מחקר מודל פיזי על מנגנון התרחבות רצפת מנהרה עמוקה שנחצבה בסלע רך בשכבות דקות ובמדרון מתון

מדוע רצפות מנהרות כרייה מתנפחות פתאום

בתוך האדמה העמוקה, רצפות של כמה מנהרות כרייה מתנפחות באיטיות כלפי מעלה, דוחקות מסילות וציוד ומסכנות את בטיחות העובדים. «התרוממות הרצפה» המסתורית הזו יקרה לתיקון וקשה לחיזוי, במיוחד בסלע רך ומאוּרך השכבות שכיח באזורי כריית פחם. המחקר שמאחורי מאמר זה משתמש במודלים פיזיים וממוחשבים בקנה מידה גדול כדי לחשוף כיצד עומסים בתוך שכבות סלע דקות ומשופעות בעדינות יכולים לשבור ולהרים את רצפת המנהרה, והדבר מספק תובנות שיכולות לסייע בתכנון דרכים תת-קרקעיות בטוחות ויציבות יותר.

מבט מקרוב על עליית רצפות המנהרות

במערב סין וברבות מאזורי הכרייה האחרים, מפיקים פחם מעומקים של מאות מטרים, שבהם משקל הסלעים המצויים מעל יוצר לחצים עצומים. רבות מהמנהרות נחצבות בסלעים רכים הממסודרים בשכבות דקות—טוף בוצי, פחם וסילטסטון—המונחים בזווית מתונה במקום אופקית. מהנדסים כבר זמן רב מבחינים שבתנאים אלה רצפת המנהרה יכולה לקום בחוזקה לאורך זמן. הסברים מוקדמים התמקדו בכוחות אנכיים מהגג, בנפיחות מים או בהתטה איטית של הסלע, אך תפקידן הספציפי של מבנה השכבות ולחיצת הצד של מאסת הסלע לא היה ברור.

בניית מנהרה במעבדה

כדי לפענח מנגנון זה, החוקרים בנו מודל פיזי גדול המבוסס על מנהרה אמיתית במכרה פחם ביונאן, סין, הממוקם כ־750 מטר מתחת לפני השטח בשכבות המשופעות בערך בעשר מעלות. הם שיחזרו את שלושת סוגי הסלע העיקריים באמצעות אבקות מעורבות בקפידה שתואמו לצפיפות ועמידות הסלעים האמיתיים בקנה מידה מוקטן. הבלוק השכבתי, בגודל של משטח גדול, הכיל מנהרה קטנה שחצובה דרך שכבת ה"פחם". באמצעות עמסה הידראולית יישמו לחצים המקבילים לאלה בעומק, עם לחצים אנכיים ואופקיים שווים, ואז סימולציה של חפירה ועמסה נוספת בשלבים מבוקרים.

התבוננות בלחיצה ושבירה של הסלע

במהלך העמסה, מערכת מצלמות ברזולוציה גבוהה עקבה אחרי תזוזות שטח זעירות, בעוד עשרות מדדי עיקום מדדו דפורמציה בתוך הבלוק. ככל שהלחץ גבר, השינויים הראשונים שהיו ניכרים הופיעו מתחת לרצפת המנהרה. התהווה אזור בצורת משפך של עליית עיקום ישירות מתחת למנהרה, שהתחזק ככל שהעומס נמשך. בסופו של דבר השכבות הדקות שמתחת לרצפה נפרדו מהשכבות שמתחתיהן, סדקו והורמו כלפי מעלה, ויצרו התרוממות רצפה ברורה. הדפורמציה החזקה ביותר נצפתה באזור שהשתרע עד לכ־חצי מרוחב המנהרה לתוך הרצפה, והעיקום המשווה באזור זה עלה לשיא גבוה, סימן לנזק חמור. הניתוח הראה שלחיצת הצד של השכבות הרכות והדקות הייתה הכוח הדומיננטי שגרם להתרוממות זו.

מתחים ודחיסות נסתרים סביב המנהרה

הצוות גם מיפוי כיצד הסלע סביב המנהרה השתנה בין מתיחה ולחיצה כאשר הרצפה נכשלת. בטווח מרחק המקביל לקוטר המנהרה, אזורי מתח (משיכה) ולחץ (דחיסה) הוחלפו סביב הפתח. לאחר שהרצפה התרוממה, הסלע הקרוב ביותר למנהרה חווה מתחים חזקים, במיוחד בפינות ובאורך הגג והרצפה, בעוד אזורי דחיסה נוצרו בהמשך יותר החוצה. תבנית זו מסבירה מדוע סדקים נוטים להתחיל בנקודות מסוימות ולסלול דרך לצורת כישלון אופיינית סביב המנהרה.

בדיקת הממצאים במודלים ממוחשבים

כדי לאשר שהתנהגות נצפית לא הייתה ייחודית לניסוי אחד, החוקרים בנו מודל מספרי תלת־ממדי באמצעות תוכנת מכניקת סלעים מבוססת. הם שיחזרו את אותה גאומטריה, מבנה שכבות ותנאי גבול כמו בניסוי הפיזי. המנהרה המדומה הראתה דפוסי תזוזה דומים: הרצפה בצד אחד של המנהרה התעקמה כלפי מעלה באופן חזק ונסדקה, בעוד הגג שקע במעט. נקודות מדידה מרכזיות בסימולציה זזו בכמעט אותן כמויות כמו במודל המעבדה, עם הבדלים של כמה מילימטרים בלבד בקנה המידה הניסיוני. התאמה הדוקה זו מחזקת את הביטחון במנגנון המזוהה.

מה משמעות זה למנהרות תת־קרקעיות בטוחות יותר

ללא מומחיות מיוחדת, המסקנה פשוטה: בסלע עמוק, רך ושכבות דקות, לחיצת הצד של המשטח יכולה להיות חשובה לא פחות ממשקל האנכי בגרימת התרוממות רצפת המנהרה. השכבות המשופעות פועלות כמו צלחות חלשות מסודרות שמתקפלות, נסדקות ומתקלפות כלפי מעלה תחת מתח אופקי, במיוחד מתחת למנהרה. הידיעה שהנזק הקריטי מרוכז באזור בצורת משפך ממש מתחת למנהרה ובטווח של כמידת רוחב המנהרה סביבה עוזרת למהנדסים לתכנן חיזוקים ממוקדים, כמו עוגני רצפה או תמיכה משופרת באזורים ספציפיים במקום תכנון יתר גורף. למרות שהמחקר מתמקד במכרה מסוים, התובנות שלו מציעות תמונה פיזית ברורה יותר שיכולה להנחות תכנון ושליטה אמינים יותר של דרכים תת־קרקעיות עמוקות ברחבי העולם.

ציטוט: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

מילות מפתח: התרוממות רצפה, מנהרת סלע רך, כרייה עמוקה, יציבות מנהרות, שכבות סלע