7 mm Bewegung: Was eine Tunnelbohrmaschine mit einer Brücke macht

Eine Tunnelbohrmaschine fährt unter einer historischen Eisenbahnbrücke hindurch. Einer der Pfeiler verschiebt sich um 7 mm. Doch die Ingenieure hatten mehr berechnet. Eine neue Studie zeigt, warum der Untergrund allein nicht verrät, wie sich eine Brücke beim Tunnelbau verformt.

März 2019 in London: Eine Tunnelbohrmaschine mit 8,84 m Außendurchmesser arbeitet sich unter der Grosvenor Bridge hindurch. Die historische Eisenbahnbrücke führt mehrere Gleise über die Themse. Fünf Tage dauert die Unterfahrung.

Währenddessen bewegen sich Teile des Bauwerks. Am oberen Bereich eines südlichen Brückenpfeilers messen Fachleute eine horizontale Verschiebung von 7 mm. Die vertikale Verschiebung beträgt 3,3 mm. Solche Bewegungen gehören zu den Herausforderungen beim Tunnelbau unter bestehenden Gebäuden und Brücken. Denn die Fundamente können sich unterschiedlich stark setzen oder seitlich verschieben. Dadurch verändern sich auch die Kräfte im Tragwerk.

Wie zuverlässig lassen sich diese Bewegungen vorhersagen? Ein internationales Forschungsteam um Eugene K. L. Wong hat dafür Messdaten aus London mit verschiedenen Berechnungsverfahren verglichen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Tunnelling and Underground Space Technology erschienen.

Warum sich eine Brücke beim Tunnelbau bewegt

Die Grosvenor Bridge stammt ursprünglich aus dem 19. Jahrhundert. Heute besteht sie aus vier Brückenfeldern mit Spannweiten zwischen 55 und 57 m. Zehn voneinander getrennte Stahlbogenkonstruktionen tragen den Überbau. Die Brücke wurde im Laufe ihrer Geschichte mehrfach erweitert und teilweise neu gebaut.

Unter ihr entstand ein Abschnitt des Thames Tideway Tunnel, eines rund 25 km langen Abwassertunnels. Die Tunnelbohrmaschine arbeitete sich überwiegend durch den London Clay, einen vergleichsweise steifen Tonboden. Im Bereich der Brücke verlief der Tunnel rund 34 m unter dem Flussbett. Obwohl die Maschine den Boden während des Vortriebs stützte, ließ sich eine Verformung des Untergrunds nicht vollständig vermeiden.

Beim Tunnelbau kann sich der Boden in Richtung der neu geschaffenen Öffnung bewegen. Fachleute beschreiben diesen Effekt unter anderem über den sogenannten Volumenverlust. Er wird üblicherweise als prozentualer Anteil des theoretischen Tunnelquerschnitts angegeben. Über dem Tunnel bildet sich dadurch häufig eine Setzungsmulde. Direkt über der Tunnelachse ist die Absenkung meist am größten, zu den Seiten wird sie geringer.

Für die Berechnungen zur Grosvenor Bridge nahmen die Forschenden einen Volumenverlust von 1 % an. Dieser Wert war eine Modellannahme. Er wurde nicht als tatsächlicher Volumenverlust unmittelbar unter der Brücke gemessen. Bei einer Brücke kommt ein weiteres Problem hinzu: Ihre Fundamente liegen an unterschiedlichen Stellen der Setzungsmulde. Während ein Pfeiler absinkt, kann sich ein anderer stärker zur Seite bewegen oder neigen.

Wie schwierig solche Verhältnisse in dicht bebauten Städten sind, zeigt auch der Tunnelbau für die zweite Münchner S-Bahn-Stammstrecke. Dort müssen beim Vortrieb ebenfalls bestehende Bauwerke und Verkehrswege berücksichtigt werden.

9,5 mm berechnet, nur 7 gemessen

Für eine erste Abschätzung der Bodenbewegungen verwenden Ingenieure häufig sogenannte Greenfield-Berechnungen. Sie beschreiben, wie sich der Untergrund ohne ein darüberstehendes Bauwerk verformen würde.

Diese Bodenbewegungen lassen sich anschließend auf die Fundamente einer Brücke übertragen. Das vereinfacht die Berechnung erheblich, berücksichtigt aber nicht vollständig, wie das Tragwerk auf seine Fundamente zurückwirkt. Diesen Unterschied untersuchte das Forschungsteam.

Ein vereinfachtes Modell ohne Boden-Bauwerk-Wechselwirkung prognostizierte für den untersuchten Messpunkt an der Grosvenor Bridge eine horizontale Verschiebung von 9,5 mm. Tatsächlich wurden 7 mm gemessen. Die Berechnung lag damit rund 36 % über dem Messwert.

Mit aufwendigeren Verfahren kamen die Forschenden näher an die Beobachtungen heran.

