Forskning om numerisk simulering av omgivande bergs stabilitet i djup tunnel med avancerad töjningsmjukningsmodell baserad på Hoek–Brown-kriteriet

Varför berget runt tunnlar spelar roll

I takt med att gruvor och underjordiska transporttunnlar når allt större djup pressas berget runt dessa öppningar nära sin hållfasthetsgräns. När berget börjar spricka och svälla kan det böja stålförankringar, fylla tunnlar med nedfallna block och utsätta personal för allvarliga risker. Denna studie ställer en praktisk fråga med stora säkerhets- och ekonomiska konsekvenser: kan smartare datorbaserade modeller hjälpa ingenjörer att förutsäga hur djupa berg beter sig efter underskärning, så att stödåtgärder kan utformas som verkligen motsvarar verkligheten?

Att gå bortom enkel bergbeteende

Traditionella beräkningsmetoder behandlar ofta berg som ett enkelt, nästan elastiskt material som försvagas på ett rakt sätt efter brott. Observationer från djupa gruvor visar dock något mer komplicerat: efter toppstyrkan kan berget förlora styvhet, tappa hållfasthet, spricka och till och med öka i volym när sönderslaget material skiftar och dilaterar. Författarna fokuserar på en "avancerad töjningsmjuknings"-modell kallad IMASS, som bygger på den allmänt använda bergstyrkeregeln Hoek–Brown. IMASS försöker fånga fyra centrala beteenden efter brott: förlust av kohesion och draghållfasthet, ökad friktion mellan fragment, gradvis mjukning av styvheten och en övergång från sprött brott till mer duktilt, plastiskt flöde.

Hur den nya modellen beskriver sprickbildande berg

IMASS-modellen skildrar bergmassans utveckling runt en tunnel i olika skeden. Först kommer det intakta toppstyrketillståndet, där berget fortfarande är sammanhängande. När spänningen blir för hög går materialet in i ett post-peak-stadium: sprickor bildas, kohesiv hållfasthet minskar, men fragmenten sitter fortfarande inlåsta och förhållandevis tätt packade. Vid fortsatt deformation når systemet ett slutligt tillstånd där de sönderslagna bitarna omorganiserat sig, porositeten kan nå ungefär 40 % och berget uppvisar ett beteende mer likt en kornig hög. Modellen kopplar dessa skeden till mätbara storheter såsom geologiskt hållfasthetsindex (en bedömning av bergmassans kvalitet), laboratoriemätt tryckhållfasthet och en parameter som beskriver hur snabbt plastisk skjuvtöjning ackumuleras. Den tillåter också att elastisk styvhet och benägenhet att dilatera — att öka i volym vid skjuvning — utvecklas med skada.

Test av vilka bergegenskaper som betyder mest

För att se hur dessa ingredienser påverkar tunnelnas stabilitet byggde författarna en tredimensionell numerisk modell av en djup schaktgång cirka 1 000 meter under markytan, med ett typiskt halvcirkelformat tvärsnitt. De körde systematiska simuleringar medan de varierade en grupp egenskaper i taget. Genom att ändra bergkvaliteten från dålig till god observerade de hur kohesion och draghållfasthet försämrades, hur intern friktion ökade och hur utbredningen av plastiska zoner samt förskjutningar runt tunneln utvecklades. De aktiverade och avaktiverade därefter modulusmjukning, undersökte effekten av skjuvdilatans (hur mycket bergmassan sväller vid skjuvning) och justerade en sprödhetsparameter som styr hur snabbt materialet går från starkt och stelt till helt förmjukat. Resultaten visar att förflyttningar och skador är mycket känsliga för modulusmjukning och dilatation när berget är svagt och sprött, men betydligt mindre så när bergmassan är starkare och mer kontinuerlig.

Kombinera många varningstecken till en poäng

I stället för att förlita sig på en enskild indikator som tunnelväggsrörelse eller en teoretisk "lös cirkel" föreslår författarna ett kombinerat stabilitetsindex som smälter samman flera mått till en poäng mellan 0 och 1. De inkluderar storleken på den plastiska zonen, total deformation, nivån och fördelningen av toppspänningar, hur mycket kohesionen försvagats och hur stark dilatansen är. Med en strukturerad beslutsmetod (analytisk hierarkiprocess) korrigerad med en entropibaserad viktning tilldelar de rationella vikter till varje faktor och lägger störst vikt vid storleken på den plastiska zonen och vid spänningskoncentration. Efter normalisering av alla storheter beräknar de ett enda index som kan klassificera tunneln som stabil, marginal, kritiskt instabil eller i hög kollapsrisk och styra motsvarande stödåtgärder.

Tillämpning av modellen i en verklig gruva

Teamet tillämpade sedan både den avancerade IMASS-modellen och en mer konventionell töjningsmjukningsmodell på en djup mjukbergsort i Kinas Quandian-kolgruva, där berget är starkt försprucket sandsten. De jämförde simulerade förskjutningar, brottdjup, spänningsmönster och dilatation med fältmätningar. Den konventionella modellen prognostiserade avsevärt mindre deformation och en mindre brottzon än vad som observerades på plats, vilket gav ett alltför optimistiskt stabilitetsindex med en avvikelse på ungefär 162 % från det uppmätta värdet. IMASS-simuleringarna gav däremot större förskjutningar, bredare plastzoner, starkare dilatation och en mycket bättre överensstämmelse med verkligheten; dess stabilitetsindex skilde sig från det uppmätta värdet med endast cirka 26 % och identifierade korrekt schaktgången som i ett högriskläge.

Vad detta betyder för säkrare tunnlar

För icke‑specialister är budskapet klart: berget runt djupa tunnlar spricker inte bara och slutar — det förmjukas, sväller och omorganiseras gradvis, och dessa nyanser är viktiga för säkerheten. IMASS-modellen, genom att spåra förlust av styvhet, dilatation och sprödhet, ger en mer realistisk bild av hur skador sprider sig kring en urgrävning och hur nära systemet är instabilitet. När detta sammanförs i ett enda stabilitetsindex ger den rikare beskrivningen ingenjörer möjlighet att med större säkerhet välja starkare eller mer ekonomiska stödlösningar. Författarna påpekar visserligen att framtida arbete måste inkludera dynamiska laster, grundvatten och tidsberoende effekter, men deras studie visar att mer nyanserade numeriska modeller i betydande mån kan minska gapet mellan prognos och verklighet under jord.

Citering: 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

Nyckelord: stabilitet i djup tunnel, förmjukning av bergmassa, numerisk simulering, utformning av bergstöd, Hoek–Brown-kriteriet