Tvåstegsmetod för beräkning och analys av deformationen hos en befintlig tunnelbana orsakad av diagonal genomskärning av en ny tunnel

Varför korsande tunnelbanetunnlar är viktiga för städer

När städer växer och nya tunnelbanelinjer byggs måste nya tunnlar ofta slingra sig förbi äldre tunnlar som redan är i drift. Att schakta en ny tunnel under en trafikerad befintlig linje riskerar att skjuta den äldre tunneln ur form, vilket kan påverka färdkomforten och den långsiktiga säkerheten. Den här studien tar itu med en mycket praktisk fråga för stadsplanerare och ingenjörer: när en ny tunnel skär diagonalt under en böjd tunnelbana, hur mycket rör sig den befintliga tunneln, och vilka konstruktionsval håller den rörelsen liten?

Att dela upp ett komplext underjordiskt problem i två steg

Författarna föreslår en förfinad "tvåstegs"-beräkningsmetod som förvandlar ett rörigt underjordsbyggnadsproblem till något som kan analyseras tillförlitligt i datorn. I det första steget uppskattar de hur mycket marken runt den befintliga tunneln störs när en ny skölddriven tunnel utgrävs under den. För detta använder de en välkänd lösning från geoteknik som beskriver hur spänningar sprider sig genom marken från en begravd belastning. Detta gör det möjligt att beräkna det extra tryck och drag som den nya tunnelutgrävningen ålägger varje punkt längs den äldre tunneln, även när de två tunnlarna korsar i en vinkel och den befintliga tunneln är böjd snarare än rak.

Att behandla tunnelbanetunneln som en flexibel balk i marken

I det andra steget behandlas den befintliga tunnelbanetunneln som en lång, lätt flexibel balk som vilar på en elastisk bädd som representerar omkringliggande jord. Denna bädd komprimeras inte bara upp och ned, som många små fjädrar, utan skjuvar också sidledes, vilket gör modellen mer realistisk samtidigt som den förblir tillräckligt enkel för rutinmässigt konstruktionsarbete. De beräknade extra spänningarna från första steget appliceras längs denna balk för att räkna ut hur mycket tunneln böjer sig och hur långt den rör sig vertikalt. Modellen inkluderar också en "spänningsreduceringsfaktor" som tar hänsyn till zoner där jorden runt tunneln har förstärkts genom injektering, en vanlig skydds åtgärd vid tunnelbyggen.

Test av metoden på ett verkligt tunnelbanprojekt

För att kontrollera om teorin stämmer med verkligheten tillämpade forskarna sin metod på en verklig sträcka av Zhengzhou Metro, där en ny linje passerade diagonalt under en befintlig böjd tunnel. De använde lokala mark- och tunnelparametrar, körde beräkningarna och jämförde de beräknade vertikala rörelserna med noggranna mätningar tagna under byggnationen. Den förutsagda maximala rörelsen vid tunneltaket var något större än den uppmätta rörelsen vid tunnelgolvet, vilket är väntat eftersom taket vanligen deformeras mer. Viktigare är att form och storlek på den beräknade deformationskurvan stämde väl överens med övervakningsdata, vilket visar att metoden kan ge ingenjörer en pålitlig bild av vad som kommer att hända under jord.

Vilka konstruktionsval som betyder mest under jord

Med metoden validerad undersökte författarna hur nyckelparametrar för design och byggnation påverkar tunnelrörelser. De fann att det vertikala avståndet mellan den nya och den gamla tunneln har en tydlig effekt: ju närmare den nya tunneln passerar under den befintliga, desto större blir den äldre tunnelns uppåtriktade rörelse. Vinkeln vid vilken tunnlarna korsar var lika viktig. Grunda, nästan parallella korsningar orsakar större deformationer spridda över ett längre avstånd, medan brantare, nästan räta vinklar avsevärt minskar påverkan. Däremot hade den befintliga tunnelns kurvradie mycket liten effekt på vertikal rörelse, vilket tyder på att måttliga planböjar inte är en huvudfråga vid denna typ av korsning.

Markförstärknings roll runt tunneln

Studien undersökte också hur injektering—insprutning av cementliknande material runt tunneln—hjälper till att kontrollera rörelse. Att förlänga den injekterade zonen längs den befintliga tunneln minskade dess vertikala förskjutning avsevärt, särskilt vid övergången från ingen injektering till en måttlig längd behandlad mark. Utöver en viss längd gav dock ytterligare injektering bara små ytterligare fördelar, vilket pekar på en praktisk balans mellan säkerhet och kostnad. Den precisa kompressibilitetsbeteendet hos den injekterade jorden, beskrivet av en parameter kallad Poissons tal, visade sig ha endast en mindre inverkan på tunnelrörelsen inom det testade intervallet, jämfört med hur långt injekteringen sträcker sig.

Vad detta betyder för framtida tunnelbanebyggande

Sammanfattningsvis erbjuder arbetet ingenjörer ett praktiskt verktyg för att förutsäga hur en befintlig tunnelbana kommer att reagera när en ny sköldtunnel passerar diagonalt under den, även när den äldre tunneln är böjd och marken har förstärkts. För icke-specialister är slutsatsen enkel: att hålla ett rimligt avstånd mellan tunnlarna, ordna korsningar så nära räta vinklar som möjligt och tillämpa en väl avvägd men inte överdriven längd markförstärkning är de mest effektiva sätten att hålla en trafikerande tunnel säker och bekväm när nya linjer läggs under den.

Citering: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

Nyckelord: tunnelbanetunnlar, sköldschaktning, tunneldeformation, markförstärkning, underjordisk byggnation