Installation-Delay Effects on Passive-Bolt Anchorage in Squeezing Railway Tunnels: An Analytical Framework for Support Transition and Cost Optimization

في أعماق الأرض، حيث تكون الكتل الصخرية متصدعة وتحت ضغط هائل، يعد بناء نفق بمثابة تفاوض دقيق بين الهندسة البشرية والقوة الجيولوجية. فعندما يحفر المهندسون عبر مثل هذه الأرض "المتضيقة" (squeezing ground)، لا تظل الصخور ساكنة ببساطة؛ بل تتشوه ببطء نحو الداخل، محاولةً إغلاق المساحة التي خلفتها عملية الحفر. ولإبقاء النفق مفتوحاً، يعتمد البناؤون على نظام دعم فوري، يتضمن عادةً طبقات من الخرسانة المرشوشة والبراغي الفولاذية المثبتة في الصخر لتماسكه. ويعد التوقيت تحدياً جوهرياً في هذا العمل؛ ففي اللحظة التي يتم فيها كشف وجه النفق، تبدأ الصخور في الاسترخاء والتحرك. وإذا لم يتم تركيب نظام الدعم فوراً، فإن الصخور تتحرك أكثر قبل أن تتمكن البراغي والخرسانة من الإمساك بها. وهذا التأخير يغير كيفية سلوك نظام الدعم، بطرق غالباً ما لا تتنبأ بها الحسابات القياسية. ويحتاج المهندسون إلى معرفة متى سيفشل نظام بسيط من البراğı القصيرة والخرسانة بدقة، ومتى يجب عليهم الانتقال إلى نظام تثبيت أعمق وأكثر قوة لمنع الانهيار، كل ذلك مع الحفاظ على الجدوى المالية للمشروع.

وفي دراسة جديدة، طور الباحثون إطار عمل عملياً للإجابة على هذه التساؤلات بالنسبة لأنفاق السكك الحديدية عالية السرعة، وبالتحديد من خلال النظر في كيفية تأثير تأخير التركيب على أداء براغي الصخور السلبية (passive rock bolts). وقد جمع الفريق بين طريقة تحليلية معروفة للتنبؤ بحركة الأرض ونموذج اقتصادي مفصل لمحاكاة ما يحدث عندما لا يتم تطبيق الدعم بشكل فوري. وركزوا على سيناريو تكون فيه جودة الصخور ضعيفة والنفق عميقاً، وهي ظروف شائعة في المناطق النشطة تكتونياً في فيتنام، حيث يجري التخطيط لخط سكة حديد جديد شمال-جنوب عالي السرعة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان النهج القياسي — باستخدام براغي قصيرة وطبقة من الخرسانة المرشوشة — يمكنه الصمود أمام الحركة الإضافية الناتجة عن تأخيرات الإنشاء، أم أن الصخور ستتحرك لدرجة تجعل البراغي تنخلع ببساطة من الأرض قبل أن تؤدي وظيفتها.

تكشف الدراسة أن توقيت الإنشاء لا يقل أهمية عن قوة المواد. ففي عمليات المحاكاة التي أجروها، وجد الباحثون أنه مع تدهور جودة الصخور، تتوسع منطقة الصخور المكسورة وغير المستقرة حول النفق بسرعة. وبالنسبة للبراغي القياسية بطول 3.95 متراً المستخدمة في نموذجهم المرجعي، هناك نقطة تحول محددة؛ فعندما تنخفض جودة الصخور دون تصنيف معين، تكبر المنطقة المكسورة لدرجة أنها تبتلع كامل طول البرغي الذي من المفترض أن يكون مثبتاً في الصخر الصلب. وبمجرد حدوث ذلك، يفقد البرغي قبضته ولم يعد بإمكانه تثبيت النفق، بغض النظر عن مدى قوة البطانة الخرسانية. وقد حدد الباحثون هذه المنطقة الانتقالية الخطيرة عندما يقع تصنيف كتلة الصخور بين 48.2 و50.1. في هذا النطاق الضيق، يتسبب التأخير في تركيب الدعم في تحريك الصخور بما يكفي لجعل البراغي القصيرة القياسية عديمة الفائدة، مما يفرض الانتقال إلى استراتيجية مختلفة.

