النفق :
يعتبر النفق من المنشآت المهمة التي حلت العديد من المشاكل الاقتصادية التي واجهت إنشاء الطرق و السكك الحديدية في العديد من البلدان التي تتسم بطبيعة جبلية.
فما هو النفق؟
إن النفق عبارة عن أنبوب مجوّف يمتد خلال الأرض أو الحجارة وإن بناء النفق أحد أكثر التحديات المعقّدة في حقل الهندسة المدنية وتعتبر العديد من الأنفاق تحف تقنية وأكثر الحكومات تعطي مهندسي الأنفاق شرف الأبطال وهذا بالطبع لا يعني بأن بعض مشاريع حفر الأنفاق لم تصادف عقبات رئيسية ففي مشروع نفق شريان المواصلات المركزي (Big Dig) في بوسطن ـ ماسوشوستس أصيب بتخطيات الكلفة الهائلة وبادعاءات الفساد وانهيار جزئي للسقف الذي أدّى إلى مصيبة ولكن هذه التحديات لم توقف المهندسين من الحلم بأفكار أكبر وأجرأ مثل بناء النفق عبر الأطلسي للربط بين نيويورك ولندن.
سنستكشف في هذه المقالة ما الذي يجعل من الأنفاق الحلّ المثالي لسكك الحديد والطرق والمرافق العامّة والاتصالات وسنرى ميزات الأنفاق وكم نفق بني حتى الآن وسنستعرض أيضاً مشروع (Big Dig) بالتفصيل لمعرفة التحديات والفرص المتعلقة ببناء الأنفاق وسنرى أخيراً مستقبل هذه الأنفاق.
إن النفق عبارة عن أنبوب مجوّف يمتد خلال الأرض أو الحجارة وإن بناء النفق أحد أكثر التحديات المعقّدة في حقل الهندسة المدنية وتعتبر العديد من الأنفاق تحف تقنية وأكثر الحكومات تعطي مهندسي الأنفاق شرف الأبطال وهذا بالطبع لا يعني بأن بعض مشاريع حفر الأنفاق لم تصادف عقبات رئيسية ففي مشروع نفق شريان المواصلات المركزي (Big Dig) في بوسطن ـ ماسوشوستس أصيب بتخطيات الكلفة الهائلة وبادعاءات الفساد وانهيار جزئي للسقف الذي أدّى إلى مصيبة ولكن هذه التحديات لم توقف المهندسين من الحلم بأفكار أكبر وأجرأ مثل بناء النفق عبر الأطلسي للربط بين نيويورك ولندن.
سنستكشف في هذه المقالة ما الذي يجعل من الأنفاق الحلّ المثالي لسكك الحديد والطرق والمرافق العامّة والاتصالات وسنرى ميزات الأنفاق وكم نفق بني حتى الآن وسنستعرض أيضاً مشروع (Big Dig) بالتفصيل لمعرفة التحديات والفرص المتعلقة ببناء الأنفاق وسنرى أخيراً مستقبل هذه الأنفاق.
أساسيات النفق..
إن النفق عبارة عن ممر أفقي يقع في مكان ما تحت الأرض وإن التآكل وقوات طبيعية أخرى يمكن أن تشكل الأنفاق أيضاً ولكن سنتحدث في هذه المقالة عن أنفاق من صنع الإنسان، أنفاق مصنوعة بعملية الحفر.
هناك العديد من الطرق المختلفة لحفر النفق يتضمن ذلك العمل اليدوي والمتفجرات والتدفئة والتبريد السريع وآلات حفر الأنفاق أو يمكن أن يكون عن طريق مجموعة من هذه الطرق.
إن بعض الأبنية قد تتطلّب حفر مشابه لحفر النفق ولكنها في الحقيقة ليست أنفاقاً فالأعمدة على سبيل المثال تتطلب حفر يدوي في أغلب الأحيان أو حفر بالأجهزة البسيطة وهي عمودية وقصيرة على خلاف الأنفاق.
