تحليل الاستجابة الميكانيكية للأنفاق العابرة لزلازل انقلابية عند تصور زلازلي غير منتظم

لماذا المسارات تحت الأرض مهمة أثناء الزلازل

مع بناء المدن والدول لأنفاق أطول تخترق الجبال لنقل الطرق والسكك الحديدية، يجب أن تعبر مزيد من هذه الممرات المدفونة صدوعًا زلزالية نشطة. عندما ينزلق الأرض أثناء هزة، قد تتحرك الصخور المحيطة بالنفق بشكل غير متساوٍ، مما يسحق أو يمزق الغلاف الخرساني الذي يحافظ على الممر مفتوحًا. تدرس هذه الورقة كيفية تصرف الأنفاق العابرة للصدع عندما يتحرك صدع انقلابي أثناء زلزال، وما هي خيارات التصميم التي يمكن أن تجعل هذه المنشآت أكثر أمانًا للأشخاص الذين يعتمدون عليها.

نفق جبلي حقيقي كحقل اختبار

تستند الدراسة إلى مشروع كبير في جبال تيانشان بالصين: نفق تيانشان شنغلي، نفق طريقي مزدوج يزيد طوله على 22 كيلومترًا يقطع عدة صدوع نشطة في منطقة تتعرض لهزات قوية وتواجه ضغوطًا صخرية داخلية عالية. أظهرت زلازل سابقة في الصين واليابان أن الأنفاق العابرة للصدوع قد تتعرض لانهيار القبو، وارتفاع الأرضية، وتشقق واسع، وتضرر الرصف عندما ينزلق الصدع. لفهم هذه الإخفاقات ومنعها، بنى المؤلفون نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد مفصلًا يتضمن الصخر السليم، ومنطقة الصدع الأضعف، والغلاف الخرساني، وكلها مرتبة لتطابق أحد الصدوع الرئيسية التي تقاطع مسار هذا النفق.

هز الأرض بشكل غير متساوٍ

تفترض معظم الدراسات السابقة أن الزلزال يهز الأرض تحت النفق بنفس الطريقة في كل مكان. في الواقع، يمكن للجانب من الصدع الذي يرتفع (الجدار المعلق) أن يختبر حركات وإزاحات دائمة مختلفة عن الجانب الأدنى (جدار القدم). أنشأ الباحثون هنا زوجًا من الأمواج الزلزالية الاصطناعية بناءً على سجلات من زلزال كبير في كاليفورنيا. شملت إحدى الموجتين إزاحة دائمة لتقليد سحب الأرض بواسطة الصدع، بينما لم تحتوي الأخرى على ذلك. طبقوا الحركة ذات الإزاحة الدائمة على الجدار المعلق والحركة الأبسط على جدار القدم، مما سمح للنموذج بالتقاط كيفية تداخل المدخلات المختلفة على جانبي الصدع مع الانزلاق البطيء لكن الكبير على مستوى الصدع نفسه.

أين وكيف يتعرض النفق للضرر

تُظهر المحاكاة أن الضرر يتركز في المناطق القريبة من نواة الصدع — الجزء الضيق والأكثر تحطّمًا من منطقة الصدع — وخاصة في الأكتاف المنحنية حيث ينتقل جدار النفق إلى السقف. مع ازدياد انزلاق الصدع، يقترب مقياس التلف في الغلاف الخرساني بسرعة من المستوى المرتبط بالشقوق الواسعة العابرة وحتى بالسحق. تنتشر هذه المناطق عالية الضرر من نواة الصدع إلى الصخور المحيطة، وتكون أسوأ باستمرار على جانب الجدار المعلق، الذي يتعرض لضغط وقص أقوى في الصدع الانقلابي. تكشف أنماط الإجهاد أن مقطع النفق يتعرض للشد والضغط حول محيطه، خاصة عند الأكتاف، بينما يبقى التشوه الطولي على طول محور النفق محدودًا نسبيًا في الظروف النموذجية.

دور عرض الصدع وزاوية ميله

استكشف الفريق أيضًا كيف تؤثر سماكة منطقة الصدع وزاوية ميل مستوى الصدع على الضرر. تعمل منطقة صدع أوسع، ممثلة بنسبة صلابة نسبية أعلى بين صخر الصدع والصخر المحيط، على توزيع التشوه بشكل أهدأ وتحسن تزامن حركة الكتلة الصخرية والغلاف. هذا يقلل الذروة القصوى للضرر في النفق بما يصل إلى نحو 45 في المئة، رغم أن الغلاف داخل نواة الصدع لا يزال يتعرض لتشقق خطير. يؤدي تغيير زاوية ميل الصدع إلى تأثير عتبي: عندما يكون الصدع معتدل الميل (حتى حوالي 60 درجة)، تتغير أنماط الضرر العامة قليلًا. عند زوايا أكثر انحدارًا، يقل الضرر في نواة الصدع نفسها بينما يزداد الضرر عند واجهة الصدع مع الجدار المعلق، وتزيد الإجهادات المحورية — تلك التي تشد أو تضغط النفق على طول طوله — في عدة أجزاء رئيسية من المقطع العرضي.

دروس تصميم لأنفاق أكثر أمانًا

بالنسبة للمهندسين، الرسالة الأساسية للدراسة هي أن مقدار انزلاق الصدع هو المحرك السائد لأضرار النفق، أكثر من عرض الصدع أو زاوية ميله. تظهر مناطق الأكتاف على أنها الأكثر عرضة وبالتالي الأهم لتقوية محلية. يقترح المؤلفون تدابير مثل تقوية الصخر قبل الحفر بأنابيب صغيرة وحشو عميق، وتغ Thickening محلي للغلاف وإضافة مزيد من الحديد في الأكتاف حيث يتجمع الإجهاد. على الرغم من أن النموذج يبسط بعض تفاصيل الإنشاء، فإن نتائجه — التي تم التحقق منها مقابل أضرار حقيقية لنفق صيني تعرض لحركة صدع حديثة — تقدم إرشادات عملية لتصميم أنفاق عابرة للصدوع يمكنها النجاة بشكل أفضل من الزلازل المستقبلية والحفاظ على روابط النقل الحيوية مفتوحة عندما تكون الحاجة إليها أكبر.

الاستشهاد: Yang, Y., Li, X., Liu, J. et al. Mechanical response analysis of tunnels crossing reverse faults under non-uniform seismic inputs. Sci Rep 16, 13348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43120-8

الكلمات المفتاحية: أضرار الأنفاق الناتجة عن الزلازل, حفر الأنفاق عبر صدع انقلابي, تصميم الأنفاق لمقاومة الزلازل, البنية التحتية العابرة للصدوع, استجابة تحت سطحية للزلازل