Interaction Mechanism of Tunnel Excavation and Overlying Building Loads in Shallow-Buried Coastal Urban Tunnels

Unter den belebten Straßen der Küstenstädte entfaltet sich eine stille, aber kritische ingenieurtechnische Herausforderung, dort, wo Tunnel auf den Boden über ihnen treffen. In diesen Gebieten besteht die Erde oft aus einem komplexen Gemisch aus losem Boden, verwittertem Gestein und Wasser, das sich direkt unter der Oberfläche befindet. Wenn Ingenieure einen massiven Tunnel durch diesen Boden graben, entfernen sie das Material, das seit Jahrhunderten das Gewicht der Stadt getragen hat. Diese Entfernung führt dazu, dass sich der Boden verschiebt und setzt, ein Prozess, der die Stabilität der direkt darüber stehenden Gebäude gefährden kann. Die Situation wird noch komplizierter, wenn der Boden wassergesättigt ist. In solchen Umgebungen ermöglicht das Graben eines Lochs, dass Wasser in den Tunnel fließt, was den Druck verändert, der die Bodenpartikel zusammenhält. Dieses Zusammenspiel zwischen der festen Erde, dem fließenden Wasser und dem schweren Gewicht von Gebäuden erzeugt ein empfindliches Gleichgewicht, das, wenn es gestört wird, zu erheblichen Schäden oder sogar zum Einsturz führen kann. Genau zu verstehen, wie diese Kräfte zusammenwirken, ist entscheidend, um die Sicherheit der Städte zu gewährleisten, während sich ihre unterirdischen Verkehrsnetze weiter ausbauen.

Forscher der China University of Geosciences (Beijing) machten sich daran, diese komplexe Beziehung zu entschlüsseln, indem sie einen spezifischen Abschnitt des zweiten Qingdao Jiaozhou Bay Subsea Tunnels untersuchten. Dieser Tunnel ist ein lebenswichtiges Stück Infrastruktur, aber sein Landabschnitt stellt eine einzigartige Reihe von Schwierigkeiten dar: Er liegt sehr flach unter der Oberfläche, überspannt eine enorme Breite und verläuft direkt unter bestehenden Gebäuden in einer wasserreichen Küstenumgebung. Um die Mechanik dieser Wechselwirkung zu verstehen, verließ sich das Team nicht auf eine einzige Methode. Stattdessen kombinierten sie drei Ansätze: Sie bauten im Labor ein maßstabsgetreues physisches Modell des Tunnels und der Gebäude, führten detaillierte Computersimulationen durch, die den Wasserfluss durch den Boden berücksichtigten, und analysierten Echtzeitdaten, die direkt von der tatsächlichen Tunnelbaustelle gesammelt wurden. Durch das Verweben dieser drei Fäden konnten sie beobachten, wie der Boden und die Gebäude Schritt für Schritt reagierten, während der Tunnel gegraben wurde.

Das physische Modell war ein präzises Miniaturabbild der realen Welt, konstruiert in einem großen Behälter, der mit speziell entwickelten Materialien gefüllt war, welche die Festigkeit und die Wasserfließeigenschaften des tatsächlichen Granits und Bodens nachahmten. Die Forscher platzierten winzige Gebäude auf diesem Modell, darunter ein kleines Backsteingebäude und ein höheres Rahmengebäude, und brachten Lasten auf sie auf, um ihr reales Gewicht zu simulieren. Sie gruben den Tunnel im Modell dann mit einer spezifischen Methode, bei der das Erdreich in Etappen entfernt wurde – zuerst von der linken Seite und dann von der rechten, wobei man sich von oben nach unten vorarbeitete. Während sie gruben, beobachteten sie, wie sich der Boden setzte und wie sich der Wasserdruck veränderte. Sie fanden heraus, dass der gefährlichste Moment nicht passierte, als der Tunnel zuerst geöffnet wurde, sondern vielmehr während einer spezifischen Phase der Aushubarbeiten. Die bedeutendste Bewegung und Spannungsfreisetzung ereignete sich, als der obere Abschnitt der rechten Seite des Tunnels direkt unter den Gebäuden ausgehoben wurde. In genau diesem Moment sank der Boden über dem Tunnel am stärksten ab und der Wasserdruck fiel am schnellsten.