تم هندسة النفق مثل هندسة الجسر أي يجب أن تتعلق بمنطقة الفيزياء المعروفة بعلم توازن القوى إذ يقوم علم توازن القوى بوصف كيفية قيام القوات التالية بالتفاعل لإحداث الموازنة في الأبنية مثل الأنفاق والجسور:
"الشد الذي يقوم بتوسيع أو سحب المواد.
"الضغط الذي يقوم بتقصير أو ضغط المواد.
"القص الذي يتسبّب بانزلاق أجزاء المواد وبمرورها باتّجاهات معاكسة لبعضها البعض.
"الالتواء الذي يتسبب بانحناء المواد.
وإن على النفق أن يقاوم هذه القوات بمواد قوية مثل الفولاذ والحديد والإسمنت.
ولكي تبقى الأنفاق ساكنةً يجب أن تكون قادرة على مقاومة الأحمال التي وضعت عليها ويشير الحمل الميت إلى وزن التركيب بنفسه بينما الحمل الحيّ يشير إلى وزن العربات والناس الذين يتحرّكون خلال النفق.
إن النفق عبارة عن ممر أفقي يقع في مكان ما تحت الأرض وإن التآكل وقوات طبيعية أخرى يمكن أن تشكل الأنفاق أيضاً ولكن سنتحدث في هذه المقالة عن أنفاق من صنع الإنسان، أنفاق مصنوعة بعملية الحفر.
هناك العديد من الطرق المختلفة لحفر النفق يتضمن ذلك العمل اليدوي والمتفجرات والتدفئة والتبريد السريع وآلات حفر الأنفاق أو يمكن أن يكون عن طريق مجموعة من هذه الطرق.
إن بعض الأبنية قد تتطلّب حفر مشابه لحفر النفق ولكنها في الحقيقة ليست أنفاقاً فالأعمدة على سبيل المثال تتطلب حفر يدوي في أغلب الأحيان أو حفر بالأجهزة البسيطة وهي عمودية وقصيرة على خلاف الأنفاق.
تم هندسة النفق مثل هندسة الجسر أي يجب أن تتعلق بمنطقة الفيزياء المعروفة بعلم توازن القوى إذ يقوم علم توازن القوى بوصف كيفية قيام القوات التالية بالتفاعل لإحداث الموازنة في الأبنية مثل الأنفاق والجسور:
"الشد الذي يقوم بتوسيع أو سحب المواد.
"الضغط الذي يقوم بتقصير أو ضغط المواد.
"القص الذي يتسبّب بانزلاق أجزاء المواد وبمرورها باتّجاهات معاكسة لبعضها البعض.
"الالتواء الذي يتسبب بانحناء المواد.
وإن على النفق أن يقاوم هذه القوات بمواد قوية مثل الفولاذ والحديد والإسمنت.
ولكي تبقى الأنفاق ساكنةً يجب أن تكون قادرة على مقاومة الأحمال التي وضعت عليها ويشير الحمل الميت إلى وزن التركيب بنفسه بينما الحمل الحيّ يشير إلى وزن العربات والناس الذين يتحرّكون خلال النفق.
ـ أنواع الأنفاق ....
هناك ثلاثة أصناف رئيسية للأنفاق:
أنفاق التعدين وأنفاق الأعمال العامة وأنفاق النقل، وسنرى باختصار في كلّ نوع من هذه الأنواع.
هناك ثلاثة أصناف رئيسية للأنفاق:
أنفاق التعدين وأنفاق الأعمال العامة وأنفاق النقل، وسنرى باختصار في كلّ نوع من هذه الأنواع.
ـ أنفاق التعدين ..
تستخدم أنفاق التعدين أثناء استخراج معادن الخام وتمكّن العمّال أو الأجهزة من الدخول إلى عمق أماكن تواجد المعادن داخل الأرض وإن هذه الأنفاق أدت إلى استخدام التقنيات المماثلة كالأنواع الأخرى من الأنفاق ولكنّ كلفتها في البناء أقل، وعلى أي حال إن أنفاق التعدين ليست أمينة كالأنفاق المصممة من أجل الاستخدام الدائم .
ـ أنفاق الأعمال العامة ..
