طريقة جديدة للحفر النفقي في النمسا

تُعرف طريقة الحفر النفقي النمساوية الجديدة ( NATM ) ، أو طريقة الحفر المتسلسل ( SEM )، أو طريقة تبطين الخرسانة المرشوشة ^{[ 1 ]} ( SCL )، أو Neue Österreichische Tunnelbaumethode (NÖT) بالألمانية، بأنها طريقة حديثة لتصميم وبناء الأنفاق ، تستخدم أنظمة مراقبة متطورة لتحسين تقنيات تدعيم الجدران المختلفة بناءً على نوع الصخور التي تُصادف أثناء عملية الحفر. وقد حظيت هذه التقنية باهتمام واسع في ستينيات القرن الماضي، استنادًا إلى أعمال لاديسلاوس فون رابسيفيتش ، وليوبولد مولر ، وفرانز باخر في النمسا بين عامي 1957 و1965. وقد سُميت NATM لتمييزها عن الطرق السابقة، لما تتميز به من ميزة اقتصادية تتمثل في استغلال القوة الجيولوجية الكامنة في كتلة الصخور المحيطة لتثبيت النفق قدر الإمكان، بدلاً من تدعيم النفق بأكمله. ^{[ 2 ]}

يُعتقد عموماً أن تقنية الحفر NATM/SEM قد ساهمت في إحداث ثورة في صناعة الأنفاق الحديثة. وقد استخدمت العديد من الأنفاق الحديثة هذه التقنية للحفر نظراً لفعاليتها من حيث التكلفة، حتى في ظروف الكارست . ^{[ 3 ]}

تُدمج طريقة الحفر النمساوية الجديدة (NATM) مبادئ سلوك الكتل الصخرية تحت تأثير الأحمال ومراقبة أداء الإنشاءات تحت الأرض أثناء التنفيذ. ويُشار إلى هذه الطريقة غالبًا بأنها نهج "التصميم أثناء التنفيذ"، حيث توفر دعمًا مُحسَّنًا بناءً على ظروف التربة المرصودة. وبشكل أدق، يمكن وصفها بأنها نهج "التصميم أثناء المراقبة"، استنادًا إلى التقارب والتباعد الملحوظين في تبطين ورسم خرائط ظروف الصخور السائدة. وهي ليست مجموعة من تقنيات الحفر والدعم المحددة.

يتكون برنامج NATM من سبعة عناصر:

• استغلال قوة الكتلة الصخرية الأصلية  – يعتمد على الحفاظ على القوة الكامنة للكتلة الصخرية المحيطة باعتبارها المكون الرئيسي لدعم النفق. ويتم توجيه الدعم الأساسي لتمكين الصخر من دعم نفسه.
• حماية الخرسانة المرشوشة  – يجب تقليل التفكك والتشوه المفرط للصخور إلى أدنى حد. ويتحقق ذلك بتطبيق طبقة رقيقة من الخرسانة المرشوشة مباشرة بعد تقدم جبهة الحفر.
• القياس والمراقبة  – يجب مراقبة أي تشوهات محتملة في الحفريات بدقة. تتطلب طريقة الحفر الجديدة (NATM) تركيب أجهزة قياس متطورة، تُدمج في البطانة والتربة والآبار . في حال رصد أي تحركات، تُركّب دعامات إضافية عند الحاجة فقط، مما يُسهم في خفض التكلفة الإجمالية للمشروع.
• الدعم المرن  – البطانة الأساسية رقيقة وتعكس ظروف الطبقات الحديثة . يتم استخدام الدعم النشط بدلاً من الدعم السلبي، ويتم تقوية النفق بمزيج مرن من مسامير الصخور وشبكة الأسلاك والأضلاع الفولاذية، وليس ببطانة خرسانية أكثر سمكًا.
• إغلاق الجزء السفلي  - وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في التربة الرخوة، حيث أن الإغلاق السريع للجزء السفلي (الجزء السفلي من النفق) الذي يخلق حلقة حاملة للأحمال أمر مهم، وله ميزة الاستفادة من القوة الكامنة في الكتلة الصخرية المحيطة بالنفق.
• الترتيبات التعاقدية  - بما أن طريقة NATM تعتمد على قياسات المراقبة، فإن التغييرات في الدعم وطريقة البناء ممكنة، ولكن فقط إذا كان النظام التعاقدي يسمح بذلك.
• يُحدد تصنيف الكتل الصخرية ، من شديدة الصلابة إلى شديدة الليونة، الحد الأدنى من تدابير الدعم المطلوبة، ويتجنب الهدر الاقتصادي الناتج عن تدابير الدعم القوية غير الضرورية. توجد تصاميم لأنظمة الدعم لكل فئة من فئات الصخور الرئيسية، وتُستخدم هذه التصاميم كإرشادات لتدعيم الأنفاق.

