Badanie modelu fizycznego nad mechanizmem wypiętrzania się chodnika wydrążonego w miękkiej skale o łagodnie nachylonych cienkich warstwach

Dlaczego podłogi tuneli kopalnianych nagle się wypiętrzają

Głęboko pod ziemią podłogi niektórych tuneli kopalnianych powoli wypuklają się ku górze, wypychając tory i wyposażenie oraz zagrażając bezpieczeństwu pracowników. To zagadkowe „wypiętrzanie podłogi” jest kosztowne w naprawie i trudne do przewidzenia, szczególnie w miękkich, warstwowych skałach typowych dla rejonów górniczych węgla. Badanie opisane w tym artykule wykorzystuje duże modele fizyczne i numeryczne, aby ujawnić, jak naprężenia w łagodnie nachylonych cienkich warstwach skalnych mogą prowadzić do pęknięć i podniesienia podłogi tunelu, dostarczając wiedzy, która może pomóc w projektowaniu bezpieczniejszych i bardziej stabilnych chodników podziemnych.

Bliższe spojrzenie na wypiętrzające się podłogi tuneli

W zachodnich Chinach i wielu innych obszarach wydobywczych węgiel wydobywa się z głębokości setek metrów, gdzie ciężar pokrywających skał generuje ogromne ciśnienia. Wiele z tych tuneli przebiega przez miękkie skały ułożone w cienkie warstwy — mułowce, węgiel i mułowce ilaste — ustawione pod łagodnym kątem, zamiast leżeć poziomo. Inżynierowie od dawna obserwowali, że w takich warunkach podłoga tunelu może z czasem dramatycznie wygiąć się ku górze. Wcześniejsze wyjaśnienia skupiały się na pionowych siłach od stropu, pęcznieniu wskutek wody lub powolnym pełzaniu skał, ale specyficzna rola struktury warstwowej i poziomego ściskania masywu skalnego pozostawała niejasna.

Budowa tunelu w laboratorium

Aby rozwiązać ten mechanizm, badacze zbudowali duży model fizyczny wzorowany na rzeczywistym chodniku kopalnianym w Yunnan w Chinach, znajdującym się około 750 metrów pod ziemią w warstwach nachylonych w przybliżeniu pod kątem dziesięciu stopni. Odtworzyli trzy główne typy skał, używając starannie dobranych mieszanek proszków, które odwzorowywały gęstość i wytrzymałość rzeczywistych skał w skali redukcyjnej. Warstwowy blok, wielkości dużego blatu stołu, zawierał niewielki tunel wydrążony w „warstwie węglowej”. Za pomocą hydraulicznego obciążenia zastosowano ciśnienia odpowiadające warunkom głęboko pod ziemią, przy równych naprężeniach pionowych i poziomych, a następnie symulowano wydrążanie i dodatkowe obciążenie w kontrolowanych etapach.

Obserwacja odkształceń i pęknięć skały

Podczas obciążania system kamer o wysokiej rozdzielczości śledził drobne ruchy powierzchni, a dziesiątki tensometrów mierzyły deformacje wewnątrz bloku. W miarę wzrostu ciśnienia pierwsze zauważalne zmiany pojawiły się pod podłogą chodnika. Pod tunelem uformowała się lejkowata strefa rosnących odkształceń, nasilająca się wraz z dalszym obciążeniem. W końcu cienkie warstwy pod chodnikiem oddzieliły się od warstw poniżej, pękły i uniosły, powodując wyraźne wypiętrzenie podłogi. Najsilniejsze zmierzone odkształcenia koncentrowały się w obszarze sięgającym około połowy szerokości tunelu w głąb podłogi, a równoważne odkształcenie w tym rejonie osiągnęło wysoki szczyt, sygnalizując poważne uszkodzenie. Analiza wykazała, że dominującym czynnikiem tego podnoszenia było poziome ściskanie miękkich, cienkich warstw.

Ukryte rozciąganie i ściskanie wokół tunelu

Zespół odwzorował także, jak skała wokół tunelu zmieniała się między rozciąganiem a ściskaniem w miarę awarii podłogi. W odległości porównywalnej do średnicy tunelu naprzemiennie występowały strefy naprężeń rozciągających (ciągnięcia) i ściskających (pchających) wokół otworu. Po wypiętrzeniu podłogi skała najbliżej chodnika doświadczyła silnego rozciągnięcia, szczególnie w narożach oraz wzdłuż stropu i podłogi, podczas gdy strefy ściskające tworzyły się dalej na zewnątrz. Ten układ tłumaczy, dlaczego pęknięcia mają tendencję do inicjowania się w określonych punktach, a następnie rozprzestrzeniać się w charakterystyczny kształt uszkodzenia wokół tunelu.

Weryfikacja wyników za pomocą modeli komputerowych

Aby potwierdzić, że obserwowane zachowanie nie było wyjątkowe dla jednego eksperymentu, badacze zbudowali trójwymiarowy model numeryczny, korzystając z uznanych programów mechaniki skał. Odwzorowali tę samą geometrię, strukturę warstwową i warunki brzegowe co w teście fizycznym. Zasymulowany tunel wykazał podobne wzory przemieszczeń: podłoga po jednej stronie tunelu wygięła się gwałtownie ku górze i pękła, podczas gdy strop nieco się ugiął. Kluczowe punkty pomiarowe w symulacji przesunęły się o niemal takie same wartości jak w modelu laboratoryjnym, z różnicami zaledwie kilku milimetrów w skali eksperymentu. To bliskie dopasowanie wzmacnia zaufanie do zidentyfikowanego mechanizmu.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych tuneli podziemnych

Dla osób niebędących specjalistami wnioski są proste: w głębokich, miękkich, cienko warstwowych skałach poziome ściskanie gruntu może być równie istotne jak pionowy ciężar w powodowaniu wypiętrzania podłóg tuneli. Łagodnie nachylone warstwy zachowują się jak ułożone talerze o słabej wytrzymałości, które przy poziomym naprężeniu uginają się, pękają i odrywają ku górze, zwłaszcza pod chodnikiem. Wiedza, że najbardziej krytyczne uszkodzenia koncentrują się w lejkowatej strefie bezpośrednio pod tunelem i w odległości około jednej szerokości tunelu wokół niego, pomaga inżynierom planować ukierunkowane wzmocnienia, takie jak kotwy podłogowe lub poprawione podpory w konkretnych obszarach zamiast projektowania nadmiernie rozległego systemu. Chociaż badanie koncentruje się na konkretnej kopalni, jego spostrzeżenia oferują jaśniejszy obraz fizyczny, który może ukierunkować bardziej niezawodne projektowanie i kontrolę głębokich chodników podziemnych na całym świecie.

Cytowanie: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Słowa kluczowe: wypiętrzanie podłogi, chodnik w miękkiej skale, górnictwo głębinowe, stabilność tunelu, warstwy skalne