Studio con modello fisico sul meccanismo del sollevamento del piano per una galleria profondamente sepolta scavata in roccia tenera a strati sottili lievemente inclinati

Perché i pavimenti delle gallerie minerarie si sollevano all'improvviso

In profondità, i pavimenti di alcune gallerie minerarie si deformano lentamente verso l'alto, spingendo fuori binari e attrezzature e mettendo a rischio la sicurezza degli operatori. Questo enigmatico “sollevamento del piano” è costoso da riparare e difficile da prevedere, soprattutto in rocce tenere e stratificate comuni nelle regioni carbonifere. Lo studio dietro questo articolo utilizza modelli fisici su larga scala e simulazioni numeriche per rivelare come le sollecitazioni all'interno di strati rocciosi sottili e lievemente inclinati possano fratturarsi e sollevare il piano della galleria, offrendo indicazioni utili per progettare vie sotterranee più sicure e stabili.

Uno sguardo più ravvicinato ai pavimenti che si sollevano

Nella Cina occidentale e in molte altre aree minerarie, il carbone viene estratto da profondità di centinaia di metri, dove il peso delle rocce soprastanti crea pressioni immense. Molte di queste gallerie sono scavate attraverso rocce tenere disposte in sottili strati—argilliti, carbone e siltiti—inclinate con un angolo lieve anziché orizzontali. Gli ingegneri hanno a lungo osservato che, in queste condizioni, il piano della galleria può arcuarsi notevolmente verso l'alto nel tempo. Le spiegazioni precedenti si concentravano su forze verticali dal soffitto, rigonfiamento per l'acqua o lenta creep delle rocce, ma il ruolo specifico della struttura stratificata e della compressione laterale della massa rocciosa era ancora poco chiaro.

Costruire una galleria in laboratorio

Per chiarire questo meccanismo, i ricercatori hanno costruito un grande modello fisico basato su una galleria reale di una miniera di carbone nello Yunnan, Cina, situata a circa 750 metri sotto la superficie in strati inclinati di circa dieci gradi. Hanno ricreato i tre principali tipi di roccia usando polveri miscelate con cura per riprodurre la densità e la resistenza delle rocce reali a scala ridotta. Il blocco stratificato, delle dimensioni di un grande piano di lavoro, conteneva una piccola galleria ricavata nello “strato di carbone”. Mediante carichi idraulici hanno applicato pressioni equivalenti a quelle in profondità, con sollecitazioni verticali e orizzontali uguali, quindi hanno simulato lo scavo e ulteriori carichi in fasi controllate.

Osservare la deformazione e la rottura della roccia

Durante l'applicazione dei carichi, un sistema di telecamere ad alta risoluzione ha tracciato piccoli movimenti superficiali, mentre decine di estensimetri hanno misurato la deformazione all'interno del blocco. Con l'aumentare della pressione, i primi cambiamenti apprezzabili sono comparsi sotto il piano della galleria. Si è formata una zona a imbuto di aumento delle deformazioni direttamente sotto la galleria, che si è intensificata con il proseguire del carico. Alla fine, i sottili strati sotto la galleria si sono separati da quelli sottostanti, si sono incrinati e si sono sollevati, producendo un chiaro sollevamento del piano. La deformazione più intensa misurata si è concentrata in una regione estesa fino a circa metà della larghezza della galleria nel pavimento, e la deformazione equivalente in quest'area ha raggiunto un picco elevato, segnale di danno severo. L'analisi ha mostrato che la compressione orizzontale degli strati sottili e teneri è stata il fattore dominante di questo sollevamento.

Tensioni e compressioni nascoste intorno alla galleria

Il gruppo ha anche mappato come la roccia attorno alla galleria si è alternata tra estensione e compressione durante il cedimento del piano. Entro una distanza comparabile al diametro della galleria, zone di tensione (trazione) e di compressione (spinta) si sono alternate attorno all'apertura. Dopo il sollevamento del piano, la roccia più prossima alla galleria ha sperimentato forti tensioni, specialmente negli angoli e lungo volta e piano, mentre zone di compressione si sono formate più all'esterno. Questo schema spiega perché le fratture tendono ad iniziare in punti specifici e poi propagarsi assumendo una forma caratteristica di cedimento intorno alla galleria.

Verificare i risultati con modelli numerici

Per confermare che il comportamento osservato non fosse peculiare di un singolo esperimento, i ricercatori hanno costruito un modello numerico tridimensionale usando software consolidato di meccanica delle rocce. Hanno riprodotto la stessa geometria, la struttura stratificata e le condizioni ai limiti del test fisico. La galleria simulata ha mostrato pattern di spostamento analoghi: il piano nei pressi di un lato della galleria si è incurvato verso l'alto bruscamente e si è fratturato, mentre la volta ha subito un lieve cedimento verso il basso. Punti di misura chiave nella simulazione si sono mossi di quantità quasi identiche a quelle registrate nel modello di laboratorio, con differenze di soli pochi millimetri alla scala sperimentale. Questo stretto accordo rafforza la fiducia nel meccanismo identificato.

Cosa significa per gallerie sotterranee più sicure

Per i non specialisti, la conclusione è semplice: in rocce profonde, tenere e stratificate in strati sottili, la compressione laterale del terreno può essere altrettanto importante del carico verticale nel causare il sollevamento del piano della galleria. Gli strati lievemente inclinati si comportano come piastre deboli impilate che si incurvano, si incrinano e si sollevano sotto sollecitazione orizzontale, specialmente sotto la sede della galleria. Sapere che il danno più critico si concentra in una zona a forma di imbuto direttamente sotto la galleria e entro circa una larghezza di galleria attorno ad essa aiuta gli ingegneri a progettare rinforzi mirati, come ancoraggi del piano o supporti migliorati in regioni specifiche anziché un sovradimensionamento generalizzato. Pur concentrandosi su una miniera particolare, lo studio fornisce un quadro fisico più chiaro utile a guidare progetti e misure di controllo più affidabili per vie sotterranee profonde in tutto il mondo.

Citazione: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Parole chiave: sollevamento del piano, galleria in roccia tenera, estrazione in profondità, stabilità delle gallerie, strati rocciosi