DOI: https://doi.org/10.1007/s00603-025-04740-0
تاريخ النشر: 2025-07-07
المؤلف: Pooya Hamdi وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الزلازل والتكتونيات
نظرة عامة
تركز الأبحاث على فهم أحجام وضغوط الإجهاد في الموقع والتوجهات الحرجة لتصميم مشاريع الهندسة تحت الأرض، لا سيما في سياق نفق بيدريتو في جنوب سويسرا. تم تطوير نموذج إجهاد رقمي ثلاثي الأبعاد باستخدام FLAC3D لتحليل تغيرات الإجهاد المتأثرة بالتضاريس، والضغوط التكتونية النشطة، وخصائص الصخور. تم معايرة النموذج باستخدام قياسات الإجهاد في الموقع المحلية التي تم الحصول عليها عبر طريقة الميني-فراك. تشير النتائج إلى أن أحجام وضغوط الإجهاد على طول النفق تتأثر بشكل كبير بالتضاريس والقوى التكتونية، مع انتقال من انزلاق الضغوط بالقرب من مدخل النفق إلى انزلاق عادي عند أعماق أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أن اتجاهات الإجهاد الرئيسية غير عمودية عند أعماق ضحلة، وتصبح أكثر عمودية وأفقية عند أعماق أكبر، مع إظهار نسبة K (الإجهاد الأفقي إلى العمودي) تباينًا كبيرًا اعتمادًا على العمق.
على الرغم من النجاح في التقاط حالة الإجهاد العامة، لم يتمكن النموذج من حساب التباين المحلي في الإجهاد الذي لوحظ في قياسات الميني-فراك، مما يشير إلى الحاجة إلى دمج الهياكل الجيولوجية مثل الفوالق والشقوق. تم تقييم خصائص منطقة تلف الحفر (EDZ) أيضًا، مما كشف أن شكل واتجاه EDZ يتأثر باتجاهات الإجهاد الرئيسية. يهدف مشروع PRE-CODE الجاري إلى التحقيق بشكل أكبر في التطور الزمني لـ EDZ وتأثير الفوالق القريبة، مما يبرز أهمية التباينات المحلية في الإجهاد لسلامة الهياكل تحت الأرض، خاصة في سياق تصميم مستودعات النفايات النووية. ستسعى جهود النمذجة المستقبلية إلى تعزيز فهم هذه الاضطرابات المحلية.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم لفهم أحجام وضغوط الإجهاد الأولية في تصميم مشاريع الهندسة المختلفة، بما في ذلك المنحدرات الصخرية، والأنفاق، وأنظمة الطاقة تحت الأرض. الإجهاد الأولي، أو الإجهاد في الموقع، هو حالة الإجهاد الموجودة مسبقًا في تشكيلات الصخور قبل حدوث أي اضطرابات ناتجة عن الإنسان. تتأثر تعقيدات وتباينات الإجهاد في الموقع في قشرة الأرض بالقوى الجاذبية والتكتونية، التي تختلف على المستوى الإقليمي والمحلي. توضح الورقة أهمية هذه الحالات من الإجهاد في تحديد سلوك الهياكل تحت الأرض، مع تسليط الضوء على العلاقة بين أحجام وضغوط الإجهاد وقوة الصخور.
يشير المؤلفون إلى أنه بينما استخدمت الدراسات الحالية نماذج رقمية لمحاكاة حقول الإجهاد في الموقع، غالبًا ما تفتقر هذه النماذج إلى الدقة المكانية والمعايرة الشاملة مع البيانات المحلية. تعتبر “BedrettoLab”، وهي منشأة بحثية تحت الأرض في سويسرا، نقطة محورية للبحث المستمر في الطاقة الحرارية الأرضية والزلازل الناتجة. لتعزيز فهم توزيع الإجهاد المحلي، طور المؤلفون نموذج إجهاد رقمي متقدم باستخدام FLAC3D، مع دمج التضاريس التفصيلية والطبقات المبسطة. يهدف هذا النموذج إلى تقديم تمثيل أكثر دقة لحقل الإجهاد في وادي بيدريتو، تم معايرته ضد قياسات آبار الميني-فراك وملاحظات تلف الحفر، مما يمهد الطريق لدراسات جيوميكانيكية مستقبلية مع تحسين الدقة والتعقيد.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، كانت أحجام التأثير الملحوظة كبيرة، مما يدل على تأثير ذي مغزى للمتغير المستقل على المتغير التابع.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتناسب جيدًا مع البيانات، كما يتضح من قيمة R-squared العالية، مما يشير إلى أن نسبة كبيرة من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيرها بواسطة المتغيرات المستقلة المدرجة في النموذج. تدعم هذه النتائج الفرضيات الأولية وتوفر أساسًا قويًا لمزيد من الاستكشاف في الأبحاث اللاحقة.
المناقشة
تعتبر منطقة وادي بيدريتو في جنوب سويسرا نقطة محورية لهذه الدراسة، لا سيما نفق بيدريتو، الذي يتصل بالبنى التحتية الكبيرة تحت الأرض. تم بناء النفق بين عامي 1971 و1982، ويعبر منظرًا جيولوجيًا معقدًا تهيمن عليه صخور الجرانيت فاريسكان روتوندو، مع طبقات إضافية تشمل سلسلة تريمولا وبراتو. يتميز التركيب الجيولوجي بتنوع الصخور المتحولة، حيث تعتبر جرانيت روتوندو الوحدة الرئيسية، التي تشكل حوالي 80% من طبقات النفق. كما تتميز منطقة الدراسة بنظام إجهاد معقد يتأثر بكل من التكتونيات الإقليمية والتضاريس المحلية، حيث يكون الإجهاد الأفقي الأقصى ($SH_{max}$) موجهًا من الشمال الغربي إلى الجنوب الشرقي، متماشيًا مع أنماط الإجهاد الأوسع التي لوحظت في جبال الألب الجنوبية.
