آلة حفر الأنفاق

طُوِّر أول درع حفر أنفاق ناجح على يد السير مارك إيزامبارد برونيل لحفر نفق التايمز عام 1825. ومع ذلك، لم يكن هذا سوى اختراع لمفهوم الدرع ولم يتضمن بناء آلة حفر أنفاق كاملة، إذ كان لا يزال يتعين إنجاز الحفر باستخدام أساليب الحفر القياسية آنذاك. ^{[ 7 ]}

أول آلة حفر تم الإبلاغ عن بنائها هي " قاطعة الجبال " لهنري ماوس . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} بتكليف من ملك سردينيا عام 1845 لحفر نفق فريجوس للسكك الحديدية بين فرنسا وإيطاليا عبر جبال الألب ، أمر ماوس ببنائها عام 1846 في مصنع أسلحة بالقرب من تورينو ، إيطاليا. تألفت الآلة من أكثر من 100 مثقاب طرق مثبتة في مقدمة آلة بحجم قاطرة، تعمل بالطاقة الميكانيكية من مدخل النفق. أثرت ثورات عام 1848 على التمويل، ولم يكتمل النفق إلا بعد 10 سنوات، باستخدام أساليب أقل ابتكارًا وأقل تكلفة مثل المثاقب الهوائية . ^{[ 12 ]}

في الولايات المتحدة، استُخدمت أول آلة حفر أنفاق في عام 1853 أثناء بناء نفق هوساك في شمال غرب ماساتشوستس. ^{[ 13 ]} كانت مصنوعة من الحديد الزهر، وعُرفت باسم آلة ويلسون الحاصلة على براءة اختراع لقطع الحجارة ، نسبةً إلى مخترعها تشارلز ويلسون. ^{[ 14 ]} حفرت الآلة 3 أمتار (10 أقدام) في الصخر قبل أن تنهار (أُكمل النفق في نهاية المطاف بعد أكثر من 20 عامًا، وكما هو الحال مع نفق فريجوس للسكك الحديدية، باستخدام أساليب أقل تعقيدًا). ^{​​[ 15 ]} سبقت آلة ويلسون آلات حفر الأنفاق الحديثة من حيث استخدامها لأقراص قطع، مثل تلك الموجودة في مشط القرص ، والتي كانت مُثبتة على رأس الآلة الدوار. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} على عكس النحت التقليدي أو الحفر والتفجير، اعتمدت هذه الطريقة المبتكرة لإزالة الصخور على عجلات معدنية بسيطة لتطبيق ضغط عالٍ مؤقت يؤدي إلى تكسير الصخور. 

في عام 1853، حصل الأمريكي إبينزر تالبوت على براءة اختراع لآلة حفر أنفاق تستخدم أقراص ويلسون القاطعة، على الرغم من أنها كانت مثبتة على أذرع دوارة، والتي بدورها كانت مثبتة على صفيحة دوارة. ^{[ 19 ]} وفي سبعينيات القرن التاسع عشر، بنى جون د. برونتون من إنجلترا آلة تستخدم أقراصًا قاطعة مثبتة بشكل لا مركزي على صفائح دوارة، والتي بدورها كانت مثبتة بشكل لا مركزي على صفيحة دوارة، بحيث تتحرك الأقراص القاطعة فوق معظم سطح الصخر المراد إزالته. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