بناءً على حساب المقطع العرضي الأمثل ، يكفي استخدام طبقة رقيقة من الخرسانة المرشوشة كحماية. تُطبّق هذه الطبقة مباشرةً خلف جبهة النفق المحفور لتكوين حلقة تحمل طبيعية وتقليل تشوه الصخور. تُركّب أجهزة جيوتقنية لقياس التشوه اللاحق للحفر ، مما يتيح مراقبة توزيع الإجهاد داخل الصخور.

تُضفي هذه المراقبة مرونةً كبيرةً على الطريقة، حتى في حال واجهت الفرق تغييرات غير متوقعة في تماسك الصخور الجيوميكانيكي ، كالتشققات أو مياه الحفر . ويتم التدعيم باستخدام الخرسانة السلكية التي يمكن دمجها مع أضلاع فولاذية أو مسامير تثبيت، وليس باستخدام الخرسانة المرشوشة السميكة.

تشير خصائص الصخور المقاسة إلى الأدوات المناسبة لتقوية الأنفاق، حيث يمكن عادةً تقدير متطلبات الدعم باستخدام نظام RMR أو Q. ^{[ 4 ]} منذ مطلع القرن الحادي والعشرين، استُخدمت طريقة الحفر في التربة الرخوة (NATM) لإنشاء الأنفاق في الرواسب المسامية . تتيح هذه الطريقة إجراء تعديلات فورية على تفاصيل الإنشاء، ولكنها تتطلب نظامًا تعاقديًا مرنًا لدعم هذه التغييرات.

طُوِّرت طريقة الحفر في أمريكا الشمالية (NATM) في الأصل للاستخدام في جبال الألب، حيث تُحفر الأنفاق عادةً على أعماق كبيرة وفي ظروف إجهاد عالية في الموقع . تُعدّ مبادئ NATM أساسية في مجال حفر الأنفاق الحديث، وتتضمن NATM بشكل أساسي معالجة ظروف التربة المحددة التي تُواجَه. تُبنى معظم أنفاق المدن على أعماق ضحلة، ولا تحتاج إلى التحكم في إطلاق الإجهاد في الموقع، كما كان الحال مع NATM الأصلية في جبال الألب. تُعطي المشاريع في المدن أولوية أكبر لتقليل الهبوط، ولذلك تميل إلى استخدام أساليب دعم مختلفة عن تلك المستخدمة في NATM الأصلية. وقد أدّى ذلك إلى لبس في المصطلحات، حيث يستخدم مهندسو الأنفاق مصطلح "NATM" للدلالة على معانٍ مختلفة.

ظهرت مصطلحات جديدة ، وتم اعتماد أسماء بديلة لبعض جوانب طريقة الحفر النفقي الجديدة (NATM) مع انتشار استخدامها. ويعود ذلك جزئياً إلى زيادة استخدام هذه الطريقة في الولايات المتحدة، لا سيما في الأنفاق الضحلة ذات التربة الرخوة.

