تحقيق عددي في تفاعل التربة-النفق تحت أحمال التفجير السطحي مع علاقات طاقة مبنية على الانحدار

لماذا تهم الأنفاق المخفية في عالم التفجيرات السطحية

تتجه المدن الحديثة بشكل متزايد إلى استخدام الأنفاق تحت الأرض لنقل الناس وحماية الخدمات الحيوية. لكن مع تزايد خطر الانفجارات السطحية الناتجة عن القنابل أو الصواريخ أو الأجهزة المرتجلة، يحتاج المهندسون إلى معرفة: ما مدى أمان هذه الشرايين المدفونة عندما يحدث انفجار قوي فوقها؟ تستخدم هذه الدراسة محاكيات حاسوبية متقدمة لاستكشاف سلوك نفق مترو مدفون في تربة رخوة غنية بالطين تحت تفجيرات سطحية، وتحديد العمق اللازم ليبقى النفق ضمن نطاق الأمان.

طرقات تحت الأرض تحت القصف

عادة ما تُبنى أنفاق المدن لتحمّل أحمال المرور اليومية وعلى الأكثر الزلازل—وليس الهجمات المباشرة. ومع ذلك، في النزاعات الحديثة والحوادث الإرهابية، تصبح الانفجارات السطحية شائعة ويمكن أن ترسل موجات صدمة عبر الأرض باتجاه المنشآت المدفونة. إجراء اختبارات انفجار بالحجم الكامل على أنفاق حقيقية مكلف وخطير للغاية، لذا يعتمد المؤلفون على نماذج ثلاثية الأبعاد مفصّلة بالحاسوب بدلاً من ذلك. يركزون على نفق مترو دائري مدمج في طين رملي، وهو نوع تربة غالباً ما يوجد في مشاريع المدن، ويسألون كيف يشوه انفجار على السطح النفق ويتلف بطانته الخرسانية.

بناء نفق افتراضي وتفجير

لاستكشاف هذه المشكلة، ينشئ الباحثون نسخة رقمية من نفق خرساني مسلح بعرض خمسة أمتار محاط بكتلة كبيرة من التربة. تُعطى التربة والبطانة الخرسانية والقضبان الفولاذية سلوكاً ميكانيكياً واقعياً مأخوذاً من تجارب، بحيث يستطيع النموذج التقاط التشققات والتشوه الدائم وامتصاص الطاقة. تُحاكى الانفجارات السطحية باستخدام نموذج تفجير واسع الاستخدام طوّرته في الأصل الولايات المتحدة العسكرية، حيث يحول وزن مكافئ الـTNT إلى موجة ضغط متغيرة على الأرض. قبل الوثوق في إعدادهم، يختبر المؤلفون النموذج مقابل نتائج معروفة: يقارنون الصدمة الأرضية المتوقعة وحجم الحفرة مع صيغ راسخة، ويُحاكون تفجيرات على بلاطات خرسانية اختُبرت مخبرياً. في جميع الحالات، تتطابق التنبؤات العددية مع بيانات العالم الحقيقي عن كثب، مما يعزز الثقة بأن النفق الافتراضي يتصرف بمصداقية.

تتبع الطاقة عبر التربة والنفق

جوهر الدراسة هو صورة مبنية على الطاقة لما يحدث عندما تضرب موجة تفجير الأرض. مع زيادة شحنة الـTNT من 25 إلى 1000 كيلوجرام، يتتبع النموذج مقدار الطاقة الناتجة عن التفجير التي تظهر كحركة سريعة (طاقة حركية)، ومقدارها الذي يُقفل في شكل تشوه دائم (تبديد بلاستيكي)، ومقدارها الذي يُخزن مؤقتاً كامتداد مرن (طاقة إجهاد) في نظام التربة-النفق. ترتفع هذه القياسات الطاقية جميعها بمعدل أسرع من الخطي مع زيادة وزن المتفجر، ما يعني أن زيادة الشحنة بعامل عشرة تنتج أثراً يفوق بعشرات المرات تأثير الزيادة البسيطة. ثم يستخدم المؤلفون الانحدار—تطابقات رياضية بسيطة—لتحويل هذه الاتجاهات إلى صيغ سهلة الاستخدام تربط وزن المتفجر بحجم الحفرة ومستويات الطاقة وتشويه النفق ضمن النطاق الذي دُرس.

كم عمق يكفي؟

سؤال عملي مركزي هو كيف يغيّر عمق الدفن سلامة النفق. تختبر الدراسة ثلاثة أعمق تغطية فوق قمة النفق: 15 و12 و9 أمتار، عبر سيناريوهات تفجير متعددة تصل إلى 1000 كيلوجرام من الـTNT. تحدد قاعدتان للأداء ما يُعد "نفقاً آمناً": يجب أن تبقى الشقوق في الخرسانة محدودة، ويجب أن تبقى التشوهات الشعاعية للنفق أقل من نصف بالمائة من قطره. تظهر النتائج تأثير عمق قوي. في الحالة الأعمق، 15 متراً، يبقى النفق ضمن هذه الحدود لتفجيرات تصل تقريباً إلى 500 كيلوجرام، رغم أن تفجير 1000 كيلوجرام يبدأ بإحداث أضرار محلية جسيمة. عند 12 متراً، تدفع الشحنات الأكبر البطانة إلى ما وراء عتبات كل من التشقق والتشوه. عند العمق الأخف، 9 أمتار، تتسبب التفجيرات القوية بتشققات شد واسعة وتشوهات أكبر بكثير، ما يميز بوضوح هذا التكوين على أنه غير آمن للأحداث عالية الشدة.

ما معنى هذا لمدن أكثر أماناً

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن الأنفاق الأعمق في الترب الرخوة الغنية بالطين أكثر مرونة بكثير تجاه الانفجارات السطحية من الأنفاق الضحلة، وأن هناك "عمقاً آمناً" عملياً بالنسبة لتهديد تفجيري معين. وفقاً لافتراضات النموذج، يستطيع نفق مترو مدفون على عمق نحو 15 متراً تحت السطح تحمل تفجيرات سطحية تصل تقريباً إلى 500 كيلوجرام من الـTNT دون أن يتعرض لأضرار مدمرة، في حين تصبح الأنفاق الأضيق عرضة للخطر عند مستويات شحنة أدنى بكثير. توفر صيغ الانحدار التي يقدمها المؤلفون أدوات سريعة للمهندسين لتقدير أحجام الحفر، ونقل الطاقة، وتشويه الأنفاق لظروف مشابهة، مما يساعد في توجيه التصاميم الأولية وتقييمات المخاطر السريعة في البيئات الحضرية المعرضة للصراع أو العالية المخاطر.

الاستشهاد: Alsabhan, A.H., Rais, I., Ahemad Khan, J. et al. Numerical investigation of soil-tunnel interaction under surface blast loads with regression-based energy correlations. Sci Rep 16, 12665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42024-x

الكلمات المفتاحية: سلامة الأنفاق تحت الأرض, حمل التفجير السطحي, تصميم أنفاق المترو, تفاعل التربة-الهيكل, بنية تحتية مقاومة للتفجيرات