التطورات في حفر الأنفاق والحفر تحت الأرض عن طريق الحفر والتفجير

اعتدنا هنا في الولايات المتحدة أن نشير إلى حفر الأنفاق عن طريق الحفر والتفجير على أنه حفر أنفاق "تقليدي"، وهو ما أعتقد أنه يترك حفر الأنفاق عن طريق حفر الأنفاق أو الوسائل الآلية الأخرى يشار إليه على أنه "غير تقليدي".ومع ذلك، مع تطور تكنولوجيا TBM، أصبح من النادر أكثر فأكثر حفر الأنفاق بالحفر والتفجير، وعلى هذا النحو قد نرغب في التفكير في تغيير هذا التعبير والبدء في الإشارة إلى حفر الأنفاق بالحفر والتفجير على أنه "عمل غير تقليدي" "حفر الأنفاق.

لا يزال حفر الأنفاق عن طريق الحفر والتفجير هو الأسلوب الأكثر شيوعًا في صناعة التعدين تحت الأرض، في حين أن حفر الأنفاق لمشاريع البنية التحتية أصبح أكثر فأكثر أنفاقًا ميكانيكية عن طريق حفر الأنفاق أو طرق أخرى.ومع ذلك، في الأنفاق القصيرة، بالنسبة للمقاطع العرضية الكبيرة، وبناء الكهوف، والتقاطعات، والممرات المتقاطعة، والأعمدة، والقلم، وما إلى ذلك، غالبًا ما يكون الحفر والتفجير هو الطريقة الوحيدة الممكنة.من خلال Drill and Blast، لدينا أيضًا إمكانية أن نكون أكثر مرونة في اعتماد ملفات تعريف مختلفة مقارنة بنفق TBM الذي يوفر دائمًا مقطعًا عرضيًا دائريًا خاصة لأنفاق الطرق السريعة مما يؤدي إلى الكثير من الحفر الزائد فيما يتعلق بالمقطع العرضي الفعلي المطلوب.

في بلدان الشمال الأوروبي، حيث يكون التكوين الجيولوجي للبناء تحت الأرض غالبًا من الجرانيت الصلب والنيس الذي يفسح المجال للتعدين بالحفر والتفجير بكفاءة واقتصادية للغاية.على سبيل المثال، يتكون نظام مترو أنفاق ستوكهولم عادةً من سطح صخري مكشوف تم إنشاؤه باستخدام الحفر والتفجير ويتم رشه بالخرسانة المرشوشة كبطانة نهائية دون أي بطانة مصبوبة في المكان.

حاليًا مشروع AECOM، طريق ستوكهولم الجانبي الذي يتكون من طريق سريع بطول 21 كيلومترًا (13 ميلًا)، منها 18 كيلومترًا (11 ميلًا) تحت الأرض تحت الأرخبيل الغربي في ستوكهولم، قيد الإنشاء، انظر الشكل 1. تحتوي هذه الأنفاق على مقاطع عرضية متغيرة، لاستيعاب ثلاثة مسارات في كل اتجاه، ويتم إنشاء منحدرات الدخول والخروج المتصلة بالسطح باستخدام تقنية الحفر والتفجير.لا يزال هذا النوع من المشاريع قادرًا على المنافسة مثل مشاريع الحفر والتفجير نظرًا للجيولوجيا الجيدة والحاجة إلى مقطع عرضي متغير لاستيعاب متطلبات المساحة.بالنسبة لهذا المشروع، تم تطوير العديد من منحدرات الوصول لتقسيم الأنفاق الرئيسية الطويلة إلى عناوين متعددة مما سيؤدي إلى تقصير الوقت الإجمالي لحفر النفق.يتكون الدعم الأولي للنفق من مسامير صخرية وخرسانة مرشوشة مقاس 4 بوصات، وتتكون البطانة النهائية من غشاء عازل للماء وخرسانة مرشوشة مقاس 4 بوصات معلقة بمسامير متباعدة حوالي 4 × 4 أقدام، مثبتة على بعد قدم واحدة من سطح الصخور المبطن بالخرسانة، وتعمل بمثابة ماء والصقيع عازلة.

