Analyse der Segmenthebungen während des Schildvortriebs unter Berücksichtigung von Schichtenversickerungseffekten

Warum Tunnelhebung für das städtische Leben wichtig ist

Moderne Städte sind zunehmend auf unterirdische Bahnen angewiesen, um den Verkehr zu entlasten und Platz an der Oberfläche freizugeben. Das Vortriebsgraben von langen Tunneln unter bebautem Gebiet ist jedoch nicht risikofrei. Wenn ein Tunnel von einer großen Schildmaschine aufgefahren wird, können die Betonsegmente, die den Tunnel auskleiden, manchmal stärker ansteigen, also „heben“, als erwartet. Zu starke Hebung kann die Auskleidung rissig machen, eindringendes Wasser ermöglichen und sogar den darunterliegenden Boden und die darüber liegenden Bauwerke stören. Diese Studie untersucht eingehend, wie das Zusammenspiel von injiziertem Verguss und natürlichem Grundwasser zur Tunnelhebung beiträgt, anhand eines realen Abschnitts der U-Bahn in Dalian, China, als Fallbeispiel.

Ein genauerer Blick unter die Straßen

Die Forschenden konzentrierten sich auf einen Tunnelabschnitt, der durch urbanen Untergrund mit geschichteten Auffüllungen, Tonen und kiesigem Boden verläuft, der Grundwasser führt. Während die Schildmaschine vorrückt, bleibt zwischen der kreisförmigen Betonauskleidung und dem umgebenden Boden eine kleine Fuge zurück. Diese Fuge wird unmittelbar mit flüssigem Vergussmaterial gefüllt, um den Boden zu stützen und den Tunnel zu stabilisieren. Da der Verguss leichter und flüssiger als der Boden ist und der Untergrund wasserführend ist, kann die Auskleidung durch eine Kombination aus Vergussdruck und Wasserdruck nach oben gedrückt werden. Frühere Studien behandelten diesen Effekt oft vereinfacht und berücksichtigten nicht vollständig, wie sich Wasser während der Vergussinjektion und des Abbindeprozesses durch den Boden bewegt.

Ein virtuelles Tunnelmodell am Computer

Um diese Prozesse auseinanderzudividieren, entwickelte das Team ein dreidimensionales Computermodell des Tunnels, des Vergusses und des umliegenden Bodens. Das Modell bildete reale geologische Schichten nach und ließ Wasser entsprechend bekannter Strömungsgesetze durch den Boden sickern. Es stellte außerdem den schrittweisen Vortrieb der Schildmaschine nach: Aushub des Bodens, Sicherung der Tunnelsohle, Einbau jeder Segmentringauskleidung und Vergussspritzen darum herum. Dem Verguss wurden unterschiedliche Steifigkeitsstufen zugewiesen, während er sich vom frisch gepumpten Fluid zum ausgehärteten Material veränderte. Das Modell wurde anhand sorgfältiger Feldmessungen überprüft, die mit Oberflächenmesspunkten und einem lasersystembasierten Führungssystem erhoben wurden, das die Tunnelauskleidung beim Vortrieb verfolgte.

Wie Wasser und Verguss gemeinsam den Tunnel heben

Die Simulationen zeigten, dass sich der Wasserdruck um die Tunnelauskleidung scharf ändert, wenn die Maschine vorbeifährt und Verguss injiziert wird. Die stärksten Schwankungen des Porenwasserdrucks treten am unteren Teil der Auskleidung auf, schwächere Veränderungen zeigen sich an den Seiten und die geringsten am oberen Teil. Die Hebung folgt einem ähnlichen Muster: Die Tunnelsohle (Invert) hebt sich am stärksten, die Seiten etwas weniger und die Gewölbe (Krone) am wenigsten. Ein Großteil der Gesamthebung erfolgt in den ersten fünf Ringen hinter dem Schildende, in der Phase, in der der Verguss noch sehr fluid ist und sein Druck hoch ist. Sobald der Verguss zu erhärten beginnt und sich die Spannungssituation im Boden anpasst, verlangsamt sich das Hebungswachstum und flacht schließlich ab. Wenn die Grundwasserbewegung berücksichtigt wird, fällt die endgültige Hebung deutlich größer aus—etwa ein Fünftel der gesamten Hebung im Modell ist auf die gemeinsam wirkende Wirkung von Versickerung und Vergussdruck zurückzuführen, nicht nur auf den Verguss allein.

Welche Bauentscheidungen die Hebung verstärken

Mithilfe des validierten Modells variierten die Autorinnen und Autoren anschließend wichtige Einflussgrößen bei sonst vergleichbaren Bedingungen. Tiefere Tunnel zeigten stärkere Hebungen, hauptsächlich weil der Grundwasserdruck mit der Tiefe zunimmt und das Aufweiten des Vergusses sowie das Anheben der Auskleidung fördert. Höhere Vergussdrücke führten ebenfalls zu stärkeren Hebungen, wobei dieser Effekt jedoch kleiner war als der Einfluss der Tiefe. Ein weiterer wichtiger Faktor war, wie schnell und wie nahe an der Maschine der Verguss zu erstarren begann. Wenn der erste Abbindezeitpunkt weiter hinter dem Schild lag, blieb der Verguss länger fluid um die Auskleidung und ließ damit mehr Zeit für die Entwicklung der Hebung. Die Studie fasste diese Trends in einfachen empirischen Formeln zusammen, die die Hebung mit der Einbautiefe, dem Vergussdruck und dem Abstand zur Tunnelfront in Beziehung setzen und Ingenieurinnen und Ingenieuren eine praktische Möglichkeit geben, die Hebung unter ähnlichen Bodenverhältnissen abzuschätzen.

Folgen für sichereres Unterwegssein unter der Erde

Für Nicht-Fachleute lautet die Kernaussage, dass Tunnelhebung nicht nur davon abhängt, wie kräftig Vergussmaterial gepumpt wird—sie ist auch stark davon beeinflusst, wie sich Grundwasser durch den Boden bewegt und wie schnell der Verguss verfestigt. Indem diese Arbeit das kombinierte Wirken von Vergussdruck und Wasserversickerung erfasst und die Ergebnisse mit Messungen aus der Praxis abgleicht, bietet sie ein realistischeres Bild davon, wie und wann Tunnelauskleidungen während des Baus ansteigen. Die Ergebnisse können Planenden helfen, sicherere Einbautiefen, Vergussdrücke und Vergussformulierungen zu wählen und so das Risiko von Rissen, Leckagen und Hebungen an der Oberfläche zu verringern, wenn neue U-Bahn-Linien unter unseren Städten gebaut werden.

Zitation: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Schlüsselwörter: Schildtunnelhebung, Grundwasserinfiltration, synchrone Vergussarbeiten, U-Bahn-Tunnelbau, numerische Modellierung