Forskning om rörelsemönster i omgivande berg och optimerade stödförhållanden för TBM‑tunnlar som korsar sprickzoner i förkastningar

Varför tunnlar genom berg plötsligt kan börja bete sig illa

Långa väg‑ och järnvägstunnlar löper idag genom några av världens högsta och mest branta berg. Dessa passager borras oftast av jättelika tunnelborrmaskiner (TBM) som maler sig genom fast berg. Men när en TBM stöter på en dold förkastningszon — berg som krossats och försvagats av forna jordbävningar — kan tunneln deformeras, kollapsa eller till och med få maskinen instängd. Den här studien granskar ett sådant högriskmöte i en kinesisk bergtunnel och visar hur ett omsorgsfullt utformat stödsystem kraftigt kan minska dessa risker.

En problematisk sträcka i en djup bergtunnel

Forskningen fokuserar på Daliangshan nr 1‑tunnel i Sichuanprovinsen, som löper mer än 10 kilometer under branta, V‑formade dalar. Största delen av sträckan går genom relativt starkt berg, men en sektion korsar F1‑förkastningens sprickzon, där tidigare fast basalt och tuff brutits ner till svaga, vittrade fragment. I denna zon lossnar block från tak och väggar, stora håligheter öppnas, vatten sipprar in och de vanliga kontaktpunkterna där TBM‑n stöder sig mot berget tappar sin bärighet. Under tidig schaktningsfas ledde dessa förhållanden till omfattande stenras, skeva stålribbor, sammanfall av tunnelväggarna och till och med ett tillfälle då TBM‑n fastnade efter ett driftstopp.

Mätning av markrörelser

För att förstå vad som hände — och hur det kunde kontrolleras — kombinerade teamet tre angreppssätt. I laboratoriet testade de pulveriserade kärnprover från förkastningszonen för att fastställa hur svagt det omvandlade berget egentligen var. I datorn använde de finite‑elementprogrammet ABAQUS för att simulera en TBM som avancerar genom en 8 meter bred tunnel som korsar ett 40 meter brett förkastningsband med 40 graders lutning. Och i fält installerade de instrument längs flera tvärsnitt för att övervaka hur tunneltak (valv), väggar och markytan rörde sig när schaktningsarbetet fortskred. Denna blandning av testning, modellering och mätning på plats gjorde det möjligt att koppla det som sågs under mark med den osynliga omfördelningen av spänningar i de omgivande bergen.

Vad som händer när maskinen möter förkastningen

Simuleringar och mätningar avslöjade ett tydligt mönster: deformationen var »störst i mitten och mindre i båda ändar« av förkastningszonen. När TBM‑n trängde in i den svagaste kärnan av F1 sjönk tunneltaket dramatiskt — upp till 92 millimeter — medan markytan ovan sjönk med upp till 42 millimeter. Taket började sjunka cirka 10 meter innan maskinen nådde en övervakad sektion och fortsatte röra sig fram till ungefär 10 meter bortom den. Sidoväggarna reagerade senare och svagare, med maximala förflyttningar kring 15 millimeter. Långt från förkastningen, där berget var mer intakt, föll sättningsökningarna under 5 millimeter och tunnelns beteende blev mycket mer stabilt. Utan ingripande hotade dock de stora förskjutningarna i förkastningskärnan både arbetssäkerheten och TBM‑ns förmåga att fortsätta avancera.

Bygga ett starkare hölje runt tunneln

Ledd av dessa fynd och erfarenheter från andra projekt utformade ingenjörerna ett förstärkt stödsystem anpassat till det förkastade berget. I stället för att bara förlita sig på stålribbor och enkel sprutbetong kompletterades konstruktionen med ett tätt nätverk av nya stålförstärkningsband runt större delen av tunnelns omkrets, sprutbetongen uppgraderades till högre hållfasthetsblandningar och man använde formning och injektering för att skapa en fast bäryta där TBM‑ns greppskor trycker mot väggarna. I mycket lösa eller kollapsande delar installerades självborrande bergbultar och glasfiberankare och håligheter och karsthålor fylldes med betong. Numeriska modeller som inkluderade dessa åtgärder förutsade betydligt mindre rörelser, och fältövervakningen bekräftade förbättringen.

Hur mycket säkrare tunneln blev

Efter förstärkningen sjönk maximal taksättning vid alla övervakade sektioner till cirka 17 millimeter och markytans sättning till omkring 7 millimeter — minskningar på ungefär 80 procent jämfört med fallet utan förstärkning. Tunnelväggar och valvfötter rörde sig bara några millimeter, och det övergripande deformationsmönstret blev jämnare och mer förutsägbart. Bergsprickbildning och kollapshålor minskade avsevärt, bäreevnen för TBM‑ns skor förbättrades och maskinen kunde avancera kontinuerligt utan nya instängningshändelser. I praktiska termer förvandlade det uppgraderade stödet en mycket instabil tunnelsträcka till ett hanterbart ingenjörsproblem.

Vad detta innebär för framtida tunnlar

För icke‑specialister är huvudbudskapet att »dålig jord« i förkastningszoner inte behöver sätta stopp för djupa tunnelprojekt. Genom att först mäta hur berget beter sig, sedan simulera hur tunnel och berg samverkar, och slutligen anpassa förstärkningen till dessa förhållanden, kan ingenjörer kraftigt begränsa hur mycket tunneln deformeras — även i krossat, vittrat berg en kilometer under ytan. Tillvägagångssättet som användes i Daliangshan nr 1‑tunnel erbjuder en vägledning för andra bergtunnlar som måste korsa liknande kombinationer av vittrat berg och aktiva eller forntida förkastningar, vilket förbättrar säkerheten och minskar risken för kostsamma TBM‑stopp.

Citering: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Nyckelord: tunnelborrmaskin, förkastningssprickzon, tunnelstöd, marksänkning, bergstunnlar