درع النفق

درع الحفر هو هيكل وقائي يُستخدم أثناء حفر الأنفاق الكبيرة التي يصنعها الإنسان . عند الحفر في أرض رخوة أو سائلة أو غير مستقرة، يُحتمل أن يتعرض العمال والمشروع نفسه لمخاطر صحية وأمنية نتيجة سقوط المواد أو الانهيارات الأرضية. يُمكن استخدام درع الحفر كهيكل دعم مؤقت، حيث يبقى عادةً لفترة قصيرة من لحظة حفر جزء النفق حتى يتم تبطينه بهيكل دعم دائم. قد يكون الهيكل الدائم مصنوعًا من الطوب أو الخرسانة أو الحديد الزهر أو الفولاذ، وذلك حسب الفترة الزمنية. على الرغم من أن الدروع الحديثة غالبًا ما تكون أسطوانية الشكل، إلا أن أول "درع"، الذي صممه مارك إيزامبارد برونيل ، كان في الواقع هيكلًا حديديًا مستطيلًا كبيرًا يشبه السقالة، بثلاثة مستويات واثني عشر قسمًا في كل مستوى، مع سطح علوي صلب يتحمل الأحمال . كان هذا الهيكل يحمي العمال من الانهيارات الأرضية أثناء عملهم داخله، وهم يحفرون النفق أمام الدرع.

طوّر مارك إيزامبارد برونيل أول درع حفر أنفاق مستطيل ناجح ، وحصل على براءة اختراع بالاشتراك مع اللورد كوكرين في يناير 1818. استخدم برونيل وابنه إيزامبارد كينغدوم برونيل هذا الدرع لحفر نفق التايمز بدءًا من عام 1825 (مع أن النفق لم يُفتتح حتى عام 1843). ^{[ 1 ] [ 2 ]} يُقال إن برونيل استلهم تصميمه من صدفة دودة السفن ، وهي رخويات لاحظ كفاءتها في اختراق الأخشاب المغمورة أثناء عمله في حوض بناء السفن. ^{[ 1 ]} قامت شركة مودسلي وأبناؤه وفيلد من لامبيث، لندن، ببناء الدرع ، وهي الشركة نفسها التي صنعت مضخات البخار لتجفيف النفق.

صُنع هذا الدرع من الحديد الزهر، وكان يُنقل بواسطة رافعات لولبية. وُضعت أرفف لدعم جوانبه المختلفة إلى حين تركيب بطانات طوب أكثر متانة. بلغت أبعاده 22 قدمًا و3 بوصات في 37 قدمًا و6 بوصات. ^{[ 3 ]} على الرغم من نجاحه، إلا أن التكلفة الباهظة والمشاكل التي واجهها جعلت أي محاولة أخرى لتطبيق طريقته مهمة شاقة لم تُجرَ إلا بعد ربع قرن. ^{[ 3 ]}

في عام 1840، كان ألفريد إيلي بيتش ، محرر مجلة ساينتفك أمريكان ، أول من اقترح أن التصميم الدائري أفضل من تصميم برونيل المستطيل. وفي عام 1869، بنى بيتش درعًا دائريًا ^{[ 2 ]} ، ونُشرت صورته في مقال إخباري في نيويورك حول فكرته عن نظام الأنفاق الهوائية. استند التصميم إلى شبكة درع برونيل، وكان يُدفع للأمام بواسطة رافعة لولبية مع تقدم الواجهة يدويًا.

في عام 1864، تقدم بيتر دبليو بارلو بطلب للحصول على براءة اختراع لتصميم ذي مقطع عرضي دائري. نظريًا، سهّل هذا التصميم بناء الدرع وحسّن قدرته على دعم التربة المحيطة؛ نظريًا، لأنه لم يُبنَ أي درع باستخدام هذا التصميم. ^{[ 3 ]} جرى تحسين براءة اختراع بارلو لعام 1864 لاحقًا، وحصل على براءة اختراع مؤقتة في عام 1868، لكنها لم تُصدّق عليها رسميًا لوفاة بارلو بعد ذلك بفترة وجيزة.

تم تحسين تصميم برونيل الأصلي بشكل كبير على يد جيمس هنري جريت هيد ، الذي حصل على ثلاث براءات اختراع لتصاميم مختلفة للدروع. بالإضافة إلى ذلك، ابتكر مفهوم حقن الخرسانة المرشوشة لتثبيت الأعمال الترابية بالخرسانة المحقونة، وهي عبارة عن حوض رش يقوم بحقن ملاط ​​التسليح هيدروليكيًا في الفراغات بين البطانة المبنية وجدار النفق الدائري. ^{[ 3 ]}

كان جريت هيد أول من استخدم درع حفر أسطواني الشكل، وذلك في بناء نفق برج لندن تحت نهر التايمز في وسط لندن عام 1869. ^{[ 3 ]} بلغ قطر درع جريت هيد 2.21 متر ( 7 أقدام و3 بوصات ) . وبالمثل، افتتح ألفريد إيلي بيتش نفقه للجمهور في الأول من مارس عام 1870.   