Auch bei den Kräften im Tragwerk zeigten sich Unterschiede. Das vereinfachte Modell ergab ein maximales zusätzliches Biegemoment von 5629 kNm im untersuchten Stahlbogen. Das dreidimensionale Modell kam auf 4212 kNm, also auf rund 25 % weniger bezogen auf den höheren Wert.

Die zusätzlichen Beanspruchungen durch den Tunnelvortrieb blieben beim untersuchten Stahlbogen nach den Modellrechnungen vergleichsweise gering. Eine akute Gefährdung der Brücke dokumentiert die Studie nicht. Die Unterschiede zwischen den Berechnungen sind dennoch relevant. Sie beeinflussen, welche Bewegungen und zusätzlichen Kräfte Ingenieure bei der Planung berücksichtigen.

Warum eine Steinbrücke völlig anders reagiert

Die Grosvenor Bridge ist für das Forschungsteam nur die eine Hälfte des Vergleichs. Die andere ist die Putney Bridge, ebenfalls eine historische Brücke über die Themse. Sie wurde zwischen 1882 und 1886 errichtet und besitzt fünf massive Steinbögen. Anders als die Stahlkonstruktion der Grosvenor Bridge ist ihr Tragwerk wesentlich steifer.

Unter der Putney Bridge verlief ebenfalls der Tideway-Tunnel. Seine Achse lag hier rund 25,3 m unter dem Flussbett. Die Forschenden berechneten, wie sich die Fundamente der Steinbrücke beim Tunnelvortrieb verformen. Dabei zeigte sich, dass die Steifigkeit des Tragwerks einen erheblichen Einfluss auf die Bewegungen hat.

Grosvenor Bridge und Putney Bridge im Vergleich

Bei der vergleichsweise nachgiebigen Grosvenor Bridge folgten die Fundamente in ihrer Verformungsrichtung weitgehend den Bodenbewegungen. Die Pfeiler neigten sich zur Tunnelachse, das darüberliegende Brückenfeld wurde nach oben verformt.

Bei der Putney Bridge sah das anders aus. Ihre massiven Bögen schränkten die Bewegungen der Pfeiler stark ein. In den Modellrechnungen kehrte sich an den mittleren Pfeilern sogar die Richtung der horizontalen Fundamentbewegung gegenüber der Berechnung ohne Boden-Bauwerk-Wechselwirkung um.

Die berechneten Verdrehungen der Fundamente fielen um mehr als eine Größenordnung geringer aus, also auf weniger als ein Zehntel der Werte aus dem vereinfachten Ansatz. Dabei handelt es sich um Ergebnisse der Berechnungsmodelle, nicht um gemessene Verschiebungen der Putney Bridge.

Die Steifigkeit beeinflusst außerdem, wie sich zusätzliche Kräfte innerhalb der Brücke verteilen. Bei der Putney Bridge verschob sich dadurch auch die Lage der maßgebenden Zugbeanspruchungen. Die Autoren schreiben dazu im Fazit ihrer Studie:

„Die Ergebnisse bestätigen, dass man über Annahmen für den unbebauten Boden hinausgehen muss, wenn der Überbau die Bewegungen erheblich einschränkt.“

Wie sich die Berechnung vereinfachen lässt

Wer die Bewegung einer Brücke möglichst detailliert simulieren möchte, kann ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell erstellen. Darin werden der Boden, die Fundamente und das Tragwerk rechnerisch miteinander verbunden.

Solche Modelle können aufwendig sein. Das gilt besonders dann, wenn viele unterschiedliche Bauzustände untersucht werden müssen. Die Forschenden verglichen deshalb ein zweistufiges Verfahren mit den aufwendigeren Berechnungen. Es trägt die Bezeichnung Two-Stage Analysis Method, kurz TSAM.

Das Prinzip lässt sich vergleichsweise einfach erklären: Zuerst berechnet das Modell, wie sich der Untergrund durch den Tunnelvortrieb bewegen würde. Anschließend wird untersucht, wie die Brücke darauf reagiert.

Dazu werden ihre Fundamente rechnerisch über elastische Federn mit dem Untergrund verbunden. Diese Federn beschreiben, wie nachgiebig der Boden ist. In aufwendigeren Varianten berücksichtigen sie zusätzlich, wie sich die Bewegung eines Fundaments auf benachbarte Fundamente auswirkt.

Die entscheidende Besonderheit

Die zuvor berechneten Bodenbewegungen werden den Fundamenten nicht einfach vorgeschrieben. Die Steifigkeit des Brückentragwerks kann die resultierenden Bewegungen verändern.

Für die Grosvenor Bridge lieferte das vollständig gekoppelte zweistufige Verfahren Ergebnisse, die nahe an denen des dreidimensionalen Modells lagen. Die berechneten vertikalen und horizontalen Bewegungen an der Basis des südlichen Pfeilers wichen um weniger als 6 % ab. Die maximalen zusätzlichen Biegemomente lagen innerhalb von 10 % der Vergleichswerte.

