ניתוח חוזק של מנהרות כבלים בעומקי הטמעה שונים באמצעות שיטת האלמנטים הסופיים

איך מנהרות קבורות שומרות על האור שלך דולק

עיר מודרנית נסמכת על כבישי כוח נסתרים: מנהרות ארוכות תת־קרקעיות מלאות בכבלים במתח גבוה. מעברים אלה משחררים מקום ברחובות צפופים ומגנים על תשתיות חיוניות — אבל בנייתם בבטחה מבלי לבזבז כסף היא משימה עדינה. מחקר זה בוחן כיצד עומק וצורת המנהרות משפיעים על חוזקן ויציבותן לטווח הארוך, ועוזר למהנדסים להחליט מתי צורה מלבנית פשוטה מספיקה ומתי עיצוב קמור יקר יותר מצדיק את העלות הנוספת.

קו כוח נסתר מתחת לעיר

המחקר מתמקד במנהרת כבלים באורך 15.6 ק"מ שתוכננה לשאת קווי חשמל של 110 kV ו‑10 kV המספקים חשמל לבתים ועסקים. לאורך אורכה המנהרה עוברת דרך ארבעה מצבי קרקע שונים: סלע רדוד (ZK1), קרקע רדודה (ZK2), סלע עמוק עם מי תהום (ZK3), וקרקע עמוקה עם מי תהום (ZK4). לכל אזור משקל, חוזק ותכולת מים משלו, שלכל אלה יש השפעה על האופן שבו הקרקע סביב דוחפת על הקוויה של המנהרה. טעות בהערכת כוחות אלה עלולה להוביל לסדקים, נזילות או תיקונים יקרים; מצד שני גישה שמרנית מדי מבזבזת חומרים וכסף.

שתי צורות פשוטות, התנהגות שונה לחלוטין

המהנדסים השוו שתי צורות חתך להקיף של המנהרה. אחת היא מרובע פשוט — בפועל תיבת בטון. השנייה היא קמרון בשלוש מרכזיות, שנראית כחלל קמור מעוגל המונח על קירות אנכיים קצרים. ידוע שקמירות מעבירות עומסי דחיסה — כוחות ה"סחיטה" מהקרקע הסובבת — בצורה יעילה יותר, אך הן קשות יותר לבנייה ובדרך כלל יקרות יותר. שאלת המפתח של המחקר הייתה: בכל סוג קרקע ובכל עומק, איזו צורה מספקת רמת בטיחות מספקת בעלות הכוללת הנמוכה ביותר?

בדיקת חוזק המנהרה במעבדה וירטואלית

במקום להסתמך רק על כללי אצבע גסיים, החוקרים בנו מודל תלת־ממדי מפורט של המנהרה ושל הקרקע והסלע שסביבה. הם השתמשו בגישה מקובלת בהנדסה אזרחית הנקראת שיטת האלמנטים הסופיים, שמחלקת את המנהרה וסביבתה לבלוקים קטנים רבים ומחשבת כיצד כל בלוק מתעוות ונושא עומס. הקרקע עצמה הוצגה באמצעות תיאוריה מקובלת של כישלון קרקעות וסלעים תחת עומס, מה שאיפשר למודל להעריך גם מאמצים (כמה החומר נדחס או נמתח) וגם תזוזות (כמה הוא מזיז). הצוות בחן שלוש מצבי פני שטח אופייניים מעל המנהרה: אזור ירוק ללא תנועה, מסלול קל לא ממונע, וכביש כבד של ארבע עד שש מסלולים — המקרה התובעני ביותר.

איפה הסדקים עלולים להתחיל ואיך למנוע אותם

לכל אזור קרקע וצורת מנהרה בדקו החוקרים נקודות מרכזיות סביב ההקף, במיוחד זוויות ו"רגלי" הקמרון שבהן מאמצים נוטים להתרכז. בכל המקרים, כוחות הדחיסה הכוללים בבטון נשארו בהרבה מתחת לחוזק המותר, כלומר אף צורה לא הייתה בסכנה של כתישה. ההבדל המרכזי היה במתיחה — כוח המשיכה שבו הבטון חלש ועלול לגרום לסדקים. בתנאים רדודים (ZK1 ו‑ZK2) שתי הצורות נשארו בטוחות, ותיבת הבטון הפשוטה יצאה חסכונית יותר כיוון שנבנית בקלות רבה יותר. בתנאים עמוקים ולחים יותר (ZK3 ו‑ZK4), לעומת זאת, צורת התיבה יצרה מתיחות ניכרת בחלקים מההקף, בעוד שהקמרון הממיר את המשיכות לאזורי דחיסה מתונים יותר. כדי לשמור על בטיחות מנהרה מלבנית בעומקים אלה, מהנדסים היו נדרשים להוסיף חיזוקי פלדה נוספים, מה שמעלה עלות ומורכבות.

בחירות תכנוניות שמשקללות בטיחות ועלות

על‑ידי שילוב נתוני קרקע ריאליים עם סימולציות מחשב מפורטות, המחקר מראה שאין צורת מנהרה אחת שמתאימה לכל המצבים. למקטעים רדודים של מנהרת הכוח, תיבה מלבנית נושאת את העומסים בבטחה ובעלות נמוכה יותר. למקטעים עמוקים תחת לחץ קרקע גבוה ומי תהום, מנהרה קמורה היא הבחירה החכמה יותר כי היא מצמצמת באופן טבעי את הסיכון לסדקים בלוח הבטון. למי שאינו מומחה, המסקנה ברורה: הבנת האופן שבו האדמה לוחצת על מבנים קבורים מאפשרת למהנדסים להתאים את צורת המנהרה לתנאים המקומיים, ולהניח אספקת חשמל אמינה מתחת לרגלינו בלי הוצאות מיותרות.

ציטוט: Li, C., Yan, M. Strength analysis of cable tunnels with different embedding depths by using finite element method. Sci Rep 16, 5578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35672-6

מילות מפתח: תכנון מנהרות כבלים, קווי מתח תת־קרקעיים, צורת המנהרה, מיצוי אלמנטים סופיים, תשתיות עירוניות