استخدم جريت هيد درعًا مماثلاً في بناء خط سكة حديد سيتي وجنوب لندن (الذي يُعد اليوم جزءًا من خط نورثرن في مترو أنفاق لندن ) عام 1884، حيث بلغ قطر الأنفاق 3.1 متر . كما استُخدم درعه في حفر أنفاق خط سكة حديد واترلو وسيتي، التي افتُتحت عام 1898، والتي بلغ قطرها 3.7 متر . وكانت أنفاق محطة سيتي (المعروفة الآن باسم بانك) أكبر درع حفر أنفاق في العالم آنذاك، حيث بلغ قطرها 7 أمتار .       

لا يزال درع جريت هيد الأصلي المستخدم في حفر خطوط مترو أنفاق لندن العميقة موجودًا في مكانه في الأنفاق المهجورة أسفل محطة مورغيت . ^{[ 4 ]}

لا تزال معظم دروع الأنفاق تعتمد بشكل فضفاض على تصميم جريت هيد. ^{[ 5 ]}

في بدايات حفر الأنفاق باستخدام الدروع، كان الدرع بمثابة وسيلة لحماية العمال الذين يقومون بالحفر، وكانوا يحركّون الدرع للأمام، ويستبدلونه تدريجيًا بأجزاء مسبقة الصنع من جدار النفق. وقد بُنيت الأنفاق العميقة الأولى لمترو أنفاق لندن بهذه الطريقة. كان الدرع يقسم جبهة العمل إلى أجزاء متداخلة يستطيع كل عامل حفرها.

تتكون آلة حفر الأنفاق (TBM) من درع (أسطوانة معدنية كبيرة) وآليات دعم خلفية.

توجد عجلة قطع دوارة في مقدمة الدرع. وخلف عجلة القطع توجد حجرة حيث يتم خلط التربة المحفورة إما بسائل طيني ( ما يُعرف بآلة حفر الأنفاق الطينية) أو تُترك كما هي (آلة حفر الأنفاق ذات توازن ضغط التربة)، وذلك حسب نوع آلة حفر الأنفاق. ويعتمد اختيار نوع آلة حفر الأنفاق على خصائص التربة. كما توجد أنظمة لإزالة التربة (أو التربة المخلوطة بالسائل الطيني).

خلف حجرة الحفر، توجد مجموعة من الرافعات الهيدروليكية المدعومة بالجزء المكتمل من النفق، وتُستخدم لدفع آلة حفر الأنفاق إلى الأمام. بعد حفر مسافة معينة (حوالي 1.5-2 متر ) ، يتم بناء حلقة نفق جديدة باستخدام جهاز الرفع. جهاز الرفع عبارة عن نظام دوار يلتقط قطع الخرسانة مسبقة الصب ويضعها في الموضع المطلوب. 

توجد العديد من آليات الدعم خلف الدرع، داخل الجزء النهائي من النفق، والتي تعد جزءًا من آلة حفر الأنفاق: إزالة الأتربة، وخطوط أنابيب الطين إن وجدت، وغرف التحكم، وقضبان نقل القطع مسبقة الصب، وما إلى ذلك.

بطانة النفق هي جدار النفق، وتتكون عادةً من قطع خرسانية مسبقة الصب تُشكل حلقات. استُخدمت بطانات من الحديد الزهر تقليديًا في أنفاق مترو أنفاق لندن ، بينما استُخدمت بطانات فولاذية في بعض الأحيان في أماكن أخرى. إن فكرة استخدام أقسام البطانة المصبوبة مسبقة الصب ليست جديدة، وقد حصل جيمس هنري جريت هيد على براءة اختراعها لأول مرة عام ١٨٧٤ .

توجد في اليابان عدة طرق مبتكرة لحفر الأنفاق باستخدام الدروع، مثل نفق الأنبوب المزدوج (DOT). يبدو هذا النفق كدائرتين متداخلتين. كما توجد دروع مزودة بأذرع محوسبة يمكن استخدامها لحفر نفق بأي شكل تقريبًا. ^{[ 6 ]}

• التعدين بالجدران الطويلة ، وهو أسلوب لتعدين الفحم يستخدم سلسلة من الدروع الهيدروليكية

• صورة لعملية حفر الأنفاق اليدوية باستخدام درع جريت هيد