Badania symulacji numerycznej stabilności otaczającej skały głębokiego chodnika z zaawansowanym modelem zmiękczania odkształcenia opartym na kryterium Hoek–Brown

Dlaczego otaczająca skała przy tunelach ma znaczenie

W miarę jak kopalnie i tunele transportowe sięgają coraz większych głębokości, skała wokół tych wyrobisk jest doprowadzana blisko swojej granicy wytrzymałości. Gdy zaczyna pękać i puchnąć, może odkształcać stalowe podpory, zasypywać tunele gruzem i stwarzać poważne zagrożenie dla pracowników. Niniejsze badanie stawia praktyczne pytanie o istotnych skutkach dla bezpieczeństwa i kosztów: czy inteligentniejsze modele komputerowe mogą pomóc inżynierom przewidzieć zachowanie głębokich skał po wykonaniu wyrobiska, aby projekt podpór lepiej odpowiadał rzeczywistości?

Wykraczając poza uproszczone zachowanie skał

Tradycyjne metody projektowe często traktują skałę jak materiał prosty, niemal sprężysty, który po przekroczeniu wytrzymałości osłabia się w prosty sposób. Jednak obserwacje z głębokich wyrobisk pokazują zjawiska bardziej złożone: po osiągnięciu maksymalnej wytrzymałości skała może tracić sztywność, utracać wytrzymałość, pękać, a nawet zwiększać objętość, kiedy rozdrobnione fragmenty się przemieszczają i dilatują. Autorzy koncentrują się na „zaawansowanym modelu zmiękczania odkształcenia” zwanym IMASS, opracowanym na podstawie szeroko stosowanej reguły wytrzymałości skały — kryterium Hoek–Brown. IMASS stara się uchwycić cztery kluczowe zachowania po uszkodzeniu: utratę spoistości i wytrzymałości na rozciąganie, wzrost tarcia między rozbitymi kawałkami, stopniowe zmiękczanie sztywności oraz przejście od kruchego łamliwego zachowania do bardziej ciągliwego, plastycznego przepływu.

Jak nowy model odwzorowuje pękającą skałę

Model IMASS przedstawia dzieje masy skalnej wokół tunelu w etapach. Najpierw występuje stan nienaruszonej, maksymalnej wytrzymałości, gdy skała jest wciąż zwarta. Gdy naprężenie przekracza granicę, materiał przechodzi w stan po-szczytowy: tworzą się spękania, maleje spoistość, ale fragmenty nadal są zakleszczone i stosunkowo zwarte. W miarę dalszych odkształceń system przechodzi do stanu ostatecznego, gdzie rozdrobnione kawałki ulegają przegrupowaniu, porowatość może osiągnąć około 40%, a masa skalna zachowuje się bardziej jak ziarnisty stóg. Model powiązuje te etapy z mierzalnymi wielkościami, takimi jak wskaźnik jakości skały (geological strength index), wytrzymałość na ściskanie zmierzona w laboratorium oraz parametr opisujący tempo narastania plastycznych odkształceń ścinających. Pozwala też na ewolucję sprężystej sztywności i skłonności skały do dilatancji — zwiększania objętości podczas ścinania — wraz z postępującymi uszkodzeniami.

Testowanie, które cechy skały mają największe znaczenie

Aby sprawdzić, jak te składniki wpływają na stabilność tunelu, autorzy zbudowali trójwymiarowy model numeryczny chodnika znajdującego się około 1 000 metrów pod ziemią, o typowym półkolistym przekroju. Przeprowadzili systematyczne symulacje, zmieniając po kolei grupy właściwości. Zmieniając jakość skały od słabej do dobrej, obserwowali, jak degraduje się spoistość i wytrzymałość na rozciąganie, jak wzrasta tarcie wewnętrzne oraz jak zmieniają się rozmiary stref plastycznych i przemieszczenia wokół tunelu. Następnie włączali i wyłączali zmiękczanie modułu sprężystości, badali wpływ dilatancji ścinającej (o ile masa skalna „puchnie” podczas ścinania) i regulowali parametr kruchości, który steruje tempem przejścia materiału od silnego i sztywnego do w pełni zmiękczonego. Wyniki pokazują, że przemieszczenia i uszkodzenia są bardzo wrażliwe na zmiękczanie modułu i dilatancję, gdy skała jest słaba i krucha, lecz znacznie mniej, gdy masa skalna jest mocniejsza i bardziej ciągła.