تعد النرويج أكثر تطرفًا عندما يتعلق الأمر بحفر الأنفاق عن طريق الحفر والتفجير، وقد قامت على مر السنين بتحسين أساليب الحفر والتفجير إلى حد الكمال.مع التضاريس الجبلية للغاية في النرويج والمضايق الطويلة جدًا التي تقطع الأرض، فإن الحاجة إلى الأنفاق تحت المضايق لكل من الطرق السريعة والسكك الحديدية لها أهمية كبيرة ويمكن أن تقلل وقت السفر بشكل كبير.يوجد في النرويج أكثر من 1000 نفق طريق، وهو العدد الأكبر في العالم.بالإضافة إلى ذلك، تعد النرويج أيضًا موطنًا لعدد لا يحصى من محطات الطاقة الكهرومائية ذات الأنفاق والأعمدة التي تم إنشاؤها بواسطة شركة Drill and Blast.خلال الفترة من 2015 إلى 2018، في النرويج وحدها، كان هناك حوالي 5.5 مليون سنة قبرصية من عمليات التنقيب عن الصخور تحت الأرض بواسطة شركة Drill and Blast.لقد أتقنت دول الشمال تقنية الحفر والتفجير واستكشفت تقنياتها وأحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا في جميع أنحاء العالم.أيضًا، في أوروبا الوسطى، خاصة في بلدان جبال الألب، لا يزال الحفر والتفجير طريقة تنافسية في حفر الأنفاق على الرغم من طول الأنفاق.يتمثل الاختلاف الرئيسي عن أنفاق بلدان الشمال الأوروبي في أن معظم أنفاق جبال الألب تحتوي على بطانة خرسانية نهائية مصبوبة في مكانها.

توجد في شمال شرق الولايات المتحدة الأمريكية وفي مناطق جبال روكي ظروف مماثلة لتلك الموجودة في بلدان الشمال الأوروبي حيث تسمح الصخور الصلبة ذات الكفاءة بالاستخدام الاقتصادي للحفر والتفجير.تشمل بعض الأمثلة مترو أنفاق مدينة نيويورك، ونفق أيزنهاور في كولورادو، ونفق جبل ماكدونالد في جبال روكي الكندية.

مشاريع النقل الأخيرة في نيويورك، مثل مشروع Second Avenue Subway الذي تم الانتهاء منه مؤخرًا أو مشروع East Side Access، تحتوي على مزيج من أنفاق تشغيل TBM مع Station Caverns وغيرها من المساحات الإضافية التي قامت بها شركة Drill and Blast.

لقد تطور استخدام حفارات الجامبو على مر السنين من المثاقب البدائية المحمولة باليد أو حفارات جامبو ذات ذراع واحد إلى حفارات جامبو متعددة الأذرع المحوسبة ذاتية الحفر حيث يتم تغذية أنماط الحفر إلى الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة مما يسمح بالحفر السريع والدقيق إلى مستوى ما قبل الحفر. -ضبط نمط الحفر المحسوب بدقة.(انظر الشكل 2)

تأتي شاحنات الحفر الجامبو المتقدمة بشكل آلي بالكامل أو شبه آلي؛في الحالة الأولى، بعد الانتهاء من الحفرة، يتراجع جهاز الحفر ويتحرك تلقائيًا إلى موضع الثقب التالي ويبدأ الحفر دون الحاجة إلى تحديد الموضع من قبل المشغل؛بالنسبة لأذرع الرافعة شبه الأوتوماتيكية، يقوم المشغل بتحريك المثقاب من ثقب إلى آخر.يتيح ذلك لمشغل واحد التعامل بشكل فعال مع حفارات الحفر الكبيرة بما يصل إلى ثلاثة أذرع باستخدام الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة.(انظر الشكل 3)

