Analys av hur ny tunneldrivning påverkar stabiliteten hos intilliggande befintliga tunnlar

Varför trånga städer behöver säkrare tunnlar

När stora städer bygger ut sina tunnelbanelinjer måste nya tunnlar allt oftare slingra sig förbi redan driftatta sträckor. Att utgräva en ny tunnel för nära en befintlig kan skjuta, vrida eller spräcka den äldre konstruktionen, med uppenbara konsekvenser för säkerhet och drift. Denna studie undersöker hur mycket en i drift varande metrotunnel kan deformeras när en ny tunnel grävs intill och presenterar enkla formler ingenjörer kan använda för att förhindra att framtida schaktningsarbeten äventyrar dagens resenärer.

Hur nya tunnlar stör marken

Tunnelborrmaskiner skär bort jord och berg och ersätter det med en betongfodrad tunnel. Den processen lossar och förskjuter omgivande mark något. I sin tur förändras hur marken trycker på allt som redan ligger nedgrävt där, till exempel en äldre tunnel. Författarna går först igenom hur vikten av marken ovanför en tunnel vanligen uppskattas. Klassiska metoder antar en jämn "valv" av jord som bär lasten runt öppningen, men de bortser från hur mycket material som faktiskt förloras eller förskjuts under schaktningsarbetet. Teamet förfinar denna idé för att hantera loess och liknande jordar som är vanliga i Xi’an, Kina, där många nya tunnelbanelinjer planeras.

Uppdatering av hur vi uppskattar marktryck

Traditionella beräkningar, med rötter i Karl Terzaghis arbete på 1930-talet, betraktar jordvalvet över en tunnel som fullständigt bildat och använder en fast faktor för att omvandla vertikal vikt till sidotryck på fodret. Senare forskning visade att detta missar en viktig detalj: när tunnelns front avancerar sätter sig eller förflyttas en del av marken, vilket försvagar valvet. Författarna använder en nyare metod med ett "ofullständigt jordvalv" som uttryckligen inkluderar markförlustkvoten — hur mycket ytan eller kronan sätter sig när tunneln grävs. De visar att för realistiska förluster i lerig loess förutspår den förfinade metoden vanligtvis lägre och mer realistiska tryck på tunneln än äldre formler, särskilt när markförlusten inte är försumbar.

Virtuella försök med tvillingtunnlar

För att se hur en ny tunnel påverkar en redan befintlig intilliggande tunnel byggde forskarna detaljerade tredimensionella datamodeller med typisk Xi’an-jord och tunnelmått. De varierade tre saker: tunnelarnas diametrar, avståndet mellan dem och deras relativa positioner — sida vid sida, diagonalt förskjutna eller en direkt ovanför den andra. I varje scenario simulerade de schaktningen ring för ring och följde hur åtta nyckelpunkter runt den befintliga tunnelns tvärsnitt rörde sig. Modellerna visar att ju närmare tunnlarna är och ju större den befintliga tunneln är, desto mer deformeras den. De visar också att befintliga tunnlar inte bara förskjuts; de tenderar att vrida sig, med ena sidan mer förskjuten än den andra.

Hur tunnlar rör sig, vrider sig och sätter sig

När den nya tunneln går ungefär parallellt och på ungefär samma djup pressas den äldre tunneln främst sidledes mot schaktet, med endast liten vertikal sättning. I detta fall dominerar horisontell förskjutning, och vridningen (rotationen) av den gamla tunneln är mest uttalad när fritt avstånd är omkring fem meter. När avståndet ökar till 20 meter kan den maximala sidoförflyttningen sjunka med mer än två tredjedelar och vridningen bli försumbar. När den nya tunneln ligger diagonalt eller direkt under ändras bilden: den befintliga tunneln både förskjuts och sätter sig. Vertikala rörelser kan nå nästan två centimeter när tunnlarna är nära och stora, och minskar stadigt när avståndet ökar. I alla layouter växer rotationsvinkeln med tunneldiametern men krymper när tunnlarna placeras längre ifrån varandra, enligt jämna matematiska kurvor.

Enkla formler ingenjörer faktiskt kan använda

Från dessa simuleringar destillerade författarna prediktiva formler som kopplar de maximala sid- och nedåtrörelserna hos en befintlig tunnel till två lättmätbara storheter: dess radie och dess avstånd från den nya tunneln. Sambanden följer för det mesta logaritmiska trender i avstånd, vilket innebär att mycket nära placering kraftigt ökar deformationerna, medan att lägga till extra avstånd bortom ungefär 15–20 meter ger avtagande marginalnytta. Studien klargör också att för sida‑vid‑sida-tunnlar håller man automatiskt de vertikala rörelserna inom säkra gränser om de horisontella rörelserna hålls inom regelverkets gränser.

Vad detta betyder för framtida tunnelbaneutbyggnad

För icke‑specialister är huvudbudskapet enkelt: när du lägger en ny tunnel nära en befintlig kommer den äldre tunneln att röra sig — men i en förutsägbar omfattning om avstånd, dimensioner och jordförhållanden är kända. Genom att förfina hur marktryck uppskattas i loess och genom att tillhandahålla kompakta formler för tunnelvridning och förskjutning ger detta arbete praktiska verktyg för att avgöra hur nära som är för nära, när extra förstärkning behövs och hur man planerar sträckningar som skyddar de tunnlar städer redan är beroende av.

Citering: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

Nyckelord: tunnelbanetunnlar, tunneldrivning, markdeformation, tunnelinteraktion, urbana underjordiska utrymmen