Forskning om deformationsmekanismer i djupa schakt och tillämpningen av pålgrund–enhetstypstöd

Hålla underjordiska tunnlar säkra

Djupa underjordiska tunnlar är ådrorna i moderna kolgruvor och transporterar frisk luft, arbetare och tung utrustning. Men på stora djup kan det omgivande berget långsamt klämma ihop, spricka och få tunnelgolvet att bukta uppåt, vilket hotar både säkerhet och produktivitet. Denna studie granskar noggrant en deformerad transporttunnel i en kolgruva i Inre Mongoliet och testar en ny metod för att hålla berget på plats genom en kombination av pålar i golvet och modulära stöd som samverkar med konventionella bergbultar och kablar.

När marken börjar röra på sig

Tunneln som undersöktes i detta arbete ligger ungefär 420 meter under markytan i ett tjockt och i huvudsak stabilt kolskikt. Ändå hade golvet spruckit och buktat uppåt ojämnt, taket hade sjunkit och sidoväggarna—ribborna—hade bågnat utåt. Det mest allvarliga problemet var golvuppbuktningen på den solida kolsidan, vilket förvrängde färdvägen och satte fordon som passerade i fara. Även kolpelarsidan visade skador, medan taket och den solida kolsidan var relativt mindre påverkade. Dessa mönster tyder på att den ursprungliga kraftbalansen i det djupa berget hade rubbats av schaktningsarbetet.

Hur underjordiska spänningar bryter sönder en tunnel

För att förstå varför tunneln deformerade kombinerade forskarna fältprovtagning, laboratorietester på bergkärnor och på-plats-mätningar av spänningar. De fann att de naturliga horisontella spänningarna i berget var starkare än de vertikala spänningarna från överliggande vikt. Med hjälp av dessa mätningar byggde de en tredimensionell numerisk modell av berget runt tunneln. Simulationerna visade att schaktningsarbetet omfördelar spänningarna och skapar zoner med mycket hög kompression och områden med dragspänning runt öppningen och längre in i berget. Resultatet blir ett ringformat band av berg runt tunneln som pressas bortom sitt elastiska gränstillstånd, där det börjar deformeras permanent och spricka.

Varför golvet buktar upp ojämnt

Teamet använde sedan en förenklad mekanisk modell av tunnelgolvet och betraktade det som en balk som vilar på mjukare zoner i varje ände. De visade att mängden och positionen av golvuppbuktningen är starkt beroende av två faktorer: hur breda de förmjukade “plastiska” zonerna är på varje sida av golvet, och hur mycket spänning som koncentreras där. När båda sidorna är likartade buktar golvet mest i mitten. Men om ena sidan har en bredare försvagad zon eller högre spänningskoncentration flyttas den största uppåtriktade rörelsen mot den sidan och växer i omfattning. I deras fall hade den solida kolsidan den starkare effekten, vilket förklarar den uttalade asymmetriska golvuppbuktningen som observerades i gruvan.

En ny metod för att bära upp berget

Då konventionella bultar och kablar ensamma inte kunde dämpa deformationen föreslog forskarna ett nytt stödkoncept: pålgrund–enhetstypstöd. Stålpålar borras ner i tunnelgolvet och förses med en platt mössa som bär modulära hydrauliska stöd enheter. Dessa stöd arbetar tillsammans med befintliga bultar och kablar i taket och väggarna. Pålarna förbättrar spänningsförhållandena i golvet, stoppar den plastiska flöden av försvagat berg under tunneln och ger en jämn, stabil bas så att stöden kan verka vertikalt och effektivt. Samtidigt delar och sprider stöden lasten, vilket minskar uppbyggnaden av spänningar längs sidoväggarna.

Från farlig klämning till stabil mark

Numeriska simuleringar av det kombinerade stödsystemet visade dramatiska förbättringar. Rörelser i tak och golv minskade med mer än 80–90 procent, och sidoväggarnas förskjutningar reducerades med ungefär tre fjärdedelar eller mer. Den tidigare kontinuerliga ringen av kraftigt skadat berg runt tunneln bröts upp i mindre, isolerade zoner, särskilt i golvet där plastisk töjning avbröts vid pålraderna och reducerades med upp till cirka 80 procent. Enkelt uttryckt omvandlar det nya stödscenariot en kraftigt ihopklämd och förskjutande tunnel till en där bergförflyttningar reduceras till centimeterskala och spänningarna bärs säkert av pålar och stöd. För djupa gruvdriftsoperationer erbjuder detta tillvägagångssätt ett lovande sätt att hålla kritiska transporttunnlar öppna, stabila och säkra.

Citering: 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

Nyckelord: tunneldeformation, golvuppbuktning, underjordsbrytning, bergförstärkning, pålningsgrund