اخترع أول جهاز حفر أنفاق (TBM) قادر على حفر مسافة كبيرة عام 1863، وجرى تطويره عام 1875 على يد الضابط البريطاني الرائد فريدريك إدوارد بلاكيت بومونت (1833-1895). ثم جرى تطوير جهاز بومونت مرة أخرى عام 1880 على يد الضابط البريطاني الرائد توماس إنجلش (1843-1935). ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} في عام 1875، وافقت الجمعية الوطنية الفرنسية على إنشاء نفق تحت بحر المانش ، ودعم البرلمان البريطاني تجربة تشغيلية باستخدام جهاز حفر الأنفاق الذي ابتكره إنجلش. يتكون رأس الحفر من مثقاب مخروطي الشكل، وخلفه ذراعان متقابلان مثبت عليهما أقراص قطع. في الفترة من يونيو 1882 إلى مارس 1883، حفر الجهاز، عبر طبقة من الطباشير، مسافة إجمالية قدرها 1840  مترًا (6036  قدمًا). ^{[ 11 ]} استخدم المهندس الفرنسي ألكسندر لافالي ، الذي كان أيضًا مقاولًا في قناة السويس ، آلة مماثلة لحفر 1669  مترًا (5476  قدمًا) من سانغات على الجانب الفرنسي. ^{[ 27 ]} ومع ذلك، وعلى الرغم من هذا النجاح، تم التخلي عن مشروع نفق القناة الإنجليزية في عام 1883 بعد أن أبدى الجيش البريطاني مخاوفه من إمكانية استخدام النفق كطريق غزو. ^{[ 11 ] [ 28 ]} ومع ذلك، في عام 1883، استُخدمت آلة حفر الأنفاق هذه لحفر نفق تهوية للسكك الحديدية - بقطر مترين ( 7 أقدام) وطول 2.06 كيلومتر (6750 قدمًا) - بين بيركنهيد وليفربول ، إنجلترا، عبر الحجر الرملي أسفل نهر ميرسي . ^{[ 29 ]}    

تم بناء أنفاق أبتاون هدسون لخط سكة حديد هدسون ومانهاتن بشكل متقطع بين عامي 1890 و1908، باستخدام درع جريت هيد . اعتمد المشروع على ضغط الهواء إلى 2.4 بار (35 رطل لكل بوصة مربعة) للحد من الانهيارات الأرضية. مع ذلك، توفي العديد من العمال نتيجة الانهيارات الأرضية أو مرض انخفاض الضغط. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 6 ]}  

خلال أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، واصل المخترعون تصميم وبناء واختبار آلات حفر الأنفاق (TBMs) لأنفاق السكك الحديدية ومترو الأنفاق وشبكات الصرف الصحي وإمدادات المياه، وغيرها. وقد سُجّلت براءات اختراع لآلات حفر الأنفاق التي تستخدم مصفوفات دوارة من المثاقب أو المطارق. ^{[ 32 ]} كما اقتُرحت آلات حفر أنفاق تُشبه مناشير الثقوب العملاقة. ^{[ 33 ]} وتكوّنت آلات حفر أنفاق أخرى من أسطوانة دوارة ذات أسنان معدنية على سطحها الخارجي، ^{[ 34 ]} أو صفيحة دائرية دوارة مغطاة بأسنان، ^{[ 35 ]} أو أحزمة دوارة مغطاة بأسنان معدنية. ^{[ 36 ]} إلا أن هذه الآلات أثبتت أنها باهظة الثمن، وضخمة، وغير قادرة على حفر الصخور الصلبة؛ ولذلك تراجع الاهتمام بها. ومع ذلك، استمر تطوير آلات حفر الأنفاق في مناجم البوتاس والفحم، حيث كانت الصخور أكثر ليونة. ^{[ 37 ]}

صنعت شركة روبنز آلة حفر أنفاق بقطر 14.4 مترًا (47 قدمًا و3 بوصات) لمشروع نفق نياجرا الكندي . استُخدمت الآلة لحفر نفق لتوليد الطاقة الكهرومائية أسفل شلالات نياجرا . سُميت الآلة "بيج بيكي" نسبةً إلى سدود السير آدم بيك الكهرومائية التي حُفرت إليها لتوفير نفق إضافي لتوليد الطاقة الكهرومائية.   

آلة حفر الأنفاق المعروفة باسم "بيرثا" ، والتي يُقال إنها أكبر آلة حفر أنفاق تعمل بتوازن ضغط التربة وثاني أكبر آلة حفر أنفاق بشكل عام (حتى يونيو 2023)، يبلغ قطر حفرتها 17.45 مترًا (57.3 قدمًا) ، وقد أنتجتها شركة هيتاشي زوسن في عام 2013. ^{[ 2 ] [ 38 ]} تم تسليمها إلى مدينة سياتل ، واشنطن ، لمشروع نفق الطريق السريع 99. ^{[ 39 ]} بدأت الآلة العمل في يوليو 2013، لكنها توقفت في ديسمبر من العام نفسه، واحتاجت إلى إصلاحات كبيرة أدت إلى توقفها حتى يناير 2016. ^{[ 40 ]} أكملت "بيرثا" حفر النفق في 4 أبريل 2017. ^{[ 41 ]} 

