Seismisk skadautveckling och dynamiska egenskaper hos omkringliggande berg i tunnels mynningar på antidip‑sluttningar förstärkta med rambalkar

Varför tunnelmynningar spelar roll vid stora jordbävningar

När en stor jordbävning inträffar tänker vi oftast på kollapsade byggnader och trasiga broar. Men bergtunnlar som leder motorvägar och järnvägar genom kuperad terräng klarar sig ofta med förvånansvärt lite inre skador. Den svaga länken är tunnelmynningen, där solida underjordiska konstruktioner möter branta bergsluttningar. Denna studie ställer en praktisk fråga med stora konsekvenser för infrastruktursäkerhet: hur och varför koncentreras jordbävningsskador runt tunnelmynningar i instabila, skiktade bergsluttningar—och vad kan ingenjörer göra för att bättre skydda dem?

Skakar ett miniatyrberg i laboratoriet

För att undersöka detta byggde forskarna en stor, skalad modell av en verklig tunnelmynning vid Kinas Nujiang‑flod. Sluttningen ovanför tunneln består av så kallade antidip‑bergskikt—lutande berglager som lutar bort från sluttningens ansikte, en geometri som är benägen att välta vid skakning. De förstärkte modellsluttningen med rambalkar förankrade med stålkablar och stänger, liknande system som används vid verkliga vägar och järnvägar. Hela modellen monterades på en tredimensionell skakbordanläggning där den utsattes för realistiska jordbävningsrörelser inspelade vid tidigare händelser som Kobe, El Centro och Wenchuan.

Hur sluttningen och tunneln svarade på skakningar

När teamet ökade den simulerade skakningen mätte de noggrant acceleration, töjning, jordtryck och förskjutningar i hela sluttningen och runt tunnelbeklädnaden. Rambalkarna gjorde nytta i en viktig mening: de förhindrade att sluttningen kollapsade i en dramatisk, fullskalig vältning. Ytan på sluttningen drabbades dock fortfarande av omfattande avflisning, krönet rörde sig nedåt och bergpelare lutade kraftigt mot öppningen. Mest kritiskt för transportsäkerheten påverkades tunnelmynningen kraftigt. När skakningsnivån nådde ungefär jordens tyngdaccelerations storleksordning (1,0–1,2 g) uppstod sprickor i botten av tunnelbeklädnaden och i skarvarna mellan betongsegmenten, som så småningom kopplades ihop till en genomgående spricka i invert—tunnelns golvbåge.

Var skakningen är starkast och varför mynningen drabbas

Mätningarna visade att skakningen inte påverkar varje del av sluttningen lika. Accelerationerna förstärktes när vågor klättrade mot krönet och var starkast nära ytan—en kombination av "höjd"- och "yt"effekter. Vid vertikal skakning blev tunnelmynningen en hetpunkt där inkommande vågor reflekterades och böjdes runt beklädnaden och de sluttande berglagren, vilket skapade ett komplext mönster av förstärkt rörelse. Längs tunneln skakade den grundtäckta sektionen nära mynningen mycket mer intensivt än den djupare liggande delen. Skillnaden i rörelse mellan berget ovanför och under tunneln blev stor i närheten av mynningen, vilket belastade beklädnaden och det omkringliggande berget och hjälper till att förklara varför skadorna koncentrerades där snarare än längre in i berget.

Att följa dold skada via bergens egenskaper och vågens energi

För att gå bortom ytliga observationer följde forskarna hur bergmassans mekaniska egenskaper förändrades med skakningen. De använde etablerade samband mellan töjning och två viktiga dynamiska parametrar: bergens skjuvstyvhet och dess förmåga att dämpa energi. När skakningen intensifierades sjönk bergens styvhet och dess dämpning ökade, särskilt i berget precis under tunnelbeklädnaden. Kartläggning av dessa förändringar visade att skadezoner först bildades nära den nedre delen av beklädnaden vid mynningen och sedan sträckte sig djupare längs tunneln när insignalens nivå ökade. Teamet använde också ett tids–frekvensverktyg, Hilbert–Huang‑transformen, för att studera hur jordbävningsenergin fördelades över olika frekvenser. De fann att vid vertikal skakning var lågfrekventa komponenter i 9–12 Hz‑området särskilt viktiga för att skada berget och beklädnaden nära mynningen. När beklädnaden började spricka dämpades vågens energi i detta band märkbart i berget under tunneln, vilket pekar på en möjlig metod att upptäcka skador genom noggrann övervakning av seismiska signaler.

Vad detta innebär för säkrare tunnlar

För icke‑specialister är slutsatsen tydlig: tunnelmynningar i branta, skiktade berg är inte bara mindre versioner av underjordiska tunnlar—de är särskilda svaga punkter där sluttningens rörelse, vågfokusering och konstruktionsdetaljer samverkar för att förstärka jordbävningsskador. Studien visar att även när synliga stöd hindrar sluttningen från att kollapsa kan dold skada byggas upp i berget och i tunnelbeklädnaden, särskilt vid dess nedre bågparti. Författarna slår fast att ingenjörer bör förstärka den inverterade bågen (beklädnadens botten) och berget under den, samt ägna särskild uppmärksamhet åt vertikala, lågfrekventa skakningar vid utformning och bedömning av tunnelmynningar. Bättre förståelse för var och hur energi koncentreras under jordbävningar kan vägleda smartare förstärkning och övervakning och hjälpa till att hålla livsviktiga tunnlar öppna när de behövs som mest.

Citering: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

Nyckelord: tunnelmynning, jordbävningsskador, bergsluttning, seismisk skakning, underjordisk infrastruktur