ניתוח תגובה מכנית של מנהרות החוצות נקעים הופכיים תחת זעזועים סייסמיים לא־אחידים

מדוע דרכי תת‑קרקע חשובות ברעידות אדמה

כשערים ומדינות חופרות מנהרות ארוכות יותר דרך הרים להובלת דרכים מהירות ורכבות, יותר מסלולים קבורים אלה נאלצים לחצות נקעים פעילים. כאשר הקרקע מחליקה בזמן רעידת אדמה, הסלע סביב המנהרה עלול לזוז באופן לא אחיד, למעוך או לקרוע את הקליפה הבטונאית שמחזיקה את המעבר פתוח. מחקר זה בוחן כיצד מנהרות החוצות נקעים הופכיים מתנהגות כאשר הנקע זז בזמן רעידת אדמה, ואילו בחירות עיצוב יכולות להפוך מבנים אלה לבטוחים יותר עבור האנשים התלויים בהם.

מנהרה הררית אמיתית כמאגר ניסיוני

המחקר מושתת על פרויקט גדול בהרי טיאנשאן שבסין: מנהרת טיאנשאן שיינגלי, מנהרת כביש תאומה שאורכה יותר מ‑22 קילומטרים החותכת מספר נקעים פעילים באזור עם רעידות חזקות ומתחי סלע גבוהים בשטח. רעידות אדמה קודמות בסין ויפן הראו שמנהרות החוצות נקעים עלולות לסבול מקריסות תקרות, הצפה של רצפה, סדקים רחבים וסלילת כביש שבורה כאשר הנקע מחליק. כדי להבין ולמנוע כשלונות כאלה, בנו החוקרים מודל תלת‑ממדי מפורט המשלב סלע שלם, אזור נקע חלש יותר והקליפה הבטונאית, כולם מסודרים בהתאמה לאחד הנקעים המרכזיים החותכים את קו המנהרה.

לנער את הקרקע בצורה לא אחידה

רוב המחקרים הקודמים הניחו שרעידת האדמה מרעידה את הקרקע מתחת למנהרה באופן אחיד בכל נקודה. במציאות, הצד של הנקע שזז מעלה (ה‑hanging wall) יכול לחוות תנועות ושינויים קבועים שונים מהצד התחתון (ה‑footwall). כאן יצרו החוקרים זוג גלי סייסמיים סינתטיים המבוססים על הקלטות מרעידת אדמה גדולה בקליפורניה. גל אחד כלל הזזה קבועה לחיקוי גרירה של הקרקע על‑ידי הנקע, בעוד שהגל השני לא כלל זאת. הם החילו את התנועה עם ההזזה הקבועה על ה‑hanging wall ואת התנועה הפשוטה על ה‑footwall, מה שאפשר למודל ללכוד כיצד קלטים שונים משני צדי הנקע מסתנכרנים עם החלקה האיטית אך הגדולה של מישור הנקע עצמו.

איפה וכיצד המנהרה נפגעת

הסימולציות מראות שהנזק מרוכז בתוך ובסמוך לגרעין הנקע — החלק הצר והשבור ביותר באזור הנקע — ובמיוחד בהאונצ’ים, הכתפיים המעוגלות שבהן קיר המנהרה ממשיך לתקרה. ככל שהחלקת הנקע גדלה, מדד הנזק בקליפת הבטון מתקרב במהירות לרמה המקושרת לסדקים רחבים העוברים דרכה ואפילו למעיכה. אזורי נזק גבוהים אלה מתפשטים החוצה מגרעין הנקע אל הסלע הסובב, והם עקבית גרועים יותר בצד ה‑hanging wall, שנלחץ ונחתך חזק יותר בנקע הופכי. תבניות המתיחה מגלות שהחתך العرضי של המנהרה נמתח ומודח סביב היקפו, במיוחד בהאונצ’ים, בעוד שהעיוות לאורך ציר המנהרה נשאר יחסית מתון בתנאים טיפוסיים.

תפקיד רוחב הנקע וזוויתו

הצוות חקר גם כיצד עובי אזור הנקע וזווית מישור הנקע משפיעים על הנזק. אזור נקע רחב יותר, המתואר על‑ידי יחס קשיות גבוה יותר בין סלע הנקע לסלע הסובב, מפזר את העיוות בעדינות רבה יותר ומשפר את התאמת התנועה בין המסה הסלעית והקליפה. זה מקטין את שיא הנזק במנהרה בכ‑כ‑45 אחוז, אף על פי שהקליפה בתוך גרעין הנקע עדיין סובלת סדיקות משמעותיות. שינוי זווית הצניחה של הנקע מייצר אפקט סף: כשהנקע בשיפוע מתון (עד כ‑60 מעלות), דפוסי הנזק הכוללים כמעט לא משתנים. בזוויות חדות יותר, עם זאת, הנזק בתוך גרעין הנקע פוחת בעוד שנזק בממשק בין הנקע ל‑hanging wall גדל, והמתחים הצירים — אלה שממתחים או לדחוס את המנהרה לאורך אורכה — עולים בכמה מקטעים מרכזיים בחתך العرضי.

לקחי תכנון למנהרות בטוחות יותר

מהנדסים ימצאו את המסר העיקרי של המחקר בכך שמידת החלקת הנקע היא המניע השולט של נזק למנהרה, יותר מלחצי רוחב הנקע או זוויתה. אזורי ההאונצ’ים זוהו כנקודות הפגיעות העיקריות ולכן כמטרות החשובות ביותר לחיזוק. המחברים מציעים אמצעים כגון חיזוק מקדים של הסלע לפני חפירה בעזרת צינורות קטנים וגראוטינג עמוק, והעברת עובי קליפה מקומי והוספת יותר פלדה בהאונצ’ים שם המרוכזים הלחצים. אף שהמודל מפשט כמה פרטי בנייה, הממצאים — שנבדקו מול נזקים אמיתיים ממנהרה סינית שנפגעה מתזוזת נקע — מספקים הנחיות מעשיות לתכנון מנהרות החוצות נקעים שיתמודדו טוב יותר עם רעידות עתידיות וישמרו קישורי תחבורה קריטיים פתוחים כשצריך אותם ביותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: נזקי מנהרות ברעידת אדמה, חפירה דרך נקעים הופכיים, תכנון סייסמי של מנהרות, תשתיות החוצות נקעים, תגובה תת‑קרקעית לזעזועים