Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

מחקר על מאפייני הדפורמציה של הסלע הסובב ואמצעי אופטימיזציה לתמיכה במנהרות בעת חציית אזורי שבר של סדקי אש

· חזרה לאינדקס

מדוע מנהרות בהרים עלולות להתנהג בצורה בלתי צפויה

מנהרות כביש וסלילה ארוכות חוצות כיום חלק מההרים הגבוהים והמחוספסים בעולם. מעברי דרך אלה נחצבים בדרך כלל על ידי מכונות חפירה ענקיות (TBM) שמטחנות בעקביות דרך סלע מוצק. אך כאשר ה‑TBM פוגש אזור שבר סמוי — סלע שנשבר והיחלש בעקבות רעידות אדמה קדומות — המנהרה עלולה לעוות, לקרוס ואפילו ללכוד את המכונה. המחקר בוחן מפגש מסוכן כזה במנהרה הררית בסין ומראה כיצד מערכת תמיכה מתוכננת היטב יכולה לצמצם משמעותית את הסכנות האלה.

Figure 1
Figure 1.

קטע בעייתי במנהרת הרים עמוקה

המחקר מתמקד במנהרת דאליאנגשאן מס' 1 במחוז סצ'ואן, החוצה למעלה מ‑10 קילומטרים מתחת לעמקים תלולים בצורת V. רוב המסלול עובר דרך סלע יחסית חזק, אך מקטע אחד חוצה את אזור השבר F1, שבו בזלת וטוף מוצקים נהרסו לשברי סלע חלשים ומותמרים. באזור זה התקרות והדפנות משמיטים גושים, נפתחות חללים גדולים, מים נספגים ונקודות המגע הרגילות שבהן ה‑TBM נשען על הסלע מאבדות מעמידתן. במהלך החפירה המוקדמת תנאים אלה הובילו לנפילת סלעים כבדה, עיוות של כריות פלדה, התקרבות דפנות המנהרה ואפילו מקרה שבו ה‑TBM נתקע לאחר עצירת עבודה.

מדידת תנועת הקרקע

כדי להבין מה קרה — וכיצד לשלוט בכך — הצוות שילב שלושה גישות. במעבדה הם בחנו דגימות גרוסות מתוך הליבות מהאזור השברי כדי לקבוע עד כמה הסלע המותמר באמת חלש. במחשב השתמשו בתוכנת האלמנטים הסופיים ABAQUS כדי לדמות TBM מתקדם במנהרה רחבה 8 מטר החוצה רצועת שבר ברוחב 40 מטר השוקעת בזווית של 40 מעלות. ובשטח התקינו מכשור לאורך מספר חתכי רוחב כדי לנטר כיצד תקרת המנהרה (קמר), הדפנות ומשטח הקרקע נעים ככל שהחפירה מתקדמת. תמהיל של בדיקות, דימות ומדידות במקום אפשר להם לקשר בין מה שנראה מתחת לפני הקרקע לבין הפיזור הבלתי נראה של מאמצים בהר הגבוה.

מה קורה כשהמכונה פוגשת את השבר

הדימויים והמדידות חשפו תבנית ברורה: הדפורמציה הייתה "גדולה במרכז וקטנה בשני הקצוות" של אזור השבר. כאשר ה‑TBM נכנס לגרעין החלש ביותר של F1, תקרת המנהרה שקעה באופן דרמטי — עד 92 מילימטר — בעוד שמשטח הקרקע מעל שקע עד 42 מילימטר. התקרה החלה לשקוע כ־10 מטר לפני שהמכונה הגיעה לקטע המנוטר, והמשיכה לזוז עד כ־10 מטרים מאחורי הקטע. הדפנות הגיבו מאוחר יותר ובחוזק נמוך יותר, עם תזוזות מקסימליות סביב 15 מילימטר. הרחק מהשבר, שבה הסלע היה שלם יותר, עליות השקיעה ירדו מתחת ל‑5 מילימטר והתנהגות המנהרה הפכה ליציבה יותר. עם זאת, ללא התערבות, ההזזות הגדולות בגרעין השבר סיכנו הן את בטיחות העובדים והן את יכולת ה‑TBM להמשיך להתקדם.

Figure 2
Figure 2.

בניית מעטה מחוזק סביב המנהרה

בהנחיית הממצאים ובניסיון מפרויקטים אחרים תכננו המהנדסים מערכת תמיכה מחוזקת המותאמת לקרקע השבורה. במקום להסתמך רק על קורות פלדה ושיטקונט בסיסי, הם הוסיפו מערך צפוף של רצועות חיזוק פלדה סביב רוב היקף המנהרה, שדרגו את הבטון המוזרק לתערובות בעלות חוזק גבוה יותר, והשתמשו בשלדים ובאיטום בהזרקה ליצירת מושב נשיאה מוצק שבו נלחצות נעלי האחיזה של ה‑TBM כנגד הדפנות. באזורים רופפים או מתמוטטים במיוחד התקינו עוגני סלע קדוחים עצמאיים ועוגני סיבים מזכוכית ומילאו חללים ומערות קרטון בבטון. מודלים נומריים שבהם שולבו אמצעים אלה חזו תזוזות קטנות בהרבה, וניטור השדה אישר את השיפור.

כמה הבטוחה המנהרה הפכה

לאחר החיזוק, שקיעת התקרה המקסימלית בכל החתכים המנוטרים ירדה לכ־17 מילימטר, ושקיעת המשטח לכ־7 מילימטר — ירידות של כ‑80 אחוז בהשוואה למקרה הלא מחוזק. דפנות המנהרה וסמוך לבסיס הקמר זזו רק כמה מילימטרים, ותבנית הדפורמציה הכללית הפכה לחלקה וניתנת לחיזוי יותר. התקלפות סלע וחללי קריסה פחתו משמעותית, יכולת הנשיאה לנעלי ה‑TBM השתפרה, והמכונה יכלה להמשיך להתקדם ללא לכידה מחודשת. במונחים מעשיים, התמיכה המשודרגת הפכה מקטע בלתי יציב מאוד במנהרה לבעיה הנדסית הניתנת לניהול.

מה משמעות הדבר למנהרות עתידיות

לאנשי חוץ, המסר המרכזי הוא ש"קרקע גרועה" באזורים שבריים לא חייבת להכשיל פרויקטי מנהרות עמוקים. על‑ידי מדידה ראשונית של התנהגות הסלע, הדמיה של האינטראקציה בין המנהרה להר, והתאמת החיזוק לתנאים אלה, מהנדסים יכולים להגביל במידה רבה את היקף הדפורמציה של המנהרה — גם בסלע מרוסק ומותמר בעומק של קילומטר מתחת לפני הקרקע. הגישה שבה נעשה שימוש במנהרת דאליאנגשאן מס' 1 מספקת מפת דרכים למנהרות הרריות אחרות שצריכות לחצות שילובים דומים של סלע מותמר וסדקים פעילים או עתיקים, ומשפרת את הבטיחות ומפחיתה את הסיכון לעצירות יקרות של ה‑TBM.

ציטוט: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

מילות מפתח: מכונת חפירת מנהרות, אזור שבר של סדק, תמיכת מנהרה, שקיעת קרקע, מנהרות הרריות