حساب وتحليل تشوّه نفق المترو القائم الناتج عن تقاطع مائل مع نفق جديد بطريقة ذات مرحلتين

لماذا يهم تقاطع أنفاق المترو للمدن

مع نمو المدن وإضافة خطوط مترو جديدة، غالباً ما يتوجب على الأنفاق الجديدة أن تتعرّج مارة بأنفاق قديمة تعمل بالفعل. حفر نفق جديد أسفل خط قائم مزدحم قد يدفع ذلك النفق القديم للاختلال في الشكل، ما قد يؤثر على راحة الركوب والسلامة على المدى الطويل. تعالج هذه الدراسة سؤالاً عملياً للخططين والمهندسين الحضريين: عندما يقطع نفق جديد نفق مترو منحنياً بشكل مائل من الأسفل، ما مقدار حركة النفق القائم، وما خيارات التصميم التي تحافظ على هذه الحركة صغيرة؟

تفكيك مشكلة تحت أرضية معقّدة إلى خطوتين

يقترح المؤلفون طريقة حسابية مطوّرة «ذات مرحلتين» تحول مشكلة بناء تحت أرضية معقدة إلى شيء يمكن تحليله بثبات على الحاسوب. في المرحلة الأولى، يقدّرون مقدار الاضطراب في الأرض حول النفق القائم عندما يُستخرج نفق جديد مُقاد بالدرع تحته. لذلك يستخدمون حلّاً معروفاً في ميكانيكا التربة يصف كيفية انتشار الإجهاد عبر الأرض من حمل مدفون. يتيح لهم ذلك حساب الدفع والسحب الإضافيين الذين يفرضهما حفر النفق الجديد على كل نقطة على طول النفق القديم، حتى عندما يتقاطع النفقان بزاوية ويكون النفق القائم منحنيًا بدلاً من مستقيم.

معاملة نفق المترو كعارضة مرنة في الأرض

في المرحلة الثانية، يُعامَل نفق المترو القائم كعارضة طويلة ومرنة قليلاً تستند إلى قاعدة مرنة تمثل التربة المحيطة. هذه القاعدة لا تنكمش لأعلى وأسفل مثل العديد من النوابض الصغيرة فحسب، بل تقطع أفقياً أيضاً، مما يجعل النموذج أكثر واقعية مع بقائه بسيطاً بما يكفي لأعمال التصميم الروتينية. تُطبّق الإجهادات الإضافية المحسوبة من المرحلة الأولى على هذه العارضة لحساب مقدار انحناء النفق وكم يتحرك عمودياً. يتضمن النموذج أيضاً «عامل تخفيض الإجهاد» الذي يأخذ في الحسبان مناطق تم فيها تقوية التربة حول النفق بواسطة الحقن (الغراوتينغ)، وهي إجراء شائع للوقاية في إنشاءات المترو.

اختبار المنهج على مشروع مترو حقيقي

للتحقق مما إذا كانت النظرية تطابق الواقع، طبّق الباحثون طريقتهم على قطاع حقيقي من مترو تشنغتشو، حيث مر خط جديد بشكل مائل تحت نفق منحني قائم. استخدموا خواص التربة والنفق المحلية، وأجروا الحسابات، وقارنوا الحركات الرأسية المتوقعة مع قياسات دقيقة أُخذت أثناء التنفيذ. كان أقصى تحرُّك متوقع عند قمة النفق أكبر قليلاً من الحركة المقاسة عند أرضية النفق، وهو أمر متوقع لأن السقف عمومًا يتشوّه أكثر. والأهم أن شكل وحجم منحنى التشوّه المحسوب تطابقا بيانات الرصد جيداً، ما يبيّن أن الطريقة يمكن أن تمنح المهندسين صورة موثوقة لما سيحدث تحت الأرض.

أي قرارات التصميم لها التأثير الأكبر تحت الأرض

بعد التحقق من المنهج، استكشف المؤلفون كيف تؤثر معلمات التصميم والتنفيذ الرئيسية على حركة النفق. وجدوا أن المسافة الرأسية بين النفقين لها تأثير واضح: كلما اقترب النفق الجديد من المرور أسفل القائم، ازدادت حركة النفق القديم للأعلى. زاوية تقاطع النفقين مهمة بنفس القدر. التقاطعات الضحلة، القريبة من التوازي، تسبب تشوّهات أكبر تمتد لمسافة أطول، بينما تقلّل التقاطعات الأشد، القريبة من الزاوية القائمة، التأثير بشكل ملحوظ. بالمقابل، كان لنصف قطر انحناء النفق القائم تأثير ضئيل على الحركة الرأسية، مما يشير إلى أن الانحناءات المتوسطة في المخطط ليست مصدر قلق رئيسي في هذا النوع من التقاطعات.

دور تقوية الأرض حول النفق

فحصت الدراسة أيضاً كيف يساعد الحقن — إدخال مادة شبيهة بالأسمنت حول النفق — في التحكم بالحركة. أدى تمديد المنطقة المعالجة بالحقن على طول النفق القائم إلى خفض كبير في إزاحة النفق الرأسية، خاصةً عند الانتقال من عدم وجود حقن إلى طول معتدل من الأرض المعالجة. ومع ذلك، بعد طول معين، لم تضف زيادة الحقن سوى فوائد إضافية صغيرة، مما يشير إلى وجود نقطة عملية متوازنة بين السلامة والتكلفة. واتضح أن سلوك قابلية انضغاط التربة المحقونة، الموصوف بمعامل بواسون، له تأثير طفيف فقط على حركة النفق ضمن النطاق المختَبر، مقارنةً بمدى امتداد الحقن.

ما الذي يعنيه ذلك لبناء المترو في المستقبل

بشكل عام، تُوفّر هذه الدراسة للمهندسين أداة عملية للتنبؤ بكيفية استجابة نفق مترو قائم عندما يمر من تحته نفق درعي جديد بشكل مائل، حتى لو كان النفق القديم منحنيًا وكانت التربة مُقوّاة. ولغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: الحفاظ على فجوة معقولة بين الأنفاق، وترتيب التقاطعات لتكون قريبة من الزوايا القائمة قدر الإمكان، وتوفير طول من تقوية الأرض مُصمّم بشكل جيد لكنه غير مفرط، هي أكثر الطرق فعالية للحفاظ على سلامة وراحة نفق قيد التشغيل عند إضافة خطوط جديدة تحته.

الاستشهاد: Li, Y., Zhao, Y., Shi, G. et al. Two-stage-method-based calculation and analysis of the deformation of the existing subway tunnel caused by the diagonal crossing of the new tunnel. Sci Rep 16, 11460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40967-9

الكلمات المفتاحية: أنفاق المترو, الحقن الدرعي للحفر, تشوه النفق, تقوية الأرض, البناء تحت الأرض