تنقل أنفاق الأعمال العامة المياه أو خطوط الغاز أو مياه المجاري عبر مسافات طويلة وكانت الأنفاق الأسبق تستخدم لنقل الماء إلى المناطق المأهولة بالسكان بشدّة ومياه المجاري بعيداً عنها وقد استخدم المهندسون الرومان شبكة شاملة من الأنفاق للمساعدة على حمل الماء من الجبل إلى المدن والقرى وكانت هذه الأنفاق جزء من أنظمة القناة التي تشمل أيضاً غرفاً تحت الأرض وجسراً منحدراً كالأبنية المدعومة بسلسلة من الأقواس وفي عام 97 بعد الميلاد قامت تسع قنوات تقريباً بحمل 85 مليون غالون من الماء يومياً من الجبل إلى مدينة روما.
تستخدم أنفاق التعدين أثناء استخراج معادن الخام وتمكّن العمّال أو الأجهزة من الدخول إلى عمق أماكن تواجد المعادن داخل الأرض وإن هذه الأنفاق أدت إلى استخدام التقنيات المماثلة كالأنواع الأخرى من الأنفاق ولكنّ كلفتها في البناء أقل، وعلى أي حال إن أنفاق التعدين ليست أمينة كالأنفاق المصممة من أجل الاستخدام الدائم .
ـ أنفاق الأعمال العامة ..
تنقل أنفاق الأعمال العامة المياه أو خطوط الغاز أو مياه المجاري عبر مسافات طويلة وكانت الأنفاق الأسبق تستخدم لنقل الماء إلى المناطق المأهولة بالسكان بشدّة ومياه المجاري بعيداً عنها وقد استخدم المهندسون الرومان شبكة شاملة من الأنفاق للمساعدة على حمل الماء من الجبل إلى المدن والقرى وكانت هذه الأنفاق جزء من أنظمة القناة التي تشمل أيضاً غرفاً تحت الأرض وجسراً منحدراً كالأبنية المدعومة بسلسلة من الأقواس وفي عام 97 بعد الميلاد قامت تسع قنوات تقريباً بحمل 85 مليون غالون من الماء يومياً من الجبل إلى مدينة روما.
ـ أنفاق النقل...
قبل تواجد القطارات والسيارات، كان هناك قنوات لممرات مائية اصطناعية استخدمت للسفر أو للشحن أو للري كسكك الحديد والطرق اليوم وتمتد هذه القنوات عادة فوق سطح الأرض وقد ألهم بناء القناة ببعض من أنفاق العالم الأسبق.
القناة التي تقع تحت الأرض تقع في مقاطعة لانكاشير وفي مانشستر ـ إنجلترا وقد تم بناؤها من منتصف حتى أواخر القرن 1700 وتتضمّن أميال من الأنفاق لإسكان القنوات تحت الأرض.
قبل تواجد القطارات والسيارات، كان هناك قنوات لممرات مائية اصطناعية استخدمت للسفر أو للشحن أو للري كسكك الحديد والطرق اليوم وتمتد هذه القنوات عادة فوق سطح الأرض وقد ألهم بناء القناة ببعض من أنفاق العالم الأسبق.
القناة التي تقع تحت الأرض تقع في مقاطعة لانكاشير وفي مانشستر ـ إنجلترا وقد تم بناؤها من منتصف حتى أواخر القرن 1700 وتتضمّن أميال من الأنفاق لإسكان القنوات تحت الأرض.
وفي القرن العشرون استبدلت القنوات بالقطارات والسيارات كشكل أساسي للنقل مما أدى إلى بناء أنفاق أطول وأكبر
@civilengineer_y
@civilengineer_y
تصميم النفق...