مع تطوير مثاقب الصخور من 18 و22 و30 وما يصل إلى 40 كيلو واط من قوة الصدم والمثاقب عالية التردد مع مغذيات تحمل ما يصل إلى 20 قدمًا من القضبان المنجرفة واستخدام نظام إضافة القضبان الآلي (RAS)، أصبح التقدم والسرعة لقد تحسنت عملية الحفر بشكل كبير مع معدلات التقدم الفعلية التي تصل إلى 18 قدمًا لكل جولة وغوص الحفرة بين 8 - 12 قدمًا / دقيقة اعتمادًا على نوع الصخور وأداة الحفر المستخدمة.يمكن للحفر الآلي الجامبو ذو 3 أذرع الحفر أن يحفر 800 - 1200 قدم/ساعة باستخدام قضبان دريفتر بطول 20 قدمًا.يتطلب استخدام قضبان منحرفة بطول 20 قدمًا حدًا أدنى معينًا لحجم النفق (حوالي 25 قدمًا) للسماح بحفر مسامير الصخور بشكل عمودي على محور النفق باستخدام نفس المعدات.

أحد التطورات الأخيرة هو استخدام هياكل جامبو متعددة الوظائف معلقة من تاج النفق مما يسمح بمتابعة وظائف متعددة في وقت واحد مثل الحفر والتجريف.يمكن أيضًا استخدام الجامبو لتثبيت العوارض الشبكية والخرسانة المرشوشة.يتداخل هذا الأسلوب مع العمليات المتسلسلة في حفر الأنفاق مما يؤدي إلى توفير الوقت في الجدول الزمني.انظر الشكل 4.

إن استخدام المستحلب السائب لشحن الثقوب من شاحنة شحن منفصلة، ​​عندما يتم استخدام جهاز الحفر الجامبو لرؤوس متعددة، أو كميزة مدمجة في جهاز الحفر الجامبو عندما يتم حفر رأس واحد، أصبح أكثر شيوعًا ما لم هناك قيود محلية لهذا التطبيق.تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في مناطق مختلفة حول العالم، حيث يمكن شحن فتحتين أو ثلاثة في نفس الوقت؛يمكن تعديل تركيز المستحلب اعتمادًا على الثقوب التي يتم شحنها.عادة ما يتم شحن الثقوب المقطوعة والثقوب السفلية بتركيز 100% بينما يتم شحن الثقوب الكنتورية بتركيز أخف بكثير يبلغ حوالي 25%.(انظر الشكل 5)

يحتاج استخدام المستحلب السائب إلى معزز على شكل عصا من المتفجرات المعبأة (البرايمر) يتم إدخالها مع المفجر إلى أسفل الثقوب وتكون ضرورية لإشعال المستحلب السائب الذي يتم ضخه في الحفرة.يؤدي استخدام المستحلب السائب إلى تقليل وقت الشحن الإجمالي مقارنة بالخراطيش التقليدية، حيث يمكن شحن 80 - 100 ثقب/ساعة من شاحنة شحن مجهزة بمضختي شحن وسلال لشخص واحد أو شخصين للوصول إلى المقطع العرضي الكامل.انظر الشكل 6

لا يزال استخدام اللوادر ذات العجلات والشاحنات هو الطريقة الأكثر شيوعًا للقيام بأعمال الجرف جنبًا إلى جنب مع الحفر والتفجير للأنفاق التي تتمتع بإمكانية الوصول إلى السطح.في حالة الوصول عبر الأعمدة، سيتم نقل الوحل في الغالب بواسطة الجرافة إلى العمود حيث سيتم رفعه إلى السطح لمزيد من النقل إلى منطقة التخلص النهائية.

