Untersuchung der numerischen Simulation der Standsicherheit des umgebenden Gebirges von Tiefbaustrecken mit einem fortschrittlichen Dehnungs-Weichungsmodell basierend auf dem Hoek‑Brown‑Kriterium

Warum das Gestein um Tunnel wichtig ist

Wenn Bergwerke und unterirdische Verkehrstunnel immer größere Tiefen erreichen, wird das Gestein rund um diese Hohlräume bis nahe an seine Bruchgrenze beansprucht. Beginnt dieses Gestein zu reißen und sich auszudehnen, kann es Stahlstützen verformen, Tunnel mit Material verstopfen und die Sicherheit von Arbeitern ernsthaft gefährden. Diese Studie stellt eine praktische Frage mit großen sicherheits- und wirtschaftlichen Konsequenzen: Können intelligentere Computermodelle Ingenieuren helfen, das Verhalten tiefreichenden Gesteins nach dem Aushub besser vorherzusagen, sodass Sicherungssysteme realitätsgerechter ausgelegt werden?

Über das einfache Verhalten von Gestein hinausblicken

Traditionelle Bemessungsmethoden behandeln Gestein häufig wie ein einfaches, nahezu elastisches Material, das nach Versagen auf vorhersehbare Weise schwächer wird. Beobachtungen aus tiefen Bergwerken zeigen jedoch ein komplexeres Bild: Nach Erreichen der Spitzenfestigkeit verliert das Gestein an Steifigkeit, baut Festigkeit ab, reißt und kann infolge der Neuordnung gebrochener Fragmente volumenzunahmend aufquellen. Die Autorinnen und Autoren konzentrieren sich auf ein „fortgeschrittenes Dehnungs‑Weichungsmodell“ namens IMASS, das auf einer weit verbreiteten Festigkeitsregel — dem Hoek‑Brown‑Kriterium — aufbaut. IMASS versucht, vier zentrale Verhaltensweisen nach dem Versagen abzubilden: Verlust von Kohäsion und Zugfestigkeit, Zunahme der Reibung zwischen gebrochenen Teilen, schrittweise Weichung der Steifigkeit und der Übergang von sprödem Bruch zu einem duktilerem, plastischem Fließen.

Wie das neue Modell rissiges Gestein darstellt

Das IMASS‑Modell beschreibt die Entwicklung eines Felskörpers rund um einen Tunnel in Stufen. Zuerst steht der intakte Spitzenzustand, in dem das Gestein noch massiv ist. Erreicht die Spannung ein zu hohes Maß, tritt das Material in eine Nach‑Spitzen‑Phase ein: Risse bilden sich, die kohäsive Festigkeit nimmt ab, die Fragmente sind aber noch verhakt und relativ dicht. Mit weiterer Verformung nähert sich das System einem Endzustand, in dem die Bruchstücke neu angeordnet sind, die Porosität etwa 40 % erreichen kann und sich das Gestein mehr wie ein körniges Schüttgut verhält. Das Modell verknüpft diese Stadien mit messbaren Größen wie dem Geological Strength Index (einer Einstufung der Gebirgsgüten), labormäßig bestimmten Druckfestigkeiten und einem Parameter, der beschreibt, wie schnell plastische Scherungen akkumulieren. Außerdem erlaubt es, dass die elastische Steifigkeit und die Neigung des Gesteins zur Dilatanz — Volumenvergrößerung beim Scheren — mit dem Schadensgrad evolvieren.

Untersuchung, welche Gesteinseigenschaften am wichtigsten sind

Um zu prüfen, wie diese Modellbestandteile die Tunnelsicherheit beeinflussen, erstellten die Autorinnen und Autoren ein dreidimensionales numerisches Modell einer Tiefbaustrecke in rund 1.000 Metern Teufe mit einem typischen halbkreisförmigen Querschnitt. Sie führten systematische Simulationen durch, wobei jeweils eine Eigenschaftsgruppe variiert wurde. Durch Wechsel der Gebirgsgüte von schlecht zu gut beobachteten sie, wie Kohäsion und Zugfestigkeit abnahmen, wie die innere Reibung zunahm und wie sich das Ausmaß plastischer (dauerhaft verformter) Zonen sowie die Verschiebungen um den Tunnel veränderten. Anschließend schalteten sie die Modulweichung ein und aus, untersuchten den Einfluss der Scherdilatanz (wie stark der Felskörper beim Scheren aufquillt) und variierten einen Sprödigkeitsparameter, der steuert, wie schnell das Material von stark und steif zu vollständig geschwächt übergeht. Die Ergebnisse zeigen, dass Verschiebungen und Schäden sehr sensitiv auf Modulweichung und Dilatanz reagieren, wenn das Gestein schwach und spröde ist, jedoch deutlich weniger, wenn der Felskörper stärker und zusammenhängender ist.

