מחקר על סימולציה נומרית של יציבות הסלע הסובב מנהרה עמוקה עם מודל ריכוך סימון מתקדם מבוסס על קריטריון הוק-בראון

מדוע הקרקע סביב מנהרות חשובה

כאשר מכרות ומנהרות תעבורה תת-קרקעיות מתקדמות לעומקים גדולים יותר, הסלע סביב הפתחים הללו נדחס עד למצב הקרוב לשבירה. כאשר אותו סלע מתחיל לסדוק ולהתנפח, הוא עלול לעקם תומכות פלדה, להציף מנהרות עם קרעים וחומר מנותץ, ולסכן את העובדים. המחקר הזה עונה על שאלה מעשית עם השלכות בטיחותיות וכלכליות גדולות: האם מודלים ממוחשבים חכמים יותר יכולים לעזור למהנדסים לחזות את התנהגות הסלע בעומק לאחר כרייה, כדי לתכנן מערכות תמיכה שתואמות את המציאות?

מעבר להתנהגות סלע פשוטה

שיטות תכנוניות מסורתיות מטפלות בסלע לעתים כבחומר פשוט, כמעט אלסטי, שמאבד כוח בצורה ליניארית לאחר כשל. עם זאת, תצפיות ממכרות עמוקים מראות תמונה מורכבת יותר: לאחר הגעת הכוח השיא, הסלע עלול לאבד נוקשות, לאבד חוזק, לסדוק ואף להגדיל את הנפח כשהשברים זזים ומתרחבים. המחברים מתמקדים במודל ‘‘ריכוך סימון מתקדם’’ שנקרא IMASS, שהוצב על בסיס כלל החוזק הנפוץ הוק–בראון. IMASS מנסה ללכוד ארבע תכונות מרכזיות אחרי הכשל: אובדן של קוהזיה וחוזק מתיחה, עלייה בחיכוך בין חלקי השבר, ריכוך הדרגתי של הנוקשות, ומעבר משבירה פריכה לזרימה דוקטילית יותר בדומה לפלסטיות.

איך המודל החדש מתאר סדיקה של סלע

המודל IMASS מתאר את סיפור חיי מצבור הסלע סביב מנהרה בשלבים. תחילה יש את מצב השיא השלם, שבו הסלע עדיין שלם. ברגע שהעומס גבוה מדי, החומר נכנס לשלב שאחרי השיא: נוצרים סדקים, חוזק קוהזיבי יורד, אך השברים עדיין סגורים יחסית וצפופים. עם עיוות נוסף, המערכת מתקדמת למצב הסופי, שבו החלקים השבורים סודרו מחדש, הנקבוביות עשויה להגיע לכ־40% והסלע מתנהג יותר כערמת גרגרים. המודל מקשר בין שלבים אלה לכמויות מדידות כגון מדד חוזק גיאולוגי (דירוג איכות מצבור הסלע), חוזק לחיצה שנמדד במעבדה, ופרמטר המתאר את קצב הצטברות העיוות הגזירי הפלסטי. הוא גם מאפשר לנוקשות האלסטית ולנטיית הסלע להתרחב (דילטנסיה) להשתנות עם הנזק.

בדיקת אילו תכונות סלע חשובות ביותר

כדי לראות כיצד מרכיבים אלה משפיעים על יציבות המנהרה, המחברים בנו מודל נומרי תלת־ממדי של מנהרת עומק בערך 1,000 מטר מתחת לפני הקרקע, עם חתך חצי־עגלי טיפוסי. הם ערכו סימולציות שיטתיות כאשר שונו קבוצה אחת של תכונות בכל פעם. על ידי שינוי איכות הסלע מרעה לטובה, הם הבחינו כיצד קוהזיה וחוזק מתיחה מתדרדרים, כיצד החיכוך הפנימי עולה, וכיצד גדלים אזורי הפלסטיות (המעוותים באופן קבוע) וההזחות סביב המנהרה. לאחר מכן הם הפעלו וכיבו ריכוך מודולוס, בחנו את השפעת דילטנסיית הגזירה (כמה מצבור הסלע מורחב כשהוא נגרס), וכיווננו פרמטר שבירות שבא לשלוט על הקצב שבו החומר קופץ מחזק ונוקשה לריכוך מלא. התוצאות מראות שההזחה והנזק רגישים מאוד לריכוך מודולוס ודילטנסיה כשהסלע חלש ופריך, אך הרבה פחות כאשר מצבור הסלע חזק ורציף יותר.

