Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

Tief unter der Erdoberfläche, wo Kohlebergleute lange Stollen in die wertvollen Flöze graben, ist der Boden kein fester, unnachgiebiger Block. An vielen Stellen ist das Gestein, das diese Tunnel umgibt, weich, bröckelig und durch einen schwachen natürlichen Klebstoff zusammengehalten. Dies wird als schwach zementierter weicher Fels bezeichnet. Wenn Wasser durch den Boden sickert und dieses Gestein berührt, beginnt ein langsamer, aber zerstörerischer Prozess. Das Wasser wirkt wie ein Lösungsmittel, löst die schwachen Bindungen auf und lässt die Mineralien innerhalb des Gesteins anschwellen und erweichen, ganz ähnlich wie ein Schwamm, der Wasser aufsaugt. Diese Transformation verwandelt das Gestein von einer strukturellen Stütze in eine schwache, schlammige Substanz, die Schwierigkeiten hat, ihre Form zu halten. Für Ingenieure, deren Aufgabe es ist, diese unterirdischen Tunnel offen und sicher zu halten, ist diese Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein eine der schwierigsten Herausforderungen, denen sie gegenüberstehen. Wenn das Gestein versagt, kann der Tunnel einstürzen, Ausrüstung und Arbeiter einschließen oder schlichtweg zu eng für die Nutzung werden.

Forscher des CCTEG Coal Mining Research Institute und der Hunan University of Science and Technology machten sich daran, genau zu verstehen, wie dieser Versagensprozess in einem spezifischen Kohlebergwerk in Ningxia, China, abläuft. Sie konzentrierten sich auf einen Tunnel, der als 110803 Transportstraße bekannt ist, wobei das umgebende Gestein aus argillitischem weichem Gestein besteht – einem Typ von tonreichem Material, das besonders empfindlich auf Wasser reagiert. Das Team kombinierte Vor-Ort-Inspektionen, Labortests und Computersimulationen, um zu beobachten, wie sich der Tunnel im Laufe der Zeit verhielt. Sie entdeckten, dass die Probleme des Tunnels nicht nur auf die Schwäche des Gesteins zurückzuführen waren, sondern auf eine spezifische Kettenreaktion, die durch Wasser ausgelöst wurde. Das Gestein enthält hohe Mengen an Tonmineralien, die sich bei Nässe ausdehnen und dadurch Innendruck erzeugen. Gleichzeitig schwächt das Wasser den Halt der Metallbolzen und Kabel, die zur Sicherung des Gesteins verwendet werden. Das ursprüngliche Stützsystem, das sich auf diese Bolzen verließ, war schlichtweg nicht stark genug, um gegen das quellende Gestein und den durch das Wasser verursachten Haltverlust anzukämpfen.

Die Forscher beobachteten, dass der Tunnel nicht auf einmal versagte. Stattdessen durchlief er drei deutliche Bewegungsphasen. Zuerst gab es eine Periode schneller Veränderungen, in der sich Dach und Boden schnell aufeinander zubewegten. Dies wurde gefolgt von einer Phase beschleunigter Deformation, in der sich die Bewegung noch weiter beschleunigte, während das Gestein weiter aufweichte und das Stützsystem begann, seinen Halt zu verlieren. Schließlich verlangsamte sich die Bewegung, aber sie stoppte nie wirklich; der Tunnel verschob und setzte sich über Monate hinweg weiter, was auf einen Zustand langfristiger Instabilität hindeutete. In einigen Abschnitten des Tunnels hob sich der Boden um mehr als 700 Millimeter, während das Dach um etwa 300 Millimeter einsank. Auch die Seiten des Tunnels drückten um über 600 Millimeter nach innen. Diese massive Deformation wurde durch eine Kombination von Faktoren angetrieben, die das Team als „ein Wasser und drei Schwächen“ bezeichnete. Das „eine Wasser“ war die ständige Sickerwasserbildung, die das Gestein aufweichte. Die „drei Schwächen“ waren das schlechte Fundament, in dem die Bolzen verankert waren, die schwache Schicht, die die Spannkraft der Bolzen auf das Gestein übertrug, und die insgesamt geringe Festigkeit des Gesteins selbst.

Um dieses Problem zu lösen, schlug das Team eine neue Strategie vor, die sie als „eine Isolation und drei Verstärkungen“ bezeichneten. Der erste Schritt, die Isolation, bestand darin, das Wasser daran zu hindern, das weiche Gestein zu berühren. Sie erreichten dies, indem sie vor und nach dem Vortrieb des Tunnels Grout, ein flüssiges zementartiges Material, tief in das Gestein injizierten, um die Wasserquellen abzudichten. Zudem sprühten sie eine Betonschicht über die freiliegenden Gesteinsoberflächen, um eine wasserdichte Barriere zu schaffen. Der zweite Teil der Strategie beinhaltete die Verstärkung des Stützsystems in drei spezifischen Arten. Sie verbesserten das Verankerungsfundament durch die Verwendung spezieller wasserfester Materialien, die selbst unter nassen Bedingungen fest am Gestein haften können. Sie verstärkten die Schicht, die die Kraft der Bolzen überträgt, indem sie größere, steifere Platten und eine dickere Betonschicht verwendeten. Schließlich erhöhten sie die Gesamtfestigkeit des Gesteinsmassivs durch den Einsatz hochfester Kabel und die Injektion von mehr Grout, um das Gestein miteinander zu verbinden. Dies schuf ein vollständig umschlossenes Stützsystem, das Dach, Seiten und Boden an Ort und Stelle hielt.

Als das Team diese neue Methode auf den Tunnel anwandte, waren die Ergebnisse unmittelbar und dramatisch. In den Abschnitten, in denen das alte Stützsystem im Einsatz war, setzte sich der Tunnel weiterhin erheblich deformiert, wobei sich Dach und Boden über einige Monate hinweg fast einen halben Meter bewegten. Im Gegensatz dazu zeigten die Abschnitte, die mit der neuen Methode der „einen Isolation und drei Verstärkungen“ verstärkt worden waren, kaum eine Bewegung. Das Dach und der Boden bewegten sich über einen Zeitraum von 80 Tagen um weniger als 50 Millimeter, und die Seiten bewegten sich um nur etwa 30 Millimeter. Die Gesteinsspaltung – also der Spalt, der sich zwischen den Gesteinsschichten bildet, wenn diese auseinanderziehen – wurde auf einen winzigen Bruchteil dessen reduziert, was sie zuvor war. Die Bolzen und Kabel hielten stand, und der Tunnel behielt seine Form bei. Die Studie zeigte, dass Ingenieure, indem sie verstehen, wie Wasser und weiches Gestein spezifisch interagieren, und indem sie ein Stützsystem entwerfen, das sowohl das Wasser als auch die strukturellen Schwächen adressiert, diese tief unterirdischen Tunnel langfristig stabil und sicher halten können. Dieser Ansatz bietet einen klaren Weg für den Bergbaubetrieb in Gebieten, in denen Wasser und weiches Gestein die Stabilität des Erdreichs gefährden.