ניתוח התרוממות המקטעים במהלך בניית מנהרה בשילד בהתחשבות בהשפעות זליגת שכבות

מדוע התרוממות המנהרה משפיעה על חיי העיר

ערים מודרניות נשענות יותר ויותר על רשתות רכבת תת-קרקעיות כדי להקל על התנועה ולפנות שטח ברחוב. אך חפירת מנהרות ארוכות מתחת לבניינים אינה נטולת סיכונים. כאשר מנהרה נחפרת באמצעות מכונת שילד ענקית, טבעות הבטון שמרפדות את המנהרה עלולות לעלות, או "להתרומם", יותר מהצפוי. התרוממות מופרזת עלולה לגרום לסדקים בריפוד, לאפשר חדירת מים ואפילו להפריע לקרקע ולמבנים שמעל. מחקר זה בוחן בזהירות כיצד תערובת המלט שהוזרקה ומי התהום הטבעיים גורמים להתרוממות, תוך שימוש במקטע אמיתי של מטרו דליאן בסין כמקרה מבחן.

מבט קרוב מתחת לרחובות

החוקרים התמקדו במקטע מנהרה העוברת מתחת לקרקע עירונית המורכבת ממילוי שכבה, חמרות וקרקעות חצוצרות המכילות מי תהום. ככל שמכונת השילד מתקדמת, נותר רווח קטן בין ריפוד הבטון העגול לקרקע שמסביב. המרווח הזה מולא מיד במלט נוזלי כדי לתמוך בקרקע ולייצב את המנהרה. מאחר שהמלט קל ונוזלי יותר מהקרקע, ומאחר שהקרקע נושאת מים, הריפוד עלול להידחף כלפי מעלה על ידי שילוב של לחץ המלט ולחץ המים. מחקרים קודמים נטו לטפל באפקט זה בפישוטים ולא התחשבו במלואו בכיצד המים זורמים בתוך הקרקע בזמן שהמלט מוזרק ומתייצב.

בניית מנהרה וירטואלית במחשב

כדי לפשט ולהבין את התהליכים האלה, הצוות בנה מודל תלת־ממדי של המנהרה, המלט והקרקע שמסביבה. המודל חיקה שכבות גאולוגיות אמיתיות ואיפשר למים לחדור דרך הקרקע לפי חוקים ידועים של זרימה. הוא גם השחיז את ההתקדמות של מכונת השילד שלב אחר שלב: חפירת הקרקע, תמיכת פני המנהרה, התקנת כל טבעת מקטעים והזרקת המלט מסביב. לרכיבי המלט הוקצו רמות נוקשות שונות כשהוא משתנה ממצב נוזלי שנאדד למבנה מתקשה. המודל נבדק מול מדידות שדה מדוקדקות שנעשו עם נקודות ניטור על פני השטח ומערכת הנחייה מבוססת לייזר שעוקבת אחרי ריפוד המנהרה כשהמכונה מתקדמת.

כיצד מים ומלט משתפים פעולה להתרמת המנהרה

הסימולציות הראו שלחץ המים סביב ריפוד המנהרה משתנה באופן חד כאשר המכונה עוברת והמלט מוזרק. התנודות החזקות ביותר בלחץ הנוזלים הקבעי (pore water pressure) מתרחשות בתחתית הריפוד, שינויים חלשים יותר מופיעים בצדדים, והקטנים ביותר בחלק העליון. ההתרוממות פועלת בדפוס דומה: תחתית המנהרה (invert) עולה הכי הרבה, הצדדים פחות, והכתר (החלק העליון) הכי פחות. רוב ההתרוממות הכוללת מתרחשת בחמש הטבעות הראשונות מאחורי זנב השילד, בשלב שבו המלט עדיין מאוד נוזלי ולחצו גבוה. ככל שהמלט מתחיל להתמצק ומתאים עצמו המתח בקרקע, קצב ההתרוממות מאט ולבסוף מתייצב. כאשר נכללת זליגת מי תהום במודל, ההתרוממות הסופית גדולה במידה ניכרת — בערך חמישית מההתרוממות הכוללת במודל נובעת מזליגה המשולבת עם לחץ המלט ולא מהמלט לבדו.

אילו בחירות בנייה מחמירות את ההתרוממות

באמצעות המודל המאומת, המחברים שינו לאחר מכן גורמים מרכזיים בתנאים זהים יחסית. מנהרות עמוקות יותר חוו התרוממות רבה יותר, בעיקר מפני שלחץ מי התהום גדל עם העומק ועוזר להרחיב את המלט ולהרים את הריפוד. לחצי הזרקה גבוהים יותר גם הם יצרו התרוממות חזקה יותר, אם כי אפקט זה היה קטן יותר מהשפעת העומק. גורם חשוב נוסף היה מהירות וכמות המרחק מאחורי המכונה שבה המלט החל להתמצק. אם נקודת ההתקשות הראשונית התרחשה מרחוק יותר מאחורי השילד, המלט נותר נוזלי סביב הריפוד במשך זמן רב יותר, מה שאפשר יותר זמן להתפתחות התרוממות. המחקר חיבר מגמות אלה לנוסחאות אמפיריות פשוטות שמקשרות בין התרוממות לעומק קבורה, לחץ הזרקה והמרחק מפני המנהרה, ומספקות למהנדסים דרך מעשית להעריך התרוממות בתנאי קרקע דומים.

השלכות לנסיעה תת-קרקעית בטוחה יותר

ללא מומחיות מיוחדת, המסר העיקרי הוא כי התרוממות מנהרה אינה תלויה רק בעוצמת ההזרקה של המלט — היא גם תלויה באופן חזק בתזוזת מיי התהום בתוך הקרקע ובמהירות התקשות המלט. על ידי לכידת הפעולה המשולבת של לחץ המלט וזילוג המים, ובדיקת התוצאות מול מדידות מהעולם האמיתי, עבודה זו מציעה תמונה ריאליסטית יותר של כיצד ומתי ריפודי מנהרות עולים במהלך הבנייה. הממצאים יכולים לסייע למעצבים לבחור עומקים בטוחים יותר, לחצים מתאימים לתערובת ההזרקה ונוסחי מלט מתאימים, ובכך להפחית את הסיכון לסדקים, נזילות והרמת משטח כאשר קווים חדשים של רכבת תחתית נבנים תחת ערינו.

ציטוט: Guo, J., Li, Z., Liu, J. et al. Analysis of segment uplift during shield tunnel construction considering stratum seepage effects. Sci Rep 16, 14501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44530-4

מילות מפתח: התרוממות מנהרת שילד, זליגת מי קרקע, הזרקת כאמור סינכרונית, בניית מנהרת מטרו, דוגמנות מספרית