Łączenie wielu sygnałów ostrzegawczych w jedną ocenę

Zamiast polegać na jednym wskaźniku, takim jak ruch ścian tunelu czy teoretyczny „luźny okrąg”, autorzy proponują złożony indeks stabilności, łączący kilka miar w jednej skali od 0 do 1. Uwzględniają rozmiar strefy plastycznej, całkowite odkształcenie, poziom i rozkład naprężeń szczytowych, stopień osłabienia spoistości oraz siłę dilatancji. Używając uporządkowanej metody podejmowania decyzji (analytical hierarchy process) skorygowanej schematem wag opartych na entropii, przypisują racjonalne wagi każdemu czynnikowi, największe znaczenie nadając wielkości strefy plastycznej i koncentracji naprężeń. Po znormalizowaniu wszystkich wielkości obliczają pojedynczy indeks, który klasyfikuje chodnik jako stabilny, marginalny, krytycznie niestabilny lub o wysokim ryzyku zawalenia, i wskazuje odpowiednie środki wzmacniające.

Zastosowanie modelu w rzeczywistej kopalni

Zespół następnie zastosował zarówno zaawansowany model IMASS, jak i bardziej konwencjonalny model zmiękczania odkształcenia do opisu głębokiego chodnika w miękkiej skale w kopalni węgla Quandian w Chinach, gdzie występują silnie zfragmentaryzowane piaskowce. Porównali symulowane przemieszczenia, głębokości uszkodzeń, pola naprężeń i dilatancję z pomiarami terenowymi. Model konwencjonalny przewidział znacznie mniejsze odkształcenia i mniejszą strefę uszkodzeń niż zaobserwowano na miejscu, dając zbyt optymistyczny indeks stabilności z odchyleniem około 162% względem wartości zmierzonej. Natomiast symulacje IMASS wygenerowały większe przemieszczenia, szersze strefy plastyczne, silniejszą dilatancję i znacznie bliższe odwzorowanie rzeczywistości; jego indeks stabilności różnił się od wartości zmierzonej jedynie o około 26% i poprawnie zidentyfikował chodnik jako stan o wysokim ryzyku.

Co to znaczy dla bezpieczniejszych tuneli

Dla osób niebędących specjalistami przekaz jest jasny: skała wokół głębokich tuneli nie pęka i przestaje reagować — zmiękcza się, puchnie i stopniowo reorganizuje, a te niuanse mają znaczenie dla bezpieczeństwa. Model IMASS, śledząc utratę sztywności, dilatancję i kruchość, daje bardziej realistyczny obraz rozprzestrzeniania się uszkodzeń wokół wyrobiska i tego, jak bliski jest system niestabilności. Zintegrowany w pojedynczym indeksie stabilności, ten bogatszy opis pozwala inżynierom z większą pewnością dobierać mocniejsze lub bardziej ekonomiczne systemy podparcia. Autorzy zaznaczają, że przyszłe prace powinny uwzględniać obciążenia dynamiczne, wodę gruntową i efekty czasowe, lecz ich badanie pokazuje, że bardziej wyrafinowane modele numeryczne mogą znacząco zmniejszyć różnicę między przewidywaniami a rzeczywistymi zdarzeniami pod ziemią.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: stabilność głębokiego chodnika, zmiękczanie masy skałowej, symulacja numeryczna, projektowanie podpór podziemnych, kryterium Hoek–Brown