إنشاء الأنفاق

تُحفر الأنفاق في أنواع مختلفة من المواد، بدءًا من الطين اللين وصولًا إلى الصخور الصلبة. وتعتمد طريقة بناء النفق على عوامل عديدة، منها طبيعة التربة، وحالة المياه الجوفية، وطول وقطر مسار النفق، وعمقه، واللوجستيات اللازمة لدعم عملية الحفر، والاستخدام النهائي للنفق وشكله، بالإضافة إلى إدارة المخاطر المناسبة. ويُعدّ بناء الأنفاق فرعًا من فروع الإنشاءات تحت الأرض .

توجد ثلاثة أنواع أساسية من إنشاء الأنفاق شائعة الاستخدام:

• نفق محفور ومغطى، تم بناؤه في خندق ضحل ثم تغطيته.
• الأنفاق المحفورة، تُبنى في الموقع دون إزالة التربة فوقها. وعادةً ما تكون ذات مقطع عرضي دائري أو على شكل حدوة حصان. وتُطبّق عليها بعض مفاهيم التعدين تحت الأرض . تشمل التقنيات الحديثة الخرسانة المرشوشة المستخدمة في طريقة حفر الأنفاق النمساوية الجديدة ، واستخدام آلة حفر الأنفاق (TBM) أو درع الحفر . ومع ذلك، لا تزال تُبنى أنفاق تُثبّت بدعامات وأعمدة ، ثم تُدعّم بأعمدة أو دعامات خشبية. وتُعدّ التقنيات المعروفة من الأقبية الأسطوانية مفيدة في هذا الصدد .
• نفق أنبوبي مغمور، مغمور في مسطح مائي وموضوع على قاعه أو مدفون تحته مباشرة.

تشير التجارب في عام 2017 إلى أن تكلفة أنفاق مترو الأنفاق المحفورة بآلات حفر الأنفاق (TBM) تبلغ حوالي 500 مليون يورو للكيلومتر الواحد. وفي سويسرا، قُدّرت تكلفة كيلومتر واحد من نفق الطريق السريع بحوالي 300 مليون فرنك سويسري، أي ما يعادل 200 مليون يورو آنذاك. أما النفق البحري بين الدنمارك وألمانيا، فكان من المخطط أن تبلغ تكلفته 425 مليون يورو للكيلومتر الواحد، وذلك في عام 2015. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

الحفر والتغطية طريقة بسيطة لإنشاء الأنفاق الضحلة، حيث يتم حفر خندق وتغطيته بنظام دعم علوي قوي بما يكفي لتحمل وزن ما سيُبنى فوق النفق. يتوفر نوعان أساسيان من حفر الأنفاق بتقنية الحفر والتغطية:

• طريقة البناء من الأسفل إلى الأعلى : يتم حفر خندق، مع توفير دعامات أرضية حسب الحاجة، ثم يُبنى النفق فيه. قد يكون النفق مصنوعًا من الخرسانة المصبوبة في الموقع، أو الخرسانة مسبقة الصب، أو الأقواس مسبقة الصب، أو الأقواس الفولاذية المموجة؛ وفي البدايات، كان يُستخدم البناء بالطوب. بعد ذلك، يُردم الخندق بعناية ويُعاد تسوية السطح.
• طريقة البناء من الأعلى إلى الأسفل : تُبنى الجدران الجانبية الداعمة وعوارض التغطية من مستوى الأرض باستخدام طرق مثل الجدران الطينية أو الركائز المحفورة المتجاورة. بعد ذلك، يُجرى حفر سطحي لإنشاء سقف النفق من عوارض مسبقة الصب أو الخرسانة المصبوبة في الموقع. ثم يُعاد سطح الأرض إلى وضعه الطبيعي باستثناء فتحات الوصول. وهذا يسمح بإعادة إنشاء الطرق والخدمات وغيرها من معالم السطح في وقت مبكر. بعد ذلك، يُجرى الحفر أسفل سقف النفق الدائم، ويتم بناء البلاطة الأساسية.

تُحفر الأنفاق الضحلة عادةً بتقنية الحفر والتغطية (أو بتقنية الأنابيب المغمورة إذا كانت تحت الماء)، بينما تُحفر الأنفاق العميقة باستخدام درع حفر في أغلب الأحيان . أما بالنسبة للأنفاق المتوسطة، فيمكن استخدام كلتا الطريقتين.

