Numerisk analys och optimering av påverkan från komplex grundschaktbyggnation på deformationen hos intilliggande tunnelbanestrukturer

Varför grävning i närheten spelar roll för stadsbanor

När städer växer måste nya underjordiska vägar och ledningar ofta byggas alldeles intill fungerande tunnelbanetunnlar. Grävning av djupa schakt för dessa projekt kan diskret böja och orsaka sättningar i de närliggande tunnlarna, vilket kan hota långsiktig säkerhet och passagerarnas komfort. Denna studie undersöker hur noggrann planering av schaktningsordning och uppbyggnad av inre konstruktioner kan hålla tunnelrörelser så små som möjligt och erbjuder vägledning för tätbefolkade urbana områden som måste bygga under trånga utrymmen.

Utmaningen att dela trång underjordisk yta

När ingenjörer gräver ett djupt schakt intill en befintlig tunnelbanesträcka slappnar jorden runt schaktet av och rör sig in mot det öppna utrymmet. Samtidigt fungerar tunneln som en styv ring begravd i marken och ändrar hur jorden kan förflytta sig. Tidigare forskning visade att avståndet mellan schakt och tunnel, schaktdjupet och den lokala geologin alla spelar roll, men den behandlade ofta schaktningen som en enkel, enstaka process. I verkligheten är moderna projekt mer komplexa: stora betongrör eller vägboxar gjuts inne i schaktet medan grävningen fortsätter, och deras växande styvhet påverkar i sin tur hur jorden och tunneln svarar.

En virtuell testbädd under Peking

Författarna byggde en detaljerad tredimensionell datormodell av ett verkligt projekt i Pekings Fengtai-distrikt, där en lång vägtunnel och en stor underjordisk kulvert byggs nära tunnelbanelinje 10. Modellen inkluderar lager av jord, ett djupt rektangulärt schakt, stödmurar, tunnelbanetunneln och den boxformade kulverten som så småningom kommer att placeras i schaktet. Med vedertagna modeller för jordens beteende simulerade de hur marken och tunneln skulle röra sig när jord tas bort steg för steg och när betongkonstruktioner i schaktet hårdnar. Denna virtuella testbädd gjorde det möjligt att jämföra olika byggplaner som vore opraktiska eller riskfyllda att pröva ute i fält.

Tio sätt att gräva och bygga

Nyckelfrågan var hur arbetssekvensen påverkar tunnelns rörelser. Teamet kombinerade två huvudval: om kulverten gjuts framåt eller i omvänd riktning, och hur själva schaktningsframdriften sker. De testade tio scenarier som inkluderade grävning från endast ena sidan, symmetrisk grävning från båda sidor, delning av schaktet i zoner och en förskjuten, trappstegsaktig framdrift. I varje fall följde de tunnelns vertikala sättning och stödmurarnas sidobevegelser. Medan alla scenarier höll tunnelrörelser låga, var skillnaderna tydliga nog att spela roll för strikta säkerhetskrav i tunnelbana.

Vad simuleringarna visade

Den mest fördelaktiga planen kombinerade framåtgjutning av kulverten med en "utifrån och in" ensidig schaktning, vilket innebär att jord först avlägsnades på sidan längst från den känsliga tunneln och först senare närmare tunneln. Detta tillät den kvarvarande jorden nära tunneln att fungera som ett temporärt stag, samtidigt som de tidigare kulvertsegmenten fick tid att vinna styrka och hjälpa till att bära laster innan grävningen nådde den kritiska zonen. I kontrast orsakade en av de minst fördelaktiga planerna, med omvänd kulvertbyggnad tillsammans med symmetrisk grävning från båda ändar, att jorden under tunneln avlastades från två håll samtidigt. Det skapade ett dubbelpuckelmönster i sättningar och något högre tunnelböjning, även om de absoluta värdena hölls under ungefär två millimeter.

Praktisk vägledning för säkrare stadsgrävning

För icke-specialister är huvudbudskapet att ordningen i vilken underjordiska strukturer grävs och gjuts inte är en obetydlig detalj utan ett meningsfullt designval. Genom att föredra sekvenser där schaktingen närmar sig känsliga tunnlar gradvis utifrån och där nya betongkonstruktioner finns på plats tidigt för att ersätta den borttagna jordens bärighet, kan ingenjörer minska tunnelns sättning med flera procent utan att lägga till ny utrustning eller material. Även om modellen använder vissa förenklingar och fokuserar på relativa skillnader snarare än exakta tal, ger den stadsplanerare och konstruktörer ett rationellt sätt att välja säkrare byggplaner när djupa schakt och fungerande tunnelbanor måste samexistera.

Citering: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

Nyckelord: tunnelbanetunnel, djupt grundschakt, schaktningssekvens, tunneldeformation, ändligt element-analys