שילוב סימני אזהרה רבים לציון אחד

במקום להסתמך על מדד יחיד כמו תזוזת קיר המנהרה או “מעגל רופף” תיאורטי, המחברים מציעים אינדקס יציבות משולב שממזג מספר מדדים לציון יחיד בין 0 ל־1. הם כוללים את גודל אזור הפלסטיות, סך העיוות, רמת וריכוז מאמץ השיא, עד כמה הקוהזיה נחלשה, וכמה חזקה הדילטנסיה. באמצעות שיטת קבלת החלטות מבנית (תהליך היררכי אנליטי) שתוקנה על ידי משקלות מבוססי אנטרופיה, הם מקצים משקלים רציונליים לכל גורם, כשהדגש הרב ניתן לגודל אזור הפלסטיות ולריכוז המאמץ. לאחר נרמול כל הכמויות, מחשבים אינדקס יחיד שמסווג את המנהרה ביציבה, שולי יציבה, קריטית לא יציבה, או בסיכון גבוה לקריסה, ומנחה את אמצעי התמיכה המתאימים.

יישום המודל במכרה אמיתי

הצוות יישם לאחר מכן הן את המודל המתקדם IMASS והן מודל ריכוך סימון קונבנציונלי על מנהרה עמוקה בסלע רך במכרה פחם קואנדיאן בסין, שבו הסלע מורכב מסלע חול שסדוק במידה רבה. הם השוו הזחות מדומות, עומקי כשל, דפוסי מאמץ ודילטנסיה עם מדידות שדה. המודל הקונבנציונלי חזה עיוותים קטנים בהרבה ואזור כשל קטן יותר מהנראה בשטח, ונתן אינדקס יציבות אופטימי יתר על המידה עם סטייה של כ־162% מהערך המדוד. לעומת זאת, סימולציות IMASS ייצרו הזחות גדולות יותר, אזורי פלסטיות רחבים יותר, דילטנסיה חזקה יותר, והתאמה קרובה בהרבה למציאות; אינדקס היציבות שלהן סטה מהערך המדוד בכ־26% בלבד, וזיהה נכונה את המנהרה כמצב בסיכון גבוה.

מה זה אומר לגבי מנהרות בטוחות יותר

ללא מומחים, המסר ברור: הסלע סביב מנהרות עמוקות לא סתם סדוק ונעצרת—הוא נרכך, מתנפח ומארגן עצמו בהדרגה, והעדינים האלה חשובים לבטיחות. מודל IMASS, על ידי מעקב אחרי איבוד נוקשות, דילטנסיה ושבירות, מספק תמונה ריאליסטית יותר של איך הנזק מתפשט סביב חפירה ועד כמה המערכת קרובה לאי־יציבות. כאשר משלבים את התיאור העשיר הזה לאינדקס יציבות אחד, זה מאפשר למהנדסים לבחור תכניות תמיכה חזקות או חסכוניות יותר בביטחון גדול יותר. המחברים מציינים שעבודות עתידיות חייבות לכלול עומסים דינמיים, מי תהום והשפעות תלויות־זמן, אך המחקר שלהם מראה שמודלים נומריים מדויקים יותר יכולים לצמצם באופן משמעותי את הפער בין התחזית למה שקורה בפועל מתחת לקרקע.

ציטוט: Wang, R., Wu, R., Xu, J. et al. Research on numerical simulation of surrounding rock stability of deep roadway with advanced strain softening model based on Hoek-Brown criterion. Sci Rep 16, 11910 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39882-w

מילות מפתח: יציבות מנהרה עמוקה, ריכוך מצבור סלע, סימולציה נומרית, תכנון תומכות תת-קרקעיות, קריטריון הוק-בראון