هندسة حفر الأنفاق الخرسانية

ما هي الأنفاق الخرسانية؟

الأنفاقالخرسانية: هي إنشاءات تحتالأرض تستخدم لِلنقل. حيث تُعد هندسة الأنفاق من أكثر التخصصات الهندسية إثارة للاهتمام. كما أن العمل معقد وصعب طوال مساره، رغم أنه مثير للاهتمام. وسيتم مناقشة ميزات ومزايا وعيوب وطرق حفر الأنفاق في البناء.

تعرف الأنفاق بأنها ممرات تحت الأرض تستخدم لأغراض النقل. وهذه تسمح بنقل الركاب والشحنات، أو قد تكون لنقل المرافق مثل المياه والصرف الصحي أو الغاز وما إلى ذلك. حيث تتم العمليات والإنشاءات تحت الأرض دون الإخلال بسطح الأرض، وتسمى هذه العملية بالنفق.

يشكل إنشاء الأنفاق الخرسانية جزءًا كبيرًا من صناعة الهندسة المدنية في كثير من الدول. حيث يشمل ذلك جميع أنواع الأنفاق المختلفة التي تمكن الطرق والسكك الحديدية والكابلات والصرفالصحي وإمداداتالمياه من العمل بفعالية في جميع أنحاء العالم.

توضح هذه المقالة بالتفصيل الطرق المختلفة لبناء الأنفاق وتوضح بعض الأمثلة لاستخدامها في مشاريع البناء الكبرى في جميع أنحاء العالم.

تاريخ إنشاء النفق الأول:

تبين أن النفق الأول قام به المصريون والبابليون منذ 4000 عام. حيث خدم هذا النفق لغرض ربط مبنيين في بابل. وكان الاتصال من القصر الملكي إلى المعبد. كما تم العثور على طول هذا النفق 910 م، وهو مبطن بالطوب.

بناء أكبر نفق قديم:

تم بناء أكبر نفق في العصور القديمة بين نابولي وَبوزولي في عام 36 قبل الميلاد. حيث كان هذا النفق يبلغ طوله 4800 قدمًا وعرضه 25 قدمًا وارتفاعه 30 قدمًا. وكان نفق طريق.كما أنه خلال النصف الثاني من القرن العشرين، ازدهر تطوير المتفجرات والمعدات المتطورة، ممّا جعل عملية حفر الأنفاق أكثر جدوى.

الأنفاق تعمل بشكل أفضل مع الأساليب المختلفة في ظل ظروف مختلفة. ومن ثم، فهي تعتمد على خبرة ومعرفة المهندس. حيث يتم تنفيذ أعمال الأنفاق بشكل أساسي من قبل المهندسين المدنيين.

سَيعلمنا هذا الانضباط، أن المعرفة حول التكنولوجيا الهيكلية وَالمادية ليست كافية. حيث تعتبر المهارات والمعرفة المتساوية والشاملة في الجيولوجيا والهندسة الميكانيكية والميكانيكا الأرضية وتقنيات البناء الجديدة ضرورية أيضًا.

اختيار طريق الأنفاق الخرسانية:

العاملان الرئيسيان اللذان يساعدان في المسار الفعال للنفق الخرساني هما قيود المحاذاة والاعتبارات البيئية. حيث أنه تحت الأرض، كما نعلم غير متجانسة في الطبيعة. ويجب إجراء فحص مناسب لطبيعة التربة والصخور ومستوى منسوب المياه وجميع قيود المحاذاة قبل تحديد المسار.

الموقع الذي تم اختياره لحفر الأنفاق الخرسانية هو طريقة تجعل الإزعاج والصعوبة التي تسببها البيئة في تلك المنطقة بما في ذلك المعيشة في حدها الأدنى. حيث تعتمد طريقة النفق المختارة على ظروف الأرض ومستوى منسوب المياه وطول محرك النفق والقطر وعُمق النفق ومتطلبات المرافق النهائية وشكل النفق وخطر البناء.

مزايا هندسة حفر الأنفاق الخرسانية:

تكتسب طريقة حفر الأنفاق مزايا معينة مقارنة بالطرق الأخرى المذكورة أدناه:

• يعتبر إجراء حفر الأنفاق أكثر اقتصادا بطبيعته، مقارنة بطريقة الخندق المفتوح عندما يكون العمق أكبر من الحد المسموح به.

• لا تتأثر الحياة السطحية أو الأنشطة الأرضية مثل النقل عند إجراء حفر الأنفاق.

• تضمن الطريقة بناء عالي السرعة مع استهلاك منخفض للطاقة
  يقلل التلوث الضوضائي.

• هذه الأساليب خالية من مخاطر الجليد والجبال الجليدية، في المناطق ذات الارتفاعات العالية.

• يقتصر التداخل السطحي والجوي على الأنفاق.

• يساعد توفير الأنفاق ذات التدرجات السهلة في تقليل تكلفة السحب.

