معايير اختيار عامل الرغوة وتقييم الأداء الميكانيكي للتربة المعالجة لدرع حفر EPB في طبقات رملية غنية بالمياه

لماذا تهم الفقاعات تحت الأرض

تستند المدن الحديثة إلى خطوط القطارات والأنفاق الخدمية تحت الأرض، والعديد منها يُحفر بواسطة آلات ضخمة تقطع التربة مثل القطارات تحت السطحية. عندما تعمل آلات حفر الأنفاق هذه في رمال سائبة مشبعة بالمياه، يمكن أن تتصرف الأرض أقرب إلى رمال متحركة بدلاً من تربة صلبة، مما يعرّضها لخطر الهبوط المفاجئ، والفيضانات، والتأخيرات المكلفة. تستعرض هذه الدراسة كيف يمكن للرغوة المصممة بعناية — أي الفقاعات المنضبطة — أن تُستخدم للسيطرة على هذا الرمل الصعب، والحفاظ على استقرار واجهة النفق ومساعدة الآلة على التقدم بأمان وكفاءة.

الحفر عبر رمل رطب وهش

نوع آلة حفر الأنفاق التي تم فحصها هنا يُسمى درع توازن ضغط الأرض (EPB). يدفع هذا الدرع ضد التربة عند واجهة النفق أثناء تقدمه البطيء. في الرمال الغنية بالمياه، تكون التربة المقتلعة نفاذة وحبيبية للغاية، ذات لزوجة منخفضة واحتكاك داخلي مرتفع. يمكن للمياه أن تتدفق إلى ناقل المسمار للآلة، ويكون الرمل السائب عرضة لتشكيل قواسٍ وانسدادات. لتجنب ذلك، يقوم المشغلون بحقن مواد معالجة مثل الرغوة في التربة المنشأة حديثًا. الهدف هو تحويل الرمل الخشن والمتسرب إلى خليط ناعم يشبه العجينة يمكنه تحمل الضغط بأمان، والتدفق عبر الآلة، وإزالته دون انسداد أو اندفاعات مفاجئة من الماء والتربة.

اختبار وصفات عديدة للفقاعات

فحص الباحثون ثمانية عوامل رغوة تجارية — خلطات كيميائية تُنشئ فقاعات عند خلطها بالماء والهواء. باستخدام مولد رغوة مخصص وعدد من أجهزة المختبر، قاسوا خصائص أساسية لمحاليل الرغوة. وشملت هذه توتر السطح (مدى سهولة تكوّن الفقاعات)، ونسبة توسع الرغوة (كمية حجم الرغوة الناتج من حجم سائل معين)، وسرعة انهيار الرغوة في أنبوب زجاجي، وزمن نصف عمر الرغوة الذي يشير إلى المدة التي يبقى فيها نصف الرغوة قبل أن يجف. من خلال تغيير تركيز كل عامل رغوة، حدَّدوا "النقطة المثلى" حيث تتكوّن الفقاعات بسهولة وتظل مستقرة، دون إهدار للمواد.

من اختبارات الفقاعات إلى سلوك التربة

جودة الرغوة وحدها لا تكفي؛ يجب أن تحسّن فعليًا الرمل المقتلع. اختار الفريق ثلاثة عوامل رغوة تمثيلية وخلطوا رغوتها مع رمل ضعيف التدرج وغني بالمياه مأخوذ من موقع نفق مترو في نانتشانغ، الصين. ثم قاسوا سلوك التربة المعالجة باستخدام اختبارات بسيطة لكنها مفيدة. افترض اختبار الانسياب (slump) مدى انتشار مخروط من التربة المعالجة تحت وزنه الذاتي، مما يدل على قابلية التدفق. أظهرت اختبارات النفاذية تحت الضغط مدى سهولة مرور الماء عبر الخليط. وقاس اختبار الوتد المصغر (miniature vane test) مقاومة القص غير المصروفة، وهو مقياس لمقدار مقاومة التربة المعالجة للتشوه بينما لا تزال تتصرف ككتلة بلاستيكية. من خلال ضبط كمية الرغوة المحقونة، طابق الباحثون سلوك التربة لنطاقات معروفة بأنها آمنة وقابلة للعمل في حفر درع EPB.

اختيار الرغوة المناسبة للعمل

من هذه التجارب استخلص المؤلفون قواعد عملية للاختيار. يجب أن يقلل عامل الرغوة الفعال، عند تركيز يقارب 3٪ في الماء، توتر السطح إلى أقل من 40 مللي نيوتن/متر، وينتج رغوة تتوسع لأكثر من 12 ضعفًا من حجم السائل، ويحافظ على الأقل على 150 مل من الرغوة في اختبار معياري بعد 15 دقيقة، وأن يكون زمن نصف العمر أطول من 400 ثانية. كما وجدوا أن الرغوات التي يتناقص حجمها بنمط منحني لأعلى "مقعر" مع الزمن تميل إلى الأداء الأفضل من تلك التي تفقد الحجم بشكل أكثر خطية وسرعة. عند حقن مثل هذه الرغوات بأحجام مناسبة — غالبًا نحو 20–25٪ من حجم التربة المقتلعة — تُظهر التربة الناتجة انسيابات تتراوح بين 150–200 مم، ونفاذية منخفضة جدًا، ومقاومة قص متواضعة، وكلها تدعم تشغيل الآلة بسلاسة وتحكم.

ماذا يعني هذا لأنفاق أكثر أمانًا

لغير المتخصصين، الرسالة هي أن ليست كل الفقاعات متساوية. من خلال ضبطٍ دقيق لطريقة إنتاج الرغوة واختيارها باستخدام عتبات عددية واضحة، يمكن للمهندسين تحويل الرمل الغني بالمياه والمسبب للمشاكل إلى مادة قابلة للإدارة تتحمل الضغط، وتتدفق مثل كريما سميكة، وتقاوم التسريبات الخطرة. تقدم الدراسة طريقة معيارية لاختيار واختبار عوامل الرغوة، مما يقلل التجريب والخطأ في مواقع البناء ويساعد على حماية العمال وطرق المدينة والمباني المجاورة أثناء قطع مساحات جديدة تحت أقدامنا.

الاستشهاد: Zhou, Y., Zhu, B., Luo, R. et al. Selection criteria for foaming agent and mechanical performance evaluation of conditioned soil for EPB shield tunneling in water-rich sand strata. Sci Rep 16, 12331 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38868-y

الكلمات المفتاحية: حفارة الأنفاق, تعديل التربة, عوامل الرغوة, رمل غني بالمياه, الإنشاءات تحت الأرض