تحليل تأثير رفع الحقائب المملوءة بالحقن القاعدي على الاستجابة الميكانيكية لأنفاق الدرع

الحفاظ على أنفاق المترو آمنة ومستوية

تعتمد المدن الحديثة على خطوط السكك الحديدية تحت الأرض، ومع ذلك يمكن للأنفاق التي تنقل القطارات أن تغوص أو تميل ببطء مع اضطرابات التربة الناتجة عن البناء المحيط والتربة الرخوة. تستكشف هذه الورقة طريقة واعدة لـ "رفع" أنفاق المترو الغارقة بلطف من الأسفل باستخدام حقائب مرنة مملوءة بالملاط. من خلال توضيح كيف تتوسع هذه الحقائب في أنواع تربة مختلفة وكيف تضغط على النفق، تشير الدراسة إلى إصلاحات أكثر أمانًا وتنبؤًا يمكن أن تطيل عمر شبكات المترو المزدحمة.

لماذا تغوص الأنفاق في المقام الأول

تقع أنفاق الدرع، الأنابيب الدائرية المبنية باستخدام آلات الحفر، في ترب تتعرض باستمرار لاضطرابات بسبب أساسات جديدة وأنفاق مرور دون مستوى الأرض وأعمال تحت أرضية أخرى. مع مرور الوقت، قد تستقر أجزاء من النفق أكثر من غيرها، مما ينتج انحناءً طفيفًا لكنه ضارًا على طوله وتسطحًا طفيفًا لمقطعه الدائري. يمكن أن تفتح هذه التشوهات المفاصل بين القطاعات، وتسبب تسريبات، وتفتت حواف الخرسانة، وتهدد مرور القطارات بسلاسة وأمان. يستخدم المهندسون بالفعل الحقن بالملاط—حقن معجون سائل في التربة—لرفع ودعم الأنفاق، لكن الطرق التقليدية تحقن الملاط مباشرة في التربة، مما يجعل من الصعب التنبؤ بمكان انتشار المعجون وكمية القوة التي سيطبقها على النفق بالفعل.

طريقة جديدة لتوجيه "رافعة" تحت الأرض

تتعامل طريقة حقن الحقائب مع هذا عدم اليقين بوضع حقائب مرنة في ثقوب مسبقة الحفر أسفل أو بجانب النفق ثم ضخ الملاط داخلها. تحصر الحقيبة المعجون، بحيث بدلاً من النفث عبر شقوق غير متوقعة، تتضخ كالبلون المتحكم فيه الذي يضغط على التربة المحيطة. أجرى المؤلفون أولاً اختبارات «وحدة» صغيرة النطاق في صناديق تربة شفافة مملوءة إما بتربة رملية أو بطيئة (طينية). من خلال قياس كيفية تغير الضغط عند نقاط عديدة أثناء حقن الملاط، أظهروا أنه لنفس حجم المعجون وترتيب الحقيبة، طورت الترب الأكثر صلابة (الأقل قابلية للانضغاط) ضغوط تربة إضافية أعلى مقارنةً بالترب الأطرى. في كلا نوعي التربة، انتشر الملاط أساسًا عن طريق الضغط داخل الحقيبة، مكونًا منطقة ضغط محدودة ومتعرفة جيدًا بدلاً من نفاثة واسعة وغير مؤكدة.

التوسع إلى نموذج نفق واقعي

بعد ذلك، بنى الفريق نموذجًا ثلاثي الأبعاد كبيرًا: حلقة فولاذية تمثل نفق مترو، مدفونة في صندوق من الرمل المدكوك ومزودة بعشرات من حساسات الضغط ومقاييس الإزاحة. اختبروا استراتيجيتين للإصلاح. في الأولى، وُضعت حقيبة واحدة مباشرة تحت النفق. في الأخرى، تم تثبيت حقيبتين في موضعين بمقدار 45 درجة عن القاعدة، واحدة على كل جانب. أثناء ضخ الملاط، تابعت الحساسات كيفية نمو ضغط التربة حول النفق، وكيف تغير القطر الداخلي للنفق عموديًا وأفقيًا، وكم ارتفع النفق على طوله.

كيف يغير موضع الحقيبة سلوك النفق

عندما حُقن الملاط مباشرة أسفل النفق، ارتفع ضغط التربة في القاعدة بشكل حاد بينما تغير السطح العلوي بقليل. ارتفع النفق كما كان مقصودًا، لكن مقطعه الدائري انضغط إلى شكل بيضاوي أفقي أكثر: تقلص القطر الرأسي وتوسع القطر الأفقي بمقدار يقارب نفس القيمة. هذا «التشوه البيضاوي الأفقي» غير مرغوب فيه لأنه قد يدرج إجهادات جديدة ويتسبب في أضرار. في المقابل، عندما وُضعت الحقائب بزاوية 45 درجة على الجانبين، شهد النفق رفعًا واضحًا إلى الأعلى مع تغير طفيف جدًا في شكله. ارتفعت ضغوط التربة في القاعدة والجانبين بطريقة أكثر توازناً، وظل القطران الرأسي والأفقي للنفق قريبين من قيمهما الأصلية.

تتبع كيفية انتقال الضغط من المضخة إلى النفق

من خلال تشريح الملاط المتصلب بعد الاختبارات، صور الباحثون كيفية تطور قباب الملاط. تحت مركز النفق، كان كتلة الملاط النهائية مخروطية وغير متماثلة إلى حد ما، مما يطابق الضغوط غير المتكافئة المسجلة على جانبي النفق والتشوه البيضاوي الواضح. مع الحقائب الجانبية بزاوية 45 درجة، كانت أجسام الملاط أكثر أسطوانية ومتشابهة على كلا الجانبين، وكانت الضغوط المقاسة شبه متماثلة. من هذه الملاحظات، يصف المؤلفون سلسلة نقل أحمال واضحة: تضخم ضغط المضخة الحقيبة، تضغط الحقيبة المتوسعة التربة القريبة وتزيد ضغط الأرض، ثم ينتقل ذلك الضغط الأرضي المضاف أخيرًا إلى جدار النفق كحَمُولات إضافية تثنيه وترفعه.

ما الذي يعنيه هذا لأنفاق العالم الحقيقي

للغير مختصين، الرسالة الرئيسية هي أن استخدام حقائب مملوءة بالملاط تحت أنفاق المترو يمكن أن يجعل الإصلاحات أكثر دقة وأقل خطورة من عمليات الحقن ذات التدفق الحر التقليدية. تظهر الدراسة أن نوع التربة يؤثر بقوة على مقدار قوة الرفع التي يمكن أن يوفرها حجم معين من الملاط، وأن موضع الحقائب حول النفق أمر حاسم. يمكن للحقائب الموضوعة بزاوية 45 درجة على كلا الجانبين أن ترفع نفقًا مستقرًا مع الحفاظ إلى حد كبير على شكله الدائري، مما يحد من الإجهادات والشقوق الجديدة. توفر هذه الفهم المعزز لكيفية انتقال الضغط من المضخة، عبر الحقيبة والتربة، وإلى النفق أساسًا علميًا أكثر صلابة للمهندسين لتصميم عمليات رفع مستهدفة وآمنة تحت مدننا.

الاستشهاد: Liu, J., Huang, D., He, S. et al. Analysis of the influence of bottom bag grouting lifting on the mechanical response of shield tunnels. Sci Rep 16, 5867 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36427-z

الكلمات المفتاحية: نفق الدرع, حقن الملاط, صيانة المترو, هبوط الأرض, رفع النفق