Forschung zu Verformungsmechanismen in tiefen Stollen und Anwendung der Pfahlgründung·Einheitlichen Stütze

Unterirdische Stollen sicher halten

Tiefe Untertagestollen sind die Lebensadern moderner Kohlengruben: Sie transportieren Frischluft, Beschäftigte und schwere Geräte. In großer Tiefe kann das umgebende Gestein jedoch langsam nachgeben, reißen und den Stollenboden aufwölben, was Sicherheit und Produktivität gefährdet. Diese Studie untersucht einen deformierten Förderstollen in einer Kohlemine in der Inneren Mongolei und prüft eine neue Methode, das Gebirge in Position zu halten, indem Pfähle im Stollenboden und modulare Stützsysteme mit konventionellen Bolzen und Ankern kombiniert werden.

Wenn sich der Untergrund zu bewegen beginnt

Der in dieser Arbeit untersuchte Stollen liegt etwa 420 Meter unter der Oberfläche in einer mächtigen und weitgehend stabilen Kohlenbank. Dennoch hatte sich der Boden ungleichmäßig aufgerissen und hochgewölbt, das Dach war eingesunken und die Wände—die Flanken des Stollens—hatten sich gebogen. Das schwerwiegendste Problem war die Bodenaufwölbung an der festen Kohlewand, die die Fahrbahn verformte und Fahrzeuge gefährdete. Auch auf der Pfeilerseite zeigten sich Schäden, während Dach und feste Kohlenwand vergleichsweise weniger betroffen waren. Diese Muster deuten darauf hin, dass das ursprüngliche Gleichgewicht der Kräfte im tiefen Gestein durch den Aushub gestört worden war.

Wie unterirdische Spannungen einen Stollen zerstören

Um die Ursache der Verformung zu klären, kombinierten die Forscher Feldproben, Labortests an Bohrkernen und ortsgebundene Spannungsmessungen. Sie fanden heraus, dass die natürlichen Horizontalspannungen im Gestein stärker waren als die vertikalen Spannungen durch die Überlagerung. Mit diesen Messwerten erstellten sie ein dreidimensionales numerisches Modell des Gebirges um den Stollen. Die Simulationen zeigten, dass der Aushub Spannungen umverteilt und Bereiche sehr hoher Kompression sowie Zonen mit Zugspannungen um die Öffnung und tiefer im Gestein erzeugt. Das Ergebnis ist ein ringförmiger Bereich um den Stollen, der über seine elastische Grenze hinausgedrückt wird, wo er dauerhaft zu verformen und zu reißen beginnt.

Warum der Boden ungleichmäßig hochwölbt

Das Team verwendete anschließend ein vereinfachtes mechanisches Modell des Stollenbodens und behandelte ihn wie einen Balken, der auf jeweils weicher werdenden Zonen an den Enden ruht. Sie zeigten, dass Ausmaß und Lage der Bodenaufwölbung stark von zwei Faktoren abhängen: der Breite der erweichten „plastischen“ Zonen an den Seiten des Bodens und der dortigen Spannungsüberhöhung. Wenn beide Seiten ähnlich sind, wölbt sich der Boden am stärksten in der Mitte. Hat jedoch eine Seite eine breitere geschwächte Zone oder eine höhere Spannungsüberhöhung, verlagert sich die größte Aufwölbung zu dieser Seite und nimmt an Größe zu. In ihrem Fall wirkte die feste Kohlenwand stärker, was die ausgeprägte, asymmetrische Bodenaufwölbung in der Mine erklärt.

Ein neuer Ansatz, das Gebirge zu halten

Da konventionelle Bolzen und Anker allein die Verformung nicht beherrschen konnten, schlugen die Forscher ein neues Stützkonzept vor: Pfahlgründung‑Einheitliche Stütze. Stahlpfähle werden in den Stollenboden eingebohrt und mit einer flachen Kopfplatte versehen, die modulare hydraulische Stützeinheiten trägt. Diese Stützen arbeiten zusammen mit den vorhandenen Bolzen und Ankern in Dach und Wänden. Die Pfähle verbessern die Spannungsbedingungen im Boden, unterbinden den plastischen Fluss des geschwächten Gesteins unter dem Stollen und schaffen eine ebene, stabile Basis, damit die Stützen vertikal und effizient wirken können. Gleichzeitig verteilen die Stützen die Last, wodurch sich die Spannungsansammlungen entlang der Seitenwände verringern.

Gefährliche „Squeeze“ in stabilen Untergrund verwandeln

Numerische Simulationen des kombinierten Stützsystems zeigten deutliche Verbesserungen. Dach‑ und Bodenausbauten gingen um mehr als 80 bis 90 Prozent zurück, und die Verschiebungen der Seitenwände wurden um etwa drei Viertel oder mehr reduziert. Der vormals durchgehende Ring stark beschädigten Gesteins um den Stollen zerfiel in kleinere, isolierte Zonen, besonders im Boden, wo die plastische Verformung an den Pfahlreihen unterbrochen und um bis zu etwa 80 Prozent verringert wurde. Vereinfacht gesagt verwandelt das neue Stützschema einen stark zusammengedrückten und sich verändernden Stollen in einen, in dem Gesteinsbewegungen auf Zentimetermaßstäbe reduziert sind und die Spannungen sicher von Pfählen und Stützen getragen werden. Für tiefe Bergbaubetriebe bietet dieser Ansatz eine vielversprechende Möglichkeit, kritische Förderstollen offen, stabil und sicher zu halten.

Zitation: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

Schlüsselwörter: Stollenverformung, Bodenaufwölbung, Untertagebau, Felsstützung, Pfahlgründung