بعد استحواذ شركة معدات الأنفاق بالسكك الحديدية الصينية (CRTE)، التي تُعرف الآن باسم مجموعة معدات هندسة السكك الحديدية الصينية (CREG) - ألمانيا، على شركة Aker Wirth الألمانية (Aker Solutions) في عام 2013، تم توريد آلتين لحفر الأنفاق وتقنية حفر الأعمدة. ^{[ 42 ] [ 43 ]} استُخدمت وحدات CREG-Wirth، بقطر حفر يبلغ 6.67 متر (21.9 قدم) ، لحفر نفقين لنظام مترو كوالالمبور في ماليزيا . ^{[ 43 ]} كانت التربة المحفورة عبارة عن "حجر طيني رملي مشبع بالماء، وحجر طيني شيستي، وحجر طيني شديد التجوية، بالإضافة إلى الطمي". ^{[ 43 ]} ووفقًا للوصف التجاري للشركة، حققت منتجاتها معدل تقدم يزيد عن 345 مترًا [1130 قدمًا] شهريًا. ^{[ 43 ]}  

يُقال إن آلة الحفر "مارتينا" ، التي بنتها شركة "هيرينكنخت إيه جي" ، هي أكبر آلة حفر للصخور الصلبة ورابع أكبر آلة حفر أنفاق بشكل عام (حتى يونيو 2023) . ^{[ 2 ]} يبلغ قطر حفرها 15.62 مترًا (51.2 قدمًا) ، وطولها الإجمالي 130 مترًا (430 قدمًا) ؛ ومساحة حفرها 192 مترًا ^مربعًا (2070 قدمًا مربعًا ) ، وقوة دفعها 39485 طنًا، ووزنها الإجمالي 4500 طن، وقدرتها المركبة الإجمالية 18 ميغاواط. ^{[ 2 ]} وكان استهلاكها السنوي من الطاقة حوالي 62 غيغاواط ساعة. ^{[ ٢ ]} استخدمت شركة توتو الإيطالية للإنشاءات (Toto SpA Costruczioni General) نفق مارتينا لحفر نفق بطول ٢٫٤ كيلومتر ضمن مشروع فاريانتي دي فاليكو بالقرب من فلورنسا، إيطاليا، في عام ٢٠١٣. وقد أنشأ هذا المشروع نفق سبارفو على الطريق السريع الإيطالي A1 (فاريانتي دي فاليكو A1) بالقرب من فلورنسا. وحتى ذلك التاريخ، كانت شركة توتو لا تزال تملك وتدير نفق مارتينا.            

قامت شركة هيرنكنخت أيضاً ببناء أكبر آلة حفر أنفاق في العالم تعمل بتقنية الطين ، واعتباراً من يونيو 2023، ووفقاً لموسوعة غينيس للأرقام القياسية ، كانت أيضاً أكبر آلة حفر أنفاق على الإطلاق؛ تُسمى "تشين ليانغيو" أو ميكسشيلد إس-880، ويبلغ قطر حفرها 17.63 متراً (57.8 قدماً) . ^{[ 2 ]} كانت هذه الآلة مملوكة ومدارة من قبل شركة تابعة لشركة البناء الفرنسية بويج (دراجاج هونغ كونغ)، وقد استُخدمت لحفر نفق طريق تشيك لاب كوك إلى توين مون، تحت سطح البحر، وصولاً إلى هونغ كونغ ، الصين. تم حفر القسم الأول من النفق بقطر كبير، ثم تم تحويله إلى 14 متراً، وعملت جنباً إلى جنب مع 3 آلات حفر أنفاق أخرى (بما في ذلك آلة حفر أخرى من هيرنكنخت) لإكمال الأنفاق، على عمق 30 متراً تحت سطح البحر، في عام 2019. ^{[ 2 ]} 

بحسب استقرار التكوينات الجيولوجية المحلية، غالبًا ما تحتاج جدران النفق المتشكلة حديثًا إلى تدعيم فوري بعد حفرها لتجنب انهيارها، قبل إنشاء أي دعامات أو بطانات دائمة. تُجهز العديد من آلات حفر الأنفاق بدرع أسطواني واحد أو أكثر يتبع رأس القطع لدعم الجدران إلى حين إنشاء دعامات دائمة للنفق في مكان أبعد داخل الآلة. يؤثر استقرار الجدران أيضًا على طريقة تثبيت آلة حفر الأنفاق نفسها في مكانها لتمكينها من تطبيق القوة على رأس القطع. وهذا بدوره يحدد ما إذا كانت الآلة قادرة على الحفر والتقدم في آنٍ واحد، أو ما إذا كان يتم ذلك بالتناوب.

