دراسة تجريبية حول تأثير الحقن المتزامن في تعدين الدرع على نفق علوي قائم في طبقة تربة رملية

لماذا ما يحدث تحت مدننا مهم

تعتمد المدن الحديثة بشكل متزايد على طبقات متراكبة من الأنفاق تحت الأرض لمتشابك المترو والمرافق والطرق. عندما يحتاج المهندسون لبناء نفق جديد تحت نفق أقدم، يحقنون مونة سائلة حول الهيكل الجديد لمنع هبوط الأرض. لكن في التربة الرملية الفضفاضة، يمكن لتلك المونة أن تضغط بلا قصد على النفق أعلاه، مما يثنيه ويضغطه بطرق قد تهدد السلامة على المدى الطويل. تستخدم هذه الدراسة نموذجًا مخبريًا مصغرًا ومحسوبًا بعناية لتوضيح كيف ولماذا يحدث ذلك، وكمية المونة التي تشكل خطراً.

بناء مدينة مصغرة تحت الأرض

لتفحص هذه العمليات الخفية، بنى الباحثون صندوق تربة كبيرًا مملوءًا بالرمل بحيث تحاكي أحجام حبيباته وكثافته ظروف مترو فعلية. في الداخل، ركّبوا نموذجًا فولاذيًا لنفق دائري "قائم" وفوقه، أدنـى منه، نفق ثانٍ يمثل النفق الذي يجري حفره حديثًا بواسطة آلة الدرع. بُنيت التهيئة كاملة بمقياس واحد‑عشر الحقيقي، مما أتاح تحكمًا دقيقًا مع المحافظة على سلوك واقعي. بدلًا من محاكاة كل خطوات الحفر دفعة واحدة، فصلوا المراحل: فقد جرى تمثيل عملية الحفر في أعمال سابقة، وركّزت هذه الدراسة حصريًا على الحقن بالمونة الذي يحدث خلف ذيل الدرع أثناء تركيب حلقات النفق الجديدة.

كيف تُحقَن المونة وتُقاس

في المشاريع الحقيقية، تُضخ المونة في الفجوة الضيقة خلف ذيل الدرع لملء المساحة بين البطانة والتربة. أعاد الفريق إنشاء ذلك بذيل درع مخصص، وفرش ختم وأنابيب حقن متصلة بمضخة. تفاوتوا في عاملين رئيسيين: محتوى الماء في معجون المونة ومقدار المونة المحقونة نسبةً إلى الحجم الذي يلزم ملؤه بدقة، المعروف بنسبة ملء المونة. قياسات صغيرة مزروعة في الرمل رصدت كيف تغيّر الضغط في التربة حول النفق العلوي. داخل ذلك النفق، تابعت مساطر فولاذية متداخلة، ليزرات وكاميرات تغيّرات طفيفة في القطر والانحناء، ما سمح للباحثين بمشاهدة كيفية انثناء الهيكل بالضبط مع تقدم عملية الحقن.

دفعان وانحناءات خفية في النفق العلوي

كشفت القياسات أن المونة لا تتصرف بشكل موحد. مع تحرك منطقة المونة تحت النفق القائم، ارتفع الضغط في الرمل بشكل حاد، لا سيما مباشرة تحت منتصف النفق. شهد قعر النفق العلوي أكبر زيادة، بينما تغيرت الأجناب قليلاً والقمة بتواضع فقط. عندما كانت نسبة ملء المونة عالية، كان الدفع الصاعد عند قاع النفق أكبر بنحو مرة ونصف مقارنةً بما لو استُخدمت كمية أقل معقولة. جعل هذا التحميل غير المتكافئ النفق العلوي يقوس للأعلى فوق مسار الحقن، مع رفع القاع أكثر من القمة. وفي الوقت نفسه، تغيّر مقطع النفق: تقلص القطر الرأسي بينما نما القطر الأفقي، محولًا الدائرة إلى شكل بيضاوي جانبي لطيف.

متى تصبح المونة الزائدة مشكلة

تُعد هذه التشوهات مهمة لأن الأنفاق مصممة لتوزيع القوى بالتساوي حول حلقاتها الدائرية. عندما ينتفخ القاع ويصبح المقطع بيضاويًا، تتحمل أجزاء من البطانة إجهادًا أكبر بكثير من أجزاء أخرى. تُظهر الدراسة أنه في التربة الرملية، يمكن أن يسبب استخدام نسبة ملء مونة كبيرة (حوالي 1.6 مرة حجم الفراغ الصارم) حركة صعودية كبيرة وتحوُّلًا إلى بيضاوية في نفق فوقي. وبعد أن تصلب المونة تحت النفق وانكمشت قليلًا، تعافت بعض الارتفاعات جزئيًا، لكن حلقة الانحناء الزائدة كانت قد أرخت إجهادات على الهيكل. مع مرور الزمن، يمكن لمثل هذه التغيرات أن تشجع حدوث تشققات، وفتوحات في المفاصل، وتلف المسامير وتسريبات.

دروس عملية لأنفاق أكثر أمانًا

لغير المتخصص، الرسالة واضحة: عند حفر نفق جديد تحت نفق قديم في تربة رملية، يمكن أن تكون كمية المونة الزائدة مشكلة بقدر ما قد تكون الكمية القليلة. تشير التجارب إلى أن الحفاظ على نسبة ملء المونة أقل من نحو 1.6، وتعديلها بناءً على مراقبة آنية، يساعد في تجنب رفع وتشويه مفرط للنفق القائم. من خلال فهم أفضل لهذه القوى الخفية تحت الأرض، يمكن للمهندسين تحسين التصميمات وإجراءات التحكم في التنفيذ، وحماية الأنفاق التي تحمل بالفعل ملايين الركاب أثناء إضافة الأنفاق الجديدة التي تتطلبها مدننا المتنامية.

الاستشهاد: Huang, D., Lu, W., Luo, W. et al. Experimental study on the influence of synchronous grouting in shield tunneling on an upper existing tunnel in sandy soil stratum. Sci Rep 16, 7203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38155-w

الكلمات المفتاحية: تعدين الدرع, الحقن المتزامن, أنفاق المترو, تربة رملية, تشوه النفق