebende Gestein stark belastete und erklärt, warum sich Schäden dort konzentrieren statt weiter im Berginneren.

Verborgene Schäden über Gesteinseigenschaften und Wellenenergie verfolgen

Um über Oberflächenbeobachtungen hinauszugehen, verfolgten die Forschenden, wie sich die mechanischen Eigenschaften des Felskörpers mit zunehmender Erschütterung änderten. Sie nutzten etablierte Zusammenhänge zwischen Dehnung und zwei Schlüsselparametern der Dynamik: der Scherstiffigkeit des Gesteins und seiner Fähigkeit, Energie zu dissipieren (Dämpfung). Mit zunehmender Erregung nahm die Steifigkeit des Gesteins ab und die Dämpfung zu, besonders im Gestein direkt unter dem Tunnelausbau. Die Kartierung dieser Veränderungen zeigte, dass sich Schadenszonen zuerst in der unteren Partie des Ausbaus am Eingang bildeten und sich mit steigendem Input tiefer entlang des Tunnels ausbreiteten. Das Team wandte zudem ein Zeit-Frequenz-Verfahren, die Hilbert–Huang-Transformation, an, um zu untersuchen, wie sich Erdbebenenergie über verschiedene Frequenzen verteilt. Sie fanden, dass bei vertikaler Erregung niederfrequente Komponenten im Bereich von 9–12 Hz besonders schädlich für das Gestein und den Ausbau nahe dem Portal waren. Als der Ausbau zu reißen begann, nahm die Wellenenergie in diesem Band im Gestein unter dem Tunnel deutlich ab, was einen möglichen Weg nahelegt, Schäden mittels sorgfältiger seismischer Überwachung zu erkennen.

Was das für sichere Tunnel bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: Tunnelportale in steilen, geschichteten Hängen sind keine kleineren Kopien des Tunnels im Berginneren — sie sind besondere Schwachstellen, an denen Hangbewegung, Wellenfokussierung und konstruktive Details zusammenwirken und Erdbebenschäden verstärken. Die Studie zeigt, dass selbst wenn sichtbare Stützmaßnahmen einen Umsturz des Hangs verhindern, sich in Gestein und Ausbau verborgene Schäden ansammeln können, insbesondere am unteren Bogen. Die Autoren empfehlen, den Invert (den Unterteil des Ausbaus) und das Gestein darunter zu verstärken und bei Planung und Bewertung von Tunneleingängen besonderes Augenmerk auf vertikale, niederfrequente Erregung zu legen. Ein besseres Verständnis darüber, wo und wie sich Energie bei Erdbeben konzentriert, kann gezieltere Verstärkung und Überwachung ermöglichen und so dazu beitragen, lebenswichtige Tunnel offen und funktionsfähig zu halten, wenn sie am dringendsten gebraucht werden.

Zitation: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Schlüsselwörter: Tunnelportal, Erdbebenschäden, Felshang, seismische Erregung, unterirdische Infrastruktur