Prefabricerade cut-and-cover-tunnlar med välvda tvärsnitt

Abstract (Swedish)

Arbetet undersöker möjligheterna att använda prefabricerade cut-and-cover-tunnlar i betong med välvda tvärsnitt inom svensk järnvägsinfrastruktur. Cut-and-cover-tunnlar byggs främst som platsgjutna konstruktioner vid grundare anläggningsdjup där jord eller sand är det omgivande materialet. Vid prefabricerade cut-and-cover-tunnlar schaktas en sträckning ut där betongtunneln placeras och monteras ihop innan återfyllning av jordmaterial sker. Bygg- och anläggningssektorn är i behov av mer hållbara och resurseffektiva konstruktionsmetoder, där prefabricering har potential att minska både byggtid och klimatpåverkan. Samtidigt ställer prefabricerade tunnlar höga krav på stabilitet, täthet mot vatten och praktisk byggbarhet.

Syftet med arbetet är att undersöka hur olika tunnelgeometrier påverkar stabilitet, bärförmåga, materialåtgång och framför allt möjligheten att utforma slanka tunnelkonstruktioner. Målet är att bidra till ökad förståelse för möjligheterna med prefabricerade cut-and-cover-tunnlar.

En optimering bestående av modellering och dimensionering genomförs. Tre olika tunnelgeometrier analyseras: ett tvärsnitt med välvt tak och raka väggar, ett cirkulärt tvärsnitt och ett stående elliptiskt tvärsnitt. Storleken på tvärsnitten bestäms utifrån Trafikverkets krav på fri tvärsnittsarea och fri bredd för en dubbelspårig järnvägstunnel. Parametrar såsom mängd överfyllnad och grundvattennivå varieras för att analysera deras påverkan på konstruktionen. Modelleringen utförs med finita elementanalyser (FEA) i programvaran LUSAS Bridge, medan dimensionering av betong och armering genomförs enligt Eurokod 2.

Studien omfattar statiska analyser i brott- och bruksgränstillstånd samt knäckningsanalyser för att undersöka andra ordningens effekter. Dessutom undersöks sprickbredden. Analyserna utförs endast i det tvådimensionella planet och lasterna som undersöks är endast permanenta.

Resultaten visar att tunnelns geometri har stor betydelse för betongtjocklek och materialåtgång. En tunnelgeometri som är tryckdominerad blir effektivast med avseende på betongtjocklek, där den stående elliptiska geometrin generellt uppvisar de mest gynnsamma resultaten. I det tvärsnittet reduceras böjmomenten och betongens höga tryckhållfasthet kan utnyttjas. Den geometri som möjliggör den minsta väggtjockleken är dock inte nödvändigtvis den som ger lägst total materialåtgång.

Sammanfattningsvis visar arbetet på att prefabricerade cut-and-cover-tunnlar med välvda tvärsnitt är möjliga att dimensionera utifrån svenska krav och regelverk. De mest gynnsamma geometrierna möjliggör slankare väggtjocklekar där kraftöverföringen är effektivare. Det krävs dock fortsatta undersökningar inom fogutformning och hur tvångslaster påverkar konstruktionen samt tredimensionella analyser för att kunna tillämpa prefabricerade cut-andcover-tunnlar i större skala inom svensk järnvägsinfrastruktur.

Abstract

This thesis investigates the potential of using prefabricated concrete cut-and-cover tunnels with arched cross sections in Swedish railway infrastructure. Cut-and-cover tunnels are primarily constructed as in-situ structures at shallow installation depths where soil or sand constitutes the surrounding material. In prefabricated cut-and-cover constructions, an excavation is made along the alignment, after which the concrete tunnel elements are placed and assembled before backfilling with soil material. The construction industry needs more sustainable and resource-efficient construction methods, and prefabrication has the potential to reduce both construction time and environmental impact. At the same time, prefabricated tunnels impose high demands on structural stability, watertightness, and practical constructability.

The purpose of this study is to investigate how different tunnel geometries influence structural stability, bearing capacity, material consumption, and particularly the possibility of designing slender tunnel structures. The objective is to contribute to an increased understanding of the potential of prefabricated cut-and-cover tunnels.

An optimization consisting of a structural analysis and design is carried out. Three different tunnel geometries are analyzed: a cross-section with an arched roof and straight walls, a circular cross-section, and a vertically oriented elliptical cross-section. The dimensions of the cross-sections are determined based on the Swedish Transport Administration’s requirements regarding clear cross-sectional area and minimum clear width for a double-track railway tunnel. Parameters such as soil cover depth and groundwater level are varied in order to analyze their influence on structural behavior. The structural analyses are performed using finite element analyses (FEA) in the software LUSAS Bridge, while the design of concrete and reinforcement is carried out in accordance with Eurocode 2.

The study includes static analyses in both the ultimate limit state (ULS) and the serviceability limit state (SLS), as well as buckling analyses to investigate second-order effects. In addition, crack width is evaluated. The analyses are limited to the two-dimensional plane, and only permanent loads are considered.