إن كلّ نفق تقريباً هو حل لتحدي أو لمشكلة معيّنة في العديد من الحالات وإن هذا التحدي هو عقبة على طريق أو على سكة حديد ويقوم النفق بتجاوزها فربما تكون
هذه العقبة أجسام مائية أو جبال أو طرق نقل أخرى، وكان التحدي في نفق هولندا نظام عبّارة ملغي بقي ينقل أكثر من 20,000 عربة يومياً عبر نهر هدسون وكان الحل لمسؤولي مدينة نيويورك واضحاً وهو بناء نفق للسيارات تحت النهر وترك المسافرين يوصلون أنفسهم من نيوجيرسي إلى المدينة، وكان لإنشاء النفق تأثير فوري ففي يوم الافتتاح لوحده قامت 51,694 عربة بالعبور بوقت سفر متوسط يبلغ 8 دقائق فقط.
تعرض الأنفاق أحياناً حلاً أكثر أماناً من الأبنية الأخرى فقد تم بناء نفق (سيكان) في اليابان لأن العبّارات تعبر مضيق (تسوغارو) وهي تصادف مياه خطرة وأحوال جوية في أغلب الأحيان وبعد أن أغرق الإعصار خمس عبّارات في عام 1954 قامت الحكومة اليابانية بوضع تشكيلة من الحلول حيث قرّروا بأنّ سلامة أي جسر يجب أن تكون كافية لمقاومة الحالات الشديدة وقد تم أخيراً اقتراح نفق لسكة حديد يمتد تقريباً بطول 800 قدم تحت سطح البحر وفتح نفق (سيكان) رسمياً في عام 1988 .
تعتمد كيفية بناء النفق بشدّة على المواد التي تساهم في بنائه وإن حفر النفق خلال أرض ناعمة على سبيل المثال تتطلّب تقنيات مختلفة جداً عن حفر نفق خلال الصخر الصلب أو الصخرة الناعمة مثل الطين الصفحي أو الطباشير أو الحجر الرملي وإن حفر نفق تحت الماء يشكل تحدّياً أكبر في كلّ البيئات ولهذا السبب إن التخطيط مهم جداً من أجل مشروع نفق ناجح إذ يقوم المهندسون بإجراء تحليل جيولوجي شامل لتقرير نوع المادّة التي سيحفرون النفق خلالها ويقيّمون الأخطار النسبية للمواقع المختلفة ويأخذون بعين الاعتبار العديد من العوامل،
وإن بعض العوامل الأكثر أهمية تتضمّن:
ـ أنواع الصخرة والتربة.
ـ الطبقات والمناطق الضعيفة يتضمن ذلك مناطق القصّ والشقوق.
ـ المياه الجوفيّة يتضمن ذلك نمط التدفق والضغط.
ـ أخطار خاصّة كالحرارة والغاز وخطوط الشق.
إن النفق الواحد سيعبر في أغلب الأحيان بأكثر من نوع واحد من المواد أو سيواجه أخطار متعدّدة ولهذا يسمح التخطيط الجيد للمهندسين بالتصميم من أجل هذه الاختلافات منذ البداية وهذا يقلل التأخيرات الغير متوقّعة التي تحدث في منتصف المشروع وعندما يقوم المهندسون بتحلّيل المواد التي سيعبر بها النفق ويقومون بخطة تنقيب عامّة يمكن وقتها بدء البناء.
هذه العقبة أجسام مائية أو جبال أو طرق نقل أخرى، وكان التحدي في نفق هولندا نظام عبّارة ملغي بقي ينقل أكثر من 20,000 عربة يومياً عبر نهر هدسون وكان الحل لمسؤولي مدينة نيويورك واضحاً وهو بناء نفق للسيارات تحت النهر وترك المسافرين يوصلون أنفسهم من نيوجيرسي إلى المدينة، وكان لإنشاء النفق تأثير فوري ففي يوم الافتتاح لوحده قامت 51,694 عربة بالعبور بوقت سفر متوسط يبلغ 8 دقائق فقط.
تعرض الأنفاق أحياناً حلاً أكثر أماناً من الأبنية الأخرى فقد تم بناء نفق (سيكان) في اليابان لأن العبّارات تعبر مضيق (تسوغارو) وهي تصادف مياه خطرة وأحوال جوية في أغلب الأحيان وبعد أن أغرق الإعصار خمس عبّارات في عام 1954 قامت الحكومة اليابانية بوضع تشكيلة من الحلول حيث قرّروا بأنّ سلامة أي جسر يجب أن تكون كافية لمقاومة الحالات الشديدة وقد تم أخيراً اقتراح نفق لسكة حديد يمتد تقريباً بطول 800 قدم تحت سطح البحر وفتح نفق (سيكان) رسمياً في عام 1988 .
