دراسة تجريبية حول مخاطر فشل محطة مترو قائمة تحت حفر أحادي الجانب على نطاق واسع

لماذا قد يكون الحفر بجوار مترو الأنفاق محفوفًا بالمخاطر

مع إضافة المدن لخطوط مترو جديدة ومراكز تسوق تحت الأرض، غالبًا ما يتعين على البنّائين حفر حفر ضخمة بجوار محطات تعمل بالفعل. للوهلة الأولى تبدو تلك المحطات كحصون أرضية صلبة. لكن عند إزالة التربة من جانب واحد فقط، يتغير توازن الضغوط الخفي في الأرض. تطرح هذه الدراسة سؤالًا عمليًا له نتائج سلامة كبيرة: ما أقصى عرض وعمق يمكن للمهندسين حفرهما على جانب واحد من محطة مترو عاملة قبل أن تميل المحطة أو تتصدع الشوارع المجاورة أو تبدأ المباني في الفشل؟

محطة حقيقية تلهم تجربة مخبرية

تستند الأبحاث إلى محطة جينتشنغ بلازا في تشنغدو، الصين، وهي مركز تحت أرضي مزدحم تلتقي فيه ثلاثة خطوط مترو. خط واحد مبنٍ بالفعل، بينما تتطلب الخطوط الأخرى حفرًا ضخمًا جديدًا بجوار المحطة المكتملة، كاشفًا أحد جدرانها الجانبية الطويلة. لاستكشاف المخاطر قبل الانطلاق في البناء الكامل، بنى الباحثون نموذجًا مصغرًا مفصّلاً للمحطة والصخور الناعمة والتربة المحيطة. وبمقياس 1:100 وضعوا صندوقًا شفافًا من التربة في المختبر، وزرعوا محطة مصغرة من البلاستيك الصلب، ثم "حفروا" جانبًا واحدًا من التربة بخطوات محكمة التحكم.

مراقبة حركة وتشوه محطة صغيرة

تم تجهيز النموذج بأدوات قياس كما في موقع مشروع فعلي. تتبعت مسجلات الإزاحة كيف تحرك سقف المحطة رأسيًا وأفقيًا. قست خلايا الضغط خلف الجدار كيفية تغير دفع التربة، وسجّلت مقاييس الإجهاد على الجدار مقدار تمدد أو انضغاط هيكل المحطة. نفّذ الفريق 28 سيناريو حفر مختلفًا، جمعوا فيها بين أربعة أعماق وسبعة أعرض للحفر الأحادي الجانب، من حفر متواضعة إلى إزالة التربة على طول كامل المحطة. بعد كل خطوة صغيرة من الحفر، انتظروا حتى تستقر التربة ثم سجّلوا التشوهات والضغوط والإجهادات الجديدة.

ماذا يحدث عند الحفر المفرط في جانب واحد

كشفت التجارب أن الهبوط الرأسي لسقف المحطة ظل صغيرًا وضمن حدود الأمان في جميع الحالات المختبرة؛ فلم تغرق المحطة تقريبًا. الخطر الحقيقي جاء من الحركة الجانبية. مع ازدياد عمق وعرض الحفر الأحادي الجانب، مالّت المحطة تدريجيًا نحو الحفرة. عندما تجاوز عمق الحفر نحو ثلثي ارتفاع المحطة، أصبح الميل واضحًا. عند عرض حفر يقارب نصف عرض المحطة وحتى عرضه الكامل، بلغت الحركة الجانبية مستويات إنذار؛ وفي عرض أكبر (100 متر وما فوق في المشروع الحقيقي) تجاوز التشوّه الجانبي حد الأمان المعتمد بالكود، ما يعني أن تشغيل القطارات بشكل عادي لم يعد مضمونا.

التربة تُرْخَى أعلا وتُضْغَط أدنى

تصرفت التربة نفسها بطريقة مكشوفة. أثناء ميلان المحطة، فقدت التربة السطحية خلف الجدار المحفور تلامسها مع الهيكل وأصبحت أكثر رخاوة، فتراجع ضغط التربة هناك بشكل حاد—بنسبة تصل إلى نحو 98 بالمئة في الحالة الأكثر تطرفًا. في المقابل، زاد انضغاط التربة الأعمق قرب قاعدة الجدار، فارتفع الضغط في منطقة متماسكة. يعني هذا المزيج أن الأرض القريبة من السطح لم تعد قادرة على دعم الأرصفة أو أساسات المباني بأمان، ما يزيد خطر انهيار الطرق أو ميلان المباني الشاهقة، رغم أن قشرة الخرسانة للمحطة لاتزال تتمتع بقوة كافية ولا تتشقق.

خريطة تحذير عملية للبنّائين

نظرًا لأن الميل الجانبي تبين أنه المؤشر الأكثر حساسية للمشكلة، استخدم المؤلفون بياناتهم لبناء مخطط تصنيف مخاطر بسيط. يقسم المخطط تراكيب عمق وعرض الحفر إلى أربعة مستويات ملونة: A (بلا مخاطر) حيث يمكن الاستمرار في البناء بشكل طبيعي، B (خطر عام) يتطلب مراقبة أقرب، C (خطر مرتفع) حيث ينبغي إيقاف العمل لتقييم السلامة، وD (خطر جسيم) حيث يلزم اتخاذ إجراءات طارئة فورية. عند تطبيقه على مشروع جينتشنغ بلازا، تنبأت الطريقة بشكل صحيح بوجود منطقة عالية المخاطر C عند حفر مخطط بعمق 22 مترًا وعرض 80 مترًا؛ وبعد إضافة دعم إضافي انخفضت حركة المحطة الفعلية بنحو ثلثيها. بالنسبة لمخططي المدن والمهندسين، تحوّل هذه الدراسة الميكانيكا الأرضية المعقدة إلى أداة عملية وسهلة الاستخدام للحفاظ على سلامة محطات المترو والبنايات المجاورة أثناء الحفريات الطموحة الجديدة.

الاستشهاد: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

الكلمات المفتاحية: سلامة محطة المترو, حفر عميق, تشوه التربة, حفر أنفاق حضري, تقييم المخاطر