Geomechanical Stability Assessment of Underground Chalk Heritage Galleries Based on TLS-Derived 3D Geometry and Numerical Modelling
Este estudo avalia a estabilidade geomecânica das históricas galerias subterrâneas de giz sob a praça do mercado de Chełm, integrando a geometria 3D derivada de varredura a laser terrestre com modelagem numérica e parâmetros de materiais testados em laboratório para identificar zonas de baixa estabilidade e seções de alta tensão.
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Sob a superfície de muitas cidades históricas, encontram-se redes de túneis e câmaras, escavadas há muito tempo em rocha porosa e macia para a extração de materiais de construção. Esses espaços subterrâneos não são meros vazios; são estruturas geológicas complexas onde a estabilidade do solo depende de um equilíbrio delicado entre o peso da terra acima, a resistência da própria rocha e a geometria das aberturas. Em locais como Chełm, na Polônia, onde túneis de giz secular correm diretamente sob uma movimentada praça de mercado, esse equilíbrio é crítico. A rocha, conhecida como giz de escrita, é naturalmente forte quando seca, mas torna-se frágil e propensa a esfarelar quando absorve água. Com o tempo, a meteorização e a humidade podem enfraquecer a rocha, fazendo com que blocos se desprendam do teto ou das paredes e, em casos extremos, levando ao colapso do solo acima. Compreender como estas estruturas antigas se mantêm unidas exige mais do que apenas olhá-las; exige uma forma de ver as forças invisíveis de tensão e deformação que atuam sobre elas todos os dias.
Para abordar a segurança destes espaços históricos, uma equipa de investigadores recorreu a uma abordagem moderna que combina a varredura de alta precisão com a simulação computacional avançada. Focaram-se numa secção específica dos Túneis de Giz de Chełm, um monumento único da história mineira polaca que foi intensamente desenvolvido nos séculos XVI e XVII antes de ser abandonado devido a preocupações de segurança. Os investigadores começaram por mapear as galerias subterrâneas com extremo detalhe utilizando o escaneamento laser terrestre, uma técnica que lança feixes de laser contra superfícies para criar uma cópia digital tridimensional precisa dos túneis. Este processo capturou as formas irregulares, as passagens estreitas e as texturas rugosas das paredes de giz, que são demasiado complexas para as ferramentas de medição tradicionais registarem com precisidade. Este modelo digital serviu de base para uma reconstrução virtual do mundo subterrâneo, permitindo aos cientistas estudar os túneis sem perturbar o ambiente frágil.
Com a geometria dos túneis travada num modelo computacional, a equipa precisava de compreender as propriedades físicas da própria rocha. Recolheram amostras de giz do local e testaram-nas num laboratório para ver como o material se comportava sob pressão, tanto no seu estado húmido natural como quando seco. Os testes revelaram uma diferença marcante: o giz era significativamente mais forte quando seco, mas a sua capacidade de suportar peso diminuía consideravelmente quando a humidade estava presente. Esta descoberta foi crucial porque os túneis são conhecidos por serem húmidos, com condensação frequentemente visível nas paredes. Os investigadores utilizaram estes resultados laboratoriais para programar o modelo computacional, garantindo que a rocha virtual se comportasse exatamente como a rocha real faria sob condições semelhantes. Em seguida, simularam o peso dos edifícios e o tráfego na praça do mercado acima, bem como a pressão natural da terra circundante, para ver como as câmaras subterrâneas respondiam.
As simulações mostraram que, sob as condições atuais, as câmaras selecionadas permanecem globalmente estáveis. O computador calculou uma margem de segurança que excedia o limiar mínimo necessário para evitar um colapso em grande escala, sugerindo que os túneis não estão em perigo imediato de falharem inteiramente. No entanto, a análise também destacou áreas específicas onde a rocha está sob tensão significativa. Os mapas do computador revelaram que, embora a estrutura geral se mantenha, existem zonas localizadas, particularmente ao longo das paredes laterais e nos tetos de algumas câmaras, onde a rocha está a ser levada ao seu limite. Estas áreas correspondem às camadas finas de giz que foram observadas a desprender-se das paredes nos túneis reais. O estudo descobriu que a distribuição desta tensão muda dependendo da pressão lateral; quando a pressão horizontal aumenta, a carga desloca-se das paredes para o teto e para o chão, alterando quais as partes do túnel que estão mais em risco.
Uma das descobertas mais importantes foi que os túneis parecem ter sido naturalmente moldados ao longo do tempo para maximizar a sua estabilidade. As câmaras apresentam frequentemente uma forma elíptica com uma orientação vertical, o que é uma forma eficiente para resistir à pressão descendente da terra. Os investigadores notaram que os mineiros provavelmente ajustavam a forma dos túneis enquanto trabalhavam, escavando os pontos fracos e deixando para trás uma estrutura capaz de se sustentar. Apesar desta estabilidade inerente, o estudo enfatiza que a segurança atual não é uma garantia para o futuro. As simulações não levaram em conta os efeitos lentos e de longo prazo da meteorização ou o enfraquecimento gradual da rocha à medida que absorve mais água ao longo de décadas. Embora os túneis estejam seguros hoje, o processo contínuo de degradação induzida pela humidade significa que os pontos fracos identificados no modelo computacional poderão eventualmente crescer, levando a colapsos locais ou danos na superfície acima.
O valor desta investigação reside na sua capacidade de identificar exatamente onde estão os riscos, em vez de oferecer apenas uma avaliação geral de segurança. Ao combinar a geometria 3D precisa dos escaneamentos laser com o comportamento real do giz, os investigadores criaram uma ferramenta que pode orientar futuros esforços de monitorização e reforço. Identificaram que as partes mais profundas dos túneis são particularmente sensíveis às mudanças no campo de tensão, e que a presença de água é o fator mais importante que ameaça a resistência da rocha. Esta abordagem permite que os engenheiros foquem a sua atenção nas secções específicas dos túneis que necessitam de suporte, em vez de tratarem toda a rede como um problema uniforme. Para as históricas galerias de giz de Chełm, isto significa que o caminho a seguir envolve a observação cuidadosa das zonas húmidas e o reforço direcionado das áreas onde a rocha já mostra sinais de tensão, garantindo que estes monumentos subterrâneos possam ser preservados para as gerações futuras sem colocar em risco a segurança da cidade acima.
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