מחקר ניסויי על השפעת מילוי גרוטינג סינכרוני במנהור מגינים על מנהרה קיימת עליונה בשכבת קרקע חולית

מדוע מה שקורה מתחת לערים שלנו חשוב

ערים מודרניות מסתמכות יותר ויותר על שכבות תת‑קרקעיות משולבות עבור מטרו, תשתיות וכבישים. כאשר מהנדסים נדרשים לבנות מנהרה חדשה מתחת למנהרה ישנה יותר, הם ממלאים בנוזל גרוטינג סביב המבנה החדש כדי למנוע שקיעה של הקרקע. אך בקרקע חולית רופפת, אותו גרוטינג עלול בהקשר לא מכוון לדחוף את המנהרה העליונה, לכופף וללחוץ עליה באופן שעלול לסכן את הבטיחות לטווח הארוך. המחקר הזה משתמש במודל מעבדתי מוקטן בקפידה כדי להראות איך ומדוע זה קורה, וכמה גרוטינג הוא יותר מדי.

בניית עיר מיניאטורית מתחת לפני הקרקע

כדי לבדוק תהליכים נסתרים אלה, החוקרים בנו קופסת קרקע גדולה מלאה בחול שגודל גרגיריו וצפיפותו מדמים תנאי מטרו אמיתיים. בתוכה התקינו דגם פלדה של מנהרה עגולה "קיימת" ומתחתיה מנהרה שנייה המייצגת את זו שנחפרת כעת על‑ידי מכונה מגן. כל ההתקנה נבנתה בקנה מידה של עשירית מהגודל האמיתי, מה שאיפשר שליטה מדויקת תוך השגת התנהגות ריאליסטית. במקום לדמות כל שלב של החפירה בבת אחת, הפרידו את השלבים: החפירה כבר נותחה בעבודה קודמת, והמחקר הנוכחי התמקד אך ורק בגרוטינג שמתבצע מאחורי המגן בעת התקנת מקטעי המנהרה החדשים.

כיצד מזריקים ומדדים את הגרוטינג

בפרויקטים אמיתיים שואבים גרוטינג לתוך המרווח הצר מאחורי זנב המגן כדי למלא את החלל בין הפרט והקרקע. הצוות שחזר זאת עם זנב מגן מותאם אישית, מברשות אטימה וצינורות גרוטינג המחוברים למשאבה. הם שינו שני פרמטרים מרכזיים: תכולת המים בתמיסת הגרוטינג וכמה גרוטינג הוזרק ביחס לנפח שהיה צריך למלא במדויק, הידוע כיחס מילוי הגרוטינג. חיישנים זעירים המוטמעים בחול מדדו כיצד הלחץ בקרקע השתנה סביב המנהרה העליונה. בתוך המנהרה, סרגלי פלדה חופפים, לייזרים ומצלמות עקבו אחרי שינויים זעירים בקוטר וכיפוף, מה שאיפשר לחוקרים לראות בדיוק כיצד המבנה מתעקל בזמן שהגרוטינג התקדם.

דחיפות וכיפופים נסתרות במנהרה העליונה

המדידות חשפו שהגרוטינג אינו פועל באופן אחיד. כאשר אזור המילוי נעה מתחת למנהרה הקיימת, הלחץ בחול עלה בחדות, במיוחד ישירות מתחת לאמצע המנהרה. התחתית של המנהרה העליונה חוותה את העלייה הגדולה ביותר, בעוד והצדדים השתנו במעט והחלק העליון רק במידה מתונה. כאשר יחס מילוי הגרוטינג היה גבוה, הדחיפה מעלה בתחתית המנהרה הייתה בערך פי אחת וחצי יותר גדולה מאשר כאשר נעשה שימוש בכמות צנועה יותר. העמסת עומסים לא אחידה זו גרמה למנהרה העליונה לקום בקמר מעל נתיב המילוי, כשהתחתית נתרומם יותר מהחלק העליון. במקביל, חתך המנהרה שינה צורה: קוטרה האנכי הצטמצם בעוד קוטרה האופקי גדל, והמעגל הפך לאליפסה שטוחה מצד לצד.

מתי יותר גרוטינג הופך לבעיה

שינויים אלה חשובים כי מנהרות מתוכננות לחלוקת כוחות שווה סביב הטבעת המעגלית שלהן. כאשר התחתית בולטת והחתך הופך לאליפטי, חלקים מסוימים של הבטון הנשא נושאים עומס רב יותר מאשר אחרים. המחקר מראה שבקרקע חולית, שימוש ביחס מילוי גרוטינג גדול (בערך 1.6 פעמים מהנפח המדויק של הרווח) יכול לגרום לתזוזה משמעותית כלפי מעלה ולעיוות של מנהרה ממוקמת מעליו. ברגע שהגרוטינג תחת המנהרה התקשה והתכווץ במעט, חלק מההתרוממות חזר בחלקו, אך פרק הזמן של הכיפוף המוגבר עדיין היווה עומס על המבנה. עם הזמן, שינויים כאלה עלולים לעודד סדקים, פתיחת חיבורים, נזק לבולטים והופעת נזילות.

לקחים מעשיים למנהרות בטוחות יותר

לא למומחה, המסר ברור: כאשר חופרים מנהרה חדשה מתחת לישנה בקרקע חולית, כמות גרוטינג מופרזת עלולה להיות בעייתית כמעט כפי שמיעוט גרוטינג. הניסויים מציעים כי שמירה על יחס מילוי הגרוטינג מתחת לכ‑1.6, והתאמתו בהתבסס על ניטור בזמן אמת, מסייעת להימנע מהרמה ועיוות מוגזמים של המנהרה הקיימת. באמצעות הבנה טובה יותר של כוחות תת‑קרקעיים בלתי נראים אלה, מהנדסים יכולים לחדד את התכנונים והבקרות הביצועיות שלהם, ולהגן על המנהרות שנושאות מיליוני נוסעים בעת הוספת החדשות שהערים המתפתחות שלנו דורשות.

ציטוט: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

מילות מפתח: מנהור במגן, מילוי גרוטינג סינכרוני, מנהרות תת‑קרקעיות, אדמת חול, עיוות מנהרה