في الصخور الصلبة ذات المياه الجوفية القليلة، يمكن ترك المنطقة المحيطة برأس آلة حفر الأنفاق دون ضغط، حيث يمكن للسطح الصخري المكشوف أن يدعم نفسه. أما في التربة الأضعف، أو عند وجود كميات كبيرة من المياه الجوفية، فيجب تطبيق ضغط على واجهة النفق لمنع الانهيار أو تسرب المياه الجوفية إلى داخل الآلة.

توازن ضغط الأرض

تُستخدم آلات موازنة ضغط التربة (EPB) في التربة الرخوة التي يقل ضغطها عن 7 بار (100 رطل لكل بوصة مربعة) . وتستخدم هذه الآلات مخلفات الحفر للحفاظ على الضغط عند جبهة النفق. تُدخل مخلفات الحفر (أو نواتج الحفر ) إلى آلة حفر الأنفاق (TBM) عبر ناقل لولبي . ومن خلال ضبط معدل استخراج مخلفات الحفر ومعدل تقدم آلة حفر الأنفاق، يمكن التحكم في الضغط عند جبهة النفق دون الحاجة إلى استخدام الطين . ويمكن حقن مواد مضافة مثل البنتونيت والبوليمرات والرغوة أمام جبهة النفق لتثبيت التربة. كما يمكن حقن هذه المواد المضافة بشكل منفصل في رأس القطع واللولب اللولبي لضمان تماسك مخلفات الحفر بشكل كافٍ للحفاظ على الضغط ومنع تدفق المياه.  

على غرار بعض أنواع آلات حفر الأنفاق الأخرى، تستخدم آلات حفر الأنفاق ذات الضغط المتوازن أسطوانات دفع للتقدم عن طريق الضغط على أجزاء الخرسانة. يستخدم رأس القطع مزيجًا من رؤوس القطع المصنوعة من كربيد التنجستن ، وقواطع الأقراص الكربيدية، وآلات السحب، و/أو قواطع الأقراص الصخرية الصلبة.

أتاحت تقنية الحفر بضغط التربة (EPB) حفر الأنفاق في الأراضي الرخوة أو الرطبة أو غير المستقرة بسرعة وأمان لم يكونا ممكنين سابقًا. وقد تم حفر نفق القناة ، وخط أنابيب مياه التايمز الدائري ، وأجزاء من مترو أنفاق لندن ، ومعظم أنفاق المترو الجديدة التي اكتملت في العشرين عامًا الماضية حول العالم باستخدام هذه الطريقة. تاريخيًا، تنافست تقنية الحفر بضغط التربة مع طريقة الدرع الطيني (انظر أدناه)، حيث يُستخدم الطين لتثبيت جبهة النفق ونقل نواتج الحفر إلى السطح. تُستخدم آلات حفر الأنفاق بتقنية ضغط التربة في الغالب في الأراضي ذات التربة الناعمة (مثل الطين)، بينما تُستخدم آلات حفر الأنفاق بالطين في الغالب في الأراضي ذات التربة الخشنة (مثل الحصى). ^{[ 45 ]}

يتراوح قطر آلات حفر الأنفاق من متر واحد إلى 17 مترًا (من 3 إلى 56 قدمًا) . تُستخدم آلات حفر الأنفاق الصغيرة ذات الدرع لإنشاء أنفاق صغيرة، وهي مكافئ أصغر لآلة حفر الأنفاق العامة ، وعادةً ما تحفر أنفاقًا يتراوح قطرها من متر واحد إلى متر ونصف (من 3.3 إلى 4.9 قدمًا) ، وهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن للمشغلين السير فيها.