Onderzoek naar numerieke modellering van de stabiliteit van omliggend gesteente in diepe gangen met een geavanceerd vervormingsverzachtend model gebaseerd op het Hoek-Brown-criterium

Waarom het omliggende gesteente bij tunnels ertoe doet

Naarmate mijnen en ondergrondse vervoerstunnels steeds dieper komen te liggen, wordt het gesteente rond deze openingen tot dicht bij zijn breekpunt belast. Wanneer dat gesteente begint te scheuren en te opzwellen, kan het stalen ondersteuningen doen doorbuigen, tunnels vullen met puin en werknemers ernstig in gevaar brengen. Deze studie stelt een praktische vraag met grote veiligheids- en economische consequenties: kunnen slimmere computermodellen ingenieurs helpen voorspellen hoe diep gesteente zich gedraagt na ontginning, zodat ondersteuningssystemen daadwerkelijk op de werkelijkheid kunnen worden afgestemd?

Voorbij eenvoudige opvattingen over gesteente

Traditionele ontwerpmethoden behandelen gesteente vaak alsof het een eenvoudig, bijna elastisch materiaal is dat op voorspelbare wijze verzwakt zodra het faalt. Observaties uit diepe mijnen tonen echter een complexer beeld: na het bereiken van de pieksterkte kan gesteente stijfheid verliezen, sterkte inleveren, scheuren en zelfs volumetoename vertonen doordat gebroken fragmenten verschuiven en uitzetten. De auteurs richten zich op een ‘geavanceerd vervormingsverzachtend’ model genaamd IMASS, dat is opgebouwd op een veelgebruikt regel voor gesteentesterkte, het Hoek–Brown-criterium. IMASS probeert vier kerngedragingen na falen vast te leggen: verlies van cohesie en treksterkte, toename van wrijving tussen gebroken stukken, geleidelijke verzachting van de stijfheid en een overgang van broos breken naar meer ductiele, plastische stroom.

Hoe het nieuwe model scheurend gesteente weergeeft

Het IMASS-model beschrijft de levensloop van een gesteentemassa rond een tunnel in fasen. Eerst is er de intacte pieksterktestaat, waarin het gesteente nog solide is. Zodra de spanning te hoog wordt, treedt het materiaal in een post-piekfase: scheuren ontstaan, cohesieve sterkte neemt af, maar de fragmenten zitten nog vergrendeld en relatief dicht op elkaar. Bij verdere vervorming beweegt het systeem richting een uiteindelijke toestand, waarin de gebroken stukken zijn herschikt, de porositeit ruwweg 40% kan bereiken en het gesteente zich meer gedraagt als een granulair stapel. Het model koppelt deze fasen aan meetbare grootheden zoals de geologische sterkte-index (een beoordeling van de kwaliteit van de gesteentemassa), in het laboratorium gemeten druksterkte en een parameter die beschrijft hoe snel plastische schuifvervorming zich ophoopt. Het laat ook toe dat de elastische stijfheid en de neiging van het gesteente tot dilatatie—volume-uitzetting tijdens schuiven—meegroeien met de schade.

Testen welke gesteenteeigenschappen het meest tellen

Om te onderzoeken hoe deze ingrediënten de stabiliteit van tunnels beïnvloeden, bouwden de auteurs een driedimensionaal numeriek model van een diepe galerij op ongeveer 1.000 meter diepte, met een typische halfcirkelvormige dwarsdoorsnede. Ze voerden systematische simulaties uit waarbij telkens één groep eigenschappen werd gevarieerd. Door de gesteentekwaliteit te wijzigen van arm naar goed, observeerden ze hoe cohesie en treksterkte degradeerden, hoe interne wrijving toenam en hoe de omvang van plastische zones en de verplaatsingen rond de tunnel zich ontwikkelden. Vervolgens schakelden ze modulusverzachting aan en uit, onderzochten ze de invloed van schuifdilatantie (hoeveel de gesteentemassa opzwelt tijdens schuiven) en stelden ze een brosheidsparameter bij die regelt hoe snel het materiaal van sterk en stijf naar volledig verzwakt overgaat. De resultaten laten zien dat verplaatsing en schade zeer gevoelig zijn voor modulusverzachting en dilatatie wanneer het gesteente zwak en bros is, maar veel minder wanneer de gesteentemassa sterker en continu is.

Verschillende waarschuwingssignalen combineren tot één score

In plaats van te vertrouwen op één indicator zoals beweging van de tunnelwand of een theoretische ‘losse kring’, stellen de auteurs een gecombineerd stabiliteitsindex voor die meerdere maatstaven samenvat in een score tussen 0 en 1. Ze nemen daarbij de grootte van de plastische zone, totale vervorming, het niveau en de verdeling van piekspanningen, hoeveel cohesie is verzwakt en hoe sterk de dilatantie is. Met een gestructureerde beslismethode (analytic hierarchy process) gecorrigeerd door een entropie-gebaseerde weging, kennen ze rationele gewichten toe aan elk factor, met de belangrijkste nadruk op de omvang van de plastische zone en op spanningsconcentratie. Na normalisatie van alle grootheden berekenen ze één index die de tunnel kan classificeren als stabiel, marginaal, kritisch onstabiel of met een hoog instortingsrisico, en die kan leiden tot bijpassende ondersteuningsmaatregelen.

Het model toepassen in een echte mijn

Het team paste vervolgens zowel het geavanceerde IMASS-model als een meer conventioneel vervormingsverzachtend model toe op een diepe zachthard-galerij in de Quandian-kolenmijn in China, waar het gesteente sterk gefragmenteerd zandsteen is. Ze vergeleken gesimuleerde verplaatsingen, faalpenetraties, spanningspatronen en dilatatie met veldmetingen. Het conventionele model voorspelde aanzienlijk minder vervorming en een kleinere faalzone dan ter plaatse werd waargenomen, en gaf een te optimistische stabiliteitsindex met een afwijking van ongeveer 162% ten opzichte van de gemeten waarde. Daarentegen produceerden de IMASS-simulaties grotere verplaatsingen, bredere plastische zones, sterkere dilatatie en een veel nauwkeurigere overeenkomst met de werkelijkheid; de stabiliteitsindex week slechts ongeveer 26% af van de gemeten waarde en het model identificeerde correct dat de galerij in een hoog-risico toestand verkeerde.

Wat dit betekent voor veiliger tunnels

Voor niet-specialisten is de boodschap helder: het gesteente rond diepe tunnels scheurt niet alleen en stopt — het verzacht, zwelt en herorganiseert zich geleidelijk, en die subtiele effecten zijn belangrijk voor de veiligheid. Het IMASS-model biedt door het volgen van stijfheidsverlies, dilatatie en brosheid een realistischer beeld van hoe schade zich rond een ontginning verspreidt en hoe dicht het systeem bij instabiliteit is. Wanneer deze rijkere beschrijving wordt samengevoegd in één stabiliteitsindex, kunnen ingenieurs met meer vertrouwen sterkere of economischere ondersteuningsschema’s kiezen. Hoewel de auteurs opmerken dat toekomstig werk dynamische belastingen, grondwater en tijdsafhankelijke effecten moet omvatten, laat hun studie zien dat meer genuanceerde numerieke modellen de kloof tussen voorspelling en wat daadwerkelijk ondergronds gebeurt aanzienlijk kunnen verkleinen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: stabiliteit van diepe galerijen, verzachting van het gesteente, numerieke simulatie, ontwerp van ondergrondse ondersteuning, Hoek-Brown-criterium