تُستخدم عادةً الأنفاق الكبيرة ذات التصميم المكشوف في محطات مترو الأنفاق ، مثل محطة كاناري وارف في لندن. يتألف هذا التصميم عادةً من مستويين، مما يُتيح ترتيبات اقتصادية لقاعة التذاكر، وأرصفة المحطة، ومداخل الركاب ومخارج الطوارئ، وأنظمة التهوية والتحكم بالدخان، وغرف الموظفين، وغرف المعدات. وقد شُبّهت محطة كاناري وارف من الداخل بكاتدرائية تحت الأرض، نظرًا لضخامة الحفر. ويتناقض هذا مع العديد من المحطات التقليدية في مترو أنفاق لندن ، حيث استُخدمت الأنفاق المحفورة للمحطات ومداخل الركاب. ومع ذلك، فقد شُيّدت الأجزاء الأصلية من شبكة مترو أنفاق لندن، وهما خطي متروبوليتان وديستريكت، باستخدام تقنية التصميم المكشوف. وقد سبقت هذه الخطوط استخدام القطارات الكهربائية، وكان قربها من سطح الأرض مفيدًا لتهوية الدخان والبخار الناتجين حتمًا.

من أبرز عيوب تقنية الحفر والتغطية هو الاضطراب الواسع النطاق الذي يحدث على مستوى السطح أثناء الإنشاء. هذا، بالإضافة إلى توفر الجر الكهربائي، دفع مترو أنفاق لندن إلى التحول إلى الأنفاق المحفورة على مستوى أعمق مع نهاية القرن التاسع عشر.

تُستخدم آلات حفر الأنفاق وأنظمة الدعم المرتبطة بها لأتمتة عملية حفر الأنفاق بشكل كبير، مما يقلل من تكاليفها. في بعض التطبيقات الحضرية، يُنظر إلى حفر الأنفاق كبديل سريع وفعال من حيث التكلفة لمدّ خطوط السكك الحديدية والطرق السطحية. كما يُغني عن الاستملاك الإجباري المكلف للمباني والأراضي، وما يترتب عليه من إجراءات تخطيط مطولة. أما عيوب آلات حفر الأنفاق فتتمثل في حجمها الكبير عادةً، وصعوبة نقلها إلى موقع بناء النفق، أو (بدلاً من ذلك) ارتفاع تكلفة تجميعها في الموقع، غالباً داخل حدود النفق قيد الإنشاء.

تتنوع تصاميم آلات حفر الأنفاق (TBM) لتتمكن من العمل في ظروف متنوعة، من الصخور الصلبة إلى التربة الرخوة الحاملة للمياه. بعض أنواع آلات حفر الأنفاق، مثل آلات طين البنتونيت وآلات موازنة ضغط التربة، مزودة بحجرات مضغوطة في مقدمتها، مما يسمح باستخدامها في ظروف صعبة أسفل مستوى المياه الجوفية . تعمل هذه الحجرات على ضغط التربة أمام رأس آلة الحفر لموازنة ضغط الماء. يعمل المشغلون تحت ضغط هواء عادي خلف الحجرة المضغوطة، ولكن قد يضطرون أحيانًا إلى دخولها لتجديد أو إصلاح الشفرات. يتطلب ذلك اتخاذ احتياطات خاصة، مثل معالجة التربة محليًا أو إيقاف آلة الحفر في مكان خالٍ من الماء. على الرغم من هذه الصعوبات، تُفضل آلات حفر الأنفاق الآن على الطريقة القديمة للحفر بالهواء المضغوط، والتي تعتمد على غرفة معادلة الضغط /غرفة تخفيف الضغط على مسافة ما من آلة الحفر، والتي كانت تتطلب من المشغلين العمل تحت ضغط عالٍ والخضوع لإجراءات تخفيف الضغط في نهاية نوبات عملهم، تمامًا كما يفعل غواصو أعماق البحار .

