Experimentele studie naar de invloed van synchroon injecteren van grout bij schildtunneling op een bovenliggende bestaande tunnel in een zandige grondlaag

Waarom wat onder onze steden gebeurt ertoe doet

Moderne steden bouwen steeds vaker gelaagde ondergrondse netwerken voor metro’s, nutsvoorzieningen en wegen. Wanneer ingenieurs een nieuwe tunnel onder een bestaande moeten aanleggen, pompen ze vloeibare grout rond de nieuwe constructie om te voorkomen dat de grond inzakt. Maar in losse, zandige grond kan diezelfde grout onbedoeld op de bovenliggende tunnel drukken, waardoor deze buigt en vervormt op manieren die de veiligheid op lange termijn kunnen bedreigen. Deze studie gebruikt een zorgvuldig geschaald laboratoriummodel om te laten zien hoe en waarom dat gebeurt, en hoeveel grout te veel is.

Een miniatuurstad ondergronds bouwen

Om deze verborgen processen te onderzoeken bouwden de onderzoekers een grote zandbak gevuld met zand waarvan korrelgrootte en dichtheid echte metroomstandigheden nabootsen. Binnenin plaatsten ze een stalen model van een "bestaande" cirkelvormige tunnel en daaronder een tweede tunnel die de nieuw uitgegraven tunnel door een schildmachine voorstelt. De hele opstelling was op één tiende van de werkelijke maat gebouwd, wat nauwkeurige controle mogelijk maakte en toch realistisch gedrag vastlegde. In plaats van elke stap van het tunnelen tegelijk te simuleren, splitsten ze de fasen: de ontgraving was in eerder werk gemodelleerd, en deze studie concentreerde zich uitsluitend op het injecteren van grout achter het schild bij het plaatsen van nieuwe tunnelringen.

Hoe grout wordt geïnjecteerd en gemeten

In echte projecten wordt grout in de smalle kier achter de schildstaart gepompt om de ruimte tussen de bekleding en de grond te vullen. Het team reproduceerde dit met een aangepast schild, afsluitborstels en groutleidingen aangesloten op een pomp. Ze varieerden twee belangrijke parameters: het watergehalte van de groutslurry en hoeveel grout werd geïnjecteerd ten opzichte van het volume dat strikt noodzakelijk moest worden gevuld, bekend als de groutvulratio. Kleine sensoren in het zand maten hoe de druk in de grond rond de bovenste tunnel veranderde. Binnenin die tunnel hielden overlappende stalen linialen, lasers en camera’s minieme veranderingen in diameter en buiging bij, zodat de onderzoekers precies konden zien hoe het bouwwerk vervormde naarmate het injecteren vorderde.

Verborgen drukken en buigingen in de bovenste tunnel

De metingen toonden aan dat grout niet uniform werkt. Terwijl de geïnjecteerde zone zich onder de bestaande tunnel voortbewoog, steeg de druk in het zand sterk, vooral direct onder het midden van de tunnel. De onderkant van de bovenste tunnel ondervond de grootste toename, terwijl de zijkanten weinig veranderden en de bovenkant slechts bescheiden. Wanneer de groutvulratio hoog was, was de opwaartse druk onderaan de tunnel ongeveer anderhalf keer groter dan bij een zuiniger gebruik. Deze onevenwichtige belasting liet de bovenste tunnel omhoog welven boven het groutpad, waarbij de onderzijde meer omhoog kwam dan de bovenkant. Tegelijk veranderde de doorsnede van de tunnel van vorm: de verticale diameter kromp terwijl de horizontale diameter toenam, waardoor de cirkel een lichte zijwaartse ovaal werd.

Wanneer meer grout een probleem wordt

Deze vervormingen zijn belangrijk omdat tunnels ontworpen zijn om krachten gelijkmatig rond hun cirkelringen te verdelen. Wanneer de onderzijde uitzet en de doorsnede elliptisch wordt, dragen sommige delen van de bekleding veel meer spanning dan andere. De studie toont aan dat in zandige grond het gebruik van een grote groutvulratio (ongeveer 1,6 keer het strikt benodigde holtevormige volume) aanzienlijke opwaartse beweging en ovalisatie van een bovenliggende tunnel kan veroorzaken. Zodra de grout onder de tunnel uitharde en iets krimpt, veerde een deel van de opheffing deels terug, maar de periode met extra buiging had het bouwwerk al belast. In de loop van de tijd kunnen dergelijke veranderingen barsten, het openen van voegen, boutschade en lekkages bevorderen.

Praktische lessen voor veiligere tunnels

Voor niet‑specialisten is de boodschap helder: bij het graven van een nieuwe tunnel onder een oude in zandige grond kan te veel ondersteunende grout bijna net zo problematisch zijn als te weinig. De experimenten suggereren dat het houden van de groutvulratio onder ongeveer 1,6, en deze aan te passen op basis van real‑time monitoring, helpt om overmatige opheffing en vervorming van de bestaande tunnel te vermijden. Door deze onzichtbare ondergrondse krachten beter te begrijpen, kunnen ingenieurs hun ontwerpen en bouwbeheersing verfijnen en zo de tunnels beschermen die al miljoenen passagiers vervoeren terwijl ze de nieuwe toevoegen die onze groeiende steden vragen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: schildtunneling, synchroon injecteren van grout, metrotunnels, zandige grond, tunnelvervorming