Experimentell studie om kollapsrisk för befintlig tunnelbanestation vid ensidig storskalig schaktning

Varför grävning nära tunnelbanor kan vara riskabelt

När städer bygger nya tunnelbanelinjer och underjordiska köpcentra tvingas byggare ofta gräva stora schakt precis intill stationer som redan är i drift. Vid första anblick ser dessa stationer ut som solida underjordiska fästningar. Men när jord tas bort på bara ena sidan förändras den dolda balansen av tryck i marken. Den här studien ställer en praktisk fråga med stora säkerhetsimplikationer: hur brett och hur djupt kan man gräva på ena sidan av en fungerande tunnelbanestation innan stationen lutar, närliggande gator spricker eller byggnader börjar skadas?

En verklig station inspirerar ett labbexperiment

Forskningen bygger på Jincheng Plaza Station i Chengdu, Kina, en trafikerad underjordisk knutpunkt där tre tunnelbanelinjer möts. En linje är redan byggd, medan de andra kräver ett omfattande nytt schakt precis intill den färdiga stationen, vilket exponerar en av dess långa sidoväggar. För att undersöka riskerna innan fullskalig byggnation genomfördes, byggde forskarna en detaljerad skalmodell av stationen och den omgivande mjukbergs- och jordmassan. I skala 1:100 placerade de en transparent jordlåda i labbet, infogade en miniatyrstation av styv plast och "grävde" sedan ena sidan av jorden i noggrant kontrollerade steg.

Att iaktta en liten stations rörelser och påfrestningar

Modellen instrumenterades som en verklig byggarbetsplats. Förskjutningsmätare följde hur stationstaket rörde sig vertikalt och sidledes. Tryckceller bakom väggen mätte hur jordtrycket förändrades, och töjningsmätare på väggen registrerade hur mycket stationens konstruktion drog sig eller trycktes ihop. Teamet genomförde 28 olika schaktscenarier, med kombinationer av fyra djup och sju bredder av ensidig schaktning, från måttliga gropar till att ta bort jord längs hela stationens längd. Efter varje litet schaktsteg väntade de på att jorden satte sig och registrerade sedan de nya deformationerna, trycken och töjningarna.

Vad som händer när ena sidan grävs för mycket

Experimenten visade att vertikal sättning av stationstaket förblev liten och inom säkerhetsgränserna i alla testade fall; stationen sjönk knappt. Den verkliga faran kom från sidledes rörelser. När den ensidiga schaktningen blev djupare och bredare lutade stationen stadigt mot schaktet. När schaktdjupet översteg ungefär två tredjedelar av stationens höjd blev lutningen tydlig. För schaktbredder runt en halv till lika med stationens bredd nådde sidledes rörelser varningsnivåer; vid ännu större bredder (100 meter och däröver i det verkliga projektet) överskred lateral deformation den kodbaserade säkerhetströskeln, vilket betyder att normal tågtrafik inte längre kunde garanteras.

Marken lossnar upptill, pressas ihop nedtill

Själva jorden uppvisade också ett avslöjande beteende. När stationen lutade förlorade det grunda jordlagret precis bakom den uppgrävda väggen kontakten med konstruktionen och blev lösare, så jordtrycket där sjönk kraftigt—med upp till cirka 98 procent i det mest extrema fallet. Samtidigt pressades djupare jord nära väggens fot hårdare, vilket ökade trycket i en kompakterad zon. Denna kombination innebär att marken nära ytan inte längre säkert kan bära trottoarer eller byggnadsfundament, vilket ökar risken för vägkollaps eller sluttande höghus, även om stationens betongskal fortfarande har tillräcklig hållfasthet och inte spricker.

En praktisk varningskarta för byggare

Eftersom sidolutning visade sig vara den mest känsliga indikatoren på problem använde författarna sina data för att bygga ett enkelt riskzonsdiagram. Det delar kombinationer av schaktdjup och -bredd i fyra färgkodade nivåer: A (ingen risk) där byggnation kan fortsätta normalt, B (allmän risk) som kräver närmare övervakning, C (hög risk) där arbetet bör pausas för säkerhetsbedömning, och D (stor risk) där omedelbara åtgärder krävs. Tillämpat på Jincheng Plaza-projektet förutsade metoden korrekt en hög-riskzon C vid en planerad schaktning på 22 meters djup och 80 meters bredd; efter att extra stöd lades till minskade den faktiska stationens rörelser med ungefär två tredjedelar. För stadsplanerare och ingenjörer omvandlar denna studie komplex underjordisk mekanik till ett praktiskt, lättanvänt verktyg för att hålla tunnelbanestationer och närliggande byggnader säkra under ambitiösa nya schaktningar.

Citering: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

Nyckelord: tunnelbanestation säkerhet, djup schaktning, markdeformation, urban tunnelbygge, riskbedömning