Geomechanical Stability Assessment of Underground Chalk Heritage Galleries Based on TLS-Derived 3D Geometry and Numerical Modelling

Unter der Oberfläche vieler historischer Städte liegen Netzwerke aus Tunneln und Kammern, die vor langer Zeit aus weichem, porösem Gestein zum Abbau von Baumaterial ausgehoben wurden. Diese unterirdischen Räume sind nicht bloß leere Hohlräume; sie sind komplexe geologische Strukturen, bei denen die Stabilität des Bodens von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen dem Gewicht der darüber liegenden Erde, der Festigkeit des Gesteins selbst und der Geometrie der Öffnungen abhängt. An Orten wie Chełm in Polen, wo jahrhundertealte Kreidegänge direkt unter einem belebten Marktplatz verlaufen, ist dieses Gleichgewicht entscheidend. Das Gestein, bekannt als Schreibkreide, ist im trockenen Zustand von Natur aus fest, wird jedoch brüchig und anfällig für Zerbröseln, wenn es Wasser absorbiert. Im Laufe der Zeit können Verwitterung und Feuchtigkeit das Gestein schwächen, was dazu führt, dass sich Blöcke von der Decke oder den Wänden lösen und in extremen Fällen zu einem Einsturz des darüber liegenden Bodens führen können. Das Verständnis darüber, wie diese antiken Strukturen zusammenhalten, erfordert mehr als nur einen Blick auf sie; es verlangt nach einer Möglichkeit, die unsichtbaren Kräfte von Spannung und Druck zu sehen, die täglich auf sie einwirken.

Um die Sicherheit dieser historischen Räume zu gewährleisten, wandte sich ein Forscherteam einer modernen Methode zu, die hochpräzise Scans mit fortschrittlicher Computersimulation kombiniert. Sie konzentrierten sich auf einen spezifischen Abschnitt der Kreidetunnel von Chełm, ein einzigartiges Denkmal der polnischen Bergbaugeschichte, das im sechzehnten und siebzehnten Jahrhundert intensiv genutzt wurde, bevor es aus Sicherheitsgründen aufgegeben wurde. Die Forscher begannen damit, die unterirdischen Galerien mittels terrestrischem Laserscanning in extremer Detailgenauigkeit abzubilden – eine Technik, bei der Laserstrahlen von Oberflächen abprallen, um eine präzise dreidimensionale digitale Kopie der Tunnel zu erstellen. Dieser Prozess erfasste die unregelmäßigen Formen, engen Passagen und rauen Texturen der Kreidewände, die für herkömmliche Messwerkzeuge zu komplex sind, um sie genau zu erfassen. Dieses digitale Modell diente als Grundlage für eine virtuelle Rekonstruktion der unterirdischen Welt, die es den Wissenschaftlern ermöglichte, die Tunnel zu untersuchen, ohne die empfindliche Umgebung zu stören.

Nachdem die Geometrie der Tunnel in einem Computermodell fixiert war, musste das Team die physikalischen Eigenschaften des Gesteins selbst verstehen. Sie sammelten Gesteinsproben der Kreide vor Ort und testeten sie im Labor, um zu sehen, wie sich das Material unter Druck verhält, sowohl in seinem natürlichen feuchten Zustand als auch im getrockneten Zustand. Die Tests zeigten einen drastischen Unterschied: Die Kreide war im trockenen Zustand deutlich stärker, aber ihre Tragfähigkeit sank erheblich, wenn Feuchtigkeit vorhanden war. Dieser Befund war entscheidend, da die Tunnel bekanntlich feucht sind und oft Kondensation an den Wänden sichtbar ist. Die Forscher nutzten diese Laborergebnisse, um das Computermodell zu programmieren, wodurch sichergestellt wurde, dass sich die virtuelle Kreide exakt so verhält wie die reale Kreide unter ähnlichen Bedingungen. Sie simulierten anschließend das Gewicht der Gebäude und des Verkehrs auf dem darüber liegenden Marktplatz sowie den natürlichen Druck der umgebenden Erde, um zu sehen, wie die unterirdischen Kammern reagieren.

