Numerisk undersökning av mark–tunnel-interaktion vid ytexplosioner med regressionsbaserade energikorrelationer

Varför dolda tunnlar spelar roll i en värld med ytexplosioner

Moderna städer använder i allt högre grad underjordiska tunnlar för att förflytta människor och skydda viktiga funktioner. Men när ytexplosioner från bomber, missiler eller improviserade anordningar blir ett verkligt hot behöver ingenjörer svar på frågan: hur säkra är dessa begravda livlinor när en kraftig detonationen sker ovanför dem? Denna studie använder avancerade datorsimuleringar för att undersöka hur en tunnelbana begravd i mjuk, lerig mark beter sig vid ytexplosioner och hur djupt den måste vara för att förbli i en säker zon.

Underjordiska motorvägar under eld

Stadstunnlar byggs vanligen för att klara vardagliga trafiklaster och, i bästa fall, jordbävningar — inte direkta angrepp. Ändå är ytexplosioner vanliga i moderna konflikter och terroraktioner och kan skicka tryckvågor genom marken mot begravda konstruktioner. Fullskaliga explosionsprov på verkliga tunnlar är extremt dyra och farliga, så författarna förlitar sig på detaljerade tredimensionella datormodeller istället. De fokuserar på en cirkulär tunnelbana inbäddad i sandig lera, en jordtyp som ofta förekommer i stadsprojekt, och undersöker hur en explosion vid markytan deformerar tunneln och skadar dess betongbeklädnad.

Att bygga en virtuell tunnel och explosion

För att studera problemet skapar forskarna en digital kopia av en fem meter bred armerad betongtunnel omgiven av en stor jordkropp. Marken, betongbeklädnaden och armeringsstålen ges var för sig realistiska mekaniska egenskaper hämtade från experiment, så modellen kan fånga sprickbildning, permanenta deformationer och energiupptagning. Ytexplosioner simuleras med en allmänt använd blastmodell ursprungligen utvecklad av den amerikanska armén, som omvandlar TNT-vikt till en tidsvarierande tryckvåg på markytan. Innan de litade på sitt upplägg testar författarna det mot kända resultat: de jämför förutsagd markstöt och kraterstorlek med väletablerade formler och simulerar explosioner på betongskivor som testats i laboratorium. I samtliga fall stämmer de numeriska förutsägelserna väl överens med verkliga data, vilket ger förtroende för att den virtuella tunneln beter sig trovärdigt.

Att följa energin genom mark och tunnel

Studien kärnar i en energibaserad bild av vad som händer när en explosion träffar marken. När TNT-laddningen ökar från 25 till 1000 kilogram spårar modellen hur mycket av explosionens energi som framträder som snabb rörelse (kinetisk energi), hur mycket som binds i permanenta deformationer (plastisk dissipering) och hur mycket som tillfälligt lagras som elastisk töjning (töjningsenergi) i mark–tunnel-systemet. Dessa energimått ökar alla snabbare än linjärt med sprängvikten, vilket betyder att en tiofaldig ökning av laddningen ger långt mer än tio gånger effekten. Författarna använder sedan regression — enkla matematiska anpassningar — för att omvandla dessa trender till lättanvända formler som relaterar sprängvikt till kraterstorlek, energinivåer och tunneldeformation inom det studerade intervallet.

Hur djupt är djupt nog?

En central praktisk fråga är hur begravningsdjup påverkar tunnelsäkerheten. Studien testar tre överlagringstjocklekar ovanför tunnelns krona: 15, 12 och 9 meter, över många blastscenarier upp till 1000 kilogram TNT. Två prestationsregler definierar en ”säker” tunnel: sprickbildningen i betongen måste förbli begränsad och tunnelns radiella deformation måste vara under en halv procent av dess diameter. Resultaten visar en stark djupverkan. För det djupaste fallet, 15 meter, håller sig tunneln inom dessa gränser för explosioner upp till cirka 500 kilogram, även om en 1000-kilogramsdetonation börjar ge allvarliga lokala skador. Vid 12 meter pressar större laddningar beklädnaden förbi både sprick- och deformationsgränserna. Vid det grundaste djupet, 9 meter, orsakar kraftiga explosioner omfattande dragspänningar i betongen och mycket större deformationer, vilket tydligt markerar denna konfiguration som osäker för händelser med hög intensitet.

Vad detta betyder för säkrare städer

Enkelt uttryckt visar studien att djupare tunnlar i mjuka, leriga jordar är betydligt mer motståndskraftiga mot ytexplosioner än grundare tunnlar, och att det finns ett praktiskt ”säkert djup” för ett givet blasthot. Inom modellens antaganden kan en tunnelbana begravd omkring 15 meter under markytan tåla ytexplosioner upp till ungefär 500 kilogram TNT utan att drabbas av förkrossande skador, medan grundare tunnlar blir sårbara vid mycket lägre laddnivåer. De regressionsformler författarna presenterar ger ingenjörer snabba verktyg för att uppskatta kraterstorlekar, energiöverföring och tunneldeformation för liknande förhållanden, vilket hjälper till vid preliminär utformning och snabba riskbedömningar i konfliktpräglade eller högriskstadsmiljöer.

Citering: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

Nyckelord: underjordisk tunnelsäkerhet, ytaexplosionsladdning, tunnelutformning för tunnelbana, mark–struktur-interaktion, explosionsbeständig infrastruktur