Effekterna av rörelse i normalförkastningar på skademekanismen hos vattenförande tunnlar med hänsyn till multifältsinteraktion

Varför underjordiska vattentunnlar kan skadas vid jordbävningar

Många städer och jordbruksområden är beroende av långa underjordiska tunnlar för att föra vatten från bergen till befolkade områden. Dessa livsviktiga tunnlar korsar ofta aktiva förkastningar — sprickor i jordskorpan som kan förskjutas plötsligt vid jordbävningar. När en förkastning under en tunnel rör sig, pressas marken på vardera sida i olika riktningar och får konstruktionen att dras och böjas. Denna studie undersöker hur sådan förkastningsrörelse skadar stora vattentunnlar och vilka konstruktionsval som kan göra dem säkrare.

Vad som händer när en förkastning skär igenom en vattentunnel

Forskningen fokuserar på en vanlig förkastningstyp som kallas normalförkastning, där den ena sidan av bergmassan sjunker ned i förhållande till den andra. I många tidigare jordbävningar har den värsta skadan på tunnlarna hittats just där tunneln korsar förkastningen, även när den omgivande berggrunden verkar fast. Sprickor, sönderslagen betong och till och med ras har dokumenterats vid dessa korsningar. För dricksvatten- och bevattningssystem kan sådana fel avbryta tillförseln, orsaka läckage och erosion, och vara mycket svåra och kostsamma att reparera djupt under jord.

En virtuell experimentuppställning som inkluderar berg, betong och rinnande vatten

För att utforska problemet byggde författarna en detaljerad tredimensionell datormodell av en stor, trycksatt vattentunnel som passerar genom en normalförkastning. Modellen inkluderar den omgivande bergmassan, en svag frakturerad förkastningszon, tunnelns armerade betongskal och vattnet som rör sig inuti. Två specialiserade mjukvaruverktyg är länkade: det ena beräknar hur fasta material som berg och betong deformeras och spricker, medan det andra simulerar turbulent vattenflöde. En kopplingsplattform låter dessa två världar ”prata” med varandra och utbyta hur tunneln rör sig och hur vattnet påverkar den. Innan ett stort antal simuleringar kördes, validerade teamet sin modell mot ett skalat laboratorietest — en så kallad ”sandlåda” med ett tunnelsnitt över en förkastning. Den numeriska tunneln böjde sig och sprack på nästan samma sätt som den fysiska modellen, särskilt vad gäller var deformationerna koncentrerades och var de största sprickorna uppstod, vilket gav förtroende för att den virtuella uppställningen fångar det centrala beteendet.

Var och hur tunneln skadas

Över alla simulerade scenarier framträdde ett tydligt mönster: förkastningsrörelsen gav mycket lokaliserade skador. Betongfodret i förkastningszonen och ett begränsat spann — tiotals meter — på vardera sidan drabbades av kraftig deformation, medan resten av den långa tunneln förblev nästan elastisk med små permanenta förändringar. De mest sårbara platserna var krönet (toppen) och invertet (botten) av tunneln nära förkastningen, där böjning och skjuvning kombineras och drar isär betongen i spänning. Författarna använde ett enda skadeindex, kallat Overall Lining Damage in Tension (OLDT), för att summera hur kraftigt fodret är sprucket över en tunnelsektion. När förkastningsglidningen ökade steg detta index snabbt i förkastningszonen och närmade sig ett tillstånd som motsvarar nära komplett förlust av funktion, medan det förblev lågt på andra ställen.

Hur geologi och konstruktionsval påverkar resultatet

Teamet varierade därefter fem huvudfaktorer: hur mycket förkastningen glider, förkastningens lutningsvinkel, hur bred den frakturerade zonen är, hur stark den svaga zonen är, och hur stark tunnelns betongfoder är. Större förkastningsförskjutningar ökade starkt skadeindexet i förkastningszonen, vilket bekräftar att permanent markförskjutning är en huvudorsak till fel. Brantare förkastningsvinklar och bredare frakturerade zoner ändrade främst hur långt deformationerna spred sig längs tunneln, men ökade inte kraftigt toppskadan. I kontrast minskade förstärkning av förkastningszonen (mer kohesiv) eller användning av högre hållfasthetsbetong både den allvarligt skadade regionen och sänkte skadeindexet. Intressant nog skiftade det trycksatta vattnet inuti tunneln något i fodrets spänningsmönster men förändrade inte grundläggande hur tunneln gick sönder; den primära styrningen förblev den relativa styvheten hos berg, förkastningszon och foder.

Vad detta betyder för säkrare vattenförsörjning

För ingenjörer är budskapet att designinsatser bör koncentreras till tunneldelen som korsar förkastningen snarare än hela sträckningen. Förstärkning eller injektering av en mycket svag förkastningszon och användning av starkare fodermaterial eller speciella detaljer där tunneln möter förkastningen kan kraftigt minska risken för genomgående sprickbildning och kollaps, även vid stor förkastningsglidning. Studien visar också att ett enskilt kvantitativt skadeindex, såsom OLDT, kan hjälpa till att jämföra designalternativ och sätta prestandamål. I huvudsak, även om rörelse i normalförkastningar utgör en allvarlig fara, kan noggrann utformning av både bergåtgärder och tunnelns foder runt förkastningen hålla dessa kritiska vattenförande tunnlar i funktion när de behövs som mest.

Citering: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

Nyckelord: vattenförande tunnlar, normalförkastningar, seismisk tunnelskada, vätske–struktur-interaktion, säkerhet för underjordisk infrastruktur