Die Simulationen zeigten, dass die ausgewählten Kammern unter den aktuellen Bedingungen global stabil bleiben. Der Computer berechnete eine Sicherheitsmarge, die den erforderlichen Mindestschwellenwert zur Vermeidung eines großflächigen Einsturzes überstieg, was darauf hindeutet, dass die Tunnel nicht unmittelbar Gefahr laufen, vollständig zu versagen. Die Analyse hob jedoch auch spezifische Bereiche hervor, in denen das Gestein unter erheblicher Spannung steht. Die Karten des Computers zeigten, dass zwar die Gesamtstruktur hält, es aber lokalisierte Zonen gibt – insbesondere entlang der Seitenwände und in den Dächern einiger Kammern –, in denen das Gestein an seine Grenzen getrieben wird. Diese Bereiche entsprechen den dünnen Kreideschichten, die beobachtet wurden, wie sie sich von den Wänden ablösen. Die Studie fand heraus, dass sich die Verteilung dieser Spannung je nach seitlichem Druck verändert: Wenn der horizontale Druck zunimmt, verschiebt sich die Last von den Wänden auf die Decke und den Boden, was die Teile des Tunnels verändert, die am stärksten gefährdet sind.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass die Tunnel im Laufe der Zeit offenbar natürlich so geformt wurden, dass ihre Stabilität maximiert wird. Die Kammern haben oft eine elliptische Form mit einer vertikalen Orientierung, was eine effiziente Form zur Widerstandsfähigkeit gegen den nach unten gerichteten Erddruck darstellt. Die Forscher stellten fest, dass die Bergleute die Form der Tunnel wahrscheinlich während der Arbeit anpassten, indem sie Schwachstellen wegbrachen und so eine Struktur hinterließen, die sich selbst stützen konnte. Trotz dieser inhärenten Stabilität betont die Studie, dass die aktuelle Sicherheit keine Garantie für die Zukunft ist. Die Simulationen berücksichtigten nicht die langsamen, langfristigen Auswirkungen der Verwitterung oder die allmähliche Schwächung des Gesteins, wenn es über Jahrzehnte hinweg mehr Wasser absorbiert. Während die Tunnel heute sicher sind, bedeutet der kontinuierliche Prozess der feuchtigkeitsbedingten Degradation, dass die im Computermodell identifizierten Schwachstellen schließlich wachsen könnten, was zu lokalen Einstürzen oder Schäden an der Oberfläche führen kann.

Der Wert dieser Forschung liegt in ihrer Fähigkeit, genau zu bestimmen, wo die Risiken liegen, anstatt nur eine allgemeine Sicherheitsbewertung abzugeben. Durch die Kombination der präzisen 3D-Geometrie der Laserscans mit dem realen Verhalten der Kreide schufen die Forscher ein Werkzeug, das künftige Überwachungs- und Verstärkungsmaßnahmen leiten kann. Sie identifizierten, dass die tiefsten Teile der Tunnel besonders empfindlich auf Änderungen im Spannungsfeld reagieren und dass das Vorhandensein von Wasser der wichtigste Faktor ist, der die Festigkeit des Gesteins bedroht. Dieser Ansatz ermöglicht es Ingenieuren, ihr Augenmerk auf die spezifischen Abschnitte der Tunnel zu richten, die Unterstützung benötigen, anstatt das gesamte Netzwerk als ein einheitliches Problem zu behandeln. Für die historischen Kreidegänge von Chełm bedeutet dies, dass der Weg nach vorne in der sorgfältigen Beobachtung der feuchten Zonen und der gezielten Verstärkung der Bereiche besteht, in denen das Gestein bereits Anzeichen von Belastung zeigt, um sicherzustellen, dass diese unterirdischen Denkmäler für zukünftige Generationen erhalten bleiben können, ohne die Sicherheit der Stadt darüber zu gefährden.