في فبراير 2010، سلّمت شركة آكر ويرث آلة حفر أنفاق إلى سويسرا لتوسيع محطتي لينث-ليمرن لتوليد الطاقة الواقعتين جنوب لينثال في كانتون غلاروس . يبلغ قطر البئر 8.03 أمتار (26.3 قدمًا) . ^{[ 4 ]} أما آلات حفر الأنفاق الأربع المستخدمة في حفر نفق غوتهارد الأساسي ، الذي يبلغ طوله 57 كيلومترًا (35 ميلًا) في سويسرا ، فكان قطرها حوالي 9 أمتار (30 قدمًا) . وتم بناء آلة حفر أنفاق أكبر لحفر نفق القلب الأخضر (بالهولندية: Tunnel Groene Hart) كجزء من مشروع HSL-Zuid في هولندا، بقطر 14.87 مترًا (48.8 قدمًا) . ^{[ 5 ]} وقد تم استبدال هذا النفق لاحقًا بطريق مدريد الدائري M30 في إسبانيا ، وأنفاق تشونغ مينغ في شنغهاي بالصين . جميع هذه الآلات صُنعت جزئيًا على الأقل بواسطة شركة هيرنكنخت . اعتبارًا من يناير 2023     كانت آلة حفر الأنفاق Tuen Mun–Chek Lap Kok TBM ، التي يبلغ قطرها 17.6 مترًا (58 قدمًا) والتي بنتها شركة Herrenknecht ، هي الأكبر من حيث قطر الرأس على الإطلاق، وذلك من أجل وصلة Tuen Mun-Chek Lap Kok في هونغ كونغ . ^{[ 6 ]} 

الحفر بالركل الطيني أسلوب متخصص طُوّر في المملكة المتحدة لحفر الأنفاق في التربة الطينية الصلبة. على عكس الطرق اليدوية السابقة باستخدام المعاول التي كانت تعتمد على صلابة التربة، يتميز الحفر بالركل الطيني بهدوئه النسبي، وبالتالي لا يُلحق الضرر بالتربة الطينية الرخوة. يُوضع عامل الحفر بالركل الطيني على لوح خشبي بزاوية 45 درجة بعيدًا عن سطح العمل، ويُدخل أداة ذات طرف مستدير يشبه الكأس باستخدام قدميه. بتدوير الأداة يدويًا، يستخرج العامل جزءًا من التربة، ثم يضعه فوق الجزء المستخرج.

استُخدمت هذه الطريقة في الهندسة المدنية الفيكتورية ، وحظيت بشعبية في تجديد شبكات الصرف الصحي القديمة في بريطانيا ، إذ لم تكن تتطلب إزالة جميع الممتلكات أو البنية التحتية لإنشاء نظام أنفاق صغير. خلال الحرب العالمية الأولى ، استخدمت فرق الأنفاق التابعة للمهندسين الملكيين هذا النظام لزرع الألغام تحت خطوط الإمبراطورية الألمانية . كانت هذه الطريقة صامتة تقريبًا، وبالتالي لم تكن قابلة للكشف بواسطة أساليب التنصت. ^{[ 7 ]}

قد يكون من الضروري أحيانًا إنشاء بئر وصول مؤقت أثناء حفر النفق. عادةً ما تكون هذه الآبار دائرية الشكل وتمتد عموديًا إلى الأسفل حتى تصل إلى المستوى الذي سيُبنى عنده النفق. عادةً ما تكون جدران البئر خرسانية، ويُبنى عادةً ليكون دائمًا. بمجرد اكتمال آبار الوصول، تُنزل آلات حفر الأنفاق إلى القاع، ويمكن البدء بالحفر. تُعد الآبار المدخل الرئيسي للنفق ومخرجه حتى اكتمال المشروع. إذا كان النفق طويلًا، فقد تُحفر عدة آبار في مواقع مختلفة بحيث يكون مدخل النفق أقرب إلى المنطقة غير المحفورة. ^{[ 8 ]}

بمجرد اكتمال أعمال البناء، تُستخدم فتحات الوصول إلى مواقع البناء غالبًا كفتحات تهوية ، ويمكن استخدامها أيضًا كمخارج طوارئ. ^{[ 9 ]}

طُوّرت طريقة الحفر النمساوية الجديدة (NATM) في ستينيات القرن الماضي، وهي أشهر الطرق الهندسية التي تستخدم القياسات المحسوبة والتجريبية لتوفير دعم آمن لبطانة النفق. تقوم فكرة هذه الطريقة على استخدام الإجهاد الجيولوجي للكتلة الصخرية المحيطة لتثبيت النفق، وذلك من خلال السماح باسترخاء مُقاس وإعادة توزيع الإجهاد في الصخور المحيطة لمنع تحميل الدعامات بأحمال كاملة. وبناءً على القياسات الجيوتقنية ، يُحسب المقطع العرضي الأمثل . ويُحمى الحفر بطبقة من الخرسانة المرشوشة، والمعروفة باسم الخرسانة المرشوشة . تشمل تدابير الدعم الأخرى الأقواس الفولاذية، والمسامير الصخرية، والشبكات. وقد أدت التطورات التكنولوجية في تقنية الخرسانة المرشوشة إلى إضافة ألياف الفولاذ والبولي بروبيلين إلى خليط الخرسانة لتحسين قوة البطانة. وهذا يُنشئ حلقة تحمل طبيعية، مما يقلل من تشوه الصخور .