ومع ذلك، فإن استخدام الكسارة في وجه النفق لتكسير القطع الصخرية الأكبر حجمًا للسماح بنقلها باستخدام حزام ناقل لجلب الوحل إلى السطح هو ابتكار آخر تم تطويره في أوروبا الوسطى في كثير من الأحيان للأنفاق الطويلة عبر جبال الألب.تعمل هذه الطريقة على تقليل الوقت اللازم للتجريف بشكل كبير، خاصة للأنفاق الطويلة، كما أنها تقلل من وجود الشاحنات في النفق مما يؤدي بدوره إلى تحسين بيئة العمل وتقليل سعة التهوية المطلوبة.كما أنه يحرر النفق المعكوس للأعمال الخرسانية.ولها ميزة إضافية إذا كانت الصخور ذات جودة بحيث يمكن استخدامها للإنتاج الكلي.في هذه الحالة، يمكن معالجة الصخور المكسرة بشكل بسيط لاستخدامات مفيدة أخرى مثل الركام الخرساني أو صابورة السكك الحديدية أو الرصيف.لتقليل الوقت من التفجير إلى تطبيق الخرسانة المرشوشة، في الحالات التي قد يمثل فيها وقت الاستعداد مشكلة، يمكن تطبيق طبقة الخرسانة المرشوشة الأولية في السقف قبل الانتهاء من عملية الجرف.

عند حفر مقاطع عرضية كبيرة مع الظروف الصخرية السيئة، تتيح لنا طريقة الحفر والتفجير إمكانية تقسيم الوجه إلى عناوين متعددة وتطبيق طريقة الحفر المتتابع (SEM) للحفر.غالبًا ما يتم استخدام عنوان تجريبي مركزي متبوعًا بانجرافات جانبية متداخلة في SEM في حفر الأنفاق كما هو موضح في الشكل 7 لحفر العنوان العلوي لمحطة شارع 86 في مشروع مترو أنفاق Second Avenue في نيويورك.تم حفر الرأس العلوي في ثلاث انجرافات، ثم أعقب ذلك حفريات مقاعد لإكمال المقطع العرضي للكهف الذي يبلغ عرضه 60 قدمًا وارتفاعه 50 قدمًا.

من أجل تقليل تسرب المياه إلى النفق أثناء الحفر، غالبًا ما يتم استخدام الحشو قبل الحفر.يُعد حشو الصخور قبل الحفر أمرًا إلزاميًا في الدول الاسكندنافية من أجل تلبية المتطلبات البيئية المتعلقة بتسرب المياه إلى النفق من أجل تقليل تأثير البناء على نظام المياه عند السطح أو بالقرب منه.يمكن إجراء الحشو المسبق للنفق بأكمله أو لمناطق معينة حيث تتطلب حالة الصخور ونظام المياه الجوفية الحشو لتقليل تسرب المياه إلى كمية يمكن التحكم فيها كما هو الحال في مناطق الصدع أو القص.في الحشو الانتقائي قبل الحفر، يتم حفر 4-6 فتحات مسبار، واعتمادًا على الماء المقاس من فتحات المسبار فيما يتعلق بمشغل الحشو المحدد، سيتم تنفيذ الحشو باستخدام إما الأسمنت أو الجص الكيميائي.

عادةً ما تتكون مروحة الحشو قبل الحفر من 15 إلى 40 ثقبًا (يبلغ طولها 70-80 قدمًا) يتم حفرها أمام الوجه وحشوها قبل الحفر.ويعتمد عدد الثقوب على حجم النفق وكمية المياه المتوقعة.يتم بعد ذلك إجراء الحفر مع ترك منطقة أمان تبلغ 15-20 قدمًا بعد الجولة الأخيرة عند إجراء الفحص التالي والحشو المسبق.إن استخدام نظام إضافة القضبان الآلي (RAS)، المذكور أعلاه، يجعل من السهل والسريع حفر المسبار وفتحات الجص بسعة تتراوح من 300 إلى 400 قدم/ساعة.تعد متطلبات الحشو قبل الحفر أكثر جدوى وموثوقية عند استخدام طريقة الحفر والتفجير مقارنة باستخدام آلة حفر الحجر

لقد كانت السلامة في حفر الأنفاق والتفجير دائمًا مصدر قلق كبير وتتطلب أحكامًا خاصة لتدابير السلامة.بالإضافة إلى قضايا السلامة التقليدية في حفر الأنفاق، فإن مخاطر البناء بواسطة Drill and Blast بما في ذلك الحفر والشحن والتحجيم والجرف وما إلى ذلك تضيف مخاطر سلامة إضافية يجب معالجتها والتخطيط لها.مع تقدم التقنيات في تقنيات الحفر والتفجير وتطبيق نهج تخفيف المخاطر على جوانب السلامة، تحسنت السلامة في حفر الأنفاق بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة.على سبيل المثال، مع استخدام الحفر الجامبو الآلي مع تحميل نمط الحفر على الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة، ليست هناك حاجة لوجود أي شخص أمام مقصورة الحفر الجامبو وبالتالي تقليل تعرض العمال المحتمل للمخاطر المحتملة وبالتالي زيادة سلامتهم.

