Onderzoek naar vervormingsmechanismen in diepe uitgravingstunnels en de toepassing van funderingspalen–unit-ondersteuning

Ondergrondse tunnels veilig houden

Diepe ondergrondse tunnels zijn de slagaders van moderne kolenmijnen; ze voeren frisse lucht, werknemers en zwaar materieel. Maar op grote diepte kan het omgevende gesteente langzaam samendrukken, barsten en de tunnelvloer doen opbollen, wat zowel de veiligheid als de productiviteit bedreigt. Deze studie onderzoekt nauwkeurig een vervormde transporttunnel in een kolenmijn in Binnen-Mongolië en test een nieuwe manier om het gesteente op zijn plaats te houden door een combinatie van palen in de vloer en modulaire steununits, die samenwerken met conventionele ankers en kabels.

Wanneer de ondergrond begint te bewegen

De in dit werk onderzochte tunnel ligt ongeveer 420 meter onder het oppervlak in een dikke en overwegend stabiele steenkoollaag. Toch was de vloer ongelijkmatig gebarsten en omhoog gekomen, het dak was doorgezakt en de ribben — de zijwanden van de tunnel — waren uitgezet. Het ernstigste probleem was de opzwelling van de vloer aan de zijde van massieve steenkool, die de weg vervormde en voertuigen in gevaar bracht. Ook de steenkoolkolomzijde vertoonde schade, terwijl het dak en de massieve steenkoolwand relatief minder werden getroffen. Deze patronen suggereerden dat de oorspronkelijke krachtsbalans in het diepe gesteente door de ontgraving was verstoord.

Hoe spanningen ondergronds een tunnel beschadigen

Om te begrijpen waarom de tunnel vervormde, combineerden de onderzoekers veldmonsters, laboratoriumtests aan kernboringen en spanningsmetingen op locatie. Ze vonden dat de natuurlijke horizontale spanningen in het gesteente sterker waren dan de verticale spanningen door het overliggende gewicht. Met deze metingen bouwden ze een driedimensionaal numeriek model van het gesteente rond de tunnel. De simulaties toonden aan dat het graven van de tunnel de spanningen herschikt, waardoor zones van zeer hoge compressie en gebieden van trek ontstaan rond de opening en dieper in het gesteente. Het resultaat is een ringvormige zone van gesteente rond de tunnel die voorbij zijn elastische grens wordt gedrukt, waar het permanent gaat vervormen en scheuren begint te vertonen.

Waarom de vloer ongelijk opbolt

Het team gebruikte vervolgens een vereenvoudigd mechanisch model van de tunnelvloer, dat deze behandelde als een balk die rust op zachtere zones aan elk uiteinde. Ze toonden aan dat de omvang en positie van vloeropzwelling sterk afhangen van twee factoren: hoe breed de verharde “plastische” zones aan elke zijde van de vloer zijn, en hoe groot de spanningsconcentratie daar is. Wanneer beide zijden vergelijkbaar zijn, bolt de vloer het meest in het midden omhoog. Maar als één zijde een breder verzwakt gebied of een hogere spanningsconcentratie heeft, verschuift de grootste opwaartse beweging naar die zijde en wordt deze groter. In hun geval had de zijde met massieve steenkool het sterkste effect, wat de uitgesproken asymmetrische vloeropzwelling in de mijn verklaart.

Een nieuwe manier om het gesteente te ondersteunen

Aangezien conventionele ankers en kabels alleen de vervorming niet konden beteugelen, stelden de onderzoekers een nieuw ondersteuningsconcept voor: funderingspalen–unit-type ondersteuning. Stalen palen worden in de tunnelvloer geboord en bekroond met een platte kap die modulaire hydraulische steununits draagt. Deze ondersteuning werkt samen met de bestaande ankers en kabels in dak en wanden. De palen verbeteren de spanningsomstandigheden in de vloer, blokkeren de plastische stroming van verzwakt gesteente onder de tunnel en bieden een vlak, stabiel fundament zodat de steunen verticaal en efficiënt kunnen werken. Tegelijkertijd delen en spreiden de steunen de belasting, waardoor spanningsopbouw langs de zijwanden afneemt.

Gevaarlijke samendrukking omzetten in stabiele grond

Numerieke simulaties van het gecombineerde ondersteuningssysteem toonden dramatische verbeteringen. Dak- en vloerverplaatsingen namen met meer dan 80 tot 90 procent af, en zijwandverplaatsingen werden met ongeveer driekwart of meer teruggedrongen. De eens continue ring van zwaar beschadigd gesteente rond de tunnel brak in kleinere, geïsoleerde zones, vooral in de vloer waar de plastische vervorming bij de paalrijen werd onderbroken en met ongeveer 80 procent werd verminderd. Simpel gezegd verandert het nieuwe ondersteuningsschema een ernstig samengeperste en verschuivende tunnel in een doorgang waar gesteenteverplaatsingen tot op centimeterschaal zijn teruggebracht en spanningen veilig door palen en steunen worden gedragen. Voor diepe mijnbouwoperaties biedt deze aanpak een veelbelovende manier om kritische transporttunnels open, stabiel en veilig te houden.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: tunnelvervorming, vloeropzwelling, ondergronds mijnbouw, gesteenteondersteuning, funderingpaal