بفضل المراقبة الدقيقة ، تتميز طريقة الحفر عبر النفق (NATM) بالمرونة، حتى في ظل التغيرات المفاجئة في تماسك الصخور الجيوميكانيكي أثناء أعمال الحفر. وتؤدي خصائص الصخور المقاسة إلى تحديد الأدوات المناسبة لتقوية النفق . وفي العقود الأخيرة، أصبح حفر الأنفاق في التربة الرخوة لمسافة تصل إلى 10 كيلومترات (6.2 ميل) أمراً شائعاً. 

في تقنية دفع الأنابيب ، تُستخدم رافعات هيدروليكية لدفع أنابيب مصممة خصيصًا عبر الأرض خلف آلة حفر الأنفاق أو درع الحماية. تُستخدم هذه الطريقة عادةً لإنشاء أنفاق تحت المنشآت القائمة، مثل الطرق أو السكك الحديدية. عادةً ما تكون الأنفاق التي تُنشأ بتقنية دفع الأنابيب ذات أقطار صغيرة، ويبلغ أقصى قطر لها حوالي 3.2 متر (10 أقدام) . 

تُشبه عملية الرفع الصندوقي عملية الرفع الأنبوبي، ولكن بدلاً من استخدام أنابيب الرفع، يُستخدم نفق على شكل صندوق. ويمكن أن يكون امتداد الصناديق المرفوعة أكبر بكثير من امتداد نفق الرفع الأنبوبي، حيث يتجاوز امتداد بعض الصناديق المرفوعة 20 مترًا (66 قدمًا) . ويُستخدم عادةً رأس قطع في مقدمة الصندوق المراد رفعه، ويتم إزالة الأنقاض عادةً بواسطة حفارة من داخل الصندوق. وقد مكّنت التطورات الحديثة في تقنية الرفع القوسي والرفع السطحي من تركيب هياكل أطول وأكبر بدقة عالية. 

There are also several approaches to underwater tunnels, the two most common being bored tunnels or immersed tubes, examples are Bjørvika Tunnel and Marmaray. Submerged floating tunnels are a novel approach under consideration; however, no such tunnels have been constructed to date.

A new kind of tunnels is used to reduce the environmental impact of motorways or railways: land tunnels. These are not underground tunnels, but built at ground level. The urban area next to the tunnel can be raised with ground or buildings (for instance parking facilities) to improve the integration of the tunnel in the immediate area. A good early example of such a land tunnel is the A2 motorway tunnel at Leidsche Rijn, near the Dutch city of Utrecht.^[10]

During construction of a tunnel it is often convenient to install a temporary railway, particularly to remove excavated spoil, often narrow gauge so that it can be double track to allow the operation of empty and loaded trains at the same time. The temporary way is replaced by the permanent way at completion, thus explaining the term "Perway".

The vehicles or traffic using a tunnel can outgrow it, requiring replacement or enlargement:

• The 1832 double-track mile-long tunnel from Edge Hill to Lime Street in Liverpool was near totally removed, apart from a 50-metre section at Edge Hill and a section nearer to Lime Street, as four tracks were required. The tunnel was dug out into a very deep four-track cutting, with short tunnels in places along the cutting. Train services were not interrupted as the work progressed.^[11][12] There are other occurrences of tunnels being replaced by open cuts, for example, the Auburn Tunnel.
• The Farnworth Tunnel in England was enlarged using a tunnel boring machine (TBM) in 2015.^[13] The Rhyndaston Tunnel was enlarged using a borrowed TBM so as to be able to take ISO containers.

An open building pit consists of a horizontal and a vertical boundary that keeps groundwater and soil out of the pit. There are several potential alternatives and combinations for (horizontal and vertical) building pit boundaries. The most important difference with cut-and-cover is that the open building pit is muted after tunnel construction; no roof is placed.^[14]

• Microtunneling – Tunnel construction technique
• الحفر والتفجير – طريقة الحفر باستخدام المتفجرات 
• فاصل هيدروليكي – أداة هيدروليكية محمولة لتكسير الصخور 

• تشابمان، ديفيد؛ ميتجي، نيكول؛ ستارك، ألفريد (2018). مقدمة في بناء الأنفاق (  الطبعة الثانية). مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 9781498766241.