Analys av påverkan från bottenpåfyllningskuddar på sköldtunnels mekaniska respons

Hålla tunnelbanetunnlar säkra och i nivå

Moderna städer är beroende av underjordiska spår, men tunnlarna som leder tågen kan successivt sjunka eller luta när närliggande byggnationer och mjuka jordlager stör marken. Denna artikel undersöker en lovande metod för att försiktigt "lyfta" sjunkna tunnelbanetunnlar underifrån med flexibla kuddar fyllda med injektionsmassa. Genom att klargöra hur dessa kuddar expanderar i olika jordar och hur de påverkar tunneln pekar studien mot säkrare och mer förutsägbara reparationer som kan förlänga livet för trafikerade tunnelbanesystem.

Varför tunnlar sjunker från början

Sköldtunnlar, de cirkulära rör som byggs med tunnelmaskiner, ligger i jord som ständigt påverkas av nya grundläggningar, underfarter och andra underjordiska arbeten. Med tiden kan delar av en tunnel sätta sig mer än andra, vilket ger en svag men skadlig böjning längs dess längd och en lätt tillplattning av dess runda tvärsnitt. Dessa deformationer kan öppna fogar mellan segment, orsaka läckage, skada betongkanter och hota tågens jämna och säkra framfart. Ingenjörer använder redan injicering—att trycka in fluid massa i marken—för att lyfta och stödja tunnlar, men traditionella metoder injicerar massan direkt i jorden, vilket gör det svårt att förutsäga var massan sprider sig och hur stor kraft den faktiskt överför till tunneln.

Ett nytt sätt att rikta det underjordiska "domkraftet"

Kuddinjektering angriper denna osäkerhet genom att placera flexibla kuddar i förborrade hål under eller vid sidan av tunneln och sedan pumpa injektionsmassa in i kuddarna. Kudden begränsar massan, så istället för att pressas längs oförutsägbara sprickor sväller den som en kontrollerad ballong som trycker mot omgivande jord. Författarna genomförde först småskaliga "enhets"-tester i genomskinliga jordlådor fyllda med antingen sandig jord eller lera. Genom att mäta hur trycket förändrades på många punkter under injekteringen visade de att för samma volym massa och kuddkonfiguration utvecklade stelare jordar (med lägre kompressibilitet) högre ytterligare marktryck än mjukare jordar. I båda jordtyperna spred sig massan huvudsakligen genom kompression inom kudden och skapade en begränsad, välavgränsad tryckzon i stället för ett brett och osäkert utbredningsområde.

Skalning upp till en realistisk tunnelmodell

Nästa steg var att bygga en stor tredimensionell modell: en stålringsdel som representerar en metrotunnel, nedgrävd i en låda med kompakterad sand och utrustad med dussintals trycksensorer och förskjutningslinjaler. De testade två reparationsstrategier. I den ena placerades en enda kudde direkt under tunneln. I den andra installerades två kuddar vid positioner 45 grader från botten, en på varje sida. När massan pumpades registrerade sensorerna hur marktrycket ökade runt tunneln, hur tunnelns inre diameter förändrades vertikalt och horisontellt, och hur mycket tunneln höjdes längs sin längd.

Hur kuddförläggning ändrar tunnelnas beteende

När injektering skedde direkt under tunneln ökade marktrycket i botten kraftigt medan trycket i toppen bara förändrades marginellt. Tunneln lyftes som avsett, men dess cirkulära tvärsnitt klämdes till en mer horisontell oval: den vertikala diametern krympte och den horisontella diametern ökade nästan lika mycket. Denna "horisontella elliptiska deformation" är oönskad eftersom den kan introducera nya spänningar och skador. Däremot, när kuddarna placerades i 45 graders vinkel på båda sidor upplevde tunneln fortfarande ett tydligt upplyft men dess form förändrades mycket lite. Marktrycken vid botten och sidorna ökade på ett mer balanserat sätt och tunnelns vertikala och horisontella diametrar höll sig nära sina ursprungliga värden.

Spåra hur trycket rör sig från pump till tunnel

Genom att dissekera den förhärdade massan efter testerna visualiserade forskarna hur massabollarna utvecklades. Under tunnelns centrum var den slutliga massablocket konformat och något asymmetriskt, vilket stämmer med de ojämna tryck som registrerades på de två sidorna av tunneln och den uttalade ovala deformationen. Med sidokuddar vid 45 grader var massabanden mer cylindriska och liknande på båda sidor, och de uppmätta trycken var nästan symmetriska. Utifrån dessa observationer beskriver författarna en tydlig lastöverföringskedja: pumptrycket blåser upp kudden, den expanderande kudden pressar intilliggande jord och ökar marktrycket, och det ökade marktrycket överförs slutligen till tunneln som ytterligare laster som böjer och lyfter konstruktionen.

Vad detta innebär för verkliga tunnlar

För icke-specialister är huvudbudskapet att användning av massafyllda kuddar under tunnelbanetunnlar kan göra reparationer mer precisa och mindre riskfyllda än traditionella fria injektioner. Studien visar att jordtyp starkt påverkar hur mycket lyftkraft en given massvolym kan ge, och att var kuddarna placeras runt tunneln är avgörande. Kuddar placerade i 45 graders vinkel på båda sidor kan höja en nedsett tunnel samtidigt som dess runda form i hög grad bevaras, vilket begränsar nya spänningar och sprickor. Denna förbättrade förståelse av hur trycket rör sig från pumpen, genom kudden och jorden och vidare in i tunneln ger ingenjörer en mer solid vetenskaplig grund för att utforma säkra, riktade lyftoperationer under våra städer.

Citering: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

Nyckelord: sköldtunnel, injicering, tunnelbaneskötsel, marksänkning, tunnellyft