深部掘削トンネルの変形メカニズムに関する研究と杭基礎・ユニット型支保工の適用

地下トンネルの安全を守る

深部の地下トンネルは現代の炭鉱にとって動脈のような役割を果たし、新鮮な空気や作業員、重機を運ぶ通路です。しかし深い位置では周囲の岩盤が徐々に内部へ押し寄せ、ひび割れや床の隆起を引き起こし、トンネルの安全性や生産性を脅かします。本研究では内モンゴルの炭鉱にある変形した運搬トンネルを詳細に調査し、床の杭とモジュラー支保ユニットを組み合わせ、従来のロックボルトやケーブルと協調させることで岩盤を保持する新しい方法を検証しました。

地盤が動き始めたとき

本研究で調査したトンネルは地表から約420メートル下、厚く比較的安定した煤層に位置します。それでも床は不均一に割れや隆起を起こし、天井は沈下し、側壁（リブ）は膨らんでいました。最も深刻だったのは堅い煤側の床隆起で、路盤が歪み車両の通行が危険になっていました。煤柱側にも損傷が見られた一方で、天井と堅い煤の側面の影響は比較的小さかった。これらのパターンは、深部岩盤における元々の力の釣り合いが掘削によって攪乱されたことを示唆していました。

地下応力がトンネルを壊す仕組み

トンネルがなぜ変形しているのかを理解するため、研究者たちは現地採取、岩芯の室内試験、現場での応力測定を組み合わせました。その結果、岩盤中の自然水平応力が上載重量による垂直応力よりも強いことが分かりました。これらの測定を基に、トンネルを取り巻く岩盤の三次元数値モデルを構築しました。シミュレーションは、掘削により応力が再分配され、開口部周辺やより深部に非常に高い圧縮域と引張域が生じることを示しました。その結果、トンネル周囲には弾性限界を超えて永久変形や割れが始まる環状の破壊域が形成されます。

床が不均一に盛り上がる理由

次に研究チームは、トンネル床を両端に柔らかい領域をもつ梁として扱う簡略化した力学モデルを用いました。その結果、床隆起の大きさと位置は主に二つに強く依存することが示されました：床の両側に存在する軟化した「塑性」帯の幅と、そこでの応力集中の度合いです。両側がほぼ同じであれば床は中央で最も盛り上がります。しかし、一方の側が広い弱化帯を持つか応力集中が大きいと、最大の上方変位はその側に偏り規模も大きくなります。本件では堅い煤側の影響が強く、坑内で観察された著しい非対称な床隆起を説明します。

岩盤を支える新しい方法

従来のボルトやケーブルだけでは変形を抑えきれなかったため、研究者たちは新しい支保概念を提案しました：杭基礎・ユニット型支保です。鋼製の杭をトンネル床に打ち込み、その上にフラットキャップを載せてモジュール式の油圧支保ユニットを配置します。これらの支保は天井や側壁の既存ボルトやケーブルと協調して機能します。杭は床内の応力状態を改善し、トンネル下面の軟化した岩盤の塑性流動を遮断し、支保が垂直方向に効率よく作用できる平坦で安定した基盤を提供します。同時に支保は荷重を分担・分散し、側壁に沿った応力の蓄積を低減します。

危険な圧縮を安定した地盤に変える

複合支保システムの数値シミュレーションは劇的な改善を示しました。天井および床の変位は80〜90％以上低下し、側壁の変位は概ね4分の1以下に削減されました。かつて連続していたトンネル周囲の深刻に損傷した岩盤の環状帯はより小さく孤立した領域に分断され、とくに床では杭列で塑性ひずみが遮断され最大で約80％まで低減しました。平たく言えば、この新しい支保方式は強く圧迫され変動するトンネルを、岩盤変位がセンチメートル規模に抑えられ、杭と支保によって応力が安全に担われる安定した通路へ変えるのです。深部採掘において、この手法は重要な運搬トンネルを開放し、安定化し、安全に保つ有望な方法を提供します。

引用: 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

キーワード: トンネル変形, 床隆起, 地下採掘, 岩盤支保, 杭基礎