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

地中の深い場所、炭鉱夫たちが貴重な石炭層に到達するために長いトンネルを掘り進めている場所では、地面は固く、動かしがたいブロックではありません。多くの場所において、トンネルを取り囲む岩石は柔らかく、もろく、弱い天然の接着剤によってつながれている状態にあります。これは「弱結合の軟岩」として知られています。水が地面に染み込み、この岩石に触れると、ゆっくりとした、しかし破壊的なプロセスが始まります。水は溶媒のように作用し、弱い結合を溶かし、岩石内の鉱物を、まるでスポンジが水を吸収するように膨張させ、軟化させます。この変化により、岩石は構造的な支えから、形を保つのが困難な、弱く泥状の物質へと変貌してしまいます。トンネルを維持し、安全に開けておく任務を負ったエンジニアにとって、この水と岩石の相互作用は、彼らが直面する最も困難な課題の一つです。もし岩石が崩壊すれば、トンネルが崩落して設備や作業員を閉じ込めたり、あるいは単に使い物にならないほど狭くなったりしてしまうのです。

CCTEG炭鉱研究学院と湖南科技大学の研究者たちは、中国の寧夏にある特定の炭鉱において、この崩壊が具体的にどのように起こるのかを解明しようと試みました。彼らは、周囲の岩石が粘土質の材料で、水に対して特に敏感な「粘岩（粘土質岩）」で構成されている「110803輸送道路」と呼ばれるトンネルに焦点を当てました。チームは、現場調査、実験室でのテスト、そしてコンピュータ・シミュレーションを組み合わせ、トンネルが時間の経過とともにどのように挙動するかを観察しました。その結果、トンネルの問題は単に岩石が弱いことではなく、水によって引き起こされる特定の連鎖反応にあることを発見しました。岩石には粘土鉱物が大量に含まれており、それが濡れると膨張して内部圧力を生み出します。同時に、水は岩石を固定するために使用されているボルトやケーブルの把握力を弱めてしまいます。ボルトによって岩石を保持するという元の支持システムは、膨張する岩石と、水によって引き起こされた把握力の喪失に対して戦うには、あまりにも脆弱でした。

研究者たちは、トンネルが一気に崩壊するのではないことを観察しました。代わりに、トンブルは3つの明確な移動段階を経ていました。まず、天井と床が急速に互いに近づく急激な変化の期間がありました。これに続いて、岩石が軟化し続け、支持システムが保持力を失い始めるにつれて、動きがさらに加速する加速的変形フェーズが続きました。最後に、動きは緩やかになりましたが、完全に停止することはありませんでした。トンネルは数ヶ月間にわたって動き、沈み込み続け、長期的な不安定な状態を示していました。トンネルの一部の区間では、床が700ミリメートル以上上方へ隆起し、天井は約300ミリメートル沈下しました。また、トンネルの側面は600ミリメートル以上内側に押し込まれました。この大規模な変形は、チームが「一水三弱（一つの水と三つの弱点）」と呼ぶ要因の組み合わせによって引き起こされました。「一つの水」とは、岩石を軟化させる絶え間ない浸透水です。「三つの弱点」とは、ボルトが定着する基礎の脆弱さ、ボルトの締め付け力を岩石に伝える層の弱さ、そして岩石自体の全体的な強度の低さでした。

この問題を解決するために、チームは「一隔離三強化（一つの隔離と三つの強化）」と表現する新しい戦略を提案しました。最初のステップである「隔離」は、水が軟岩に触れるのを防ぐことです。彼らは、トンネルを掘削する前および後に、水の供給源を封じ込めるために、流動性のあるセメントのような材料であるグラウト（注入材）を岩石の深部へと注入することでこれを達成しました。また、露出した岩石の表面にコンクリートの層を吹き付け、防水障壁を作りました。第二の部分である「強化」の戦略は、3つの特定の方法で支持システムを強化することを含んでいました。まず、濡れた状態でも岩石をしっかりと掴むことができる特殊な防水材料を使用して、アンカーの基礎を改善しました。次に、ボルトの力を伝える層を強化するために、より大きく硬いプレートと、より厚いコンクリート層を使用しました。最後に、高強度のケーブルを使用し、岩石を結合させるためにさらなるグラウトを注入することで、岩体全体の強度を高めました。これにより、天井、側面、および床をその場に保持する、完全に囲い込まれた支持システムが構築されました。

チームがこの新しい手法をトンネルに適用したところ、その結果は即座に、かつ劇的に現れました。古い支持システムが設置されていた区間では、トンネルは依然として大幅に変形し続け、天井と床は数ヶ月間で約半分メートルの移動を見せました。対照的に、「一隔離三強化」法で補強された区間では、ほとんど動きが見られませんでした。天井と床の移動は80日間で50ミリメートル未満であり、側面も約30ミリメートルの移動にとどまりました。岩石の分離（層が引き離される際に形成される隙間）は、以前の極めてわずかな部分まで減少しました。ボルトとケーブルは安定して保持され、トンネルはその形状を維持しました。この研究は、水と軟岩がどのように相互作用するかを具体的に理解し、水と構造的な弱点の両方に対処する支持システムを設計することで、エンジニアが深く地下にあるトンネルを長期的かつ安定的に、安全に保てることを実証しました。このアプローチは、水と軟岩が安定性を脅かす地域における採掘業務への、明確な進むべき道を示しています。