بناء النفق

بناء النفق

يتم حفر الأنفاق في أنواع من المواد تتراوح من الطين الناعم إلى الصخور الصلبة. تعتمد طريقة بناء النفق على عوامل مثل ظروف الأرض وظروف المياه الجوفية وطول وقطر محرك النفق وعمق النفق واللوجستيات لدعم حفر النفق والاستخدام النهائي وشكل النفق وإدارة المخاطر المناسبة. بناء النفق هو مجموعة فرعية من البناء تحت الأرض .

هناك ثلاثة أنواع أساسية من إنشاءات الأنفاق شائعة الاستخدام:

• نفق قطع وتغطية ، تم بناؤه في خندق ضحل ثم تغطيته.
• نفق ممل ، شيد في الموقع ، دون إزالة الأرض فوقه. عادة ما تكون ذات مقطع عرضي دائري أو حدوة حصان. تنطبق بعض مفاهيم التعدين تحت الأرض . تشمل التقنيات الحديثة الخرسانة المرشوشة المستخدمة في طريقة الأنفاق النمساوية الجديدة ، أو استخدام آلة حفر الأنفاق (TBM) أو درع الأنفاق . ولكن لا تزال الأنفاق يتم إنشاؤها والتي يتم تأمينها باستخدام دعائم الحفرة والتدعيم ثم يتم تثبيتها أو ضبط دعامات المؤقت . التقنيات المعروفة من الخزائن البرميلية مفيدة.
• نفق أنبوبي مغمور ، يغرق في جسم مائي ويوضع فوق سريره أو يدفن أسفله مباشرة.

التكلفة

أظهرت التجارب في عام 2017 أن أنفاق TBM لمترو الأنفاق تكلف حوالي 500 مليون يورو لكل كيلومتر. في سويسرا ، تم حساب الكيلومتر من نفق الطريق السريع بنحو 300 مليون فرنك سويسري ، في ذلك الوقت 200 مليون يورو. النفق تحت البحر بين الدنمارك وألمانيا من المقرر أن تبلغ مساحته 425 مليون لكل كيلومتر في عام 2015. ^{[1] [2] [3]}

قص وتغطية

بناء قص وتغطية لمترو باريس في فرنسا

القطع والتغطية هي طريقة بسيطة لبناء الأنفاق الضحلة حيث يتم حفر الخندق وتغطيته بنظام دعم علوي قوي بما يكفي لتحمل حمولة ما سيتم بناؤه فوق النفق. يتوفر نوعان أساسيان من حفر الأنفاق المقطوعة والغطاء:

• طريقة من أسفل إلى أعلى : يتم حفر الخندق مع دعم أرضي حسب الضرورة ، ويتم إنشاء نفق فيه. قد يكون النفق من خرسانة في الموقع أو خرسانة سابقة الصب أو أقواس مسبقة الصب أو أقواس فولاذية مموجة ؛ في الأيام الأولى تم استخدام الطوب. ثم يتم ملء الخندق بعناية وإعادة السطح.
• طريقة من أعلى إلى أسفل : يتم بناء جدران الدعم الجانبية وعوارض السد من مستوى الأرض بطرق مثل الجدران الملاط أو الركائز المتجاورة. ثم يسمح الحفر الضحل بصنع سقف النفق من عوارض مسبقة الصب أو الخرسانة في الموقع. ثم يتم إعادة السطح إلى وضعه السابق باستثناء فتحات الوصول. وهذا يسمح بإعادة الطرق والخدمات والميزات السطحية الأخرى إلى وضعها السابق. ثم يتم التنقيب تحت سقف النفق الدائم ، ويتم إنشاء بلاطة القاعدة.

غالبًا ما تكون الأنفاق الضحلة من النوع المقطوع والغطاء (إذا كانت تحت الماء ، من نوع الأنبوب المغمور) ، بينما يتم حفر الأنفاق العميقة ، غالبًا باستخدام درع نفق . بالنسبة للمستويات المتوسطة ، كلتا الطريقتين ممكنتين.

غالبًا ما تستخدم صناديق القطع والتغطية الكبيرة لمحطات مترو الأنفاق ، مثل محطة مترو أنفاق كناري وارف في لندن. يتكون نموذج البناء هذا عمومًا من مستويين ، مما يسمح بالترتيبات الاقتصادية لقاعة التذاكر ومنصات المحطة ووصول الركاب وخروج الطوارئ والتهوية والتحكم في الدخان وغرف الموظفين وغرف المعدات. تم تشبيه الجزء الداخلي من محطة كناري وارف بكاتدرائية تحت الأرض ، بسبب الحجم الهائل للتنقيب. هذا يتناقض مع العديد من المحطات التقليدية في مترو أنفاق لندن، حيث تم استخدام الأنفاق الممللة للمحطات ووصول الركاب. ومع ذلك ، تم إنشاء الأجزاء الأصلية من شبكة مترو أنفاق لندن ، متروبوليتان ومقاطعة سكك حديدية ، باستخدام القص والتغطية. كانت هذه الخطوط مؤرخة مسبقًا من الجر الكهربائي والقرب من السطح مفيدًا لتهوية الدخان والبخار المحتوم.

