Fysisk modellstudie av mekanismen bakom golvutlyftning i djupt begravd tunnel utgrävd i mjuk berggrund med svagt lutande tunna lager

Varför tunnelgolv plötsligt skjuter uppåt

På stor djup uppstår det ibland att golven i gruvtunnlar långsamt buktar uppåt, vilket tränger ut räls och utrustning och hotar arbetssäkerheten. Denna förbryllande ”golvutlyftning” är kostsam att åtgärda och svår att förutsäga, särskilt i mjuk, lagerindelad berggrund som är vanlig i kolbrytning. Studien bakom den här artikeln använder storskaliga fysiska och numeriska modeller för att visa hur spänningar i svagt lutande, tunna berglager kan spricka och lyfta tunnelgolvet, och ger insikter som kan bidra till säkrare och stabilare underjordiska vägar.

Närmare om tunnelgolv som reser sig

I västra Kina och i många andra gruvområden bryts kol från flera hundra meters djup, där överliggande bergs vikt skapar enorma tryck. Många av dessa tunnlar går genom mjuka berg som är ordnade i tunna lager—lersten, kol och siltsten—som ligger i en svag vinkel istället för horisontellt. Ingenjörer har länge observerat att under dessa förhållanden kan tunnelgolvet med tiden buktas upp kraftigt. Tidigare förklaringar har fokuserat på vertikala krafter från taket, vattensvällning eller långsam krypning i berget, men den specifika rollen för den lagerindelade strukturen och sidledes klämning av bergmassan var fortfarande oklar.

Att bygga en tunnel i laboratoriet

För att reda ut denna mekanism byggde forskarna en stor fysisk modell baserad på en verklig tunnel i en kolgruva i Yunnan, Kina, belägen cirka 750 meter under jord i skikt lutande ungefär tio grader. De återskapade de tre huvudsakliga bergarterna med noggrant blandade pulver som matchade de verkliga bergens densitet och styrka i reducerad skala. Det lagerordnade blocket, ungefär i storlek som ett stort bordsskiva, innehöll en liten tunnel uthuggen i ”kolet”. Med hydraulisk belastning applicerade de tryck motsvarande förhållandena djupt under marken, med lika stora vertikala och horisontella spänningar, och simulerade sedan bergutsprängning och ytterligare belastning i kontrollerade steg.

Att se berget töjas och brista

Under belastningen följde ett högupplöst kamerasystem små ytförflyttningar, medan många töjningsgivare mätte deformation inne i blocket. När trycket ökade uppträdde de första märkbara förändringarna under tunnelgolvet. En trattformad zon med ökande töjning bildades direkt under tunneln och förstärktes när belastningen fortsatte. Så småningom separerade de tunna lagren under tunneln från de underliggande lagren, sprack och lyftes uppåt, vilket skapade tydlig golvutlyftning. Den kraftigaste uppmätta deformationen koncentrerades i ett område som sträckte sig till ungefär halva tunnelns bredd in i golvet, och den ekvivalenta töjningen i detta område steg till ett högt toppvärde, vilket signalerade allvarlig skada. Analysen visade att horisontell klämning av de mjuka, tunna lagren var den dominerande drivkraften bakom denna upplyftning.

Gömda töjnings- och tryckzoner runt tunneln

Gruppen kartlade också hur berget runt tunneln växlade mellan drag- och tryckzonen när golvet förstördes. Inom ett avstånd jämförbart med tunnelns diameter växlade områden med dragspänning (utåtdragande) och tryckspänning (inåtpressande) runt öppningen. Efter golvutlyftningen upplevde berget närmast tunneln stark dragspänning, särskilt i hörnen och längs taket och golvet, medan tryckzoner formades längre ut. Detta mönster förklarar varför sprickor tenderar att initieras vid vissa punkter och sedan sprida sig till en karakteristisk brottform runt tunneln.

Kontroll med datorbaserade modeller

För att bekräfta att det observerade beteendet inte var unikt för ett experiment byggde forskarna en tredimensionell numerisk modell med etablerad programvara för bergmekanik. De återgav samma geometri, lagerstruktur och randvillkor som i det fysiska testet. Den simulerade tunneln visade liknande förskjutningsmönster: golvet nära ena sidan av tunneln buktade upp kraftigt och bröts av, medan taket sjönk något. Nyckelmätpunkter i simuleringen förflyttade sig nästan lika mycket som i laboratoriemodellen, med skillnader på endast några millimeter i experimentskala. Denna nära överensstämmelse ökar förtroendet för den identifierade mekanismen.

Vad detta betyder för säkrare underjordiska tunnlar

För icke-specialister är slutsatsen enkel: i djupt liggande, mjuk och tunt lagerindelad berggrund kan sidledes klämning av marken vara lika viktig som vertikal belastning för att orsaka golvutlyftning i tunnlar. De svagt lutande lagren fungerar som staplade, svaga plattor som bucklar, spricker och vecklas upp under horisontell spänning, särskilt under körbanan. Att veta att den mest kritiska skadan koncentreras i en trattformad zon direkt under tunneln och inom ungefär en tunneldiameter runt den hjälper ingenjörer att planera riktade förstärkningar, såsom golvankare eller förbättrat stöd i specifika områden istället för generell överdimensionering. Även om studien fokuserar på en viss gruva ger dess insikter en klarare fysisk bild som kan vägleda mer tillförlitlig utformning och kontroll av djupa underjordiska vägar globalt.

Citering: 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

Nyckelord: golvutlyftning, tunnel i mjuk berggrund, djup brytning, tunnelstabilitet, bergskikt