Viele Warnsignale zu einem Index bündeln

Statt sich auf einen einzelnen Indikator wie Tunnelwandbewegung oder einen theoretischen „losen Kreis“ zu verlassen, schlagen die Autorinnen und Autoren einen kombinierten Standsicherheitsindex vor, der mehrere Messgrößen zu einem Wert zwischen 0 und 1 verbindet. Berücksichtigt werden Größe der plastischen Zone, Gesamtverformung, das Niveau und die Verteilung der Spitzenbelastung, das Ausmaß des Kohäsionsabbaus und die Stärke der Dilatanz. Mithilfe eines strukturierten Entscheidungsfindungsansatzes (analytic hierarchy process), korrigiert durch ein entropiebasiertes Gewichtungsschema, weisen sie jedem Faktor rationale Gewichte zu und legen das größte Gewicht auf die Größe der plastischen Zone und auf Spannungs­konzentrationen. Nach Normierung aller Größen berechnen sie einen einzelnen Index, mit dem der Tunnel als stabil, grenzständig, kritisch instabil oder hoch kollapsgefährdet klassifiziert werden kann — und der entsprechende Sicherungsmaßnahmen anleitet.

Das Modell in einem realen Bergwerk anwenden

Das Team wandte das fortschrittliche IMASS‑Modell und ein konventionelleres Dehnungs‑Weichungsmodell auf eine tiefe Weichgesteinsstrecke in der chinesischen Quandian‑Kohlenmine an, in der das Gestein stark zerklüfteter Sandstein ist. Sie verglichen simulierte Verschiebungen, Versagens­tiefen, Spannungsmuster und Dilatanz mit Feldmessungen. Das konventionelle Modell sagte deutlich geringere Verformungen und eine kleinere Versagenszone voraus als vor Ort beobachtet, was zu einem übermäßig optimistischen Standsicherheitsindex mit einer Abweichung von etwa 162 % gegenüber dem Messwert führte. Demgegenüber ergaben die IMASS‑Simulationen größere Verschiebungen, breitere plastische Zonen, stärkere Dilatanz und eine deutlich bessere Annäherung an die Realität; der Standsicherheitsindex wich nur um etwa 26 % vom gemessenen Wert ab und identifizierte korrekt, dass die Strecke sich in einem hochgefährdeten Zustand befand.

Was das für sicherere Tunnel bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: Das Gestein um tiefe Tunnel reißt nicht einfach ab und bleibt dann unverändert — es schwächt sich, quillt auf und reorganisiert sich schrittweise, und diese Feinheiten sind für die Sicherheit entscheidend. Das IMASS‑Modell liefert durch Verfolgung von Steifigkeitsverlust, Dilatanz und Sprödigkeit ein realitätsnäheres Bild davon, wie sich Schäden um einen Aushub ausbreiten und wie nahe das System an der Instabilität ist. In Form eines zusammengefassten Standsicherheitsindex erlaubt diese differenziertere Beschreibung Ingenieuren, sicherere oder wirtschaftlichere Sicherungsmaßnahmen mit größerer Zuversicht zu wählen. Die Autorinnen und Autoren weisen darauf hin, dass künftige Arbeiten dynamische Lasten, Grundwasser und zeitabhängige Effekte berücksichtigen müssen; ihre Studie zeigt jedoch, dass nuanciertere numerische Modelle die Lücke zwischen Vorhersage und dem tatsächlichen untertägigen Verhalten deutlich verringern können.

Zitation: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

Schlüsselwörter: Standsicherheit von Tiefbaustrecken, Weichung des Felskörpers, numerische Simulation, Planung der untertägigen Sicherung, Hoek‑Brown‑Kriterium