التحليل العددي وتحسين تأثير إنشاء حفرة أساس معقدة على تشوهات هياكل مترو الأنفاق المجاورة

لماذا يهم الحفر القريب لمترو المدينة

مع نمو المدن، غالبًا ما يتعين بناء طرق وأنظمة تحت أرضية جديدة بجوار أنفاق مترو عاملة. يمكن أن يؤدي حفر حفر عميقة لهذه المشاريع إلى انحناء وهبوط طفيفين في الأنفاق المجاورة، ما قد يهدد السلامة طويلة الأمد وراحة الركاب. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لتخطيط تسلسل الحفر وبناء الهياكل الداخلية بعناية أن يقلل حركات النفق لأدنى حد ممكن، وتقدم إرشادًا للمناطق الحضرية المزدحمة التي تضطر إلى البناء ضمن قيود مكانية ضيقة.

تحدي مشاركة المساحة تحت الأرض المزدحمة

عندما يحفر المهندسون حفرة عميقة بجانب خط مترو قائم، يرتاح التربة حول الحفرة وتتحرك باتجاه الفراغ المفتوح. وفي الوقت نفسه، يعمل النفق كحلقة صلبة مدفونة في الأرض، ما يغير من طريقة حركة التربة. أظهرت أبحاث سابقة أن المسافة بين الحفرة والنفق، وعمق الحفر، والجيولوجيا المحلية كلها عوامل مهمة، لكنها غالبًا ما اعتبرت الحفر عملية بسيطة باتجاه واحد. في الواقع، المشاريع الحديثة أكثر تعقيدًا: تُصب قنوات خرسانية كبيرة أو صناديق طرق داخل الحفرة بينما يستمر الحفر، وتؤثر صلابة هذه العناصر المتزايدة على استجابة التربة والنفق.

حالة اختبار افتراضية تحت بكين

بنى المؤلفون نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد مفصلاً لمشروع حقيقي في منطقة فنتاي ببكين، حيث يُنشىء نفق طريق طويل ومصرف تحت أرضي كبير بالقرب من الخط 10 للمترور. يشمل النموذج طبقات التربة، حفرة مستطيلة عميقة، جدران استنادية، نفق المترو، والصندوق الخرساني الذي سيقع في الحفرة لاحقًا. باستخدام قوانين سلوك التربة المقبولة على نطاق واسع، قاموا بمحاكاة كيفية تحرك الأرض والنفق مع إزالة التربة خطوة بخطوة ومع تصلب الهياكل الخرسانية داخل الحفرة. سمحت لهم هذه الحالة الافتراضية بمقارنة خطط إنشائية مختلفة قد تكون غير عملية أو محفوفة بالمخاطر لتجربتها ميدانيًا.

عشر طرق للحفر والبناء

السؤال الرئيسي كان كيف يؤثر تسلسل العمل على حركة النفق. جمع الفريق خيارين رئيسيين: ما إذا كان يُصب المصرف إلى الأمام أو بالعكس، وكيف يتقدم الحفر نفسه. اختبروا عشر سيناريوهات شملت الحفر من جهة واحدة فقط، الحفر المتماثل من الجانبين، تقسيم الحفرة إلى مناطق، واستخدام تقدم متدرج على شكل خطوات. في كل حالة تتبعوا هبوط النفق العمودي وحركة الجدران الاستنادية الجانبية. مع أن جميع السيناريوهات حافظت على حركات النفق صغيرة، كانت الفروقات واضحة بما يكفي لتهم معايير السلامة الصارمة للمترو.

ما كشفته المحاكاة

الخطة الأكثر ملاءمة جمعت بين بناء المصرف إلى الأمام وحفر أحادي الاتجاه «من البعيد إلى القريب»، أي أزيلت التربة أولًا من الجانب البعيد عن النفق الحساس ثم لاحقًا قرب النفق. سمح هذا النهج للتربة المتبقية قرب النفق بالعمل كدعام مؤقت، بينما حصلت مقاطع المصرف المبكرة على وقت كافٍ لاكتساب القوة ومساعدة في تحمل الأحمال قبل أن يصل الحفر إلى المنطقة الحرجة. بالمقابل، كانت إحدى أقل الخطط ملاءمة هي بناء المصرف بالعكس مع حفر متماثل من الطرفين. هذا المزيج سبب تفريغ التربة تحت النفق من اتجاهين في آن واحد، مكونًا نمط هبوط ذو قمتين وزيادة طفيفة في انحناء النفق، رغم أن القيم المطلقة ظلت تحت نحو مليمترين تقريبًا.

إرشادات عملية لحفر أكثر أمانًا في المدن

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن ترتيب الحفر وصب الهياكل تحت الأرض ليس تفصيلًا ثانويًا بل خيار تصميم ذو معنى. من خلال تفضيل التسلسلات التي يقترب فيها الحفر من الأنفاق الحساسة تدريجيًا من البعيد، والتي تكون فيها الهياكل الخرسانية الجديدة في مكانها مبكرًا لتحل محل صلابة التربة المزالة، يمكن للمهندسين تقليل هبوط النفق بنسبة عدة في المئة دون إضافة معدات أو مواد جديدة. وعلى الرغم من أن النموذج يستخدم بعض التبسيطات ويركز على الفروقات النسبية بدل الأرقام الدقيقة، فإنه يوفر لخطط المدينة والمصممين وسيلة عقلانية لاختيار خطط إنشائية أكثر أمانًا عندما يجب أن تتعايش الحفر العميقة مع متروات عاملة.

الاستشهاد: Sun, J., Dun, H., Chen, S. et al. Numerical analysis and optimization of the impact of complex foundation pit construction on the deformation of adjacent subway structures. Sci Rep 16, 15436 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46547-1

الكلمات المفتاحية: نفق المترو, حفرة أساس عميقة, تسلسل الحفر, تشوه النفق, تحليل العناصر المنتهية