بحث في خصائص تشوّه الصخور المحيطة وتدابير تحسين الدعم لعبور نفق بواسطة آلة حفر الأنفاق عبر مناطق كسر الفوالق

لماذا قد تتصرف الأنفاق عبر الجبال بشكل مفاجئ

تمر الآن أنفاق الطرق السريعة والسكك الحديدية الطويلة عبر بعض أعلى وأقسى الجبال في العالم. عادة ما تُنحت هذه الممرات بواسطة آلات حفر أنفاق عملاقة (TBM) التي تحفر بثبات عبر الصخر الصلب. لكن عندما تواجه الـ TBM منطقة فالق مخفية — صخور تحطمت وضعفت بفعل زلازل قديمة — قد يتشوّه النفق أو ينهار أو حتى يحاصر الآلة. تفحص هذه الدراسة مثل هذا اللقاء عالي المخاطر في نفق جبلي صيني وتظهر كيف يمكن لنظام دعم مصمم بعناية أن يقلل تلك المخاطر بصورة كبيرة.

قِطعَة إشكالية في نفق عميق جبلي

تركز الأبحاث على نفق داليانغشان رقم 1 في مقاطعة سيتشوان، الذي يمتد أكثر من 10 كيلومترات تحت وديان حادة الشكل على شكل حرف V. يمر معظم المسار عبر صخور قوية نسبياً، لكن مقطعاً واحداً يعبر منطقة كسر الفالق F1، حيث انشقت البازلت والتُفّ إلى شظايا مهتزة وضعيفة بفعل التعرض للطقس. في هذه المنطقة، تتساقط كتل من سقف وجدران الصخر، تتكوّن تجاويف كبيرة، يتسرّب الماء، وتضعف نقاط الاتصال التي تستند إليها الـ TBM. أثناء الحفر المبكر أدت هذه الظروف إلى انهيارات صخرية كبيرة، تشوّه الدعامات الفولاذية، تقارب جدران النفق، وحتى حالة احتباس للـ TBM بعد توقف.

قياس حركة الأرض

لفهم ما كان يحدث وكيفية السيطرة عليه، جمعت الفريق بين ثلاث مقاربات. في المختبر، اختبروا عينات مسحوقية من قلب النواة المأخوذة من منطقة الفالق لتحديد مدى ضعف الصخر المتحول فعلاً. على الحاسوب، استخدموا برنامج العناصر المنتهية ABAQUS لمحاكاة تقدم الـ TBM عبر نفق بعرض 8 أمتار يتقاطع مع شريط فالق بعرض 40 متراً مائل بزاوية 40 درجة. وميدانياً، قاموا بتركيب أدوات على عدة مقاطع عرضية لمراقبة كيفية تحرك سقف النفق (القبو) وجدرانه وسطح الأرض أثناء تقدم الحفر. سمح هذا المزيج من الفحوص والنمذجة والقياس في الموقع بربط ما لوحظ تحت الأرض بإعادة توزيع الإجهادات غير المرئية في الجبال المحيطة.

ما الذي يحدث عندما تلتقي الآلة بالفالق

أظهرت المحاكيات والقياسات نمطاً واضحاً: كان التشوه «أكبر في الوسط وأصغر عند الطرفين» لمنطقة الفالق. عندما دخلت الـ TBM إلى نواة F1 الأضعف، انحنى سقف النفق بشكل كبير — حتى 92 مليمتر — بينما هبط سطح الأرض أعلاه بما يصل إلى 42 مليمتر. بدأ السقوط في السقف قبل نحو 10 أمتار من وصول الآلة إلى مقطع مُرصَد، واستمر في التحرك حتى نحو 10 أمتار بعدها. استجابت الجدران الجانبية متأخّرة وبشكل أضعف، مع حركات قصوى حول 15 مليمتر. بعيداً عن الفالق، حيث كانت الصخور أكثر تماسكاً، انخفضت زيادات الهبوط إلى أقل من 5 مليمترات وأصبح سلوك النفق أكثر استقراراً. مع ذلك، وبدون تدخل، كانت الإزاحات الكبيرة في نواة الفالق تهدد سلامة العمال وقدرة الـ TBM على الاستمرار في التقدم.

بناء غلاف أقوى حول النفق

مستفيدين من هذه النتائج والخبرة من مشاريع أخرى، صمّم المهندسون نظام دعم مُقوّى مصمَّم خصيصاً للأرض المفلكة. بدلاً من الاعتماد فقط على أقواس فولاذية وخرسانة مرشوشة أساسية، أضافوا صفّاً كثيفاً من شرائط تقوية فولاذية جديدة حول كثير من محيط النفق، ورقّوا الخلطة المرشوشة إلى خلطات ذات مقاومة أعلى، واستخدموا قوالب وحجر حقن لإنشاء قاعدة تحميل صلبة حيث تضغط أحذية القابض الخاصة بالـ TBM على الجدران. في المناطق الفضفاضة جداً أو المهددة بالانهيار، ركبوا مسامير صخرية ذاتية الحفر ومرابط من ألياف زجاجية وملأوا التجاويف وفراغات الكارست بالخرسانة. تنبأت النماذج العددية التي دمجت هذه التدابير بتحركات أصغر بكثير، وأكدت المراقبة الميدانية التحسّن.

مدى تحسّن أمان النفق

بعد التقوية، انخفض هبوط السقف الأقصى في جميع المقاطع المرصودة إلى نحو 17 مليمتر، وهبط السطح إلى نحو 7 مليمتر — انخفاض بنحو 80 بالمئة مقارنة بالحالة غير المقوّاة. تحرّكت جدران النفق وقدم القوس بضعة مليمترات فقط، وأصبح نمط التشوه العام أكثر سلاسة وقابلية للتنبؤ. تقلصت تقشّر الصخور وتجاويف الانهيار بشكل ملحوظ، تحسّنت قدرة التحمل لأحذية الـ TBM، وتمكنت الآلة من التقدم باستمرار دون احتباس متجدد. عملياً، حول الدعم المحسّن مقطع نفق شديد عدم الاستقرار إلى مشكلة هندسية يمكن إدارتها.

ما يعنيه هذا للأنفاق المستقبلية

للغير متخصصين، الرسالة الأساسية هي أن «الأرض السيئة» في مناطق الفوالق لا يجب أن تعرقل مشاريع الأنفاق العميقة. بقياس سلوك الصخر أولاً، ثم بمحاكاة تفاعل النفق والجبال، وأخيراً بتخصيص التعزيز وفق تلك الظروف، يمكن للمهندسين تقييد مقدار تشوه النفق بشكل كبير — حتى في صخور مطحونة ومتعرضة للعوامل على عمق كيلومتر تحت السطح. يوفر النهج المستخدم في نفق داليانغشان رقم 1 خارطة طريق للأنفاق الجبلية الأخرى التي يجب أن تعبر تراكيب مماثلة من الصخور المتجوية والفوالق القديمة أو النشطة، مما يحسّن السلامة ويقلل خطر توقف الـ TBM باهظ التكلفة.

الاستشهاد: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

الكلمات المفتاحية: آلة حفر الأنفاق, منطقة كسر الفوالق, دعم الأنفاق, هبوط الأرض, الأنفاق الجبلية