Analys av ringsegmentens upplyftning under schaktmaskinsdriven tunnelbygge med hänsyn till skiktets seepageffekter

Varför tunnelupplyftning påverkar stadslivet

Moderna städer är i allt högre grad beroende av underjordiska spår för att avlasta trafiken och frigöra utrymme i gatunivå. Men att schakta långa tunnlar under bebyggelse är inte utan risker. När en tunnel borras med en jättelik sköldmaskin kan de betongringar som klär tunneln ibland resa sig, eller "upplyftas", mer än förväntat. För mycket upplyftning kan spräcka fodret, tillåta vatteninträngning och till och med påverka marken och byggnaderna ovanför. Denna studie undersöker ingående hur blandningen av injekteringsbruk och naturligt grundvatten orsakar tunnelupplyftning, med en verklig sektion av Dalian Metro i Kina som exempel.

En närmare titt under gatorna

Forskningen fokuserade på en tunnelsträcka som går under stadsmark bestående av skikt av påfyllnadsmaterial, leror och grusiga jordlager som innehåller grundvatten. När sköldmaskinen avancerar lämnar den ett tunt mellanrum mellan den cirkulära betongfodringen och omkringliggande jord. Det mellanrummet fylls omedelbart med ett flytande injekteringsbruk för att stödja marken och hålla tunneln stabil. Eftersom bruket är lättare och mer flytande än jorden, och eftersom marken är vattenförande, kan fodret tryckas uppåt av en kombination av brukstryck och vattentryck. Tidigare studier behandlade ofta denna effekt förenklat och tog inte fullt ut hänsyn till hur vatten rör sig genom jordmassorna medan bruket injiceras och härdar.

Att bygga en virtuell tunnel i datorn

För att reda ut dessa processer byggde teamet en tredimensionell datormodell av tunneln, bruket och den omgivande marken. Modellen efterliknade verkliga geologiska lager och tillät vatten att sippra genom jorden enligt välkända flödeslagar. Den återskapade också sköldmaskinens stegvisa framdrivning: schaktning av jord, stöd för tunnelskonan, installation av varje ring med segment och injektering av bruk runt dem. Olika styvhetsnivåer tilldelades bruket när det övergick från nyinpumpad vätska till härdat material. Modellen kontrollerades mot noggranna fältmätningar tagna med ytmätpunkter och ett laserbaserat styrsystem som följde tunnelns foder när maskinen avancerade.

Hur vatten och bruk samverkar för att lyfta tunneln

Simuleringarna visade att vattentrycket runt tunnelns foder ändras kraftigt när maskinen passerar och bruket injiceras. Kraftigast svängningar i porvattentrycket uppträder vid fodrets botten, svagare förändringar vid sidorna och minst vid toppen. Upplyftningen följer ett liknande mönster: tunnelns invert (botten) stiger mest, sidorna något mindre och kronan (toppen) minst. Störst del av den totala upplyftningen sker under de fem första ringarna bakom sköldens bakre del, i den fas då bruket fortfarande är mycket flytande och dess tryck är högt. När bruket börjar stelna och jordens spänningarna omfördelas avtar upplyftningstakten och planar så småningom ut. När grundvattensseepage inkluderas blir slutligt upplyft märkbart större—ungefär en femtedel av den totala upplyftningen i modellen beror på seepage som verkar tillsammans med brukstrycket snarare än enbart bruket.

Vilka byggval förvärrar upplyftning

Med den verifierade modellen varierade författarna sedan nyckelfaktorer under i övrigt likartade förhållanden. Djupare tunnlar uppvisade större upplyftning, främst eftersom grundvattentrycket ökar med djupet och hjälper bruket att expandera och lyfta fodret. Högre injekteringstryck gav också starkare upplyftning, även om denna effekt var mindre än djupets. En annan viktig faktor var hur snabbt och hur nära maskinen bruket började stelna. Om initial stelning skedde längre bakom skölden förblev bruket flytande runt fodret längre, vilket gav mer tid för upplyftning att utvecklas. Studien kombinerade dessa trender i enkla empiriska formler som relaterar upplyftning till begravningsdjup, injekteringstryck och avstånd från tunnelns front, vilket ger ingenjörer ett praktiskt sätt att uppskatta upplyftning under liknande markförhållanden.

Konsekvenser för säkrare underjordisk trafik

För icke-specialister är huvudbudskapet att tunnelupplyftning inte bara handlar om hur hårt ingenjörer pumpar bruk—det beror också starkt på hur grundvatten rör sig genom jorden och hur snabbt bruket blir styvt. Genom att fånga den kombinerade verkan av brukstryck och vattenseepage, och genom att jämföra resultaten med verkliga mätningar, ger detta arbete en mer realistisk bild av hur och när tunnelfodret reser sig under byggnation. Resultaten kan hjälpa konstruktörer att välja säkrare begravningsdjup, injekteringstryck och brukssammansättningar, vilket minskar risken för sprickor, läckage och markupplyftningar när nya tunnelbanelinjer byggs under våra städer.

Citering: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

Nyckelord: skyddstunnel upplyftning, grundvatteninträde, synkron injektering, tunnelbygge för tunnelbana, numerisk modellering