تطور الأضرار الزلزالية والخصائص الديناميكية للصخر المحيط بمدخل النفق في انحدارات مضادة للانحدار معززة بعوارض إطارية

لماذا تهم مداخل الأنفاق في الزلازل الكبيرة

عند وقوع زلزال كبير، يتبادر إلى الذهن عادةً تصور المباني المنهارة والجسور المكسورة. ومع ذلك، غالباً ما تظل أنفاق الجبال، التي تنقل الطرق والسكك الحديدية عبر تضاريس وعرة، بصعوبة أضرار داخلية كبيرة. النقطة الضعيفة هي مدخل النفق، حيث تلتقي المنشآت تحت الأرض بالصخور الشاهقة. تسأل هذه الدراسة سؤالاً عملياً ذو آثار كبيرة على سلامة البنية التحتية: كيف ولماذا تتركز الأضرار الزلزالية حول مداخل الأنفاق المنحوتة في منحدرات صخرية غير مستقرة ومطبقة على طبقات مائلة، وما الذي يمكن للمهندسين فعله لحمايتها بشكل أفضل؟

هز جبل مصغر في المختبر

لاستكشاف ذلك، بنى الباحثون نموذجاً كبيراً مصغراً لمدخل نفق حقيقي على طول نهر نو جيانغ في الصين. يتألف التل فوق النفق من ما يُعرف بطبقات الصخور المضادة للانحدار—أسِرَّة صخرية مائلة تميل مبتعدة عن واجهة المنحدر، وهو هندس معروف بكونه عرضة للانقلاب أثناء الهز. عززوا نموذج المنحدر بعوارض إطارية مثبتة بكابلات وقضبان فولاذية، على غرار الأنظمة المستخدمة في الطرق والسكك الحقيقية. رُكّب النموذج بأكمله على طاولة هزّ ثلاثية الاتجاهات، حيث تعرَّض لحركات زلزالية واقعية مسجلة خلال أحداث سابقة مثل زلازل كوبي، إل سنترو، وونتشوان.

كيف استجاب المنحدر والنفق للزلازل

مع زيادة شدة الهز الاصطناعي، قاس الفريق بعناية التسارع والانفعال وضغط الأرض والإزاحات في أنحاء المنحدر وحول بطانة النفق. أدت العوارض الإطارية دورها بمعنى مهم واحد: منعت المنحدر من الانهيار بانقلاب كامل ودراماتيكي. ومع ذلك، تَعرَّض سطح المنحدر لتقشّف شديد، وهبط قمة المنحدر إلى أسفل، وانحنت أعمدة صخرية بقوة نحو الواجهة المفتوحة. والأهم بالنسبة لسلامة النقل، تضرر مدخل النفق بشدة. عندما وصلت شدة الهز إلى نحو شدة الجاذبية الأرضية (1.0–1.2g)، تشكلت شقوق عند قاعدة بطانة النفق وفي المفاصل بين قطاعات البطانة، لتتصّل لاحقاً بشقٍ كامل في القوس السفلي—أرضية حلقة النفق.

أين تكون الهزات أقوى ولماذا يتعرض المدخل للأذى

كشفت القياسات أن الهز لا يؤثر على كل أجزاء المنحدر بالتساوي. تضخمت التسارعات مع صعود الموجات نحو قمة المنحدر وكانت الأقوى قرب السطح، نتيجة لتأثيري «الارتفاع» و«السطح». تحت الهز العمودي، أصبح مدخل النفق بؤرة حيث انعكست الموجات الواردة وانثنت حول البطانة وطبقات الصخور المائلة، مُنتِجة نمطاً معقّداً من الحركة المعززة. على طول النفق نفسه، اهتز الجزء الضحل المدفون قرب المدخل بشكل أشد بكثير من الجزء الأعمق. نمت فروق الحركة بين الصخر أعلاه وأسفله بالقرب من المدخل، مما أدى إلى إجهاد البطانة والصخر المحيط وساعد على تفسير سبب تركّز الأضرار هناك بدلاً من داخل الجبل.

تتبع الأضرار الخفية عبر خصائص الصخر وطاقة الموجة

لتجاوز الملاحظات السطحية، تتبع الباحثون كيف تغيرت الخواص الميكانيكية للكتلة الصخرية مع الهز. استخدموا علاقات معتمدة بين الانفعال ومُعاملين ديناميين رئيسيين: صلابة القص للصخر وقدرته على تشتت الطاقة (الضياع). مع تكثف الهز، انخفضت صلابة الصخر وزاد ضياعه، لا سيما في الصخر الواقع مباشرة تحت بطانة النفق. أظهر رسم هذه التغيرات نطاقات ضرر تتشكل أولاً قرب الجزء السفلي من البطانة عند المدخل، ثم تمتد إلى أعماق أطول على طول النفق مع زيادة شدة الإشارة الداخلة. كما استخدم الفريق أداة زمن–تردد تسمى تحويل هيلبرت–هوانغ لدراسة كيفية توزيع طاقة الزلزال عبر تردّدات مختلفة. وجدوا أن المكونات منخفضة التردد في نطاق 9–12 هرتز كانت مهمة بشكل خاص في إلحاق الضرر بالصخر والبطانة قرب المدخل تحت الهز العمودي. عندما بدأت البطانة بالتشقق، لوحظ تلاشي واضح في طاقة الموجة في هذا النطاق داخل الصخر تحت النفق، ما يقدّم وسيلة محتملة للكشف عن الضرر عبر مراقبة دقيقة للإشارات الزلزالية.

ما يعنيه هذا لأنفاق أكثر أماناً

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: مداخل الأنفاق في صخور منحدرة وطبقية ليست مجرد نسخ مصغرة من النفق تحت الأرض—هي نقاط ضعف خاصة حيث تتضافر حركة التل، وتركيز الموجات، والتفاصيل الإنشائية لتضخيم الأضرار الزلزالية. تُظهر هذه الدراسة أنه حتى عندما تمنع الدعائم المرئية انهيار المنحدر، يمكن أن تتراكم أضرار خفية في الصخر وفي بطانة النفق، لا سيما عند قوسها السفلي. يخلص المؤلفون إلى أن على المهندسين تقوية القوس المقلوب (قاع البطانة) والصخر تحته، وإيلاء اهتمام خاص للهزات العمودية منخفضة التردد عند تصميم وتقييم مداخل الأنفاق. يمكن أن يوجّه فهم أفضل لأين وكيف تتجمع الطاقة أثناء الزلازل تعزيز التدعيم والمراقبة بذكاء أكبر، مما يساعد على إبقاء أنفاق المرافق الحيوية مفتوحة عندما تكون في أمس الحاجة إليها.

الاستشهاد: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

الكلمات المفتاحية: مدخل النفق, أضرار زلزالية, منحدر صخري, الهزات الزلزالية, البنية التحتية تحت الأرض