מחקר על התהוות עיוותים גדולים וכשל בתקרת רצפה במנהרה בסלע רך עשיר במים

מדוע רצפות מנהרות במכרות יכולות לעלות באופן פתאומי

מנהרות עמוקות במכרות פחם חייבות להישאר יציבות כדי לשמור על בטיחות העובדים והמשכיות תנועת הציוד. בכמה מכרות, רצפת המנהרה מתנפחה בהדרגה כלפי מעלה, מעקמת פסי רכבת וסדקת מסגרות תמיכה. המחקר בוחן בעיה כזו במכרה פחם בסין, שבו המנהרה חצובה דרך סלע רך רווי מים. החוקרים ביקשו להבין מדוע הרצפה עלתה במעלות וכיצד שיטה חדשה לתמיכה יכולה למנוע את התופעה בעתיד.

מנהרה בעייתית בעומק

הצוות התמקד בנתיב המשני הצפוני במכרה הונגצ'י במחוז שאנדונג, סין. מנהרת הובלה זו, ברוחב ובגובה של כארבעה מטרים, נחתכת בשכבת חול אבן רכה (מדסטון) וממוקמת מעל לשכבת אבן גיר המלאה במי תהום תחת לחץ. בדיקות בשטח הראו נזילות מים משמעותית בנקודות מפגש של מנהרות, והרצפה בקרבת מקור המים התנפחה עד לכ־2.5 מטרים. מסילות פלדה כשלו ועקמו לצורות S, לוחות בטון סדקו והברגים בקירות נשברו — סימנים לכך שהסלע מסביב למנהרה כבר לא יכול לשמור על יציבותו.

סלע רך שמתפורר במגע עם מים

כדי להבין מדוע הרצפה רגישה כל כך, החוקרים בחנו דוגמאות מהמדסטון של רצפת המנהרה. הם מצאו כי הוא מכיל כמות גדולה של מינרלי חימר, שמושכים מים ויכולים לנפח ולהחליש את הסלע כשהוא רווי. תחת המיקרוסקופ נראתה הסלע כמו פירורי ותפל, עם גרגירים רבים וצמנט חלש ביניהם. בניסויי השריה פשוטים, גושי המדסטון החלו להתפורר כבר לאחר דקה אחת בלבד במים והמשיכו להתפרק ככל שספחו יותר נוזל. תוצאות אלו הראו שהסלע אינו רק רך, אלא גם פגיע בקלות למים, מה שהופך אותו לרגיש במיוחד לניפוח והפסד חוזק.

מודלים ממוחשבים של מים שדוחפים את הרצפה

בהמשך בנו החוקרים מודל תלת־ממדי של המנהרה והשכבות הסלעיות הסובבות אותה. הם סימולצו לחצי מים שונים בשכבת הגיר התחתית מתנאי יובש ועד ללחץ הגבוה שנמדד בשטח. המודל עקב אחר תנועת גג ורצפת המנהרה וכיצד האזור הסלעי שסביבם נדחק מעבר למגבלות כוחו. בתנאי יובש הרצפה עלתה במעט והנזק היה רדוד. כאשר לחץ המים הוגבר לערך התת־קרקעי שנמדד, ההתנפחות המדומה הגיעה לכ־2.5 מטרים, ואזור הסלע הפגוע מתחת לרצפה העמיק ליותר מ־6 מטרים, בעוד שהגג כמעט שלא נע. ממצא זה הצביע על כך שלחץ מים מלמטה, שפועל על מדסטון שכבר חלש, היה המניע העיקרי לכשל הרצפה.

תמונה פשוטה של אופן קריסת הרצפה

בהסתמך על רעיונות מתיאוריית לחצי קרקע, ציירו החוקרים תמונה מכנית של תנועת הרצפה. הם חילקו את הרצפה לאזור רדוד, שבו הסלע הוחלש על ידי נשורת מים, ולאזור עמוק יותר המושפע בחומרה מהמפלס הלחוץ של האקוויפר. בתמונה זו, גושי סלע מרוכך משני צדי רצפת המנהרה נדחסים פנימה ולמעלה תחת משקל הסלע שמעליהם ודחיפת המים מלמטה. החישובים הציעו שעומק הכשל הקריטי מגיע לכ־4.5 מטרים. במילים פשוטות, פרוסה עבה של סלע מרוכך מתחת לבסיס המנהרה נדחפת כלפי מעלה ופנים, מה שגורם לרצפה להתנפח אל תוך חוות המנהרה.

מערכת תמיכה בשכבות ששומרת על המים בחוץ

בהתבסס על הבנתם זו, תכננו החוקרים מערכת תמיכה חדשה המותאמת לשני אזורי העומק. באזור הרדוד הותקנו עוגנים מקוצרים בזריקה כדי לקשור את הסלע המרופד ולחזק סדקים. באזור העמוק יותר השתמשו בכבלי עיגון ארוכים מזויידים בזריקת חומר לחיבור לסלע חזק יותר ולהגבלת תנועה במקומות שבהם לחץ המים גבוה יותר. בבסיס המנהרה נבנתה קשת בטון הפוכה שחוברה לתמיכות פלדה בצורת U לאורך הקירות, מה שהפך את כל החיפוי לטבעת סגורה המתנגדת טוב יותר ללחץ דחיסה מלמטה. העיצוב נועד לקטוע את המגע הישיר בין מי תהום למדסטון החלש ולפזר עומסים באופן מאוזן יותר.

ממה שהתנפחות לרציפה מבוקרת

תוכנית התמיכה החדשה הוטמעה במנהרה מחברת סמוכה שיש בה תנאי סלע ומים דומים. במעקב שנמשך שעתיים חודשים, שקיעת הגג ותנועת הקירות נשארו זניחות, והרצפה עלתה רק ב־33 מילימטרים לפני שהצטמצמה ויצבה את עצמה, במקום המעללים שנמדדו קודם לכן. עבור הקוראים שאינם מומחים, המסר המרכזי הוא שהבנה כיצד מים מחלישים סלע תת־קרקעי וכיצד מים תחת לחץ דוחפים את רצפות המנהרות מאפשרת לתכנן תמיכות ממוקדות בשכבות שמצמצמות משמעותית תנועת קרקע מסוכנת במכרות עמוקים.

ציטוט: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

מילות מפתח: התנפחות רצפה, סלע רך, מי תהום, תמיכת מנהרות, מכרה פחם