كشفت قياسات الإجهاد في الموقع التي أجريت في BedrettoLab باستخدام طرق التكسير الهيدروليكي عن حالة إجهاد انتقالية بين الانزلاق العادي والانزلاق الجانبي، مع تباينات كبيرة في أحجام وضغوط الإجهاد على طول النفق. تشير النتائج إلى أن الإجهاد الأفقي الأقصى غالبًا ما يكون أكبر من الإجهاد العمودي، لا سيما بالقرب من مدخل النفق، حيث تكون تأثيرات التضاريس بارزة. مع زيادة العمق، يتناقص تأثير التضاريس على اتجاه الإجهاد، مما يؤدي إلى مزيد من الضغوط الرئيسية العمودية والأفقية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر منطقة تلف الحفر (EDZ) داخل النفق خصائص غير متماثلة، تعكس التفاعل المعقد بين العوامل الجيولوجية والإجهاد. تستخدم الدراسة نموذج FLAC3D ثلاثي الأبعاد لمحاكاة توزيعات الإجهاد، مما يحقق صحة النموذج مقابل حالات الإجهاد المقاسة ويوفر رؤى حول تأثير التضاريس والقوى التكتونية على نظام الإجهاد داخل نفق بيدريتو.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00603-025-04740-0
Publication Date: 2025-07-07
Author(s): Pooya Hamdi et al.
Primary Topic: earthquake and tectonic studies
Overview
The research focuses on understanding in situ stress magnitudes and orientations critical for the design of underground engineering projects, particularly in the context of the Bedretto Tunnel in southern Switzerland. A 3D numerical stress model was developed using FLAC3D to analyze stress variations influenced by topography, active tectonic stresses, and rock properties. The model was calibrated with local in situ stress measurements obtained via the mini-frac method. Findings indicate that stress magnitudes and orientations along the tunnel are significantly affected by topography and tectonic forces, with a transition from strike-slip faulting near the tunnel portal to normal faulting at greater depths. Additionally, the study highlights that principal stress orientations are non-vertical at shallow depths, becoming more vertical and horizontal at greater depths, with the K-ratio (horizontal to vertical stress) showing considerable variation depending on depth.
Despite successfully capturing the overall stress state, the model could not account for local stress heterogeneity observed in the mini-frac measurements, suggesting the need for incorporating geological structures such as faults and fractures. The excavation damage zone (EDZ) characteristics were also assessed, revealing that the EDZ’s shape and orientation are influenced by the principal stress orientations. The ongoing PRE-CODE Project aims to further investigate the EDZ’s time-dependent development and the impact of nearby faults, emphasizing the importance of local stress variations for the integrity of underground structures, especially in the context of nuclear waste repository design. Future modeling efforts will seek to enhance the understanding of these local perturbations.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of understanding initial stress magnitudes and orientations in the design of various engineering projects, including rock slopes, tunnels, and underground energy systems. Initial stress, or in situ stress, is the pre-existing stress state in rock formations before any human-induced disturbances occur. The complexity and heterogeneity of in situ stress in the Earth’s crust are influenced by gravitational and tectonic forces, which vary regionally and locally. The paper outlines the significance of these stress states in determining the behavior of underground structures, highlighting the relationship between stress magnitudes, orientations, and rock strength.
The authors note that while existing studies have utilized numerical models to simulate in situ stress fields, these models often lack spatial resolution and comprehensive calibration with local data. The “BedrettoLab,” an underground research facility in Switzerland, serves as a focal point for ongoing research into geothermal energy and induced seismicity. To enhance understanding of local stress distributions, the authors developed an advanced numerical stress model using FLAC3D, incorporating detailed topography and simplified lithology. This model aims to provide a more accurate representation of the stress field in the Bedretto Valley, calibrated against mini-frac borehole measurements and excavation damage observations, thereby laying the groundwork for future geomechanical studies with improved resolution and complexity.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experiments conducted. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the observed effect sizes were substantial, indicating a meaningful impact of the independent variable on the dependent variable.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model fits the data well, as evidenced by a high R-squared value, which suggests that a considerable proportion of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables included in the model. These findings support the initial hypotheses and provide a robust foundation for further exploration in subsequent research.
Discussion
The Bedretto Valley region in southern Switzerland serves as the focal point for this study, particularly the Bedretto Tunnel, which connects to significant underground infrastructures. Constructed between 1971 and 1982, the tunnel traverses a complex geological landscape dominated by Variscan Rotondo granite, with additional lithologies including the Tremola and Prato series. The geological composition is characterized by various metamorphic rocks, with the Rotondo granite being the primary unit, comprising approximately 80% of the tunnel’s lithology. The study area also features a complex stress regime influenced by both regional tectonics and local topography, with the maximum horizontal stress ($SH_{max}$) oriented NW-SE, consistent with the broader stress patterns observed in the Southern Alps.
In situ stress measurements conducted at the BedrettoLab using hydraulic fracturing methods have revealed a transitional stress state between normal and strike-slip faulting, with significant variations in stress magnitudes and orientations along the tunnel. The results indicate that the maximum horizontal stress is often greater than the vertical stress, particularly near the tunnel entrance, where topographical effects are pronounced. As depth increases, the influence of topography on stress orientation diminishes, leading to more vertical and horizontal principal stresses. Additionally, the excavation damage zone (EDZ) within the tunnel exhibits asymmetrical characteristics, reflecting the complex interplay of geological and stress factors. The study employs a 3D FLAC3D model to simulate stress distributions, validating the model against measured stress states and providing insights into the impact of topography and tectonic forces on the stress regime within the Bedretto Tunnel.