ربما تكون أفضل ميزة متعلقة بالسلامة هي نظام إضافة القضبان الآلي (RAS).مع هذا النظام، يتم استخدامه بشكل أساسي لحفر الثقب الطويل فيما يتعلق بالحشو المسبق للحفر وحفر ثقب المسبار؛يمكن إجراء الحفر الامتدادي بشكل آلي بالكامل من مقصورة المشغل، وبالتالي يزيل خطر الإصابة (خاصة إصابات اليد)؛وإلا فإن إضافة القضبان كانت تتم يدويًا مع تعرض العمال للإصابات عند إضافة القضبان يدويًا.ومن الجدير بالذكر أن جمعية حفر الأنفاق النرويجية (NNF) أصدرت في عام 2018 منشورها رقم 27 بعنوان “السلامة في حفر الأنفاق النرويجية وحفر الأنفاق”.يتناول المنشور بطريقة منهجية التدابير المتعلقة بالصحة والسلامة والإدارة البيئية أثناء حفر الأنفاق باستخدام أساليب الحفر والتفجير ويوفر أفضل الممارسات لأصحاب العمل ورؤساء العمال وعمال بناء الأنفاق.يعكس المنشور أحدث ما توصلت إليه تكنولوجيا السلامة في أعمال الحفر والتفجير، ويمكن تنزيله مجانًا من موقع جمعية الأنفاق النرويجية: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/

إن استخدام الحفر والتفجير بالمفهوم الصحيح، حتى بالنسبة للأنفاق الطويلة، مع إمكانية تقسيم الطول إلى عدة عناوين، لا يزال من الممكن أن يكون بديلاً قابلاً للتطبيق.لقد تم إحراز تقدم كبير مؤخرًا في المعدات والمواد مما أدى إلى تعزيز السلامة وزيادة الكفاءة.على الرغم من أن الحفر الآلي باستخدام TBM غالبًا ما يكون أكثر ملاءمة للأنفاق الطويلة ذات المقطع العرضي الثابت، إلا أنه في حالة حدوث عطل في TBM مما يؤدي إلى توقف طويل، فإن النفق بأكمله يتوقف تمامًا بينما في عملية الحفر والتفجير مع عناوين متعددة يتم لا يزال من الممكن أن يتقدم البناء حتى لو واجه أحد العناوين مشاكل فنية.

لارس جينمير هو مهندس إنشاءات الأنفاق الخبير في مكتب AECOM نيويورك.يتمتع بخبرة مدى الحياة في مشاريع تحت الأرض والأنفاق من جميع أنحاء العالم بما في ذلك جنوب شرق آسيا وأمريكا الجنوبية وأفريقيا وكندا والولايات المتحدة الأمريكية في مشاريع النقل والمياه والطاقة الكهرومائية.لديه خبرة واسعة في حفر الأنفاق التقليدية والآلية.وتشمل خبرته الخاصة بناء الأنفاق الصخرية وقابلية البناء وتخطيط البناء.ومن مشاريعه: مترو أنفاق الجادة الثانية، محطة شارع 86 في نيويورك؛وامتداد خط مترو الأنفاق رقم 7 في نيويورك؛الرابط الإقليمي وامتداد الخط الأرجواني في لوس أنجلوس؛نفق المدينة في مالمو، السويد؛ومشروع كوكولي جانجا للطاقة الكهرومائية في سريلانكا؛مشروع أوري للطاقة الكهرومائية في الهند؛وخطة الصرف الصحي الاستراتيجية في هونغ كونغ.