Ricerca sulla simulazione numerica della stabilità della roccia circostante in cunicoli profondi con un modello avanzato di ammorbidimento per deformazione basato sul criterio di Hoek-Brown

Perché il terreno attorno ai tunnel conta

Man mano che miniere e gallerie di trasporto sotterranee raggiungono profondità sempre maggiori, la roccia intorno a queste aperture viene spinta vicino al suo punto di rottura. Quando quella roccia comincia a fessurarsi e a rigonfiarsi, può piegare i supporti in acciaio, invadere i cunicoli con detriti e mettere seriamente a rischio gli operatori. Questo studio pone una domanda pratica con grandi implicazioni di sicurezza e economiche: modelli informatici più intelligenti possono aiutare gli ingegneri a prevedere il comportamento della roccia profonda dopo lo scavo, in modo da progettare sistemi di sostegno che corrispondano realmente alla realtà?

Oltre il comportamento semplice della roccia

I metodi di progettazione tradizionali spesso trattano la roccia come se fosse un materiale semplice, quasi elastico, che si indebolisce in modo lineare una volta che viene superata la resistenza. Ma le osservazioni nelle miniere profonde mostrano qualcosa di più complesso: dopo il picco di resistenza la roccia può perdere rigidezza, perdere resistenza, fessurarsi e persino aumentare di volume quando i frammenti si spostano e dilatano. Gli autori si concentrano su un modello di “avanzato ammorbidimento per deformazione” chiamato IMASS, costruito sul noto criterio di resistenza della roccia Hoek–Brown. IMASS cerca di catturare quattro comportamenti chiave dopo la rottura: perdita di coesione e resistenza a trazione, aumento dell’attrito tra i frammenti, ammorbidimento graduale della rigidezza e una transizione dalla rottura fragile a un flusso più duttile e plastico.

Come il nuovo modello rappresenta la roccia fessurata

Il modello IMASS rappresenta la storia della massa rocciosa attorno a un tunnel in fasi. Prima c’è lo stato di picco intatto, dove la roccia è ancora solida. Quando lo sforzo diventa troppo alto, il materiale entra in una fase post‑picco: si formano crepe, la coesione diminuisce, ma i frammenti sono ancora interbloccati e relativamente densi. Con ulteriori deformazioni, il sistema evolve verso uno stato ultimo, dove i pezzi rotti si sono riorganizzati, la porosità può raggiungere circa il 40% e la roccia si comporta più come un accumulo granolare. Il modello collega queste fasi a grandezze misurabili come l’indice di resistenza geologica (una valutazione della qualità della massa rocciosa), la resistenza a compressione misurata in laboratorio e un parametro che descrive la velocità con cui si accumula la deformazione plastica da taglio. Permette inoltre che la rigidezza elastica e la tendenza della roccia a dilatare—espandersi di volume durante il taglio—evolvano con il danneggiamento.

Testare quali proprietà della roccia contano di più

Per vedere come questi ingredienti influenzano la stabilità del tunnel, gli autori hanno costruito un modello numerico tridimensionale di un cunicolo profondo circa 1000 metri sotto terra, con una sezione tipica semicircolare. Hanno eseguito simulazioni sistematiche variando un gruppo di proprietà alla volta. Variando la qualità della roccia da scarsa a buona, hanno osservato come si degradano coesione e resistenza a trazione, come aumenta l’attrito interno e come evolvono l’estensione delle zone plastiche (permanentemente deformate) e gli spostamenti intorno al tunnel. Hanno poi attivato e disattivato l’ammorbidimento del modulo, esplorato l’impatto della dilatanza da taglio (quanto la massa rocciosa rigonfia durante il taglio) e regolato un parametro di fragilità che controlla la rapidità con cui il materiale passa da forte e rigido a completamente ammorbidito. I risultati mostrano che gli spostamenti e il danneggiamento sono molto sensibili all’ammorbidimento del modulo e alla dilatazione quando la roccia è debole e fragile, ma molto meno quando la massa rocciosa è più forte e continua.

Combinare molti segnali d’allarme in un unico punteggio

Piuttosto che affidarsi a un singolo indicatore come lo spostamento della parete del tunnel o a un teorico “cerchio di cedimento”, gli autori propongono un indice di stabilità combinato che fonde diverse misure in un unico punteggio tra 0 e 1. Includono la dimensione della zona plastica, la deformazione totale, il livello e la distribuzione degli sforzi di picco, quanto si è indebolita la coesione e quanto è intensa la dilatanza. Usando un metodo decisionale strutturato (processo ad analisi gerarchica) corretto da uno schema di ponderazione basato sull’entropia, assegnano pesi razionali a ciascun fattore, dando maggiore importanza alla dimensione della zona plastica e alla concentrazione degli sforzi. Dopo aver normalizzato tutte le grandezze, calcolano un indice singolo che può classificare il tunnel come stabile, marginale, criticamente instabile o ad alto rischio di collasso, e indirizzare le misure di supporto corrispondenti.

Applicare il modello in una miniera reale

Il team ha poi applicato sia il modello avanzato IMASS sia un modello più convenzionale di ammorbidimento per deformazione a un cunicolo profondo in roccia morbida nella miniera di carbone di Quandian in Cina, dove la roccia è arenaria fortemente fratturata. Hanno confrontato spostamenti simulati, profondità di collasso, pattern di sforzo e dilatanza con misure sul campo. Il modello convenzionale ha previsto deformazioni significativamente minori e una zona di collasso più piccola rispetto a quanto osservato in sito, dando un indice di stabilità eccessivamente ottimistico con una deviazione di circa il 162% rispetto al valore misurato. Al contrario, le simulazioni IMASS hanno prodotto spostamenti maggiori, zone plastiche più ampie, dilatanza più marcata e un accordo molto più vicino alla realtà; il suo indice di stabilità differiva dal valore misurato di circa il 26% e ha correttamente identificato il cunicolo come in uno stato ad alto rischio.

Cosa significa per tunnel più sicuri

Per i non specialisti, il messaggio è chiaro: la roccia attorno ai tunnel profondi non si limita a fessurarsi e fermarsi—si ammorbidisce, si gonfia e si riorganizza gradualmente, e queste sfumature sono importanti per la sicurezza. Il modello IMASS, tracciando la perdita di rigidezza, la dilatanza e la fragilità, fornisce un quadro più realistico di come il danno si propaga attorno a uno scavo e di quanto il sistema sia vicino all’instabilità. Quando combinata in un unico indice di stabilità, questa descrizione più ricca permette agli ingegneri di scegliere schemi di supporto più robusti o più economici con maggiore sicurezza. Pur osservando che studi futuri devono includere carichi dinamici, acqua sotterranea ed effetti tempo‑dipendenti, il lavoro dimostra che modelli numerici più sfumati possono ridurre sostanzialmente il divario tra previsione e ciò che avviene realmente sottoterra.

Citazione: 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

Parole chiave: stabilità di cunicoli profondi, ammorbidimento della massa rocciosa, simulazione numerica, progettazione del supporto sotterraneo, criterio di Hoek-Brown