العيب الرئيسي للقطع والتغطية هو الاضطراب الواسع النطاق المتولد على مستوى السطح أثناء البناء. أدى هذا ، بالإضافة إلى توفر الجر الكهربائي ، إلى تحول مترو أنفاق لندن إلى الأنفاق المملة على مستوى أعمق في نهاية القرن التاسع عشر.

آلات الحفر

يتضاءل حجم العامل أمام آلة حفر الأنفاق المستخدمة في حفر نفق غوتهارد الأساسي ( سويسرا ) ، الأطول في العالم.

تُستخدم آلات حفر الأنفاق وأنظمة الدعم المرتبطة بها لأتمتة عملية حفر الأنفاق بأكملها ، مما يقلل من تكاليف حفر الأنفاق. في بعض التطبيقات التي يغلب عليها الطابع الحضري ، يُنظر إلى حفر الأنفاق على أنه بديل سريع وفعال من حيث التكلفة لوضع القضبان السطحية والطرق. إلغاء الشراء الإجباري الباهظ للمباني والأراضي ، مع استفسارات التخطيط المطولة. تنشأ مساوئ آلات TBM من حجمها الكبير عادة - صعوبة نقل TBM الكبيرة إلى موقع بناء النفق ، أو (بدلاً من ذلك) التكلفة العالية لتجميع TBM في الموقع ، غالبًا داخل حدود النفق الذي يتم بناؤه.

هناك مجموعة متنوعة من تصميمات TBM التي يمكن أن تعمل في مجموعة متنوعة من الظروف ، من الصخور الصلبة إلى الأرض الحاملة للمياه الناعمة. تحتوي بعض أنواع آلات TBMs ، ملاط ​​البنتونيت وآلات موازنة ضغط الأرض ، على مقصورات مضغوطة في الواجهة الأمامية ، مما يسمح باستخدامها في الظروف الصعبة أسفل منسوب المياه الجوفية . هذا يضغط على الأرض قبل رأس القاطع TBM لموازنة ضغط الماء. يعمل المشغلون بضغط الهواء العادي خلف المقصورة المضغوطة ، ولكن قد يضطرون أحيانًا إلى دخول تلك الحجرة لتجديد أو إصلاح القواطع. يتطلب ذلك احتياطات خاصة ، مثل المعالجة الأرضية الموضعية أو إيقاف آلة TBM في موضع خالٍ من الماء. على الرغم من هذه الصعوبات ، تُفضل الآن آلات TBMs على الطريقة القديمة للحفر النفقي في الهواء المضغوط ، باستخدامغرفة قفل / فك ضغط الهواء تعود إلى حد ما من آلة TBM ، الأمر الذي يتطلب من المشغلين العمل تحت ضغط مرتفع والخضوع لإجراءات إزالة الضغط في نهاية نوباتهم ، مثل الكثير من الغواصين في أعماق البحار .

في فبراير 2010 ، قام Aker Wirth بتسليم TBM إلى سويسرا لتوسيع محطات Linth-Limmern للطاقة الواقعة جنوب لينثال في كانتون جلاروس . يبلغ قطر البئر 8.03 متر (26.3 قدمًا). ^[4] يبلغ قطر آلات الحفر الأربع (TBM) المستخدمة في حفر نفق غوتهارد الأساسي البالغ طوله 57 كيلومترًا (35 ميلًا) في سويسرا حوالي 9 أمتار (30 قدمًا). تم بناء TBM أكبر لتحمل نفق Green Heart (بالهولندية: Tunnel Groene Hart) كجزء من HSL -Zuid في هولندا ، بقطر 14.87 متر (48.8 قدم). [ ^5] وهذا بدوره حل محل طريق مدريد الدائري M30 بإسبانياوأنفاق تشونغ مينغ في شنغهاي بالصين . تم بناء كل هذه الآلات جزئيًا على الأقل بواسطة Herrenknecht . اعتبارًا من يناير 2023 ^[update]، كانت أكبر آلة TBM من حيث قطر الرأس تم بناؤها على الإطلاق هي Tuen Mun Chek Lap Kok TBM ، وهي آلة يبلغ قطرها 17.6 مترًا (58 قدمًا) تم بناؤها بواسطة Herrenknecht ، من أجل Tuen Mun-Chek Lap Kok Link في هونغ كونغ . ^[6]

ركل الطين

الركل بالطين هو طريقة متخصصة تم تطويرها في المملكة المتحدة لحفر الأنفاق في هياكل التربة القوية القائمة على الطين. على عكس الطرق اليدوية السابقة لاستخدام المعول التي اعتمدت على أن بنية التربة صلبة ، كان الركل بالطين صامتًا نسبيًا وبالتالي لم يضر بالبنى الطينية الناعمة. تقع أداة رفع الطين على لوح خشبي بزاوية 45 درجة بعيدًا عن وجه العمل ويدخل أداة ذات نهاية دائرية تشبه الكوب مع القدمين. من خلال تدوير الأداة يدويًا ، يستخرج الكيكر جزءًا من التربة ، ثم يتم وضعه على مستخلص النفايات.