تُستخدم تسميات أخرى لهذا الأسلوب الحديث في حفر الأنفاق؛ فغالباً ما تُستخدم طريقة الحفر المتسلسل (SEM) أو تبطين الخرسانة المرشوشة (SCL) في الأنفاق الضحلة. أما في اليابان، فتُستخدم مصطلحات مثل طريقة الحفر بجدار التقسيم المركزي NATM أو طريقة الحجاب الحاجز المتقاطع (كلاهما يُختصر إلى CDM) وطريقة التقسيم الرأسي للنصف العلوي (UHVS).

تُعرّف الجمعية النمساوية للمهندسين والمعماريين طريقة الحفر الجديدة على الطريقة النمساوية (NATM) بأنها "طريقة يتم فيها دمج التكوينات الصخرية أو الترابية المحيطة بالنفق في هيكل دعم حلقي شامل. وبالتالي، ستكون التكوينات الداعمة نفسها جزءًا من هذا الهيكل الداعم." ^{[ 5 ]}

يستخدم بعض المهندسين أسلوب الحفر الطبيعي الموجه (NATM) عند اقتراح استخدام الخرسانة المرشوشة للدعم الأرضي الأولي لنفق ذي واجهة مفتوحة. وقد يكون مصطلح NATM مضللاً فيما يتعلق بالأنفاق ذات التربة الرخوة. وكما أشار إيميت براون، يمكن أن يشير NATM إلى كل من فلسفة التصميم وطريقة البناء . ^{[ 6 ]}

تتمثل السمات الرئيسية لفلسفة تصميم NATM فيما يلي:

• يتم استغلال قوة الأرض المحيطة بالنفق بشكل متعمد إلى أقصى حد ممكن .
• يتم تحقيق تعبئة قوة الأرض من خلال السماح بتشوه الأرض بشكل متحكم فيه.
• يتم تركيب الدعامات الأولية الأساسية بحيث تكون خصائص الحمل والتشوه مناسبة لظروف الأرض، ويتم تحديد توقيت التركيب بالنسبة لتشوهات الأرض.
• يتم تركيب أجهزة قياس لمراقبة التشوهات في نظام الدعم الأولي، وكذلك لتشكيل أساس لتغيير تصميم الدعم الأولي وتسلسل الحفر .

عندما يُنظر إلى طريقة NATM كطريقة بناء، فإن السمات الرئيسية هي:

• يتم حفر النفق ودعمه بشكل متسلسل، ويمكن تغيير تسلسلات الحفر لمعالجة ظروف الصخور المحددة التي يتم مواجهتها بكفاءة.
• يتم توفير الدعم الأرضي الأولي عن طريق الخرسانة المرشوشة بالاشتراك مع تقوية الألياف أو نسيج الأسلاك الملحومة، والأقواس الفولاذية (عادة ما تكون عوارض شبكية)، وأحيانًا تقوية الأرض (مثل مسامير التربة ، والركائز ).
• عادةً ما يكون الدعم الدائم عبارة عن بطانة خرسانية مصبوبة في الموقع توضع فوق غشاء عازل للماء.
• يتم إغلاق الجزء السفلي من النفق بسرعة، أي الجزء السفلي منه، لإنشاء حلقة هيكلية تستفيد من قوس الصخور أو التربة الذي تم إنشاؤه بشكل طبيعي في الجزء العلوي من قسم النفق.

أدى انهيار نفق قطار هيثرو إكسبريس عام 1994 إلى تساؤلات حول سلامة طريقة الحفر الآلية الجديدة (NATM). ومع ذلك، ألقت المحاكمة اللاحقة باللوم في الانهيار على سوء التنفيذ وعيوب إدارة الإنشاء، وليس على طريقة الحفر الآلية الجديدة نفسها. ^{[ 7 ]}

• الهندسة الجيوتقنية
• تصنيف الكتل الصخرية
• الأنفاق
• تحليل التشوه المتحكم به في الصخور والتربة

• يوهان غولسر، طريقة الحفر النمساوية الجديدة (NATM)، الخلفية النظرية والتجارب العملية. المؤتمر الثاني للخرسانة المرشوشة ، إيستون، بنسلفانيا (الولايات المتحدة الأمريكية)، 4-8 أكتوبر 1976.

• أداة تحليل تفاعل نظام الدعم الأرضي