Physikalische Modellstudie zum Mechanismus des Sohldrückens bei tiefgelagerten Strecken in weichem Gestein mit sanft geneigten dünnen Lagerungen

Warum Tunnelsohlen plötzlich aufwölben

Tief unter Tage wölben sich in einigen Bergwerksstollen die Sohlen langsam nach oben, was Schienen und Ausrüstung verdrängt und die Sicherheit der Arbeiter gefährdet. Dieses rätselhafte „Sohldrücken“ ist teuer zu beheben und schwer vorherzusagen, insbesondere in weichen, geschichteten Gesteinen, wie sie in Kohlenrevieren häufig vorkommen. Die Studie hinter diesem Artikel verwendet großmaßstäbliche physikalische und numerische Modelle, um zu zeigen, wie Spannungen in sanft geneigten dünnen Gesteinsschichten brechen und die Stollenbasis anheben können. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen, sicherere und stabilere untertägige Strecken zu entwerfen.

Ein genauerer Blick auf aufsteigende Tunnelsohlen

Im Westen Chinas und in vielen anderen Bergbauregionen wird Kohle aus mehreren hundert Metern Tiefe gewonnen, wo das Gewicht des Überlagerungsgebirges enorme Drücke erzeugt. Viele dieser Strecken verlaufen durch weiche Gesteine in dünnen Lagen—Tonstein, Kohle und Schluffstein—die nicht horizontal liegen, sondern leicht geneigt sind. Ingenieure beobachten seit langem, dass sich unter solchen Bedingungen die Tunnelsohle mit der Zeit stark aufwölben kann. Frühere Erklärungsansätze konzentrierten sich auf vertikale Kräfte vom Gewölbe, Quellwasser oder kriechende Verformung des Gesteins, doch die spezifische Rolle der geschichteten Struktur und des seitlichen Zusammendrückens des Gebirgsmasse blieb unklar.

Ein Tunnel im Labor nachbauen

Um diesen Mechanismus zu entschlüsseln, bauten die Forscher ein großes physikalisches Modell, das auf einer realen Strecke in einem Kohlebergwerk in Yunnan (China) basiert, das sich etwa 750 Meter unter der Oberfläche in Schichten mit rund zehn Grad Neigung befindet. Sie rekonstruierten die drei Hauptgesteinstypen mit sorgfältig gemischten Pulvern, die Dichte und Festigkeit der Originalgesteine im verkleinerten Maßstab nachbildeten. Der geschichtete Block, etwa von der Größe eines großen Tischs, enthielt einen kleinen Tunnel, der durch die „Kohleschicht“ geschnitten war. Mit hydraulischer Belastung setzten sie Drücke ein, die den Bedingungen in großer Tiefe entsprachen, mit gleichen vertikalen und horizontalen Spannungen, und simulierten dann den Aushub und zusätzliche Belastung in kontrollierten Stufen.

Beobachtung von Verformung und Bruch des Gesteins

Während der Belastung verfolgte ein hochauflösendes Kamerasystem winzige Oberflächenbewegungen, während Dutzende Dehnungsmessstreifen die Verformung im Inneren des Blocks maßen. Mit zunehmendem Druck traten die ersten auffälligen Veränderungen unterhalb der Streckensohle auf. Direkt unter dem Tunnel bildete sich eine trichterförmige Zone zunehmender Dehnung, die mit fortschreitender Belastung stärker wurde. Schließlich lösten sich die dünnen Lagen unterhalb der Strecke von denen darunter, rissen auf und hoben sich an, was deutliches Sohldrücken erzeugte. Die stärkste gemessene Verformung konzentrierte sich in einem Bereich, der sich bis etwa zur Hälfte der Tunnelbreite in die Sohle erstreckte; die äquivalente Dehnung in dieser Zone stieg auf hohe Spitzenwerte und zeigte damit schwere Schädigung an. Die Analyse ergab, dass das seitliche Zusammendrücken der weichen, dünnen Lagen der dominierende Treiber dieses Aufwölbens war.

Versteckte Zug- und Druckzonen rund um den Tunnel

Das Team kartierte außerdem, wie sich das Gestein um den Tunnel zwischen Dehnung (Zug) und Zusammendrückung (Druck) verschob, als die Sohle versagte. Innerhalb eines Abstands, der dem Tunneldurchmesser vergleichbar ist, wechselten sich Zug- und Druckzonen um die Öffnung ab. Nach dem Sohldrücken erlebte das Gestein in unmittelbarer Nähe der Strecke starke Zugspannungen, besonders in den Ecken sowie entlang von Gewölbe und Sohle, während sich weiter außen Druckzonen bildeten. Dieses Muster erklärt, warum Risse an bestimmten Punkten zu entstehen beginnen und sich dann zu einer charakteristischen Versagensform um den Tunnel ausbreiten.

Überprüfung der Ergebnisse mit numerischen Modellen

Um zu bestätigen, dass das beobachtete Verhalten nicht experimentenspezifisch war, entwickelten die Forscher ein dreidimensionales numerisches Modell mit etablierter Felsmechanik-Software. Sie reproduzierten die gleiche Geometrie, die geschichtete Struktur und die Randbedingungen wie im physikalischen Versuch. Das simulierte Tunnel zeigte ähnliche Verlagerungsmuster: die Sohle in der Nähe einer Tunnelwand bog sich scharf nach oben und brach, während das Gewölbe leicht absank. Wichtige Messpunkte in der Simulation bewegten sich nahezu um dieselben Beträge wie im Labormodell, mit Unterschieden von nur wenigen Millimetern im Versuchsmaßstab. Diese enge Übereinstimmung stärkt das Vertrauen in den identifizierten Mechanismus.

Was das für sicherere unterirdische Strecken bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft klar: In tiefen, weichen, dünn geschichteten Gesteinen kann das seitliche Zusammendrücken des Gebirges genauso wichtig sein wie die vertikale Last für das Entstehen von Sohldrücken. Die sanft geneigten Lagen wirken wie gestapelte, schwache Platten, die unter horizontaler Spannung unter der Strecke knicken, reißen und aufschälen. Die Erkenntnis, dass sich die kritischste Schädigung in einer trichterförmigen Zone direkt unter dem Tunnel und etwa in einer Tunnelbreite um ihn herum konzentriert, hilft Ingenieuren, gezielte Verstärkungsmaßnahmen zu planen—etwa Sohlenanker oder verbesserte Unterstützung in bestimmten Bereichen statt einer großflächigen Überdimensionierung. Obwohl die Studie einen konkreten Bergwerksfall behandelt, liefert sie ein klareres physikalisches Bild, das weltweit zu verlässlicheren Entwürfen und Steuerungsmaßnahmen für tiefe untertägige Strecken beitragen kann.

Zitation: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Schlüsselwörter: Sohldrücken, Strecke in weichem Gestein, Tiefbau, Tunnelstabilität, Gesteinsschichten