The results demonstrate that tunnel geometry has a significant influence on concrete thickness and material consumption. A tunnel geometry dominated by compressive forces proves to be the most efficient with respect to concrete thickness, with the vertically oriented elliptical geometry generally exhibiting the most favorable results. In this cross-section, bending moments are reduced, allowing the high compressive strength of concrete to be utilized more effectively. However, the geometry that enables the smallest wall thickness does not necessarily result in the lowest total material consumption.

In conclusion, the study shows that prefabricated cut-and-cover tunnels with arched crosssections can be designed in accordance with Swedish requirements and regulations. The most favorable geometries enable more slender wall thicknesses through more efficient force transfer. However, further investigations concerning joint design, the effects of imposed deformations and restraint forces on the construction, and three-dimensional analyses are required before prefabricated cut-and-cover tunnels can be implemented on a larger scale within Swedish railway infrastructure.

Popular Abstract (Swedish)

När nya järnvägar byggs behövs ofta tunnlar för att passera under vägar, bebyggelse eller andra hinder. Många av dessa tunnlar byggs idag direkt på plats genom att betong gjuts i stora formar. Metoden är väl beprövad men kan vara både tidskrävande och resursintensiv. Samtidigt står bygg- och anläggningsbranschen inför stora utmaningar när det gäller att minska klimatpåverkan och använda material mer effektivt.

En möjlig lösning är att bygga tunnlar av prefabricerade betongelement. Istället för att gjuta hela tunneln på byggarbetsplatsen tillverkas delarna i fabrik och transporteras sedan till platsen där de monteras ihop. Principen kan liknas vid att bygga med mycket stora byggklossar. Prefabricering används redan inom många delar av byggbranschen, men är fortfarande ovanligt för järnvägstunnlar i Sverige.

I detta examensarbete har möjligheterna och utmaningarna med att använda prefabricerade så kallade cut-and-cover-tunnlar undersökts. Denna typ av tunnel byggs genom att ett schakt grävs ut, tunneln placeras i schaktet och därefter täcks med jord igen. Metoden används främst där tunneln ligger relativt nära markytan och är omgiven av jord.

Studien fokuserar på hur tunnelns form påverkar dess stabilitet och väggtjocklek. Precis som formen på en bro eller en byggnad påverkar hur laster förs vidare, spelar tunnelns geometri en avgörande roll för hur effektiv konstruktionen blir. Tre olika tunneltyper jämfördes: en med välvt tak och raka väggar, en cirkulär tunnel och en tunnel med en stående elliptisk form.

För att undersöka den minsta möjliga väggtjockleken för respektive tunnelgeometri skapades digitala modeller där tunnelkonstruktionerna utsattes för olika kombinationer av jordtryck, grundvattentryck och andra belastningar som kan uppstå i verkligheten. Därefter analyserades hur konstruktionerna reagerade och hur tjock betongvägg som krävdes för att uppnå tillräcklig stabilitet.

Resultaten visar att tunnelns form har stor betydelse. De mest effektiva lösningarna var de som i hög grad kunde överföra lasterna som tryckkrafter genom konstruktionen. Betong är särskilt starkt när den utsätts för tryck, vilket gör att en väl utformad båg- eller valvkonstruktion kan göras betydligt tunnare än en konstruktion som utsätts för stora böjspänningar. Den elliptiska tunnelgeometrin visade sig vara särskilt gynnsam och möjliggjorde de tunnaste väggarna av de
alternativ som studerades.

Samtidigt visar studien att tunnare väggar inte automatiskt innebär att den totala materialåtgången blir lägre. En tunnel kan vara mycket effektiv ur ett byggmekaniskt perspektiv men ändå kräva mer material på grund av sin form. Därför behöver flera aspekter vägas samman när framtidens tunnlar utformas, exempelvis materialåtgång, klimatpåverkan, byggkostnad och möjligheten att transportera och montera de prefabricerade delarna.

Arbetet visar att prefabricerade cut-and-cover-tunnlar med välvda tvärsnitt har potential att bli ett intressant alternativ inom framtidens järnvägsbyggande. Genom att kombinera smart geometri med prefabricering kan tunnlar byggas med mindre material och kortare byggtid. Innan metoden kan användas i större skala krävs dock ytterligare utveckling, bland annat kring hur tunnelns olika delar ska fogas samman, hur vattentätheten kan säkerställas och hur konstruktionen beter
sig i tre dimensioner. Resultaten visar ändå att prefabricerade tunnlar kan vara ett steg mot ett mer resurseffektivt och hållbart infrastruktursystem.

• author: Wigart, Richard and Froste, Molly
• supervisor: Jonas Niklewski
• organization: Division of Structural Engineering
• alternative title: Prefabricated cut-and-cover tunnels with arched cross sections
• course: VBKM01 20261
• year: 2026
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Tunnel, Cut-and-cover, Prefabricering, Välvda tvärsnitt
• report number: 26/5320
• ISSN: 0349-4969
• other publication id: LUTVDG/TVBK/26/5320
• language: Swedish
• additional info: examinator: Miklos Molnar
• id: 9241503
• date added to LUP: 2026-06-22 10:33:16
• date last changed: 2026-06-22 10:33:16