Onderzoek naar vervormingskenmerken van het omringende gesteente en optimalisatiemaatregelen voor ondersteuning bij TBM‑doorstekende faalbreukzones in tunnels

Waarom tunnels in bergen plotseling kunnen falen

Lange snelweg- en spoorwegtunnels lopen nu door enkele van ‘s werelds hoogste en meest ruige berggebieden. Deze passages worden meestal uitgehakt door reusachtige tunnelboormachines (TBM’s) die gestaag door massief gesteente boren. Maar wanneer een TBM een verborgen breukzone tegenkomt—gesteente dat door oude aardbevingen is verpletterd en verzwakt—kan de tunnel vervormen, instorten of zelfs de machine insluiten. Deze studie onderzoekt zo’n risicovolle ontmoeting in een Chinese bergtunnel en toont aan hoe een zorgvuldig ontworpen ondersteuningssysteem die gevaren sterk kan verminderen.

Een problematisch stuk in een diepe bergtunnel

Het onderzoek richt zich op de Daliangshan No. 1‑tunnel in de provincie Sichuan, die meer dan 10 kilometer onder steile, V‑vormige valleien loopt. Het grootste deel van de route voert door relatief sterk gesteente, maar een sectie kruist de F1‑faalbreukzone, waar eens solide basalt en tuf zijn verbrokkeld tot zwakke, verweerde fragmenten. In deze zone vallen blokken van het plafond en de wanden, ontstaan grote holtes, sijpelt water binnen en verliezen de gebruikelijke aanhechtingspunten waar de TBM zich tegen het gesteente afzet hun sterkte. Tijdens vroege ontgravingen leidden deze omstandigheden tot zware rotsval, vervormde stalen ondersteuningen, convergentie van de tunnelwanden en zelfs tot een episode waarin de TBM vast kwam te zitten na een stilstand.

Meten hoe de grond beweegt

Om te begrijpen wat er gebeurde—en hoe het beheerst kon worden—combineerde het team drie benaderingen. In het laboratorium onderzochten ze verpoederde kernmonsters uit de breukzone om vast te stellen hoe zwak het veranderde gesteente werkelijk was. In de computer gebruikten ze het eindige‑elementprogramma ABAQUS om een TBM die vooruitgaat door een 8 meter brede tunnel die een 40 meter brede breukband met een helling van 40 graden kruist, te modelleren. En in het veld installeerden ze instrumenten langs meerdere dwarsdoorsnedes om te monitoren hoe het tunnelgewelf, de wanden en het grondoppervlak zich verplaatsten naarmate de ontgraving vorderde. Deze mix van testen, modelleren en metingen op locatie maakte het mogelijk om wat ondergronds werd waargenomen te koppelen aan de onzichtbare herverdeling van spanningen in de omliggende bergen.

Wat gebeurt er wanneer de machine de breuk ontmoet

De simulaties en metingen toonden een duidelijk patroon: de vervorming was “groter in het midden en kleiner aan beide uiteinden” van de breukzone. Zodra de TBM het zwakste kerngebied van F1 binnenging, boog het tunnelgewelf sterk door—tot wel 92 millimeter—terwijl het grondoppervlak erboven met maximaal 42 millimeter zakte. Het gewelf begon ongeveer 10 meter voordat de machine een gemonitorde sectie bereikte te verzakken en bleef bewegen tot ongeveer 10 meter voorbij die sectie. De zijwanden reageerden later en minder sterk, met maximale bewegingen rond de 15 millimeter. Weg van de breuk, waar het gesteente meer intact was, vielen de zettingsstapjes onder de 5 millimeter en werd het tunnelgedrag veel stabieler. Zonder ingrijpen bedreigden de grote verplaatsingen in de breukkern echter zowel de veiligheid van de arbeiders als het vermogen van de TBM om door te gaan.

Een sterkere omhulling rond de tunnel bouwen

Geleid door deze bevindingen en ervaring uit andere projecten ontwierpen de ingenieurs een versterkt ondersteuningssysteem dat was afgestemd op het gefailleerde gesteente. In plaats van alleen op stalen ribben en standaard spuitbeton te vertrouwen, voegden ze een dicht netwerk van nieuwe stalen versterkingsstroken toe rond een groot deel van de tunnelomtrek, upgrade­ten ze het gespoten beton naar hogere‑sterkte mengsels en gebruikten ze bekisting en injecties om een solide draagvlak te creëren waar de gripper‑schoenen van de TBM tegen de wanden drukken. In zeer losse of instortende gebieden plaatsten ze zelfborende ankers en glasvezelankers en vulden holtes en karstleemten met beton. Numerieke modellen die deze maatregelen incorporeerden voorspelden veel kleinere bewegingen, en veldmetingen bevestigden de verbetering.

Hoeveel veiliger de tunnel werd

Na de versterking daalde de maximale plafondzetting bij alle gemonitorde secties tot ongeveer 17 millimeter, en de zetting aan het oppervlak tot ongeveer 7 millimeter—reducties van ruwweg 80 procent vergeleken met de niet‑versterkte situatie. De tunnelwanden en de voet van het gewelf bewogen slechts enkele millimeters, en het algemene vervormingspatroon werd gelijkmatiger en voorspelbaarder. Rotsafbrokkeling en instortingsholtes namen aanzienlijk af, de draagkracht voor de schoenen van de TBM verbeterde, en de machine kon ononderbroken verder boren zonder opnieuw ingesloten te raken. In praktische zin veranderde de opgewaardeerde ondersteuning een zeer onstabiel deel van de tunnel in een beheersbaar technisch probleem.

Wat dit betekent voor toekomstige tunnels

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat “slecht gesteente” in breukzones diep in tunnels projecten niet hoeft te laten ontsporen. Door eerst te meten hoe het gesteente zich gedraagt, daarna te simuleren hoe de tunnel en het gebergte wisselwerken, en tenslotte de versterking op die omstandigheden af te stemmen, kunnen ingenieurs de vervorming van de tunnel sterk beperken—zelfs in verpletterd, verweerd gesteente op een kilometer diepte. De aanpak die in de Daliangshan No. 1‑tunnel is toegepast, biedt een routekaart voor andere bergtunnels die vergelijkbare combinaties van verweerd gesteente en actieve of oude breuken moeten kruisen, en verbetert zo de veiligheid en vermindert het risico op kostbare TBM‑stilstanden.

Bronvermelding: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

Trefwoorden: tunnelboormachine, faalbreukzone, tunnelondersteuning, grondzetting, bergtunnels