Experimentelle Untersuchung des Einflusses synchronen Verpressens im Schildvortrieb auf einen darüberliegenden vorhandenen Tunnel in sandigem Bodenschicht

Warum das, was unter unseren Städten passiert, wichtig ist

Moderne Städte stützen sich zunehmend auf übereinanderliegende Schichten von unterirdischen Tunneln für U‑Bahn, Versorgungseinrichtungen und Straßen. Wenn Ingenieure einen neuen Tunnel unter einem älteren bauen müssen, spritzen sie um die neue Struktur flüssigen Mörtel (Verpressung), um ein Absinken des Bodens zu verhindern. In lockerem, sandigem Boden kann derselbe Mörtel jedoch unbeabsichtigt auf den darüberliegenden Tunnel drücken und ihn derart verbiegen und zusammendrücken, dass die langfristige Sicherheit gefährdet sein könnte. Diese Studie nutzt ein sorgfältig skaliertes Labor‑Modell, um zu zeigen, wie und warum das passiert und wie viel Mörtel zu viel ist.

Eine Miniaturstadt unter der Erde bauen

Um diese verborgenen Prozesse zu untersuchen, bauten die Forschenden eine große Bodenbox, die mit Sand gefüllt war, dessen Korngrößen und Dichte reale U‑Bahn‑Bedingungen nachbilden. Innerhalb installierten sie ein Stahlmodell eines „bestehenden“ Kreis­tunnels und darunter einen zweiten Tunnel, der den neu durch eine Schildmaschine ausgebrochenen Tunnel darstellt. Der gesamte Aufbau wurde in einem Zehntel der Originalgröße errichtet, was präzise Kontrolle erlaubt und zugleich realistisches Verhalten abbildet. Anstatt jeden Schritt des Vortriebs gleichzeitig zu simulieren, trennten sie die Phasen: Der Aushub war in früheren Arbeiten modelliert worden; diese Studie konzentrierte sich ausschließlich auf das Verpressen, das hinter dem Schild beim Einbau neuer Tübbingsegmente stattfindet.

Wie Mörtel injiziert und gemessen wird

In realen Projekten wird der Mörtel in die schmale Fuge hinter dem Schildheck gepumpt, um den Raum zwischen Ausbauringen und Boden zu füllen. Das Team rekonstruierte dies mit einem speziell angefertigten Schildheck, Dichtungsbürsten und Verpressrohren, die an eine Pumpe angeschlossen waren. Sie variierten zwei Schlüsselparameter: den Wassergehalt des Mörtelsuspensions und die Menge des injizierten Mörtels relativ zu dem Volumen, das streng genommen gefüllt werden müsste — die sogenannte Verpressfüllquote. Kleine Sensoren im Sand maßen, wie sich der Druck im Boden um den oberen Tunnel veränderte. Innerhalb dieses Tunnels verfolgten überlappende Stahlmaßstäbe, Laser und Kameras winzige Änderungen im Durchmesser und Biegeverhalten, sodass die Forschenden genau sehen konnten, wie sich die Struktur während der Verpressung verformte.

Verborgene Druckeinwirkungen und Durchbiegungen im oberen Tunnel

Die Messungen zeigten, dass die Verpressung nicht gleichmäßig wirkt. Während sich die verpresste Zone unter dem bestehenden Tunnel verschob, stieg der Druck im Sand stark an, insbesondere direkt unter der Tunnelmitte. Am stärksten erhöhte sich der Druck an der Unterseite des oberen Tunnels, während die Seiten sich kaum änderten und die Oberseite nur mäßig. Bei hoher Verpressfüllquote war der nach oben wirkende Druck an der Tunnelunterseite etwa anderthalbmal so groß wie bei moderaterer Menge. Diese ungleichmäßige Beanspruchung ließ den oberen Tunnel über dem Verpressungsweg aufwölben, wobei die Unterseite stärker anhob als die Oberseite. Gleichzeitig änderte sich der Querschnitt des Tunnels: Sein vertikaler Durchmesser schrumpfte, während der horizontale Durchmesser zunahm, sodass der Kreis zu einer sanften seitlichen Ellipse wurde.

Wann mehr Mörtel zum Problem wird

Diese Verformungen sind relevant, weil Tunnel so konzipiert sind, dass sie Kräfte gleichmäßig um ihren ringsförmigen Querschnitt verteilen. Wenn der Boden anschwillt und der Querschnitt elliptisch wird, tragen einige Teile der Auskleidung deutlich höhere Spannungen als andere. Die Studie zeigt, dass in sandigem Untergrund eine hohe Verpressfüllquote (etwa das 1,6‑Fache des strikt erforderlichen Hohlraumvolumens) signifikante Aufwölbungen und Ovalisierungen eines darüberliegenden Tunnels verursachen kann. Sobald der Mörtel unter dem Tunnel ausgehärtet und geringfügig geschrumpft war, trat teilweise ein Rückgang der Aufwölbung ein, doch die Phase der zusätzlichen Durchbiegung hatte bereits Belastungen im Bauwerk erzeugt. Im Laufe der Zeit können solche Veränderungen Risse, Fugenöffnungen, Bolzenschäden und Leckagen begünstigen.

Praktische Lehren für sicherere Tunnel

Für Nicht‑Spezialisten ist die Botschaft klar: Beim Bau eines neuen Tunnels unter einem alten in sandigem Boden kann zu viel Stütz‑Mörtel fast ebenso problematisch sein wie zu wenig. Die Experimente legen nahe, die Verpressfüllquote unter etwa 1,6 zu halten und sie anhand von Echtzeit‑Monitoring anzupassen, um übermäßiges Anheben und Verformung des bestehenden Tunnels zu vermeiden. Durch ein besseres Verständnis dieser unsichtbaren unterirdischen Kräfte können Ingenieure Entwürfe und Baukontrollen verfeinern und so die Tunnel schützen, die bereits Millionen von Fahrgästen tragen, während sie die neuen hinzufügen, die unsere wachsenden Städte verlangen.

Zitation: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Schlüsselwörter: Schildvortrieb, synchrones Verpressen, U-Bahn‑Tunnel, sandiger Boden, Tunnelverformung