يُعدّ انزياح حلقات الأنفاق (طفوها) إلى الأعلى إحدى المشكلات العالمية التي تعاني منها صناعة حفر الأنفاق بطريقة الدروع منذ قرنٍ من الزمن. واليوم، تم حل هذه المشكلة بنجاح في مشروع القسم الشمالي من الخط الشرقي لمترو ماكاو الخفيف، وذلك من خلال أول تطبيق عملي في العالم لخليط حقن خرسانة رغوية نانوية في دروع حفر الأنفاق، مما حقق "انعدام الطفو" للحلقات، وخفض قوة الطفو بنسبة 73.6%، ووفّر في تكاليف الحقن بنسبة 44.8%.

لماذا "تطفو" حلقات الأنفاق؟

في عملية حفر الأنفاق بطريقة الدروع، بعد تركيب حلقات الأنفاق، يجب فوراً حقن الخليط خلف الجدار لملء الفراغ بين الحلقات والتربة، وذلك لضمان استقرار النفق وعزله للماء. إلا أن مواد الحقن التقليدية ذات الكثافة والوزن العاليين تُولّد قوة طفو هائلة على الحلقات قبل تصلب الخليط، مما يؤدي إلى إزاحة الحلقات المشكّلة أو تشوهها أو حتى تشققها. تُعدّ مشكلة "طفو الحلقات" هذه واحدة من أصعب مشكلات الجودة والسلامة في هندسة أنفاق الدروع.

تُشير الإحصائيات إلى أن حوادث جودة الأنفاق الناجمة عن طفو الحلقات تتسبب سنوياً في خسائر اقتصادية بمليارات الدولارات وتأخير في الجداول الزمنية. الحلول التقليدية إما أن تضحي بقوة الحقن للحصول على كثافة منخفضة، أو تستخدم إجراءات معقدة لمقاومة الطفو مما يزيد التكاليف الهندسية، وظلّت تفتقر إلى حل مثالي يجمع بين "الخفة" و"القوة العالية".

خرسانة رغوية نانوية مستقرة لتحقيق "الخفة والقوة العالية"

مؤخراً، تم تطبيق أول خطة حقن خرسانة رغوية نانوية في العالم بنجاح في مشروع القسم الشمالي من الخط الشرقي لمترو ماكاو الخفيف، الذي يُنفّذ بالتعاون بين شركة China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC) وشركة Nam Kwong Property وشركة China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd.

تُشكّل هذه التقنية النتيجة الرئيسية لتحويل مشروع بحثي بعنوان "تصميم خفيف مضاد للطفو ودراسة متانة مواد الحقن المتزامنة لدروع حفر أنفاق القسم الشمالي من الخط الشرقي لمترو ماكاو الخفيف"، المموّل من صندوق تطوير العلوم والتكنولوجيا (FDCT) والمُنفّذ بالتعاون بين جامعة ماكاو وشركة CCECC وشركة China Railway 16th Bureau Group (مكتب ماكاو).

أول خرسانة رغوية نانوية تجارية في العالم

كان فريق البحث والتطوير بجامعة ماكاو قد طوّر سابقاً أول خرسانة رغوية نانوية تجارية في العالم، محققاً تخفيضاً في الوزن وتكاليف المواد بنسبة تصل إلى 40% مع الحفاظ على نفس القوة، وتم تطبيقها بنجاح في مشاريع كبيرة مثل الجسر الرئيسي لجسر ماكاو.

يكمن الابتكار الأساسي لهذه التقنية في استخدام الجسيمات النانوية كمثبت للرغوة، لتحل محل الفقاعات الهوائية الكبيرة غير المستقرة والقابلة للانفجار في الخرسانة الرغوية التقليدية. تُشكّل الجسيمات النانوية طبقة "درع" كثيفة على سطح الفقاعات، مما يمنح الرغوة استقراراً عالياً للغاية، ويسمح لها بالبقاء موزعة بشكل متجانس في الخليط لفترات طويلة دون انفجار أو تكتل.

حل جذري لمشكلة طفو الحلقات

يُعدّ استخدام هذه الخرسانة الرغوية النانوية في الحقن المتزامن لدروع حفر الأنفاق في القسم التجريبي داخل بئر EAP من القسم الشمالي للخط الشرقي، أول تطبيق عملي في العالم للخرسانة الرغوية المستقرة بالجسيمات النانوية في حقن دروع الأنفاق.