استخدمت هذه الطريقة في الهندسة المدنية الفيكتورية ، ووجدت تفضيلًا في تجديد أنظمة الصرف الصحي القديمة في بريطانيا ، من خلال عدم الاضطرار إلى إزالة جميع الممتلكات أو البنية التحتية لإنشاء نظام نفق صغير. خلال الحرب العالمية الأولى ، تم استخدام النظام من قبل شركات حفر الأنفاق Royal Engineer لوضع الألغام تحت خطوط الإمبراطورية الألمانية . كانت الطريقة صامتة تقريبًا وبالتالي لم تكن عرضة لأساليب الكشف عن الإصغاء. ^[7]

مهاوي

رسم توضيحي عام 1886 يُظهر نظام التهوية والصرف لنفق سكة حديد ميرسي

في بعض الأحيان يكون من الضروري وجود عمود وصول مؤقت أثناء حفر النفق. عادة ما تكون دائرية وتتجه لأسفل مباشرة حتى تصل إلى المستوى الذي سيتم بناء النفق عنده. يحتوي العمود عادةً على جدران خرسانية وعادة ما يتم بناؤه ليكون دائمًا. بمجرد اكتمال مهاوي الوصول ، يتم إنزال آلات TBM إلى الأسفل ويمكن أن يبدأ الحفر. الأعمدة هي المدخل الرئيسي داخل وخارج النفق حتى اكتمال المشروع. إذا كان النفق سيكون طويلًا ، فقد يتم ملل العديد من الأعمدة في مواقع مختلفة بحيث يكون مدخل النفق أقرب إلى المنطقة غير المحفورة. ^[8]

بمجرد اكتمال البناء ، غالبًا ما تُستخدم أعمدة الوصول للبناء كأعمدة تهوية ، ويمكن أيضًا استخدامها كمخارج للطوارئ.

تقنيات رش الخرسانة

تم تطوير طريقة الأنفاق النمساوية الجديدة (NATM) في الستينيات وهي أشهر الممارسات الهندسية التي تستخدم قياسات محسوبة وتجريبية لتوفير دعم آمن لبطانة النفق. الفكرة الرئيسية لهذه الطريقة هي استخدام الضغط الجيولوجي للكتلة الصخرية المحيطة لتحقيق الاستقرار في النفق ، من خلال السماح بالاسترخاء المقاس وإعادة تعيين الضغط في الصخور المحيطة لمنع الأحمال الكاملة من أن تصبح مفروضة على الدعامات. بناءً على القياسات الجيوتقنية ، يتم حساب المقطع العرضي الأمثل. الحفر محمي بطبقة من الخرسانة المرشوشة ، يشار إليها عادة باسم الخرسانة المرشوشة. يمكن أن تشمل تدابير الدعم الأخرى الأقواس الفولاذية والمسامير الصخرية والشبكات. أدت التطورات التكنولوجية في تكنولوجيا الخرسانة المرشوشة إلى إضافة ألياف الصلب والبولي بروبيلين إلى مزيج الخرسانة لتحسين قوة البطانة. يؤدي هذا إلى إنشاء حلقة حاملة طبيعية ، مما يقلل من تشوه الصخور .

نفق مرافق بطارية Illowra ، ميناء كيمبلا. أحد المخابئ العديدة جنوب سيدني .

من خلال المراقبة الخاصة ، تكون طريقة NATM مرنة ، حتى مع التغييرات المفاجئة في تناسق الصخور الجيوميكانيكية أثناء عمل الأنفاق. تؤدي خصائص الصخور المقاسة إلى أدوات مناسبة لتقوية الأنفاق . في العقود الأخيرة ، أصبحت الحفريات الأرضية الناعمة التي تصل إلى 10 كيلومترات (6.2 ميل) أمرًا معتادًا.

رفع الأنابيب

في الرافعات الأنبوبية ، تُستخدم الرافعات الهيدروليكية لدفع الأنابيب المصنوعة خصيصًا عبر الأرض خلف TBM أو الدرع. تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لإنشاء أنفاق تحت الهياكل القائمة ، مثل الطرق أو السكك الحديدية. عادة ما تكون الأنفاق التي يتم إنشاؤها عن طريق رفع الأنابيب عبارة عن فتحات ذات قطر صغير بحد أقصى يبلغ حوالي 3.2 متر (10 قدم).

