الانفاق وكيفيه انشائها

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.

نفق غوتثارد الأساسي ـ نفق سكة حديد قيد الإنشاء في سويسرا

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.

إن الرسم البياني قي الأسفل يبين العلاقة بين المنشآت التي تقع تحت الأرض
في نفق جبل مثالي، إنّ الهندسة الأساسية للنفق هي قوس مستمر لأن الأنفاق
يجب أن تقاوم الضغط الكبير من كلّ الجوانب والقوس هو الشكل المثالي
للأنفاق.

الانفاق وكيفيه انشائها Tunal2

تتم 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.

الانفاق وكيفيه انشائها Tunal3

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.

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 .

الانفاق وكيفيه انشائها Tunal4

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.

الانفاق وكيفيه انشائها Tunal5

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.

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 .

» ملف كامل عن الرجيم وكيفيه انقاص الوزن وبعض التمارين