يتبنى هذا الحل، مع تلبية متطلبات قوة الحقن، تصميماً مبتكراً خفيفاً مضاداً للطفو، محققاً ثلاثة اختراقات رئيسية:

خفض قوة الطفو على الحلقات بنسبة 73.6%، مما يحل جذرياً مشكلة طفو الحلقات الناجمة عن مواد الحقن التقليدية عالية الكثافة

تحقيق "انعدام الطفو" للحلقات، والوصول إلى دقة غير مسبوقة في تشكيل الحلقات

توفير 44.8% من تكاليف الحقن، مع تحسين كبير في سلامة هيكل النفق

تحقق ميداني من قبل أكثر من عشر جهات صناعية

في 3 يوليو، نظّم صندوق تطوير العلوم والتكنولوجيا زيارة ميدانية لممثلي أكثر من عشر جهات صناعية، بما في ذلك مكتب الأشغال العامة في ماكاو، ومعهد ماكاو للتنمية والجودة، ومختبر ماكاو للهندسة المدنية، وشركة ماكاو للتجديد الحضري المحدودة، وشركة مترو ماكاو الخفيف المحدودة، وجمعية مستشاري الهندسة في ماكاو، وجمعية ماكاو للعقارات والبناء، وجمعية ماكاو للمقاولات، وجمعية ماكاو للآلات الهندسية، وجامعة ماكاو. اطّلع الممثلون على القسم التجريبي في الموقع، وتحقّقوا من مؤشرات الأداء الرئيسية مثل تأثير مقاومة الطفو وكثافة الحقن.

من أنفاق الدروع إلى مشاريع تحت الأرض أوسع

"التجهيز القياسي" لمشاريع أنفاق الدروع

يوفّر التطبيق الناجح لهذه التقنية نموذجاً تقنياً جديداً لمشاريع أنفاق الدروع عالمياً. وبخاصة في السيناريوهات التي تتطلب تحكماً عالياً في طفو الحلقات، مثل الأنفاق تحت البحر، والأنفاق تحت الأنهار، وحفر الدروع في المناطق الحضرية الكثيفة، تتمتع تقنية حقن الخرسانة الرغوية النانوية بمزايا لا يمكن الاستغناء عنها.

مع استمرار التوسع في بناء البنى التحتية عالمياً مثل النقل الحضري بالسكك الحديدية، والأنفاق متعددة الخدمات تحت الأرض، والممرات العابرة للبحار، من المتوقع أن تصبح هذه التقنية "التجهيز القياسي" لعمليات حفر أنفاق الدروع.

من ماكاو إلى الصين كلها والعالم

أعلنت شركة China Civil Engineering Construction Corporation (CCECC) أنها ستواصل تعميق التعاون التقني مع جميع الشركاء، وستسرّع في تعزيز وتطبيق التقنيات والعمليات الجديدة، مما يوفر دعماً تقنياً متيناً للتحسينات التقنية اللاحقة، ووضع المعايير، والتطبيق واسع النطاق والترويج.

يُشير التطبيق الناجح لهذه التقنية إلى أن الصين قد حققت قفزة من "المتابعة" إلى "الريادة" في مجال مواد حقن دروع الأنفاق. مع وضع المعايير التقنية والتوسع في التطبيق، من المتوقع أن تنتقل تقنية حقن الخرسانة الرغوية النانوية من ماكاو إلى جميع أنحاء الصين والعالم.

"المحرك التقني" لبناء منطقة الخليج الكبير

يُعدّ الخط الشرقي لمترو ماكاو الخفيف جزءاً مهماً من شبكة النقل بالسكك الحديدية في منطقة الخليج الكبير (Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area). لا يوفّر التطبيق الناجح لهذه التقنية دعماً تقنياً رئيسياً لبناء مترو ماكاو الخفيف فحسب، بل يُسهم أيضاً بـ "حكمة ماكاو" و "الحل الصيني" في بناء المشاريع تحت الأرض في منطقة الخليج الكبير وفي جميع أنحاء الصين.

صرّحت شركة CCECC أن هذا الإنجاز "سيكتب فصلاً جديداً للشركة في تحقيق التنمية عالية الجودة والمساهمة في بناء منطقة الخليج الكبير".

من "الحفر بالخبرة" إلى "الحقن العلمي"

تكمن القيمة العميقة لهذه التقنية في رفع عملية حقن الدروع من "الاعتماد على الخبرة" إلى "الاعتماد على العلم". تعتمد خطط الحقن التقليدية على الخبرة الهندسية، وغالباً ما تحل مشكلة على حساب أخرى. بينما تحقق تقنية حقن الخرسانة الرغوية النانوية، من خلال الابتكار في علم المواد، التكامل بين الخفة والقوة العالية، مما يحل من جذور المواد مشكلة طفو الحلقات التي عانت منها الصناعة لنحو قرن.

ثلاثة معالم رئيسية:

ريادة تقنية: أول تطبيق عملي في العالم للخرسانة الرغوية المستقرة بالجسيمات النانوية في حقن دروع الأنفاق

فعالية واضحة: خفض قوة الطفو على الحلقات بنسبة 73.6%، وتحقيق "انعدام الطفو"، وتوفير 44.8% من التكاليف

قابلية للتكرار والترويج: تم التحقق من صحتها في مشروع فعلي، وهي جاهزة للتطبيق على نطاق واسع

عندما تخترق آلة الحفر باطن الأرض، ولم تعد حلقات الأنفاق "تنجرف"، وتصل دقة تشكيل النفق إلى مستويات غير مسبوقة - هذا ليس مجرد انتصار لعلم المواد، بل دليل آخر على تقدم قدرات الصين في بناء المشاريع تحت الأرض نحو المستوى العالمي الأول.