Dabei benötigte das vereinfachte Verfahren wesentlich weniger Rechenleistung. Sobald die grundlegenden Steifigkeitswerte vorbereitet waren, dauerten einzelne Berechnungsschritte auf einem üblichen Desktopcomputer nur wenige Sekunden. Eine vollständige Analyse beanspruchte typischerweise weniger als einige Minuten.

Das macht das Verfahren vor allem für frühe Planungsphasen interessant. Ingenieure können verschiedene Annahmen zum Untergrund und zur Steifigkeit einer Brücke untersuchen, ohne jedes Mal eine vollständig gekoppelte dreidimensionale Simulation aufzubauen.

Wenn die Tunnelbohrmaschine näher kommt

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass sich die Bodenbewegungen während des Vortriebs ständig verändern. Solange sich die Tunnelbohrmaschine noch vor einer Brücke befindet, wirkt sich der Aushub anders aus als beim direkten Unterfahren der Fundamente. Auch nachdem die Maschine den Bereich verlassen hat, verändert sich die Verteilung der Bewegungen.

Das Forschungsteam setzte deshalb das zweistufige Verfahren auch für dreidimensionale Berechnungen des fortschreitenden Tunnelvortriebs ein. Die prognostizierten Bewegungsverläufe stimmten bei der Grosvenor Bridge in ihren Trends mit den verfügbaren Messdaten überein.

Das ist für die Bauüberwachung wichtig. Ingenieure müssen nicht nur abschätzen, welche Verformungen nach Abschluss des Vortriebs zu erwarten sind. Sie benötigen auch Vergleichswerte für die einzelnen Bauphasen.

Messsysteme liefern dafür aktuelle Daten. Wie solche Verfahren zur Überwachung bestehender Bauwerke weiterentwickelt werden, zeigt ein Forschungsprojekt des Fraunhofer IKTS zur Brückenüberwachung mit Schallemissionssensoren. Während beim Tunnelvortrieb vor allem Bewegungen beobachtet werden, sollen solche Sensoren Veränderungen und Schäden im Material frühzeitig erkennen.

Wo das Verfahren an seine Grenzen stößt

Nicht jede Brücke lässt sich mit dem zweistufigen Ansatz gleich gut berechnen. Das untersuchte Verfahren setzt unter anderem voraus, dass sich der Boden bei den betrachteten kleinen Verformungen näherungsweise elastisch verhält. Für die Grosvenor Bridge untersuchten die Forschenden, bei welchen angenommenen Volumenverlusten diese Voraussetzung noch erfüllt ist. Unter den gewählten Modellbedingungen lag die Grenze ungefähr bei 2 bis 3 %.

Dieser Bereich gilt nicht pauschal für andere Tunnelprojekte. Bei größeren plastischen Verformungen oder abweichenden Bodenverhältnissen können weiterhin umfangreichere Finite-Elemente-Berechnungen erforderlich sein. Die neue Studie liefert damit vor allem eine Entscheidungshilfe: Wann genügt eine vereinfachte Betrachtung der Bodenbewegungen, und wann muss die Wechselwirkung mit dem Brückentragwerk genauer berücksichtigt werden?

Die Erfahrungen aus London zeigen, dass sich diese Frage nicht allein anhand der Tiefe des Tunnels oder der erwarteten Setzungen beantworten lässt. Bei einer nachgiebigen Stahlbrücke können die Fundamente den Bodenbewegungen weitgehend folgen. Bei einer steifen Steinbrücke kann das Tragwerk die Bewegungen dagegen erheblich verändern.

Für künftige Tunnelprojekte bedeutet das, dass die Konstruktion der darüberliegenden Brücke bereits bei der geotechnischen Vorplanung berücksichtigt werden sollte. Der Thames Tideway Tunnel selbst ist inzwischen in Betrieb. Im Oktober 2026 veröffentlichte der Betreiber seinen ersten jährlichen Nutzenbericht. Demnach sank das modellierte Volumen der Mischwasserüberläufe in die Themse 2025 gegenüber der Zeit vor dem Tunnel um rund 86 %.

Die Forschungsarbeiten zu den unterquerten Brücken zeigen nun auch, welche Berechnungen hinter einem solchen Großprojekt stehen – und warum es beim Tunnelbau selbst auf wenige Millimeter ankommen kann.

Quellen

Wissenschaftliche Grundlage

• Wong et al. (2026): An assessment methodology for tunnelling beneath bridges considering soil–structure interaction – Originalstudie mit Messdaten, Modellvergleichen und Schlussfolgerungen. Online veröffentlicht am 8. Juni 2026.
• Wong et al. (2021): A simple coupled analysis of an arch bridge subjected to tunnelling induced movements – frühere Untersuchung zur Berechnung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung.

Projekt und aktueller Stand

• Tideway – Offizielle Projektwebsite – Hintergründe zum Londoner Abwassertunnel.
• Tideway (13. Oktober 2026): First Annual Benefits Report – aktuelle Betriebs- und Umweltdaten. Die 86 % beziehen sich auf modellierte Überlaufvolumina, nicht auf die Anzahl der Überlaufereignisse.