Badania mechanizmów odkształceń w głębokich tunelach wydrążeń i zastosowanie podpory typu fundament-kolumny

Utrzymywanie bezpieczeństwa w tunelach podziemnych

Głębokie tunele podziemne są naczyniami nowoczesnych kopalń węgla — dostarczają świeże powietrze, przewożą pracowników i ciężki sprzęt. Jednak na dużych głębokościach otaczająca skała może stopniowo się ściskać, pękać i wypychać spąg tunelu, zagrażając bezpieczeństwu i wydajności. W tym badaniu szczegółowo przyjrzano się zdeformowanemu tunelowi transportowemu w kopalni w Mongolii Wewnętrznej i przetestowano nowe rozwiązanie stabilizujące skałę, które łączy pale w spągu z modułowymi podporami, współdziałającymi z tradycyjnymi kotwami i kablami skałowymi.

Gdy grunt zaczyna się poruszać

Tunel badany w pracy znajduje się na około 420 metrów pod powierzchnią w grubym i w przeważającej mierze stabilnym pokładzie węgla. Mimo to spąg popękał i nierównomiernie wypiął się ku górze, strop wykazał ugięcia, a żeberka — boczne ściany tunelu — wybrzuszyły się. Najpoważniejszym problemem było wypięcie spągu po stronie litego węgla, które zniekształciło drogę i zagrażało przejeżdżającym pojazdom. Strona filara węglowego również wykazywała uszkodzenia, podczas gdy strop i ściana z litego węgla były stosunkowo mniej dotknięte. Takie wzory wskazywały, że pierwotna równowaga sił w głębokiej skale została zaburzona przez eksploatację.

Jak naprężenia podziemne niszczą tunel

Aby zrozumieć, dlaczego tunel się odkształcał, badacze połączyli pobór próbek w terenie, badania laboratoryjne rdzeni skalnych oraz pomiary naprężeń na miejscu. Stwierdzili, że naturalne naprężenia poziome w skale były silniejsze niż pionowe naprężenia wynikające z nadkładu. Na podstawie tych pomiarów zbudowali trójwymiarowy model numeryczny otaczającej tunel skały. Symulacje wykazały, że drążenie tunelu przemieszcza naprężenia, tworząc strefy bardzo silnego ścisku oraz obszary rozciągania wokół przodka i głębiej w skale. W efekcie powstaje pierścieniowa strefa skały wokół tunelu, która zostaje wypchnięta poza granicę sprężystości, zaczynając trwale się odkształcać i pękać.

Dlaczego spąg wypina się nierównomiernie

Zespół następnie zastosował uproszczony model mechaniczny spągu tunelu, traktując go jak belkę opartą na zmiękczonych strefach na obu końcach. Pokażali, że wielkość i pozycja wypięcia spągu zależą w dużym stopniu od dwóch czynników: szerokości zmiękczonych „plastycznych” stref po obu stronach spągu oraz stopnia koncentracji naprężeń w tych strefach. Gdy obie strony są podobne, najwieksze wypięcie występuje na środku. Jeśli jednak jedna strona ma szerszą osłabioną strefę lub wyższą koncentrację naprężeń, największy ruch w górę przesuwa się w kierunku tej strony i rośnie. W opisywanym przypadku silniejszy wpływ po stronie litego węgla wyjaśniał wyraźnie asymetryczne wypięcie spągu zaobserwowane w kopalni.

Nowy sposób podparcia skały

Ponieważ same tradycyjne kotwy i kable nie były w stanie opanować odkształceń, badacze zaproponowali nowe rozwiązanie podporowe: podporę typu fundament-kolumna. Stalowe pale są wiercone w spąg tunelu i wieńczone płaskim czepcem, na którym montuje się modułowe jednostki podporowe hydrauliczne. Te podpory współpracują z istniejącymi kotwami i kablami w stropie i ścianach. Pale poprawiają warunki naprężeniowe w spągu, odcinają plastyczny przepływ osłabionej skały pod tunelem i zapewniają równą, stabilną podstawę, dzięki czemu podpory mogą działać pionowo i wydajnie. Równocześnie podpory dzielą i rozkładają obciążenie, zmniejszając narastanie naprężeń w ścianach bocznych.

Przekształcanie niebezpiecznego ściskania w grunt stabilny

Symulacje numeryczne połączonego systemu podpor wykazały dramatyczne poprawy. Przemieszczenia stropu i spągu spadły o ponad 80 do 90 procent, a przemieszczenia ścian bocznych zmniejszyły się o około trzy czwarte lub więcej. Nieciągły wcześniej pierścień silnie uszkodzonej skały wokół tunelu rozpadł się na mniejsze, izolowane strefy, szczególnie w spągu, gdzie odkształcenie plastyczne zostało przerwane w rzędach pali i zredukowane nawet o około 80 procent. Mówiąc prościej, nowe rozwiązanie podporowe przekształca silnie ściskany i przemieszczający się tunel w konstrukcję, w której ruchy skał są ograniczone do skali centymetrowej, a naprężenia przenoszą bezpiecznie pale i podpory. Dla głębokich eksploatacji górniczych podejście to oferuje obiecujący sposób na utrzymanie krytycznych tuneli transportowych otwartych, stabilnych i bezpiecznych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: odkształcenia tunelu, podnoszenie spągu, górnictwo podziemne, wparcie skał, fundament palowy