Analyse der Auswirkungen des Tunnelbaus und Sicherheitsbewertung beim Unterqueren bestehender Brückenpfahlgründungen mit einer Schildmaschine

Warum das Graben unter Brücken wichtig ist

Da Städte mehr U-Bahn-Linien bauen, um den Verkehr zu entlasten, müssen viele neue Tunnel in der Nähe oder direkt unter bestehenden Brücken verlaufen. Wenn sich der Untergrund beim Aushub zu stark verschiebt, kann die darüberliegende Brücke kippen, Risse bekommen oder sogar versagen. Diese Studie betrachtet ein reales Projekt, bei dem ein U-Bahn-Tunnel unter den Pfahlgründungen einer stark befahrenen städtischen Viadukts führte, und stellt eine einfache, aber hochrelevante Frage: Lässt sich das sicher durchführen, und welche Schutzmaßnahmen wirken am besten?

Städtischer Verkehr oben, Tunnelbau unten

Das Projekt findet in einem dichten Quartier statt, in dem eine neue U-Bahn-Linie unter einer Autobahnbrücke verläuft, die auf tiefen Betonpfählen ruht. Die Schildvortriebsmaschine durchfährt gemischte Gesteins- und Bodenschichten nur wenige Meter unter den Brückenfundamenten. Weil die Brücke stark befahren ist und ihre Pfähle schwer zu verändern sind, müssen Ingenieure vor Baubeginn vorhersagen, wie sich Boden und Pfähle verhalten, und festlegen, welches Risiko während der Arbeiten akzeptabel ist.

Virtuelle Tests mit einem 3D-Digitalmodell

Um vorherzusehen, was unter der Oberfläche passiert, erstellten die Autoren ein detailliertes dreidimensionales Computermodell der Brücke, der Pfähle, der Bodenschichten und des voranschreitenden Tunnels. Sie kalibrierten das Modell, indem sie seine Vorhersagen mit realen Überwachungsdaten von Sensoren an der Brücke während des Baus verglichen. Die Übereinstimmung war sehr gut, was Vertrauen gab, dass das Modell Schlüsselverhalten reproduzieren kann, etwa wie stark die Pfähle Setzungen zeigen, wie sich Spannungen im Beton ändern und wie sich das umgebende Gestein und der Boden verformen, wenn der Tunnel darunter vorbeiführt.

Wie viel Bewegung und Spannung noch sicher ist

Die Simulationen zeigten, dass der Fuß der Brückenpfähle stärker absinkt als der Kopf, während der Tunnel sich nähert, darunter hindurchgeht und sich entfernt. Die maximale vertikale Setzung der Pfähle erreichte etwa einen Zentimeter und stabilisierte sich anschließend, wobei sie innerhalb der von chinesischen Sicherheitsvorschriften für bestehende Brücken erlaubten Grenzen blieb. Spannungen und Dehnungen im Pfahlbeton und im umgebenden Gestein blieben ebenfalls deutlich unter Werten, die Rissbildung oder Versagen verursachen würden. Mit anderen Worten: Unter den modellierten Bedingungen konnte die Brücke trotz der unterirdischen Störung normal weiter betrieben werden.

Komplexe Risiken in eine klare Sicherheitsklasse überführen

Da reale Bodenverhältnisse ungleichmäßig sind und die Bauausführung nicht immer ideal verläuft, verließen sich die Forscher nicht allein auf Simulationen. Sie werteten mehr als 300 Fachpublikationen aus, um herauszufinden, welche Faktoren die Sicherheit am stärksten beeinflussen, wenn ein Schildtunnel unter Brückenpfählen vorbeiführt — etwa die Entfernung zwischen Tunnel und Pfählen, die Bodenfestigkeit und die Steifigkeit der Brücke. Mithilfe von Expertenurteilen und statistischer Gewichtung entwickelten sie ein mehrdimensionales Bewertungssystem und wandten anschließend eine Rangmethode an, die das tatsächliche Projekt mit idealen sicheren und unsicheren Fällen vergleicht. Dieser Prozess klassifizierte das Bauvorhaben als Klasse III, was ein relativ hohes Risiko bedeutet und besondere Kontrollmaßnahmen sowie engmaschige Überwachung erfordert, obwohl ein vollständiges Versagen unwahrscheinlich ist.

Vier Schutzvarianten für die Brücke getestet

Die Studie kehrte dann zum digitalen Modell zurück, um vier Schutzstrategien zu vergleichen. Eine Maßnahme fügt neue Unterfangungspfähle hinzu, um die Brückenlast mitzutragen. Eine andere stärkt die vorhandenen Pfähle durch zusätzlichen Beton. Eine dritte injiziert Injektionmörtel in den Boden um die Pfähle, um ein steiferes Erdblock zu bilden. Die vierte ersetzt die übliche Betonauskleidung des Tunnels durch stärkere Stahlsegmente direkt unter der Brücke. Alle vier Optionen reduzieren die Setzung der Brücke auf sicherere Werte, aber nicht gleichermaßen: Der Austausch der Tunnelauskleidung durch Stahl zeigte die geringsten Pfahlbewegungen, gefolgt von Verpressung, dann Pfahlverstärkung; aktive Unterfangung brachte im Verhältnis zu Kosten und Komplexität den geringsten Nutzen.

Was das für künftige städtische Tunnel bedeutet

Für Nichtfachleute ist die wichtigste Erkenntnis beruhigend, aber vorsichtig zu sehen. Die Forschung zeigt, dass mit sorgfältiger Planung, fortgeschrittener Computermodellierung und gezielten Schutzmaßnahmen neue U-Bahn-Tunnel gefahrlos unter bestehenden Brücken hindurchgeführt werden können, ohne diese zu gefährden. Gleichzeitig signalisiert die quantitative Risikoeinstufung — Klasse III — dass solche Projekte nie routinemäßig sind und als empfindliche Vorhaben behandelt werden müssen. Unter den getesteten Optionen erwies sich der lokale Austausch von Tunnelsegmenten gegen Stahl in der Nähe der Brückenpfähle als die effektivste und praktischste Schutzmaßnahme und bietet einen klaren Handlungspfad für Ingenieure, die vor ähnlichen unterirdischen Herausforderungen in wachsenden Städten stehen.

Zitation: Xu, J., Zhang, X., Lin, S. et al. Analysis of construction impact and safety evaluation of metro shield tunnel under-crossing existing bridge pile foundation. Sci Rep 16, 11899 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42025-w

Schlüsselwörter: U-Bahn-Tunnelbau, Brückenpfahlgründungen, Unterirdische Risikoabschätzung, Schildvortrieb Sicherheit, Schutz städtischer Infrastruktur