تعتمد كيفية بناء النفق بشدّة على المواد التي تساهم في بنائه وإن حفر النفق خلال أرض ناعمة على سبيل المثال تتطلّب تقنيات مختلفة جداً عن حفر نفق خلال الصخر الصلب أو الصخرة الناعمة مثل الطين الصفحي أو الطباشير أو الحجر الرملي وإن حفر نفق تحت الماء يشكل تحدّياً أكبر في كلّ البيئات ولهذا السبب إن التخطيط مهم جداً من أجل مشروع نفق ناجح إذ يقوم المهندسون بإجراء تحليل جيولوجي شامل لتقرير نوع المادّة التي سيحفرون النفق خلالها ويقيّمون الأخطار النسبية للمواقع المختلفة ويأخذون بعين الاعتبار العديد من العوامل،
وإن بعض العوامل الأكثر أهمية تتضمّن:
ـ أنواع الصخرة والتربة.
ـ الطبقات والمناطق الضعيفة يتضمن ذلك مناطق القصّ والشقوق.
ـ المياه الجوفيّة يتضمن ذلك نمط التدفق والضغط.
ـ أخطار خاصّة كالحرارة والغاز وخطوط الشق.
إن النفق الواحد سيعبر في أغلب الأحيان بأكثر من نوع واحد من المواد أو سيواجه أخطار متعدّدة ولهذا يسمح التخطيط الجيد للمهندسين بالتصميم من أجل هذه الاختلافات منذ البداية وهذا يقلل التأخيرات الغير متوقّعة التي تحدث في منتصف المشروع وعندما يقوم المهندسون بتحلّيل المواد التي سيعبر بها النفق ويقومون بخطة تنقيب عامّة يمكن وقتها بدء البناء.
بناء النفق: الأرض الناعمة والصخر الصلب
يستعمل العمّال تقنيتان أساسيتان عموماً لتقديم النفق ففي الطريقة ذات الوجه الكامل يقوم العمال بحفر كامل قطر النفق في الوقت نفسه وهذه الطريقة مناسبة جداً للأنفاق التي تعبر أرضاً قاسية أو لأنفاق الأبنية الأصغر وإنّ التقنية الثانية مبينة في الرسم البياني الآتي، ففي هذه التقنية يقوم العمّال بحفر نفق أصغر معروف بالرأس وعندما تتقدم قمة الرأس بعض الشيء إلى الصخرة، يبدأ العمّال بالحفر فوراً تحت أرضية قمة الرأس وإن هذه العملية تمكن المهندسين من استخدامها لقياس استقرار الصخرة قبل التقدّم بالمشروع للأمام
يستعمل العمّال تقنيتان أساسيتان عموماً لتقديم النفق ففي الطريقة ذات الوجه الكامل يقوم العمال بحفر كامل قطر النفق في الوقت نفسه وهذه الطريقة مناسبة جداً للأنفاق التي تعبر أرضاً قاسية أو لأنفاق الأبنية الأصغر وإنّ التقنية الثانية مبينة في الرسم البياني الآتي، ففي هذه التقنية يقوم العمّال بحفر نفق أصغر معروف بالرأس وعندما تتقدم قمة الرأس بعض الشيء إلى الصخرة، يبدأ العمّال بالحفر فوراً تحت أرضية قمة الرأس وإن هذه العملية تمكن المهندسين من استخدامها لقياس استقرار الصخرة قبل التقدّم بالمشروع للأمام
نرى الآن بشكل أوضح كيفية حفر الأنفاق في كلّ من البيئات الأساسية الأربع: الأرض الناعمة ـ الصخر الصلب ـ الصخرة الناعمة ـ تحت الماء.
ـ الأرض الناعمة ..
