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

在地球表面深处，煤矿工人开凿出长长的隧道以到达珍贵的煤层，那里的地面并非坚实、不可撼动的整体。在许多地方，围绕这些隧道的岩石是柔软、易碎且由微弱的天然胶结物结合在一起的。这被称为弱胶结软岩。当水渗入地下并接触到这种岩石时，一个缓慢但具有破坏性的过程开始了。水起到了溶剂的作用，溶解了微弱的结合力，并导致岩石内的矿物质发生膨胀和软化，就像海绵吸收水一样。这种转变使岩石从一种结构支撑变成了脆弱、泥泞的物质，难以维持其形状。对于负责保持这些地下隧道开放且安全的工程师来说，水与岩石之间的这种相互作用是他们面临的最困难挑战之一。如果岩石失效，隧道可能会坍塌，从而困住设备和工人，或者仅仅是变得过于狭窄而无法使用。

来自中煤科工集团（CCTEG）煤炭研究设计院和湖南科技大学的研究人员致力于了解这种失效在中国的特定煤矿中究竟是如何发生的。他们将重点放在一条被称为110803运输巷道的隧道上，该隧道的周围岩石是由泥质软岩组成的，这是一种对水特别敏感的富含粘土的材料。研究团队结合了现场检查、实验室测试和计算机模拟，来观察隧道随时间变化的表现。他们发现，隧道的难题不仅在于岩石本身很弱，还在于由水触发的一种特定的连锁反应。岩石中含有大量的粘土矿物，这些矿物在潮湿时会膨胀，从而产生内部压力。与此同时，水削弱了用于固定岩石的金属螺栓和钢缆的抓紧力。原有的支撑系统依赖于这些螺栓，它根本不足以对抗膨胀的岩石以及水导致的抓紧力丧失。

研究人员观察到，隧道并非一次性失效的。相反，它经历了三个不同的运动阶段。首先是一个快速变化的时期，顶板和底板开始迅速向彼此靠拢。随后是一个加速变形阶段，随着岩石继续软化以及支撑系统开始失去抓紧力，运动速度进一步加快。最后，运动减慢了，但从未真正停止；隧道在数月内持续发生位移和沉降，表明处于长期不稳定状态。在隧道的某些部分，底板向上隆起超过700毫米，而顶板下沉了约300毫米。隧道的两侧也向内挤压了超过600毫米。这种大规模的变形是由研究小组称为“一水三弱”的因素共同驱动的。“一水”是指使岩石软化的持续渗流。而“三弱”分别是：螺栓锚固的地基差、将螺栓紧固力传递给岩石的弱层，以及岩石本身的整体强度低。

为了解决这个问题，团队提出了一个他们称之为“一隔三强”的新策略。第一步，隔离，涉及阻止水接触软岩。他们通过在开挖隧道前后向岩石深处注入灌浆料（一种流体水泥状材料）来封堵水源。他们还在暴露的岩石表面喷涂了一层混凝土，以创建防水屏障。第二部分策略涉及通过三种具体方式加强支撑系统。他们通过使用特殊的防水材料来改善锚固基础，即使在潮湿条件下也能牢固地抓紧岩石。他们通过使用更大的、更硬的托盘和更厚的混凝土层，加强了传递螺栓力的层。最后，他们通过使用高强度钢缆和注入更多灌浆料来增加岩体的整体强度，使岩石结合得更紧密。这创造了一个全封闭的支撑系统，将顶板、侧帮和底板固定在原位。

当团队将这种新方法应用于隧道时，效果立竿见影且非常显著。在旧支撑系统存在的路段，隧道继续发生显著变形，顶板和底板在几个月内移动了近半米。相比之下，采用“一隔三强”方法加固的路段几乎没有发生位移。在80天的时间里，顶板和底板的移动量不到50毫米，侧帮的移动也仅约30毫米。岩层劈裂（即岩层在拉开时形成的间隙）被减少到了之前的极小部分。螺栓和钢缆保持稳定，隧道维持了其形状。这项研究表明，通过理解水与软岩相互作用的具体方式，并设计出既能应对水又能解决结构弱点的支撑系统，工程师可以实现深层地下隧道的长期稳定与安全。这种方法为水和软岩威胁到稳定性区域的采矿作业提供了一条清晰的前进路径。