ولفهم الأثر المالي لهذا الفشل الميكانيكي، أنشأ الفريق نموذج تكلفة معيارياً يجرد التقلبات في العملات والتضخم لمقارنة التكلفة الحقيقية للموارد لاستراتيجيات الدعم المختلفة. وقد اختبروا سيناريو حاداً كانت فيه جودة الصخور سيئة جداً، بتصنيف قدره 35. في هذه الحالة، فشلت البراغي القصيرة القياسية تماماً لأن منطقة الصخر المكسور كانت عميقة للغاية. ولم يكن مجرد إضافة المزيد من البراغي القصيرة أو جعل الخرسانة أكثر سمكاً حلاً للمشكلة، لأن هذه الإجراءات لم تصل بعمق كافٍ إلى الصخر المستقر لتوفير مرساة آمنة. وكان الحل الوحيد الذي نجح في المحاكاة هو الانتقال إلى كابلات التثبيت العميقة والمشدودة مسبقاً. وكان الحل الأمثل رياضياً لهذا التثبيت العميق هو طول 9.61 متراً. ومع ذلك، ولأن الإنشاء يتطلب أرقاماً صحيحة عملية ويأخذ في الاعتبار هدر المواد، فقد حسب الباحثون أن وتر الكابل القياسي بطول 10 أمتار سيكون هو الحل الجاهز للميدان. وقد أدى هذا التعديل إلى رفع التكلفة المقدرة إلى 3,105.4 وحدة تكلفة لكل متر من النفق، وهو رقم يمثل الطريقة الأكثر كفاءة لتأمين النفق في هذه الظروف الصعبة دون الإسراف في إجراءات غير فعالة.

وقام الباحثون بالتحقق من صحة نهجهم من خلال مقارنة نتائجهم مع بيانات واقعية من نفق "دريسكوس" التوأم في اليونان، وهو موقع معروف بتربة متضيقة شديدة وجودة صخور ضعيفة. في ذلك النفق، اضطر المهندسون إلى تركيب كابلات طويلة ومشدودة لأن البراغي القصيرة والخرسانة الأولية لم تكن كافية لوقف التشوه. وقد نجح النموذج الجديد في إعادة إنتاج الاتجاه العام لحركة الأرض الملحوظة في اليونان، حيث توقع تشوهاً نهائياً للنفق ضمن نطاق 8.2 بالمائة من القياسات الفعلية المسجلة هناك. وتؤكد هذه المطابقة الوثيقة أن إطار العمل موثوق للتنبؤ بمتى سيفشل نظام الدعم بسبب تأخيرات التركيب. وتؤكد الدراسة أنه في الأرض الضعيفة، فإن انتظار وقت قصير حتى لتركيب الدعم يمكن أن يدفع الصخور إلى ما وراء النقطة التي يمكن للبراغي القصيرة عندها أن تمسك بها، مما يستلزم الانتقال إلى تثبيت أعمق وأكثر تكلفة.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل أداة للمهندسين لاتخاذ قرارات أفضل خلال مرحلة التصميم المبكر للأنفاق الكبيرة. فهو يتجاوز الافتراض بأن جميع أجزاء نظام الدعم تعمل معاً بشكل مثالي منذ لحظة تركيبها، وبدلاً من ذلك، يقر بأنه في العالم الحقيقي، تحدث التأخيرات، ويمكن لهذه التأخيرات أن تغير فيزياء المشكلة تماماً. ومن خلال تحديد عتبات جودة الصخور المحددة التي تفشل عندها البراغي القصيرة، تساعد الدراسة المهندسين على التخطيط لنوع الدعم المناسب قبل بدء الإنشاء. وهذا يمنع الخطأ المكلف المتمثل في بناء نفق يبدو ملائماً على الورق ولكنه يفشل في الواقع لأن الصخور تحركت كثيراً قبل أن تتمكن البراغي من الإمساك بها. وتشير النتائج إلى أنه بالنسبة للأنفاق في الأرض المتضيقة، فإن مفتاح السلامة وكفاءة التكلفة يكمن في إدراك متى تكون الصخور مكسورة جداً بالنسبة للحلول البسيطة، وامتلاك الاستشراف لاستخدام أنظمة تثبيت أعمق وأكثر نشاطاً.