Verformungsmechanismen eines bestehenden Tunnels neben einem tiefen Keller, der durch Kreisrundträger in weichen Tonen gestützt wird

Warum Tiefbau neben Tunneln wichtig ist

Wenn Städte eher in die Tiefe als in die Breite wachsen, müssen Ingenieure große unterirdische Keller direkt neben in Betrieb befindlichen U-Bahntunnels anlegen. Das Entfernen von Boden in weichem Untergrund kann benachbarte Tunnel verschieben, Risse verursachen oder ihre Ausrichtung verändern. Diese Studie untersucht, wie ein neues Stützsystem mit kreisförmigen Trägern in tiefen Kellern die Bodenbewegungen beeinflusst und wie stark nahe Tunnel beeinträchtigt werden, und liefert Hinweise, damit städtische Verkehrssysteme während der Bauzeit sicher bleiben.

Beobachtung einer großen Baugrube in weichem Ton

Die Forscher begannen mit einem realen Bauvorhaben in weichem Ton, bei dem ein sehr großer Keller mit einem ungewöhnlichen Verbausystem ausgehoben wurde. Statt traditioneller gerader Stützen verwendeten die Bauunternehmen zwei große kreisförmige Betonträger zur Abstützung der Wände. Die Baustelle war umfangreich instrumentiert, mit Sensoren, die die Wandverbiegung und die Setzung der Bodenoberfläche beim schrittweisen Aushub verfolgten. Auf Grundlage dieser detaillierten Felddaten erstellte das Team ein dreidimensionales Computermodell, das die genauen Bodenschichten, die Anordnung von Wand und Trägern sowie die im Feld verwendete Aushubfolge nachbildete.

Abgleich von Computerprognosen mit realen Bodenbewegungen

Um sicherzustellen, dass das Computermodell die Realität widerspiegelt, verglichen die Autoren seine Vorhersagen mit den Messwerten der Instrumente. Sie nutzten ein fortgeschrittenes Bodenmodell, das das Verfestigungsverhalten von weichem Ton bei sehr kleinen Dehnungen und die Erweichung bei Störung berücksichtigt. Die berechneten seitlichen Verformungen der Verbauelemente und die Einsenkung der Bodenoberfläche stimmten nahezu perfekt mit den Messungen überein. Die maximale Bodensetzung, die das Modell vorhersagte, wich vom beobachteten Wert um weniger als zwei Prozent ab; zudem erfasste das Modell die Lage des größten Setzungsmaximums und das Ausmaß der hinter der Baugrube gestörten Zone. Diese enge Übereinstimmung gab dem Team Vertrauen, das Modell zu nutzen, um viele weitere Tunnel‑ und Kellerkonfigurationen zu untersuchen, die sich im Feld nur schwer oder gar nicht erproben lassen würden.

Wie sich benachbarte Tunnel tatsächlich bewegen

Mit dem verifizierten Modell simulierten die Forscher einen typischen U-Bahntunnel, der dicht an einer Seite eines tiefen Kellers mit kreisförmigen Trägern verläuft. Sie variierten drei Hauptgrößen: die Deckung über dem Tunneldach, den Abstand zwischen Tunnel und Keller sowie das Längen‑zu‑Tiefen‑Verhältnis des Kellers. Die Simulationen zeigten, dass der Tunnel nicht nur absinkt; vielmehr bewegt er sich dreidimensional, wobei seitliche Biegungen die dominierende Rolle spielen. Die größten Tunnelverschiebungen treten direkt gegenüber der Mitte des Kellers auf, und bei vielen realistischen Anordnungen war die seitliche Bewegung fast doppelt so groß wie die Setzung. Mit zunehmendem Abstand zwischen Tunnel und Keller nahmen sowohl seitliche als auch vertikale Bewegungen deutlich ab, insbesondere innerhalb eines Bereichs von etwa ein bis zwei Aushubtiefen.

Überlagerungstiefe und Kellerausdehnung verändern das Risiko

Die Bodenbedeckung des Tunnels zeigte einen nicht intuitiven Einfluss. Wenn der Tunnel tiefer platziert wurde, nahmen die Bewegungen zunächst zu und fielen dann wieder ab; die stärkste Reaktion trat typischerweise auf, wenn das Tunneldach in einer Tiefe lag, die etwas mehr als die Hälfte der Aushubtiefe betrug. Die Form der Tunnelverzerrung um den Querschnitt drehte sich ebenfalls mit der Tiefe und verschob damit die Stellen, an denen die größten Dehnungen auftreten würden. Die Kellerskala war ebenso wichtig: Längere Aushübe bauten mehr Spannungen im umgebenden Ton ab, wodurch sowohl seitliche Tunnelverschiebungen als auch Setzungen annähernd linear mit der Kellerlänge zunahmen. Wurde der Keller länger als etwa das Sechsfache seiner Tiefe, lagen die prognostizierten Tunnelbewegungen über gängigen Betriebsgrenzen, sofern nicht besondere Schutzmaßnahmen vorgesehen waren.

Ein einfaches Diagramm für Ingenieure

Um diese komplexen dreidimensionalen Ergebnisse in ein praxisgeeignetes Werkzeug zu überführen, fassten die Autoren ihre Simulationen in einem einfachen Bemessungsdiagramm zusammen. Das Diagramm unterteilt den Raum um einen Keller in Zonen, in denen erwartete Tunnelbewegungen vernachlässigbar, mäßig oder groß genug sind, um Anlass zur Sorge zu geben. Diese Zonen hängen vor allem vom Abstand des Tunnels zum Keller und von seiner Tiefe im Verhältnis zur Aushubtiefe ab. Für jede Kombination zeigt das Diagramm, ob Tunnelbewegungen voraussichtlich innerhalb von fünf, zehn oder zwanzig Millimetern bleiben oder diese Schwellen überschreiten.

Was das für den städtischen Bau bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Tiefe Keller, die in weichem Ton durch kreisförmige Träger gestützt werden, können in Tunnel­nähe sicher errichtet werden, aber die Tunnelbewegung wird am stärksten durch Abstand, Tiefe und Kellerlänge gesteuert. Seitliches Schieben des Tunnels ist in der Regel kritischer als reines Absinken. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Diagramm bietet Ingenieuren eine schnelle Orientierung, um zu beurteilen, wann eine geplante Aushubmaßnahme voraussichtlich unproblematisch ist und wann zusätzliche Schutzmaßnahmen wie Bodenverbesserung oder Isolationswände vor Beginn des Aushubs erforderlich sind.

Zitation: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

Schlüsselwörter: Tunnelverformung, Tiefbaugrube, weicher Ton, Kellerbau, Sicherheit von U-Bahntunneln