Ricerca sui meccanismi di deformazione nelle gallerie di scavo profondo e sull’applicazione del sostegno di tipo unità su fondazione a pali

Mantenere sicure le gallerie sotterranee

Le gallerie profonde sono le arterie delle moderne miniere di carbone, trasportando aria fresca, lavoratori e pesante attrezzatura. Ma a grandi profondità la roccia circostante può lentamente comprimersi, creparsi e far rigonfiare il piano della galleria, minacciando sia la sicurezza sia la produttività. Questo studio analizza da vicino una galleria di trasporto deformata in una miniera della Mongolia Interna e testa un nuovo modo di contenere la roccia usando una combinazione di pali nel piano e sostegni modulari, che operano insieme ai tradizionali bulloni e cavi per la roccia.

Quando il terreno inizia a muoversi

La galleria esaminata in questo lavoro si trova a circa 420 metri sotto la superficie, in un potente e per lo più stabile strato di carbone. Anche così, il piano si era incrinato e sollevato in modo irregolare, la volta si era abbassata e i fianchi—le pareti laterali della galleria—si erano rigonfiati. Il problema più grave era il rigonfiamento del piano sul lato del carbone compatto, che deformava la carreggiata e metteva in pericolo i veicoli in transito. Anche il lato del pilastro di carbone mostrava danni, mentre la volta e la parete di carbone compatto erano relativamente meno interessate. Questi schemi suggerivano che l’equilibrio originale delle forze nella roccia profonda era stato alterato dallo scavo.

Come le sollecitazioni sotterranee danneggiano una galleria

Per capire perché la galleria si deformava, i ricercatori hanno combinato campionamenti sul campo, prove di laboratorio su carotaggi rocciosi e misure di sollecitazione in sito. Hanno riscontrato che le tensioni orizzontali naturali nella roccia erano più forti delle sollecitazioni verticali dovute al peso sovrastante. Sulla base di queste misure hanno costruito un modello numerico tridimensionale della roccia attorno alla galleria. Le simulazioni hanno mostrato che lo scavo della galleria ridistribuisce le tensioni, creando zone di compressione molto elevata e aree di trazione intorno all’apertura e in profondità nella massa rocciosa. Il risultato è una zona ad anello di roccia intorno alla galleria spinta oltre il limite elastico, dove inizia a deformarsi permanentemente e a fessurarsi.

Perché il piano si solleva in modo asimmetrico

Il team ha poi usato un modello meccanico semplificato del piano della galleria, trattandolo come una trave appoggiata su zone più tenere alle estremità. Hanno dimostrato che l’entità e la posizione del rigonfiamento dipendono fortemente da due fattori: quanto sono ampie le zone ammorbidite “plastiche” ai lati del piano e quanto le tensioni sono concentrate in quelle zone. Quando entrambi i lati sono simili, il piano rigonfia maggiormente al centro. Ma se un lato presenta una zona indebolita più ampia o una maggiore concentrazione di tensione, il movimento verso l’alto più pronunciato si sposta verso quel lato e aumenta di ampiezza. Nel loro caso, il lato in carbone compatto aveva l’effetto dominante, spiegando il marcato rigonfiamento asimmetrico osservato in miniera.

Un nuovo modo per sostenere la roccia

Poiché i soli bulloni e cavi convenzionali non riuscivano a controllare la deformazione, i ricercatori hanno proposto un nuovo concetto di sostegno: il sostegno di tipo unità su fondazione a pali. Pali in acciaio vengono trivellati nel piano della galleria e sormontati da una piastra che supporta unità idrauliche modulari. Questi sostegni lavorano insieme ai bulloni e ai cavi esistenti nella volta e nelle pareti. I pali migliorano le condizioni di sollecitazione nel piano, interrompono il flusso plastico della roccia indebolita sotto la galleria e forniscono una base livellata e stabile in modo che i sostegni possano operare verticalmente ed efficacemente. Allo stesso tempo, i sostegni condividono e distribuiscono il carico, riducendo l’accumulo di tensione lungo i fianchi della galleria.

Trasformare uno squeeze pericoloso in terreno stabile

Le simulazioni numeriche del sistema di sostegno combinato hanno mostrato miglioramenti drastici. I movimenti di volta e piano sono diminuiti di oltre l’80-90 percento, e gli spostamenti dei fianchi sono stati ridotti di circa tre quarti o più. L’anello una volta continuo di roccia fortemente danneggiata intorno alla galleria si è frammentato in zone più piccole e isolate, specialmente nel piano dove la deformazione plastica è stata interrotta dalle file di pali e ridotta fino a circa l’80 percento. In termini semplici, il nuovo schema di sostegno trasforma una galleria fortemente compressa e instabile in una dove i movimenti della roccia sono ridotti alla scala dei centimetri e le sollecitazioni sono portate in sicurezza da pali e sostegni. Per le attività minerarie in profondità, questo approccio offre un modo promettente per mantenere aperte, stabili e sicure le gallerie di trasporto critiche.

Citazione: 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

Parole chiave: deformazione delle gallerie, rigonfiamento del piano di calpestio, miniera sotterranea, sostegno della roccia, fondazione su pali