Zweistufige Methode zur Berechnung und Analyse der Verformung eines bestehenden U-Bahn-Tunnels durch das diagonale Kreuzen eines neuen Tunnels

Warum das Kreuzen von U-Bahn-Tunneln für Städte wichtig ist

Wenn Städte wachsen und neue U-Bahn-Linien hinzugefügt werden, müssen neue Tunnel oft an bereits in Betrieb befindlichen älteren Tunnel vorbeigeführt werden. Das Ausheben eines neuen Tunnels unter einer stark genutzten Bestandslinie kann den älteren Tunnel verformen, was Fahrkomfort und langfristige Sicherheit beeinträchtigen kann. Diese Studie behandelt eine sehr praxisrelevante Frage für Stadtplaner und Ingenieure: Wenn ein neuer Tunnel diagonal unter einem gekrümmten U-Bahn-Tunnel hindurchführt, wie stark wird sich der bestehende Tunnel verschieben, und welche Planungsentscheidungen halten diese Verschiebungen gering?

Ein komplexes unterirdisches Problem in zwei Schritte zerlegen

Die Autoren schlagen eine verfeinerte „Zweistufen“-Berechnungsmethode vor, die ein unübersichtliches Problem des unterirdischen Bauens in eine Form bringt, die verlässlich rechnerisch analysiert werden kann. In der ersten Stufe schätzen sie, wie stark der Boden um den bestehenden Tunnel gestört wird, wenn darunter ein neuer, schildgetriebener Tunnel ausgehoben wird. Dazu verwenden sie eine bekannte Lösung aus der Bodenmechanik, die beschreibt, wie sich Spannungen von einer unterirdischen Belastung im Boden ausbreiten. Damit lassen sich die zusätzlichen Druck- und Zugkräfte berechnen, die die neue Tunnelaushubarbeit auf jeden Punkt des älteren Tunnels ausübt, auch wenn die beiden Tunnel sich schräg kreuzen und der Bestands­tunnel gekrümmt statt gerade ist.

Den U-Bahn-Tunnel wie einen flexiblen Balken im Boden behandeln

In der zweiten Stufe wird der bestehende U-Bahn-Tunnel wie ein langer, leicht flexibler Balken betrachtet, der auf einem elastischen Bett ruht, das den umgebenden Boden repräsentiert. Dieses Bett komprimiert sich nicht nur vertikal wie viele kleine Federn, sondern schert auch seitlich, wodurch das Modell realistischer wird und zugleich einfach genug für Routinebemessungen bleibt. Die in der ersten Stufe berechneten zusätzlichen Belastungen werden entlang dieses Balkens aufgebracht, um zu ermitteln, wie stark der Tunnel sich durchbiegt und wie weit er sich vertikal verschiebt. Das Modell enthält außerdem einen „Spannungsreduktionsfaktor“, der Bereiche berücksichtigt, in denen der Boden um den Tunnel durch Injektionen (Verpressung) verstärkt wurde — eine übliche Schutzmaßnahme im U-Bahn-Bau.

Die Methode an einem realen U-Bahn-Projekt testen

Um zu prüfen, ob die Theorie die Realität abbildet, wendeten die Forschenden ihre Methode auf einen realen Abschnitt der Zhengzhou Metro an, wo eine neue Linie diagonal unter einem vorhandenen gekrümmten Tunnel verlief. Sie nutzten lokale Boden- und Tunnelparameter, führten die Berechnungen durch und verglichen die prognostizierten vertikalen Verschiebungen mit präzisen Messdaten aus der Bauzeit. Die vorhergesagte maximale Verschiebung am Tunneldach war etwas größer als die gemessene Verschiebung am Tunnelboden, was zu erwarten ist, da das Dach meist stärker verformt. Wichtiger ist, dass Form und Größe der berechneten Verformungskurve gut mit den Überwachungsdaten übereinstimmten, was zeigt, dass die Methode Ingenieuren ein verlässliches Bild der unterirdischen Auswirkungen liefern kann.

Welche Planungsentscheidungen unterirdisch am wichtigsten sind

Mit validierter Methode untersuchten die Autoren, wie zentrale Planungs- und Bauparameter die Tunnelbewegung beeinflussen. Sie stellten fest, dass der vertikale Abstand zwischen neuem und altem Tunnel einen deutlichen Effekt hat: Je näher der neue Tunnel unter dem bestehenden verläuft, desto größer ist die Aufwärtsbewegung des älteren Tunnels. Der Winkel, in dem sich die Tunnel kreuzen, ist ebenso wichtig. Flache, fast parallele Kreuzungen verursachen größere Verformungen, die sich über eine längere Strecke erstrecken, während steilere, nahezu rechtwinklige Kreuzungen den Einfluss deutlich verringern. Dagegen hatte der Krümmungsradius des Bestands­tunnels nur sehr geringen Einfluss auf die vertikale Bewegung, was darauf hindeutet, dass mäßige Plankrümmungen bei dieser Art von Kreuzung kein großes Problem darstellen.

Die Rolle der Bodenverstärkung um den Tunnel

Die Studie untersuchte außerdem, wie Verpressungen — das Injizieren eines zementähnlichen Materials um den Tunnel — zur Begrenzung der Bewegung beitragen. Die Verlängerung der verpressten Zone entlang des Bestands­tunnels reduzierte dessen vertikale Verschiebung deutlich, insbesondere beim Übergang von keiner Verpressung zu einer moderaten Länge des behandelten Bodens. Darüber hinaus ergab sich jedoch nur noch ein geringer zusätzlicher Nutzen, was auf ein praktisches Optimum zwischen Sicherheit und Kosten hinweist. Das genaue Kompressibilitätsverhalten des verpressten Bodens, beschrieben durch den Parameter Poisson-Zahl, hatte innerhalb des getesteten Bereichs nur einen geringen Einfluss auf die Tunnelverschiebung im Vergleich zur Ausdehnung der Verpressung.

Was das für künftigen U-Bahn-Bau bedeutet

Insgesamt liefert die Arbeit Ingenieuren ein praktikables Werkzeug, um vorherzusagen, wie ein bestehender U-Bahn-Tunnel reagiert, wenn ein neuer Schildtunnel diagonal darunter verläuft — selbst wenn der ältere Tunnel gekrümmt ist und der Boden verstärkt wurde. Für Nicht-Fachleute ist die Kernaussage einfach: Einen angemessenen Abstand zwischen den Tunneln einhalten, Kreuzungen möglichst nahe einem rechten Winkel planen und eine gut bemessene, aber nicht übermäßige Länge der Bodenverstärkung vorsehen sind die effektivsten Maßnahmen, um einen in Betrieb befindlichen Tunnel sicher und komfortabel zu halten, wenn darunter neue Linien hinzugefügt werden.

Zitation: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Schlüsselwörter: U-Bahn-Tunnel, Schutzschildvortrieb, Tunnelverformung, Bodensicherung, unterirdischer Bau