Die Anwesenheit von Wasser erwies sich als ein wesentlicher Verstärker dieser Effekte. Die Studie zeigte, dass der Boden deutlich stärker absinkt, wenn Wasser ermöglicht wird, aus dem Boden abzufließen, während der Tunnel gegraben wird, als dies unter trockenen Bedingungen der Fall wäre. In ihren Computersimulationen stellten die Forscher fest, dass die Berücksichtigung dieses Wasserflusses das maximale Absinken des Tunnelgewölbes im Vergleich zu einem Szenario, in dem Wasser ignoriert wurde, um 27,3 Prozent erhöhte. Dies geschieht, weil der Wasserdruck, der hilft, die Bodenkörner zusammenzuhalten, verloren geht, während das Wasser in den Tunnel abfließt, was dazu führt, dass der Boden komprimiert wird und der Boden darüber absinkt. Die Forscher beobachteten, dass dieser Drainageeffekt in der Nähe der Oberseite des Tunnels am intensivsten war, wesächlich die obere Ausbauphase so kritisch war. Das Wasser fügte nicht nur Gewicht hinzu; es veränderte grundlegend, wie sich der Boden verhielt, indem es ihn schwächer und anfälliger für plötzliche Bewegungen machte.

Die Position der Gebäude relativ zum Tunnel spielte ebenfalls eine entscheidende Rolle dabei, wie der Schaden verteilt wurde. Wenn ein Gebäude direkt über dem Tunnel stand, setzte sich der Boden in einem relativ symmetrischen Muster, aber der Bereich der Setzung wurde schmaler und tiefer, was die Spannung auf das Fundament des Gebäudes konzentrierte. Wenn der Tunnel jedoch etwas seitlich von einem Gebäude oder in einem Winkel verlief, setzte sich der Boden nicht gleichmäßig. Stattdessen sank eine Seite des Gebäudes stärker als die andere, was das Bauwerk zum Kippen brachte. Dieses ungleichmäßige Absinken erzeugte Verdrehungskräfte und zusätzliche Belastungen auf den Gebäuderahmen, insbesondere an den Ecken und dort, wo die Balken auf die Säulen trafen. Die Studie hob hervor, dass es nicht ausreichte, lediglich zu messen, wie stark der Boden in der Mitte einsank; Ingenieure mussten auch auf diese Kipp- und Verdrehungseffekte achten, die ebenso gefährlich für die strukturelle Integrität des Gebäudes sein können.

Die Ergebnisse aus dem Labormodell und den Computersimulationen stimmten eng mit den Daten überein, die bei der tatsächlichen Tunnelbauarbeiten in Qingdao gesammelt wurden. In der realen Welt setzte sich der Boden während des Ausbruchs der oberen Gewölbebank unter den Gebäuden schnell ab, was die in den Experimenten beobachteten Muster bestätigte. Diese Übereinstimmung gibt den Ingenieuren Vertrauen in die Ergebnisse. Die Forschung legt nahe, dass für ähnliche Projekte in Küstenstädten die kritischste Zeit zur Überwachung der Sicherheit dann ist, wenn der obere Teil des Tunnels direkt unter einem Gebäude ausgehoben wird. Während dieses Zeitfensters sollten Ingenieure nicht nur darauf achten, wie stark der Boden einsinkt, sondern auch darauf, wie schnell der Wasserdruck abfällt und ob die Gebäude zu kippen beginnen. Indem sie ihre Überwachungsbemühungen auf diese spezifischen Momente und Faktoren konzentrieren, können die Bauteams die darüber liegenden Strukturen besser schützen und die Sicherheit der Arbeiter unter ihnen gewährleisten.