• بالنسبة لنقل المرافق العامة، تتميز طريقة حفر الأنفاق بميزة ملحوظة مقارنة بالجسر.

• يتم حل القطع المفتوح الخطير للمبنى القريب، عند الحاجة إليه، عن طريق طريقة حفر الأنفاق.

• توفر الأنفاق حماية أكبر في ظروف الحرب الجوية والقصف.

مساوئ حفر الأنفاق الخرسانية:

تكتسب طريقة حفر الأنفاق بعض العيوب بسبب تعقيدها وصعوبة استخدامها. ومن هذه المساوئ ما يلي:

• تكلفة الاستثمار الأولية لبدء النفق مرتفعة مقارنة بطريقة القطع المفتوح.

• سيعمل المصممون وفريق المهندسين ذوي المهارات العالية والخبرة العالية فقط بشكل أفضل لهذه العملية.

• الإشراف العالي والمستمر من بداية مشروع الأنفاق إلى نهايته ضروري دون أي مساومة.

• تُعد المعدات المتطورة والمتخصصة للغاية ضرورية لأداء عمليات حفر الأنفاق.

مقارنة بين التخفيضات المفتوحة والأنفاق الخرسانية:

هناك دائمًا جدل ينشأ حول التكلفة المستهلكة بين التخفيضات المفتوحة وتقنيات حفر الأنفاق الخرسانية، لاستنتاج أيهما أكثر اقتصادًا. ويجب الوضع في الحسبان العوامل التالية:

• تم العثور على القطع المفتوحة مكلفة للغاية عند القطع العميق للتربة ذات الطبيعة والمنحدرات المختلفة. حيث ستحسب هذه الطريقة الحجم الكبير للحفر، وهو مكلف. في هذه الحالة، ستحقق طريقة حفر الأنفاق اقتصادًا أكثر من التخفيضات المفتوحة.

• عندما تكون مادة الحفر صخرية، فإنّ القطع المفتوح يؤدي بشكل جيد مع كمية أقل من الحفر ويجد أرخص. بينما وجد أن طريقة حفر الأنفاق صعبة لإظهار نشاطها.

• بناءً على متطلبات المواد للتعبئة القريبة، يمكن اقتراح طريقة القطع المفتوح، ولكن وجد أن الأنفاق اقتصادية نسبيًا في العمل. حيث يوصى دائمًا باستخدام طريقة حفر الأنفاق لعُمق القطع الذي يزيد عن 60 قدمًا.

نهج في طريقة الأنفاق الخرسانية:

هناك طريقتان تعتمدان على التخفيضات المفتوحة على طرفي المنحدر. وهم نهج قصير ونهج طويل. حيث يقال إن هذا النهج قصير، عندما يكون منحدر التل شديد الانحدار بطبيعته. ويقال إن هذا النهج طويل جدًا، عندما يكون منحدر التل مسطحًا جدًا.

تعتمد تكلفة هذا بشكل أساسي على تضاريس المنطقة المدروسة. حيث أنه في المرتفعات العالية، ستحد هذه الطرق بالثلج أو قد تسدها الانهيارات الأرضية الشديدة. وهذه هي العوامل التي من شأنها أن تسبب قرار القطع المفتوح أو طريقة النفق.

المحاذاة والدرجة في عملية الأنفاق الخرسانية:

بعض العوامل التي يجب مراعاتها في إجراءات حفر الأنفاق هي:

• يجب أن يكون اختيار أفضل محاذاة واقتصادية مستقيمة بطبيعتها.

• يجب أن يحتوي النفق على درجة أقل من الخارج. ويلاحظ أن الانزلاق المستمر للعجلات في أنفاق السكك الحديدية يحدث بسبب بلل القضبان. وهذا يقلل من قدرة السحب للقاطرات.

• يجب توفير انحدار 0.2% لضمان الصرف المناسب.

• عندما يتعلق الأمر بالأنفاق الطويلة، يجب توفير درجتين في كلا الطرفين حيث ترتفع من كل طرف ثم باتجاه المركز.

• إذا تم توفير الدرجة على جانب واحد، بدلاً من أي جانب، يمكن زيادة فعالية التهوية.

ظروف الأنفاق الخرسانية الخاصة:

في ظروف خاصة مثل إنشاء نفق تحت البحر، يمكن استخدام تقنيات أخرى. وعلى سبيل المثال، في هونغ كونغ، تم إنشاء جميع الأنفاق الثلاثة العابرة للمركبات باستخدام طريقة الأنبوب المغمور. حيث يتم غرق الأجزاء سابقة البناء من النفق في جسم الماء وربطها معًا مرة واحدة في المكان.

هذه الطريقة سريعة وفعالة وأكثر فعالية من حيث التكلفة من الخيارات البديلة للحفر في قاع البحر أو بناء جسر. بالطبع، يتم استخدام الأنابيب المغمورة بالاقتران مع الأنفاق المملّة أو الأنفاق المتفجرة للتوصيل في أي من الطرفين.