Zeitabhängiges mechanisches Verhalten und Unterstützungszeitpunkt des umgebenden Gebirges gesteuert durch das Rissverschlussverhältnis

Warum langsame Gesteinsbewegung unter Tage wichtig ist

Tief unter der Erde sind Kraftwerksanlagen und Tunnel in Gestein ausgehöhlt, das lange nach der Sprengung weiterhin in Bewegung bleibt. Diese langsame, kriechende Bewegung kann anfangs winzige Risse verschließen, über Monate oder Jahre hinweg aber auch solche Risse aufweiten und das Gestein um einen Hohlraum schwächen. Dieser Beitrag untersucht, wie und wann sich dieser stille Schaden in hartem Granit an einer großen Wasserkraftanlage in China aufbaut, und schlägt einen neuen Ansatz vor, um genau zu entscheiden, wann Ingenieure Sicherungsmaßnahmen anbringen sollten, sodass das Gestein das Eigengewicht trägt, statt plötzlich zu versagen.

Beobachtung, wie Granit langsam nachgibt

Die Forschenden arbeiteten mit Granitproben vom unterirdischen Maschinenhaus von Shuangjiangkou, einem großen Wasserkraftprojekt, das mehrere hundert Meter im Berg liegt. Im Labor wurden zylindrische Gesteinsproben unter Bedingungen zusammengedrückt, die die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Tiefe nachahmen. Statt sie einmal bis zum Bruch zu belasten, führten die Forschenden Kriechversuche durch: Die Spannung wurde schrittweise erhöht und dann über viele Stunden konstant gehalten, während winzige Längen- und Breitenänderungen aufgezeichnet wurden. So konnten sie beobachten, wie das Gestein zunächst schnell verformt, dann in eine langsame, nahezu gleichförmige Änderung übergeht und schließlich bei der Verknüpfung von Rissen ins Beschleunigen bis zum Versagen übergeht.

Eine neue Methode, die versteckten Risse im Gestein zu lesen

Traditionelle Modelle gehen davon aus, dass der erste Verformungssprung bei Belastungsanwendung rein elastisch ist – wie eine Feder, die sich nach Entlastung zurückstellt. Hartes Gestein enthält jedoch zahllose vorbestehende Mikrorisse, die sich schließen, verschieben und wieder öffnen, weshalb diese Annahme zu einfach ist. Die Autorinnen und Autoren führten ein „Rissverschlussverhältnis“ ein, eine Kennzahl, die beschreibt, wie weit diese kleinen Risse vom vollständig geschlossenen bis zum weit geöffneten Zustand verschoben sind. Durch die Kombination dieses Verhältnisses mit standardmäßigen Spannungs-Dehnungs-Messungen trennten sie das Verhalten des Gesteins in zwei Teile: gewöhnliche, rückstellbare Verformung und zusätzliche Verformung durch Risswachstum. Sie verfolgten diese Effekte zudem in zwei Richtungen: entlang der Belastungsachse und radial, also nach außen von den Wänden eines künftigen Tunnels oder einer Kaverne.

Warum seitliches Aufreissen die Langzeitfestigkeit bestimmt

Die Versuche zeigten, dass die Langzeitfestigkeit des Gesteins nicht in alle Richtungen gleich ist. Verglichen die Forschenden die Spannung, bei der sich der stationäre Kriechzustand plötzlich in unkontrollierte Verformung wandelte, stellten sie fest, dass Risse, die radial – also von einer unterirdischen Öffnung nach außen – wachsen, diesen kritischen Zustand bei geringerer Spannung erreichten als Risse entlang der Hauptbelastungsrichtung. Anders gesagt: Das Gestein verliert seitlich gefährlich schnell an Festigkeit, bevor es dies in vertikaler Richtung tut. Indem sie Grenzwerte des Rissverschlussverhältnisses definierten, die mit diesem Übergang verknüpft sind, entwickelten die Autorinnen und Autoren ein zeitabhängiges Modell, das vorhersagen kann, wann und wie schnell Risse unter unterschiedlichen Spannungsbedingungen wachsen, insbesondere in der radialen Richtung, die das Versagen um Ausbrüche am stärksten kontrolliert.

Laborerkenntnisse in die Baustelle übertragen

Um zu prüfen, ob ihr Ansatz im Feld standhält, betteten die Forschenden ihr rissbasiertes Kriechmodell in numerische Simulationen des Ausbruchs des Maschinenhauses von Shuangjiangkou ein. Sie teilten das umgebende Gestein in Zonen basierend auf den vor Ort herrschenden Spannungen und nutzten das Modell, um zu verfolgen, wie sich der Schaden nach jedem Ausbruchsschritt mit der Zeit ausbreitet. Die Simulationen erzeugten Verschiebungs- und Rissmuster, die eng mit Überwachungsdaten und sichtbaren Schäden wie Trägerverformungen und neuen Klüften übereinstimmten. Anhand des radialen Rissverschlussverhältnisses klassifizierten sie das Gestein um die Kaverne in fünf Zonen, von intakt bis vollständig versagt, und verbanden jede Zone mit einem Bereich von Rissverschlusswerten, die sich im Voraus aus Laborversuchen abschätzen lassen.

Den richtigen Moment für Sicherung wählen

Für Ingenieure ist das praktischste Ergebnis ein Zeitplan für Sicherungsmaßnahmen. Die Studie identifiziert einen kritischen Wert des Rissverschlussverhältnisses, der die Grenze zwischen überwiegend selbsttragendem Gestein und Gestein, das den Großteil seiner Festigkeit verloren hat, markiert. Indem sie berechneten, wann verschiedene Bereiche um die Kaverne voraussichtlich diese Schwelle überschreiten, schlagen die Autorinnen und Autoren gestaffelte Sicherungskategorien vor: sofortige Sicherung dort, wo das Versagen fast sofort beginnt, mehrere Abstufungen verzögerter Sicherung, wo sich der Schaden langsamer aufbaut, und abschließende „Stabilisierungs“-Maßnahmen, nachdem die meiste Bewegung abgeklungen ist. Dieser Ansatz erlaubt es Planenden, Sicherungen so zu timen, dass das Gestein möglichst viel des eigenen Gewichts trägt – wodurch Material und Kosten eingespart werden — und zugleich plötzliche Einstürze durch langsames, zeitabhängiges Risswachstum vermieden werden.

Zitation: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

Schlüsselwörter: Gesteinskriechen, unterirdische Kavernen, Mikrorisse, Auslegungsunterstützung, Granitsstabilität