اقتحام الصندوق

يشبه الرافعة الصندوقية الرافعة الأنبوبية ، ولكن بدلاً من أنابيب الرفع ، يتم استخدام نفق على شكل صندوق. يمكن أن تكون الصناديق ذات الرافعة أكبر بكثير من مقبس الأنبوب ، حيث يزيد امتداد بعض الرافعات الصندوقية عن 20 مترًا (66 قدمًا). عادةً ما يتم استخدام رأس القطع في مقدمة الصندوق الذي يتم رفعه ، ويتم إزالة التلف عادةً بواسطة حفارة من داخل الصندوق. مكنت التطورات الأخيرة في Jacked Arch و Jacked deck من تثبيت هياكل أطول وأكبر لإحكام الدقة. الممر السفلي الممتد بطول 126 مترًا والذي يبلغ طوله 20 مترًا أسفل خطوط السكك الحديدية عالية السرعة في كليفسيند في كينت بالمملكة المتحدة.

الأنفاق تحت الماء

نفق القرش في جورجيا أكواريوم

هناك أيضًا عدة طرق للأنفاق تحت الماء ، وأكثرها شيوعًا الأنفاق المملّة أو الأنابيب المغمورة ، ومن الأمثلة على ذلك نفق Bjørvika و Marmaray . الأنفاق العائمة المغمورة هي نهج جديد قيد الدراسة ؛ ومع ذلك ، لم يتم إنشاء مثل هذه الأنفاق حتى الآن.

الأنفاق الأرضية

يتم استخدام نوع جديد من الأنفاق لتقليل التأثير البيئي للطرق السريعة أو السكك الحديدية: الأنفاق الأرضية. هذه ليست أنفاقًا تحت الأرض ، لكنها مبنية على مستوى الأرض. يمكن رفع المنطقة الحضرية المجاورة للنفق مع الأرض أو المباني (على سبيل المثال مرافق وقوف السيارات) لتحسين تكامل النفق في المنطقة المجاورة. من الأمثلة المبكرة الجيدة على مثل هذا النفق الأرضي نفق الطريق السريع A2 في Leidsche Rijn ، بالقرب من مدينة أوتريخت الهولندية. ^[9]

طريقة مؤقتة

أثناء بناء النفق ، غالبًا ما يكون من الملائم تركيب سكة حديد مؤقتة ، خاصة لإزالة المخلفات المحفورة ، والتي غالبًا ما تكون ذات مقياس ضيق بحيث يمكن أن يكون مسارًا مزدوجًا للسماح بتشغيل القطارات الفارغة والمحملة في نفس الوقت. يتم استبدال الطريقة المؤقتة بالطريقة الدائمة عند الانتهاء ، وبالتالي شرح مصطلح "بيرواي".

تكبير

نفق مرافق في براغ

يمكن للمركبات أو حركة المرور التي تستخدم النفق أن تتخطى ذلك ، مما يتطلب الاستبدال أو التوسيع:

• تمت إزالة النفق الذي يبلغ طوله ميلاً مزدوجًا عام 1832 من إيدج هيل إلى شارع لايم في ليفربول تمامًا ، بصرف النظر عن قسم بطول 50 مترًا في إيدج هيل وقسم قريب من شارع لايم ، حيث كانت هناك حاجة إلى أربعة مسارات. تم حفر النفق في قطع عميق من أربعة مسارات ، مع وجود أنفاق قصيرة في أماكن على طول القطع. لم تنقطع خدمات القطارات مع تقدم العمل. ^{[10] [11]} هناك حالات أخرى من الأنفاق يتم استبدالها بقطع مفتوحة ، على سبيل المثال ، نفق أوبورن .
• تم توسيع نفق Farnworth في إنجلترا باستخدام آلة حفر الأنفاق (TBM) في عام 2015. ^[12] تم توسيع نفق Rhyndaston باستخدام آلة TBM مستعارة حتى يتمكن من أخذ حاويات ISO .

حفرة بناء مفتوحة

تتكون حفرة المبنى المفتوحة من حد أفقي ورأسي يحافظ على المياه الجوفية والتربة خارج الحفرة. هناك العديد من البدائل والتركيبات المحتملة لحدود حفرة البناء (الأفقية والرأسية). يتمثل الاختلاف الأكثر أهمية في عملية القطع والغطاء في أن حفرة المبنى المفتوحة يتم كتم صوتها بعد إنشاء النفق ؛ لا يوجد سقف. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

انظر أيضا

• الأنفاق الدقيقة
• حفر وتفجير
• الفاصل الهيدروليكي

المراجع