אבולוציית נזק סייסמי והתכונות הדינמיות של הסלע הסובב בפתחי מנהרות במדרונות נגד-נטייה מחוזקים בקורות מסגרת

מדוע פתחים של מנהרות חשובים ברעידות אדמה גדולות

כשרעידת אדמה משמעותית פוגעת, אנחנו נוטים לדמיין בניינים קולפים וגשרים שבורים. עם זאת, מנהרות הרריות שמובילות כבישים ורכבות דרך אזורים קשים לרוב שורדות עם מעט נזק פנימי מפתיע. חוליית החולשה היא בדרך כלל פתח המנהרה, שם מבנים תת-קרקעיים מוצקים פוגשים מדרונות סלע תלולים. המחקר שואל שאלה מעשית עם השלכות גדולות על בטיחות תשתיות: כיצד ולמה רעידות אדמה מרוכזות סביב פתחי מנהרות החתוכים במדרונות סלע לא יציבים ושכבתיים, ומה מהנדסים יכולים לעשות כדי להגן עליהם טוב יותר?

נערו הר געש מיניאטורי במעבדה

כדי לחקור זאת, החוקרים בנו מודל מוקטן גדול של פתח מנהרה אמיתי לאורך נהר נוג'יאנג בסין. המדרון מעל המנהרה מורכב משכבות סלע שנקראות נגד-נטייה — שכבות נטויות השוכנות הרחק מפני המדרון, גיאומטריה הידועה כרצינית בסכנת התהפכות בעת הרעידה. הם חיזקו את המדרון במודל באמצעות קורות מסגרת, מעוגנות בכבלי פלדה ומוטות, בדומה למערכות בשימוש בכבישים ומהירדות אמיתיים. כל המודל הותקן על שולחן רעידה תלת-כיווני, שבו הוא הוכנס לתנועות אדמה ריאליסטיות מוקלטות מאירועים קודמים כמו רעידות קוב, אל סנטרו וונצ'ואן.

כיצד המדרון והמנהרה הגיבו לרעידות

כשהצוות הגביר את עצמת הרעידה המדומה, הם מדדו בקפידה תאוצה, עיוות, לחצי קרקע ותזוזות ברחבי המדרון ובסביבת בטון המנהרה. קורות המסגרת מילאו תפקיד חשוב במובן אחד: הן מנעו את התמוטטות המדרון בהתהפכות דרמטית בקנה מידה מלא. עם זאת, פני המדרון עדיין סבלו מקילוף כבד, קודקוד המדרון זז כלפי מטה, וטורי סלע נטו בכבדות כלפי הפנים הפתוח. ובעבור בטיחות התחבורה — פתח המנהרה הושפע קשות. כאשר רמת הרעידה הגיעה בערך לעוצמת כוח הכבידה של כדור הארץ (1.0–1.2 g), הופיעו סדקים בתחתית בטון המנהרה ובמפרקי הקטעים, שלבסוף התחברו לסדק חוצה באינהרט — רצפת טבעת המנהרה.

איפה הרעידה חזקה ולמה הפתח סובל

המדידות הראו שרעידות אינן משפיעות בצורה שווה על כל חלקי המדרון. התאוצות הוגברו כשהגלים טיפסו לכיוון קודקוד המדרון והיו החזקות ביותר בקרבת פני השטח, שילוב של השפעות "גובה" ו"שטח". תחת רעידה אנכית, הפתח הפך לאזור חם שבו גל incoming נבלעו, הוחזרו וסטו סביב הבטון ושכבות הסלע המוטות, ויצרו תבנית מורכבת של תנועה מואצת. לאורך המנהרה עצמה, החלק החפור-רדוד סמוך לכניסה רעד בעוצמה הרבה יותר גבוהה מאשר הקטע העמוק יותר. ההבדל בתנועה בין הסלע שמעל ומתחת למנהרה גדל בסמוך לפתח, מה שהעמיס על הבטון והסלע הסובב וסיפק הסבר מדוע הנזק מרוכז שם במקום לעמוק יותר בהרים.

מעקב אחר נזק מוסתר דרך מאפייני סלע ואנרגיית גל

כדי להתקדם מעבר לתצפיות פני שטח, החוקרים עקבו איך המאפיינים המכנית של מסת הסלע השתנו תחת רעידה. הם השתמשו בקשרים מבוססים בין עיוות לשני פרמטרים דינמיים מרכזיים: נוקשות גזירה של הסלע ויכולתו לפזר אנרגיה (הדמפטינג). ככל שהרעידה התחזקה, נוקשות הסלע ירדה והדמפטינג עלה, במיוחד בסלע 바로 מתחת לבטון המנהרה. מיפוי השינויים הללו הראה אזורי נזק שנוצרו תחילה בסמוך לחלק התחתון של הבטון בפתח, ואז התרחבו לעומק לאורך המנהרה ככל שהתנועות החיצוניות גדלו. הצוות גם השתמש בכלי זמן-תדר בשם המרת הילברט-הואנג כדי לחקור כיצד אנרגיית הרעידה התפלגה על פני תדרים שונים. הם מצאו כי תחת רעידה אנכית, רכיבים בתדר נמוך בטווח 9–12 הרץ היו חשובים במיוחד בנזק לסלע ולבטון בסמוך לפתח. כאשר הבטון החל להיסדק, אנרגיית הגל ברצועה זו הוחלשה באופן בולט בסלע שמתחת למנהרה, מה שמציע אפשרות לזהות נזק דרך ניטור מדויק של אותות סייסמיים.

מה המשמעות לכך עבור מנהרות בטוחות יותר

לקוראים שאינם מומחים, המסקנה ברורה: פתחי מנהרות במדרונות תלולים ושכבתיים אינם פשוט גרסה מוקטן של המנהרה התת-קרקעית — הם נקודות תורפה מיוחדות שבהן תנועת המדרון, מיקוד הגלים ופרטי המבנה משותפים להגברה של נזק סייסמי. המחקר מראה שעל אף שתמיכות גלוייות מונעות קריסה של המדרון, נזק מוסתר יכול להצטבר בסלע ובבטון, בפרט בקשת התחתונה שלו. המחברים מסכמים שיש לחזק את הקשת ההפוכה (תחתית הבטון) ואת הסלע שמתחתיה, ולהקדיש תשומת לב מיוחדת לרעידות אנכיות בתדר נמוך בעת תכנון והערכת פתחי מנהרות. הבנת האופן והמקום שבו האנרגיה מרוכזת בזמן רעידות אדמה יכולה להנחות חיזוק וניטור חכמים יותר, ולעזור לשמור על פתיחת מנהרות חיוניות כשהן נדרשות ביותר.

ציטוט: Wen, H., Yang, C., Hou, B. et al. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams. Sci Rep 16, 6480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37208-4

מילות מפתח: פתח מנהרה, נזק מרעידת אדמה, מדרון סלעי, רעידת קרקע סייסמית, תשתיות תת-קרקעיות