Experimentell studie om påverkan av synkron injekteringsbruk vid sköldschaktning på en ovanliggande befintlig tunnel i sandigt jordlager

Varför det som händer under våra städer spelar roll

Moderna städer förlitar sig i allt högre grad på staplade lager av underjordiska tunnlar för tunnelbanor, ledningar och vägar. När ingenjörer behöver bygga en ny tunnel under en äldre injicerar de flytande bruk runt den nya konstruktionen för att förhindra marksänkning. Men i lös, sandig jord kan samma bruk oavsiktligt trycka på tunneln ovanför, böja och klämma den på sätt som kan hota långsiktig säkerhet. Denna studie använder en noggrant skalad laboratoriemodell för att visa hur och varför det sker, och hur mycket bruk som blir för mycket.

Bygga en miniatyrstad under mark

För att undersöka dessa dolda processer byggde forskarna en stor jordlåda fylld med sand vars kornstorlekar och densitet efterliknar verkliga tunnelbane­förhållanden. Inuti installerade de en stålkonstruktion som modell för en "befintlig" cirkulär tunnel och nedanför den en andra tunnel som representerar den som nyss schaktats av en sköldmaskin. Hela uppställningen byggdes i en tiondels verklig skala, vilket möjliggjorde precis kontroll samtidigt som realistiskt beteende fångades. Istället för att simulera varje steg i schaktningen på en gång separerade de stadierna: schaktningen hade modellerats i tidigare arbete, och denna studie fokuserade enbart på den injektering som sker bakom skölden när nya tunnelringar installeras.

Hur bruk injiceras och mäts

I riktiga projekt pumpas bruk in i det smala spalten bakom sköldens svans för att fylla utrymmet mellan förstyvningen och marken. Teamet återskapade detta med en skräddarsydd sköldsvans, tätande borstar och injekteringsrör anslutna till en pump. De varierade två nyckelparametrar: vattensinnehållet i brukslammet och hur mycket bruk som injicerades i förhållande till den volym som strikt behövde fyllas, känt som brukfyllnadsgrad. Små sensorer inbäddade i sanden mätte hur trycket i marken förändrades runt den övre tunneln. Inuti den tunneln följde överlappande stålinstrument, lasrar och kameror mikroskopiska förändringar i diameter och böjning, vilket gjorde att forskarna exakt kunde se hur konstruktionen flexade när injekteringen fortskred.

Dolda tryck och böjningar i den övre tunneln

Mätningarna visade att injektering inte verkar jämnt. När det injekterade zonen förflyttade sig under den befintliga tunneln steg trycket i sanden kraftigt, särskilt direkt under tunnelns mitt. Undersidan av den övre tunneln upplevde den största ökningen, medan sidorna förändrades lite och toppen endast måttligt. När brukfyllnadsgraden var hög var den uppåtriktade dragningen vid tunnelns botten ungefär en och en halv gång större än vid en mer måttlig mängd. Denna ojämna belastning fick den övre tunneln att bågna uppåt över injekteringsspåret, med botten som lyftes mer än toppen. Samtidigt förändrades tunnelns tvärsnitt: dess vertikala diameter krympte medan den horisontella ökade och förvandlade cirkeln till en mild sidovänd oval.

När mer bruk blir ett problem

Dessa deformationer är viktiga eftersom tunnlar är utformade för att dela krafter jämnt runt sina cirkulära ringar. När botten buktar ut och tvärsnittet blir elliptiskt bär vissa delar av förstyvningen mycket större spänningar än andra. Studien visar att i sandig mark kan en hög brukfyllnadsgrad (runt 1,6 gånger den strikta hålvolymen) orsaka betydande upplyftning och ovalisering av en överliggande tunnel. När bruket under tunneln väl härdat och krympte något återgick en del av upplyftningen, men episoden med extra böjning skulle ändå ha belastat konstruktionen. Med tiden kan sådana förändringar främja sprickor, öppningar i fogar, bultskador och läckage.

Praktiska lärdomar för säkrare tunnlar

För en icke-specialist är budskapet klart: när man gräver en ny tunnel under en gammal i sandig jord kan för mycket stödjande bruk vara nästan lika problematiskt som för lite. Experimenten tyder på att att hålla brukfyllnadsgraden under cirka 1,6, och justera den baserat på realtidsövervakning, hjälper till att undvika överdrivet lyft och deformation av den befintliga tunneln. Genom att bättre förstå dessa osynliga underjordiska krafter kan ingenjörer förfina sina konstruktioner och byggkontroller, och skydda de tunnlar som redan transporterar miljontals resenärer samtidigt som de bygger de nya som våra växande städer kräver.

Citering: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

Nyckelord: sköldschaktning, synkron injekteringsbruk, tunnelbanetunnlar, sandig jord, tunneldeformation