إن النفق عبارة عن أنبوب مجوّف يمتد خلال الأرض أو الحجارة وإن بناء النفق أحد أكثر التحديات المعقّدة في حقل الهندسة المدنية وتعتبر العديد من الأنفاق تحف تقنية وأكثر الحكومات تعطي مهندسي الأنفاق شرف الأبطال وهذا بالطبع لا يعني بأن بعض مشاريع حفر الأنفاق لم تصادف عقبات رئيسية ففي مشروع نفق شريان المواصلات المركزي (Big Dig) في بوسطن ـ ماسوشوستس أصيب بتخطيات الكلفة الهائلة وبادعاءات الفساد وانهيار جزئي للسقف الذي أدّى إلى مصيبة ولكن هذه التحديات لم توقف المهندسين من الحلم بأفكار أكبر وأجرأ مثل بناء النفق عبر الأطلسي للربط بين نيويورك ولندن.

سنستكشف في هذه المقالة ما الذي يجعل من الأنفاق الحلّ المثالي لسكك الحديد والطرق والمرافق العامّة والاتصالات وسنرى ميزات الأنفاق وكم نفق بني حتى الآن وسنستعرض أيضاً مشروع (Big Dig) بالتفصيل لمعرفة التحديات والفرص المتعلقة ببناء الأنفاق وسنرى أخيراً مستقبل هذه الأنفاق.


فق غوتثارد الأساسي ـ نفق سكة حديد قيد الإنشاء في سويسرا

أساسيات النفق

إن النفق عبارة عن ممر أفقي يقع في مكان ما تحت الأرض وإن التآكل وقوات طبيعية أخرى يمكن أن تشكل الأنفاق أيضاً ولكن سنتحدث في هذه المقالة عن أنفاق من صنع الإنسان، أنفاق مصنوعة بعملية الحفر.

هناك العديد من الطرق المختلفة لحفر النفق يتضمن ذلك العمل اليدوي والمتفجرات والتدفئة والتبريد السريع وآلات حفر الأنفاق أو يمكن أن يكون عن طريق مجموعة من هذه الطرق.

إن بعض الأبنية قد تتطلّب حفر مشابه لحفر النفق ولكنها في الحقيقة ليست أنفاقاً فالأعمدة على سبيل المثال تتطلب حفر يدوي في أغلب الأحيان أو حفر بالأجهزة البسيطة وهي عمودية وقصيرة على خلاف الأنفاق.

إن الرسم البياني قي الأسفل يبين العلاقة بين المنشآت التي تقع تحت الأرض في نفق جبل مثالي، إنّ الهندسة الأساسية للنفق هي قوس مستمر لأن الأنفاق يجب أن تقاوم الضغط الكبير من كلّ الجوانب والقوس هو الشكل المثالي للأنفاق



تتم هندسة النفق مثل هندسة الجسر أي يجب أن تتعلق بمنطقة الفيزياء المعروفة بعلم توازن القوى إذ يقوم علم توازن القوى بوصف كيفية قيام القوات التالية بالتفاعل لإحداث الموازنة في الأبنية مثل الأنفاق والجسور:

"الشد الذي يقوم بتوسيع أو سحب المواد.

"الضغط الذي يقوم بتقصير أو ضغط المواد.

"القص الذي يتسبّب بانزلاق أجزاء المواد وبمرورها باتّجاهات معاكسة لبعضها البعض.

"الالتواء الذي يتسبب بانحناء المواد.

وإن على النفق أن يقاوم هذه القوات بمواد قوية مثل الفولاذ والحديد والإسمنت.



ولكي تبقى الأنفاق ساكنةً يجب أن تكون قادرة على مقاومة الأحمال التي وضعت عليها ويشير الحمل الميت إلى وزن التركيب بنفسه بينما الحمل الحيّ يشير إلى وزن العربات والناس الذين يتحرّكون خلال النفق.



ـ
أنواع الأنفاق


هناك ثلاثة أصناف رئيسية للأنفاق: أنفاق التعدين وأنفاق الأعمال العامة وأنفاق النقل، وسنرى باختصار في كلّ نوع من هذه الأنواع.



ـ
أنفاق التعدين




تستخدم أنفاق التعدين أثناء استخراج معادن الخام وتمكّن العمّال أو الأجهزة من الدخول إلى عمق أماكن تواجد المعادن داخل الأرض وإن هذه الأنفاق أدت إلى استخدام التقنيات المماثلة كالأنواع الأخرى من الأنفاق ولكنّ كلفتها في البناء أقل، وعلى أي حال إن أنفاق التعدين ليست أمينة كالأنفاق المصممة من أجل الاستخدام الدائم .



عامل في منجم الفحم يقف وراء عربة في نفق المنجم

لاحظ جوانب النفق التي تمت تقويتها بالخشب





ـ
أنفاق الأعمال العامة




تنقل أنفاق الأعمال العامة المياه أو خطوط الغاز أو مياه المجاري عبر مسافات طويلة وكانت الأنفاق الأسبق تستخدم لنقل الماء إلى المناطق المأهولة بالسكان بشدّة ومياه المجاري بعيداً عنها وقد استخدم المهندسون الرومان شبكة شاملة من الأنفاق للمساعدة على حمل الماء من الجبل إلى المدن والقرى وكانت هذه الأنفاق جزء من أنظمة القناة التي تشمل أيضاً غرفاً تحت الأرض وجسراً منحدراً كالأبنية المدعومة بسلسلة من الأقواس وفي عام 97 بعد الميلاد قامت تسع قنوات تقريباً بحمل 85 مليون غالون من الماء يومياً من الجبل إلى مدينة روما.