يحفر العمّال أنفاق الأرض الناعمة خلال الطين أو الغرين أو الرمل أو الحصى ففي هذا النوع من الأنفاق كم من الوقت ستثبت الأرض لوحدها بسلامة عند الحفر؟ لأن لهذا الأمر أهمية عظمى فالوقت الذي ستقف فيه الأرض لوحدها عند حفر النفق في الأرض الناعمة قصير عموماً وهناك تهديد دائم بالإنهيارات ولمنع حدوث هذا الأمر يستخدم المهندسون جهاز خاصّ يدعى الحاجز الواقي وهو عبارة عن إسطوانة حديدية أو فولاذية دفعت إلى التربة الناعمة تقوم بحفر فتحة مستديرة جداً وتدعم الأرض المحيطة أثناء إزالة الحطام وتركيب بطانة دائمة مصنوعة من الحديد الصلب أو من الإسمنت المسبق الصنع وعندما يكمل العمّال القسم الذي يعملون به تقوم الرافعات بدفع الحاجز الواقي إلى الأمام من أجل تكرير العملية.
قام المهندس الفرنسي مارك برونيل باختراع الحاجز الواقي الأول للأنفاق في عام 1825 وذلك لحفر نفق التايمز في لندن ـ إنجلترا وقد شمل حاجز برونيل 12 هيكل مرتبطين ببعضهم ومحميين في القمة وعلى الجوانب بصفائح ثقيلة وقام بتقسيم كلّ هيكل إلى ثلاثة أماكن للعمل أو خلايا يمكن العمال أن يعملوا فيها بسلامة ويقوم حائط أخشاب قصير أو ألواح مقاومة بفصل كلّ خلية في واجهة النفق ويقوم الحفار بإزالة لوح المقاومة والحفر من ثلاثة إلى أربع بوصات في الطين واستبدال اللوح وعندما ينتهي جميع الحفارين في جميع الخلايا من هذه العملية في القسم الواحد تقوم روافع لولبية قويّة بدفع الحاجز الواقي إلى الأمام.
يحفر العمّال أنفاق الأرض الناعمة خلال الطين أو الغرين أو الرمل أو الحصى ففي هذا النوع من الأنفاق كم من الوقت ستثبت الأرض لوحدها بسلامة عند الحفر؟ لأن لهذا الأمر أهمية عظمى فالوقت الذي ستقف فيه الأرض لوحدها عند حفر النفق في الأرض الناعمة قصير عموماً وهناك تهديد دائم بالإنهيارات ولمنع حدوث هذا الأمر يستخدم المهندسون جهاز خاصّ يدعى الحاجز الواقي وهو عبارة عن إسطوانة حديدية أو فولاذية دفعت إلى التربة الناعمة تقوم بحفر فتحة مستديرة جداً وتدعم الأرض المحيطة أثناء إزالة الحطام وتركيب بطانة دائمة مصنوعة من الحديد الصلب أو من الإسمنت المسبق الصنع وعندما يكمل العمّال القسم الذي يعملون به تقوم الرافعات بدفع الحاجز الواقي إلى الأمام من أجل تكرير العملية.
قام المهندس الفرنسي مارك برونيل باختراع الحاجز الواقي الأول للأنفاق في عام 1825 وذلك لحفر نفق التايمز في لندن ـ إنجلترا وقد شمل حاجز برونيل 12 هيكل مرتبطين ببعضهم ومحميين في القمة وعلى الجوانب بصفائح ثقيلة وقام بتقسيم كلّ هيكل إلى ثلاثة أماكن للعمل أو خلايا يمكن العمال أن يعملوا فيها بسلامة ويقوم حائط أخشاب قصير أو ألواح مقاومة بفصل كلّ خلية في واجهة النفق ويقوم الحفار بإزالة لوح المقاومة والحفر من ثلاثة إلى أربع بوصات في الطين واستبدال اللوح وعندما ينتهي جميع الحفارين في جميع الخلايا من هذه العملية في القسم الواحد تقوم روافع لولبية قويّة بدفع الحاجز الواقي إلى الأمام.
منشور رائع مزيدا من التقدم الى الامام
ردحذفاشكررر مرورك الطيب
حذف