Analys av mekaniskt svar hos tunnlar som korsar reversförkastningar under icke‑uniforma seismiska indata

Varför underjordiska stråk är viktiga vid jordbävningar

När städer och länder bygger längre tunnlar genom berg för motorvägar och järnväg ökar antalet begravda sträckor som måste korsa aktiva jordbävningsförkastningar. När marken glider under ett skalv kan berget runt en tunnel förskjutas ojämnt och pressa eller riva sönder betongmanteln som håller gången öppen. Denna studie undersöker hur sådana förkastningskorsande tunnlar beter sig när en reversförkastning rör sig vid ett skalv, och vilka konstruktionsval som kan göra dessa anläggningar säkrare för dem som är beroende av dem.

En verklig bergstunnel som testobjekt

Forskningen har sin grund i ett stort projekt i Kinas Tianshan‑berg: Tianshan Shengli Tunnel, en dubbeltunneln för motorväg som är mer än 22 kilometer lång och som skär igenom flera aktiva förkastningar i ett område med stark markrörelse och höga in situ‑bergspänningar. Tidigare jordbävningar i Kina och Japan har visat att tunnlar som korsar förkastningar kan drabbas av valvras, golvtryck, breda sprickor och trasig beläggning när förkastningen förskjuts. För att förstå och förebygga sådana haverier byggde författarna en detaljerad tredimensionell datormodell som inkluderar intakt berg, den svagare förkastningszonen och betongbeklädnaden, allt ordnat för att matcha en av de nyckelförkastningar som skär denna tunnelgeometri.

Att skaka marken ojämnt

De flesta tidigare studier antog att ett jordskalv skakar marken under en tunnel på samma sätt överallt. I verkligheten kan den sida av förkastningen som rör sig uppåt (hängväggen) uppleva annorlunda rörelser och permanenta förskjutningar än den lägre sidan (fotväggen). Här skapade forskarna ett par syntetiska seismiska vågor baserade på registreringar från en stor jordbävning i Kalifornien. Den ena vågen inkluderade en permanent förskjutning för att efterlikna mark som dragits med av förkastningen, medan den andra inte gjorde det. De applicerade förskjutningsrörelsen på hängväggen och den enklare rörelsen på fotväggen, vilket gjorde att modellen kunde fånga hur olika indata på vardera sidan av förkastningen samverkar med den långsamma men stora glidningen längs förkastningsplanet självt.

Var och hur tunneln skadas

Simuleringarna visar att skador koncentreras i och nära förkastningskärnan — den smala, mest sönderslagna delen av förkastningszonen — och särskilt i hauncherna, de rundade skuldrorna där tunnelväggen övergår i taket. När förkastningsglidningen ökar närmar sig ett skadeindex i betongbeklädnaden snabbt nivåer förknippade med breda genomgående sprickor och även krosskador. Dessa högskadezoner sprider sig utåt från förkastningskärnan in i det omgivande berget, och de är konsekvent värre på hängväggssidan, som pressas och skjuvas starkare i en reversförkastning. Strainmönstren visar att tunnelns tvärsnitt sträcks och pressas runt sin periferi, särskilt vid hauncherna, medan längsaxial deformation längs tunnellinjen förblir relativt måttlig under typiska förhållanden.

Förkastningsbreddens och vinkeln roll

Teamet undersökte också hur tjockleken på förkastningszonen och vinkeln på förkastningsplanet påverkar skadorna. En bredare förkastningszon, representerad av ett högre relativt styvhetsförhållande mellan förkastningsberget och det omgivande berget, sprider deformationen mer mjukt och förbättrar hur bergmassan och beklädnaden rör sig tillsammans. Detta minskar toppskador i tunneln med upp till ungefär 45 procent, även om beklädnaden inne i förkastningskärnan fortfarande lider allvarliga sprickbildningar. Att ändra förkastningens lutningsvinkel ger en tröskeleffekt: när förkastningen är måttligt sluttande (upp till cirka 60 grader) förändras de övergripande skadebilderna lite. Vid brantare vinklar minskar däremot skadorna i själva förkastningskärnan medan skadorna vid gränsytan mellan förkastningen och hängväggen ökar, och axiella påkänningar — de som sträcker eller komprimerar tunneln längs dess längd — ökar i flera nyckelområden av tvärsnittet.

Utformningslärdomar för säkrare tunnlar

För ingenjörer är studiens huvudbudskap att mängden förkastningsglidning är den dominerande drivkraften för tunnelskador, mer än förkastningsbredd eller lutningsvinkel. Haunchområdena framträder som de mest sårbara och därför de viktigaste målen för förstärkning. Författarna föreslår åtgärder som förförstärkning av berget framför schaktet med små rör och djupinjektering, samt lokal förtjockning av beklädnaden och mer armering i hauncherna där spänningarna koncentreras. Även om modellen förenklar vissa konstruktionsdetaljer ger dess resultat — kontrollerade mot verkliga skador från en nyligen drabbad kinesisk tunnel — praktisk vägledning för att utforma förkastningskorsande tunnlar som bättre kan överleva framtida jordbävningar och hålla viktiga transportlänkar öppna när de behövs som mest.

Citering: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

Nyckelord: tunnel jordbävningsskador, tunnelbyggnad vid reversförkastning, seismisk tunnelkonstruktion, infrastruktur som korsar förkastningar, underjordiskt seismiskt svar