تحليل القوة لأنفاق الكابلات بأعماق تضمين مختلفة باستخدام طريقة العنصر المحدود

كيف تحافظ الأنفاق المدفونة على استمرار الكهرباء

تعتمد المدن الحديثة على طرق طاقة مخفية: أنفاق طويلة تحت الأرض محشوة بكابلات عالية الجهد. تعمل هذه الممرات على تحرير المساحة في الشوارع المزدحمة وتحمي البنى التحتية الحيوية—لكن بنائها بأمان دون إسراف في التكاليف يمثل توازناً دقيقاً. تبحث هذه الدراسة في كيفية تأثير عمق وشكل هذه الأنفاق على قوتها واستقرارها على المدى الطويل، مما يساعد المهندسين على تحديد متى تكفي البنية المربعة البسيطة ومتى يكون التصميم المقوس الأغلى ثمناً مبرراً.

خط طاقة مخفي تحت المدينة

تركز الدراسة على نفق كابلات طوله 15.6 كيلومتر مصمم لحمل خطوط طاقة بجهد 110 ك.ف و10 ك.ف التي تزود المنازل والشركات. على امتداده، يعبر النفق أربعة ظروف أرضية مختلفة جداً: صخر سطحي (ZK1)، تربة سطحية (ZK2)، صخر عميق مع مياه جوفية (ZK3)، وتربة عميقة مع مياه جوفية (ZK4). لكل منطقة وزنها وقوتها ومحتواها المائي الخاص، وكلها تؤثر على كيفية ضغط التربة المحيطة على بطانة النفق. قد يؤدي تفسير هذه القوى بشكل خاطئ إلى تشققات أو تسريبات أو إصلاحات مكلفة؛ ومن ناحية أخرى، فإن التحفظ المفرط يضيع المواد والمال.

شكلان بسيطان، سلوك مختلف تماماً

قارن المهندسون بين شكلين للمقطع العرضي لبطانة النفق. أحدهما مستطيل مباشر—أساساً صندوق خرساني. والآخر قوس ثلاثي المراكز، الذي يشبه قبة مستديرة قائمة على جدران رأسية قصيرة. تشتهر الأشكال القوسية بقدرتها على حمل قوى الانضغاط—قوى «الضغط» من التربة المحيطة—بكفاءة أكبر، لكنها أصعب في البناء وعموماً أغلى. كان السؤال الرئيسي للدراسة: في كل نوع من التربة وعند كل عمق، أي شكل يوفر السلامة الكافية بأقل تكلفة إجمالية؟

اختبار قوة النفق في مختبر افتراضي

بدلاً من الاعتماد فقط على قواعد عامة تقريبية، أنشأ المؤلفون نموذجاً حاسوبياً ثلاثي الأبعاد مفصلاً للنفق والتربة والصخر المحيطين. استخدموا نهجاً قياسياً في الهندسة المدنية يسمى طريقة العنصر المحدود، التي تقسم النفق وبيئته إلى كثير من العناصر الصغيرة وتحسب كيف يتشوه كل عنصر ويحمل الحمل. مثلت التربة نفسها باستخدام نظرية مقبولة على نطاق واسع حول كيف يفشل التربة والصخر تحت الضغوط، مما أتاح للنموذج تقدير كل من الإجهادات (مدى قوة دفع المادة أو سحبها) والحركات (مدى تحركها). فحص الفريق ثلاث حالات سطحية نموذجية فوق النفق: منطقة خضراء بدون حركة مرور، ممر خفيف غير آلي، وطريق أثقل بأربعة إلى ستة مسارات للمركبات—وهو الحالة الأكثر تطلباً.

من أين قد تبدأ الشقوق وكيفية تجنبها

لكل منطقة أرضية وشكل نفق، نظر الباحثون في نقاط رئيسية حول البطانة، خصوصاً الزوايا و«أقدام» القوس حيث تتجمع الإجهادات عادة. في جميع الحالات، ظلت قوى الانضغاط الإجمالية في الخرسانة أدنى بكثير من القوة المسموح بها، مما يعني أن أي شكل لم يكن مهدداً بالسحق. وكان الفارق الحاسم في الشد—قوة السحب التي تتعامل معها الخرسانة بصعوبة والتي يمكن أن تؤدي إلى التشقق. في الظروف السطحية (ZK1 وZK2)، بقي كلا الشكلين آمناً، واتضح أن النفق المستطيل الأبسط أكثر اقتصادية لأنه أسهل في البناء. في الظروف الأعمق والأكثر رطوبة (ZK3 وZK4)، على النقيض من ذلك، أحدث الشكل الصندوقي شداً ملحوظاً في أجزاء من البطانة، بينما حول التصميم المقوس تلك القوى الشدية إلى انضغاط ألطف. للحفاظ على سلامة نفق مستطيل عند تلك الأعماق، سيتعين على المهندسين إضافة حديد تسليح أكثر، مما يزيد من التكلفة والتعقيد.

خيارات التصميم التي توازن بين السلامة والتكلفة

من خلال الجمع بين بيانات أرضية واقعية ومحاكيات حاسوبية مفصلة، تظهر الدراسة أنه لا يوجد شكل نفق واحد يناسب الكل. لأقسام النفق الضحلة، يحمل الصندوق المستطيل الأحمال بأمان وبسعر أقل. لأقسام أعمق تحت ضغط أرضي أعلى ومياه جوفية، يكون النفق المقوس الخيار الأذكى لأنه يقلل طبيعياً من خطر التشققات في بطانة الخرسانة. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة واضحة: فهم كيفية ضغط الأرض على المنشآت المدفونة يمكّن المهندسين من تكييف أشكال الأنفاق مع الظروف المحلية، مما يوفر كهرباء موثوقة تحت أقدامنا دون نفقات غير ضرورية.

الاستشهاد: Li, C., Yan, M. Strength analysis of cable tunnels with different embedding depths by using finite element method. Sci Rep 16, 5578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35672-6

الكلمات المفتاحية: تصميم أنفاق الكابلات, خطوط الطاقة تحت الأرض, شكل النفق, نمذجة بالعناصر المحدودة, البنية التحتية الحضرية