تحليل تأثير حفْر نفق جديد على استقرار الأنفاق المجاورة القائمة

لماذا تحتاج المدن المكتظة إلى أنفاق أكثر أمانًا

مع إضافة خطوط مترو جديدة في المدن الكبرى، باتت الأنفاق الجديدة تضطر بشكل متزايد إلى الالتفاف حول أنفاق قائمة بالفعل. قد يؤدي حفر نفق جديد قريب جدًا من نفق قائم إلى دفع هذا النفق القديم أو لفّه أو تشققه، مع آثار واضحة على السلامة واستمرارية الخدمة. تبحث هذه الدراسة في مقدار التشوّه الذي يمكن أن يتعرض له نفق متشغّل عند حفْر نفق جديد في الجوار، وتقدّم معادلات بسيطة يمكن للمهندسين استخدامها لمنع تعرّض ركاب اليوم للخطر أثناء أعمال البناء المستقبلية.

كيف يزعج النفق الجديد التربة المحيطة

تقوم ماكينات حفر الأنفاق بتنقية التربة والصخور واستبدالها بأنبوب مبطّن بالخرسانة. هذا الإجراء يخفف ويحرّك التربة المحيطة بشكل طفيف. بدوره، يدفع التربة بشكل مختلف على أي منشأة مدفونة مسبقًا، مثل نفق قديم. يستعرض المؤلفون أولاً كيفية تقدير وزن التربة فوق النفق في العادة. تفترض الطرق الكلاسيكية قوسًا ناعماً من الأرض يحمل الأحمال حول الفتحة، لكنها تتجاهل مقدار التربة المفقودة أو المزاحة أثناء الحفر. يكرّس الفريق هذه الفكرة لمعالجة التربة الطينية الرخوة (اللويس) وغيرها من الترب الشائعة في شيان، الصين، حيث تُخطط العديد من خطوط المترو الجديدة.

تحديث طريقة تقدير ضغط التربة

تعامل الحسابات التقليدية، التي تعود إلى أعمال كارل تيرزاغي في ثلاثينيات القرن الماضي، قوس التربة فوق النفق على أنه مكتمل تمامًا وتستخدم عاملًا ثابتًا لتحويل الوزن الرأسي إلى ضغط جانبي على البطانة. أظهرت بحوث لاحقة أن هذا يتجاهل تفصيلاً مهمًا: عندما يتقدّم وجه النفق، يهبط جزء من التربة أو يتحرّك، مما يضعف القوس. يتبنّى المؤلفون نهج "القوس الترابي غير المكتمل" الأحدث الذي يتضمن صراحةً نسبة فقدان التربة—كمية الهبوط أو التمزق عند السطح أو التاج أثناء الحفر. يُظهرون أن المستويات الواقعية لفقدان التربة في اللويس تقود عادةً إلى تقديرات ضغط أضعف، وأكثر واقعية، على النفق مقارنة بالمعادلات القديمة، خاصة عندما لا يكون فقدان التربة ضئيلاً.

تجارب افتراضية مع أنفاق مزدوجة

لمعرفة كيف يؤثر نفق جديد على نفق قائم قريب، بنى الباحثون نماذج حاسوبية ثلاثية الأبعاد مفصّلة باستخدام تربة وأبعاد أنفاق مترو نموذجية في شيان. غيّروا ثلاثة عناصر: أقطار الأنفاق، والمسافة بينهما، ووضعها النسبي—بجانب بعضهما، بإزاحة قطرية، أو واحد فوق الآخر مباشرة. في كل حالة، حاكى الفريق عملية الحفر حلقة بحلقة وتعقّب كيفية تحرّك ثمانية نقاط رئيسية حول مقطع النفق القائم. تُظهر النماذج أنه كلما اقتربت الأنفاق من بعضها، وكلما كبر النفق القائم، زاد تشوّهه. كما تكشف أن الأنفاق القائمة لا تنزح ببساطة؛ بل تميل إلى الالتواء، حيث يتحرك جانب أكثر من الآخر.

كيف تتحرك الأنفاق وتدور وتهبط

عندما يسير النفق الجديد موازياً تقريبًا وعلى عمق مماثل، يدفع النفق القديم في الغالب جانبياً نحو موقع الحفر، مع هبوط رأسي طفيف فقط. في هذه الحالة، يهيمن الإزاحة الأفقية، وتكون زاوية الالتواء (الدوران) للنفق القديم أكثر وضوحًا عندما تكون المسافة الصافية حوالي خمسة أمتار فقط. مع اتساع الفراغ إلى نحو 20 مترًا، يمكن أن ينخفض أقصى انزياح جانبي بأكثر من ثلثي قيمته، ويصبح الالتواء ضئيلاً. عندما يكون النفق الجديد مائلاً أو تحته مباشرةً، يتغيّر الأمر: يتحرك النفق القائم ويهبط معًا. قد تصل الحركات الرأسية إلى نحو سنتيمترين عندما تكون الأنفاق قريبة وكبيرة، ثم تقل تدريجيًا مع ازدياد المسافة. في جميع الترتيبات، تنمو زاوية الدوران مع قطر النفق لكنها تتناقص كلما بُعدت الأنفاق عن بعضها، وفق منحنيات رياضية ناعمة.

معادلات بسيطة يمكن للمهندسين استخدامها فعلاً

من هذه المحاكيات، استخلص المؤلفون معادلات تنبؤية تربط أقصى حركات جانبية وسفلية لنفق قائم بكمّيتين سهلتي القياس: نصف قطره والمسافة بينه وبين النفق الجديد. تتبع العلاقات في الغالب اتجاهات لوغاريتمية مع الفراغ، ممّا يعني أن تقريب الأنفاق إلى مسافات صغيرة يزيد التشوّهات بشكل حاد، بينما يؤدي إضافة مسافة إضافية فوق نحو 15–20 مترًا إلى عوائد تقلّ تدريجيًا. كما توضّح الدراسة أنه بالنسبة للأنفاق المتجاورة جانبًا، إن ضبط الحركات الأفقية ضمن حدود الكود يضمن تلقائيًا أن تكون الحركات الرأسية آمنة أيضًا.

ما الذي يعنيه هذا لبناء مترو المستقبلي

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية واضحة: عند إضافة نفق مترو جديد بالقرب من نفق قائم، سيتحرك النفق القديم—ولكن بمقدار يمكن التنبؤ به إذا كانت المسافات والأحجام وظروف التربة مفهومة. من خلال تحسين طريقة تقدير ضغوط التربة في اللويس وتقديم معادلات مختصرة لالتواء وإزاحة الأنفاق، يوفر هذا العمل أدوات عملية للمصممين لاتخاذ قرار بشأن مدى قرب الأنفاق، ومتى يلزم تعزيز إضافي، وكيفية تخطيط المحاذاة لحماية الأنفاق التي تعتمد عليها المدن بالفعل.

الاستشهاد: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

الكلمات المفتاحية: أنفاق المترو, حفْر الأنفاق, تشوّه التربة, تداخل الأنفاق, الفضاء الحضري تحت الأرض