מחקר על מנגנוני העיוות במנהרות חציבה עמוקה ויישום תמיכת סוג‑יחידה על יסוד רטט

שמירה על בטיחות מנהרות תת‑קרקעיות

מנהרות עמוקות תת‑קרקעיות הן העורקים של מכרות פחם מודרניים, מובילות אוויר צח, עובדים וציוד כבד. אך בעומקים גדולים, הסלע הסובב עלול להידחס לאט, לסדוק ולכרוש את רצפת המנהרה, ולסכן הן את הבטיחות והן את הפרודוקטיביות. מחקר זה בוחן מקרוב מנהרת הובלה מעוותת במכרה פחם במונגוליה הפנימית ובודק שיטה חדשה לייצוב הסלע באמצעות שילוב של עמודות ברצפה ותמיכות מודולריות, הפועלות יחד עם עוגני סלע וכבלים מסורתיים.

כאשר האדמה מתחילה לזוז

המנהרה הנבדקת בעבודה זו נמצאת כ־420 מטר מתחת לפני השטח בתוך שכבת פחם עבה ובעלת יציבות יחסית. למרות זאת, הרצפה סדקה והתרוממה כלפי מעלה באופן לא אחיד, התקרה שקעה ודפנות המנהרה — הקירות הצדדיים — בלטו החוצה. הבעיה החמורה ביותר הייתה התרוממות רצפה בצד של הפחם שלם, שעוותה את המסלול וסיכנה כלי רכב העוברים דרכו. בצד עמוד הפחם נצפו גם נזקים, בעוד שהתקרה וקיר הפחם השלם נפגעו פחות באופן יחסי. דפוסי נזק אלה הציעו כי האיזון המקורי של הכוחות בסלע העמוק הופר על ידי החציבה.

כיצד לחצים תת‑קרקעיים שוברים מנהרה

כדי להבין מדוע המנהרה עוותה, החוקרים שילבו דגימות שדה, בדיקות מעבדה על גרעיני סלע ומדידות עומס בשטח. הם מצאו שהלחצים האופקיים הטבעיים בסלע חזקים יותר מהלחצים האנכיים הנובעים ממשקל השכבות שמעל. בהתבסס על מדידות אלה בנו מודל מספרי תלת־ממדי של הסלע שסביב המנהרה. הסימולציות הראו שחפירת המנהרה משנה את התפלגות הלחצים, יוצרת אזורים בעלי דחיסה גבוהה מאוד ואזורים של מתיחה סביב הפתח ובעומק הסלע. התוצאה היא אזור טבעתי של סלע סביב המנהרה שנלחץ מעבר למגבלות האלסטיות שלו, שם הוא מתחיל לעוות לצמיתות ולסדוק.

מדוע הרצפה מתעקלת לאחידות

הצוות השתמש לאחר מכן במודל מכני מפושט של רצפת המנהרה, שטיפל בה כקורה הנשענת על אזורים מקלים בקצוות. הם הראו כי גודל ומיקום התרוממות הרצפה תלויים מאוד בשני גורמים: רוחב אזורי ה"פלסטי" המתרככים בצדי הרצפה וכמות הריכוז הלחצי שם. כאשר שני הצדדים דומים, הרצפה מתנפחת בעיקר במרכז. אך אם לצד אחד יש אזור מוחלש רחב יותר או ריכוז לחץ גבוה יותר, התנועה העילית הגדולה ביותר זזה לכיוון אותו צד וגדלה בגודלה. במקרה שלהם, צד הפחם השלם השפיע חזק יותר, מה שמסביר את התרוממות הרצפה הא-סימטרית שנצפתה במכרה.

דרך חדשה לתמוך בסלע

מכיוון שעוגנים וכבלים מסורתיים לבדם לא יכלו להשלים עם העיוות, החוקרים הציעו קונספט תמיכה חדש: תמיכת סוג‑יחידה על יסוד עמודות. עמודות פלדה מקדוחות לתוך רצפת המנהרה ומעליהן ממוקמת כיפה שטוחה הנשאת יחידות תמיכה הידראוליות מודולריות. תמיכות אלה פועלות יחד עם העוגנים והכבלים הקיימים בתקרה ובקירות. העמודות משפרות את תנאי העומס ברצפה, חותכות את הזרימה הפלסטית של סלע מוחלש מתחת למנהרה ומספקות בסיס יציב ומישור על מנת שהתמיכות יעבדו בצורה אנכית ויעילה. בינתיים, התמיכות מחלקות ומפזרות את העומס, ומצמצמות הצטברות לחצים לאורך הדפנות.

הפיכת לדחיסה מסוכנת לקרקע יציבה

סימולציות מספריות של מערכת התמיכה המשולבת הראו שיפורים דרמטיים. תזוזות התקרה והרצפה ירדו ביותר מ־80 עד 90 אחוז, והיסטי הדפנות קוצצו בכמחצית־שלוש או יותר. הטבעת הרציפה של הסלע שנפגעה קשות סביב המנהרה התפרקה לאזורים מבודדים וקטנים יותר, במיוחד ברצפה שבה העיוות הפלסטי הופסק בשורות העמודות והופחת בכ‑כמעט 80 אחוז. בפירוש פשוט, תוכנית התמיכה החדשה הופכת מנהרה שנדחסת ומשתנה באופן חמור לאחת שבה תנועות הסלע יורדות לקנה‑מידה של סנטימטרים והלחצים נישאים בצורה בטוחה על ידי עמודות ותמיכות. עבור פעולות כרייה עמוקות, גישה זו מציעה דרך מבטיחה לשמור על מנהרות הובלה חיוניות פתוחות, יציבות ובטוחות.

ציטוט: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

מילות מפתח: עיוות מנהרות, התרוממות רצפה, כרייה תת‑קרקעית, תמיכת סלע, יסוד עמודות