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

Onder het oppervlak van veel historische steden liggen netwerken van tunnels en kamers, die lang geleden uit zacht, poreus gesteente zijn uitgehouwen om bouwmaterialen te winnen. Deze ondergrondse ruimtes zijn niet louter lege holtes; het zijn complexe geologische structuren waarbij de stabiliteit van de grond afhangt van een delicaat evenwicht tussen het gewicht van de aarde erboven, de sterkte van het gesteente zelf en de geometrie van de openingen. In plaatsen zoals Chełm, Polen, waar eeuwenoude krijttunnels direct onder een bruisend marktplein lopen, is dit evenwicht cruciaal. Het gesteente, bekend als schrijfkrijt, is van nature sterk wanneer het droog is, maar wordt broos en gevoelig voor afbrokkeling wanneer het water absorbeert. In de loop van de tijd kunnen verwering en vocht het gesteente verzwakken, waardoor blokken van het plafond of de wanden kunnen loslaten, wat in extreme gevallen kan leiden tot de instorting van de grond erboven. Het begrijpen van hoe deze eeuwenoude structuren bij elkaar blijven, vereist meer dan alleen naar ze kijken; het vereist een manier om de onzichtbare krachten van spanning en rek te zien die er dagelijks op inwerken.

Om de veiligheid van deze historische ruimtes aan te pakken, richtte een team van onderzoekers zich op een moderne aanpak die hoogwaardige scanning combineert met geavanceerde computersimulatie. Ze concentreerden zich op een specifiek deel van de krijttunnels van Chełm, een uniek monument van de Poolse mijnbouwgeschiedenis dat uitgebreid werd ontwikkeld in de zestiende en zeventiende eeuw voordat het werd verlaten vanwege veiligheidszorgen. De onderzoekers begonnen de ondergrondse gangen in extreem detail in kaart te brengen met behulp van terrestrische laserscanning, een techniek waarbij laserstralen tegen oppervlakken worden weerkaatst om een nauwkeurige driedimensionale digitale kopie van de tunnels te maken. Dit proces legde de onregelmatige vormen, smalle passages en ruwe texturen van de krijtwanden vast, die te complex zijn voor traditionele meetinstrumenten om nauwkeurig te registreren. Dit digitale model diende als basis voor een virtuele reconstructie van de ondergrondse wereld, waardoor de wetenschappers de tunnels konden bestuderen zonder de kwetsbare omgeving te verstoren.

Met de geometrie van de tunnels vastgelegd in een computermodel, moest het team de fysieke eigenschappen van het gesteente zelf begrijpen. Ze verzamelden monsters van het krijt van de locatie en testten deze in een laboratorium om te zien hoe het materiaal zich gedraagt onder druk, zowel in zijn natuurlijke vochtige staat als wanneer het is uitgedroogd. De tests toonden een scherp verschil aan: het krijt was aanzienlijk sterker wanneer het droog was, maar het vermogen om gewicht te dragen nam aanzienlijk af wanneer vocht aanwezig was. Deze bevinding was cruciaal omdat de tunnels bekend staan als vochtig, waarbij condensatie vaak zichtbaar is op de wanden. De onderzoekers gebruikten deze laboratoriumresultaten om het computermodel te programmeren, zodat het virtuele gesteente zich exact gedraagt zoals het echte gesteente zou doen onder soortgelijke omstandigheden. Vervolgens simuleerden ze het gewicht van de gebouwen en het verkeer op het marktplein erboven, evenals de natuurlijke druk van de omliggende aarde, om te zien hoe de ondergrondse kamers reageerden.

De simulaties toonden aan dat de geselecteerde kamers onder de huidige omstandigheden globaal stabiel blijven. De computer berekende een veiligheidsmarge die de minimale drempel overschreed die nodig is om een grootschalige instorting te voorkomen, wat suggereert dat de tunnels niet in direct gevaar zijn om volledig te bezwijken. De analyse benadrukte echter ook specifieke gebieden waar het gesteente onder aanzienlijke spanning staat. De computermaps onthulden dat hoewel de algehele structuur standhoudt, er lokale zones zijn, met name langs de zijwanden en in de daken van sommige kamers, waar het gesteente tot zijn grenzen wordt gedreven. Deze gebieden komen overeen met de dunne lagen krijt die in de echte tunnels van de wanden zijn zien loslaten. De studie vond dat de verdeling van deze spanning verandert afhankelijk van de druk van opzij; wanneer de horizontale druk toeneemt, verschuift de belasting van de wanden naar het plafond en de vloer, waardoor verandert welke delen van de tunnel het meest risico lopen.

Een van de belangrijkste bevindingen was dat de tunnels schijnbaar door de tijd heen natuurlijk van vorm zijn veranderd om de stabiliteit te maximaliseren. De kamers hebben vaak een elliptische vorm met een verticale oriëntatie, wat toevallig een efficiënte vorm is voor het weerstaan van de neerwaartse druk van de aarde. De onderzoekers merkten op dat de mijnwerkers de vorm van de tunnels waarschijnlijk aanpasten tijdens het werk, waarbij ze zwakke plekken weghaalden en een structuur achterlieten die zichzelf kon ondersteunen. Ondanks deze inherente stabiliteit benadrukt de studie dat de huidige veiligheid geen garantie is voor de toekomst. De simulaties hielden geen rekening met de langzame, langetermijneffecten van verwering of de geleidelijke verzwakking van het gesteente naarmate het over decennia meer water absorbeert. Hoewel de tunnels vandaag de veilig zijn, betekent het voortdurende proces van door vocht veroorzaakte degradatie dat de zwakke plekken die in het computermodel zijn geïdentificeerd, uiteindelijk kunnen groeien, wat kan leiden tot lokale instortingen of schade aan het oppervlak erboven.

De waarde van dit onderzoek ligt in het vermogen om precies aan te geven waar de risico's liggen, in plaats van alleen een algemene beoordeling van de veiligheid te bieden. Door de nauwkeurige 3D-geometrie van de laserscans te combineren met het werkelijke gedrag van het krijt, creëerden de onderzoekers een instrument dat toekomstige monitoring en versterkingsinspanningen kan begeleiden. Ze identificeerden dat de diepste delen van de tunnels bijzonder gevoelig zijn voor veranderingen in het spanningsveld, en dat de aanwezigheid van water de belangrijkste factor is die de sterkte van het gesteente bedreigt. Deze aanpak stelt ingenieurs in staat om hun aandacht te richten op de specifieke secties van de tunnels die ondersteuning nodig hebben, in plaats van het gehele netwerk als een uniform probleem te behandelen. Voor de historische krijtgalerieën van Chełm betekent dit dat de weg vooruit bestaat uit zorgvuldige observatie van de vochtige zones en gerichte versterking van de gebieden waar het gesteente al tekenen van spanning vertoont, om ervoor te zorgen dat deze ondergrondse monumenten voor toekomstige generaties kunnen worden bewaard zonder de veiligheid van de stad erboven in gevaar te brengen.