Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

تحت شوارع المدن الحديثة الصاخبة، يوجد عالم خفي من البنية التحتية التي تبقي المجتمع في حالة حركة. تُحفر الأنفاق، وأنفاق المرافق، والممرات تحت الأرض بواسطة آلات ضخمة، تاركة وراءها حلقات خرسانية تحجز التربة. ولضمان بقاء هذه الحلقات آمنة، يقوم العمال بملء الفجوة الصغيرة بين الخرسانة الجديدة والتربة المحيطة بعجينة سميكة تشبه الإسمنت تسمى "الجراوت" (الملاط). عملية الردم هذه حاسمة؛ فهي تدعم النفق وتمنع تحرك الأرض. ومع ذلك، إذا لم يتم صب هذا الملاط بشكل مثالي أو إذا تسرب بمرور الوقت، يمكن أن تتكون جيوب هوائية فارغة خلف جدران النفق. هذه الفجوات المخفية خطيرة لأنها تضعف الهيكل، مما قد يؤدي إلى انهيارات مفاجئة، ومع ذلك فهي غير مرئية من داخل النفق حيث تبدو الخرسانة ملساء تماماً.

لعقود من الزمن، حاول المهندسون العثور على هذه المساحات الفارغة دون تدمير النفق. وقد استخدموا أدوات مثل الرادار المخترق للأرض، الذي يرسل موجات راديوية إلى الأرض للبحث عن تغيرات في المواد، والكاميرات الحرارية التي تبحث عن فروق درجات الحرارة. لكن هذه الأساليب لديها نقطة ضعف عندما يتعلق الأمر بالخرسانة المسلحة، وهي النوع المستخدم في معظم الأنفاق الحديثة. فداخل هذه الجدران، تخلق شبكة من قضبان الفولاذ، المعروفة باسم "الأسياخ"، إشارة فوضوية غالسبت كشف العيوب التي يحاول المهندسون إيجادها. فعندما تصطدم موجات الرادار بالفولاذ، فإنها ترتد في حالة من الارتباك، مما يجعل من المستحيل تقريباً التمييز بين ما إذا كان الانعكاس ناتجاً عن سيخ فولاذي أو عن ثقب خطير خلف الجدار. هذا اليقين يترك مشغلي الأنفاق في حالة تخمين حول سلامة بنيتهم التحتية.

قرر فريق من الباحثين في جامعة كوريا وجامعة كونكوك اختبار نهج مختلف من خلال الجمع بين الرادار التقليدي وأداة بسيطة، ولكن غالباً ما يتم إغفالها: الميكروفون. كان هدفهم هو اكتشاف هذه الفجوات المخفية وتقدير أبعادها. وللقيام بذلك، بنوا نموذجاً واسع النطاق لبطانة نفق في مختبر. لقد صنعوا لوحاً خرسانياً سميكاً لتمثيل جدار النفق، مع شبكة واقعية من أسياخ الفولاذ المتباعدة بمسافة 38 سنتيمتراً تقريباً. وتحت هذا اللوح، وضعوا لوحاً خرسانياً ثانياً لتمثيل الأرض. وعلى هذا اللوح السفلي، قاموا بنحت أربعة مساحات فارغة متميزة لتمثيل التجويفات: اثنان منها مربعان واثنان دائريان، وتتراوح أطوال أضلاعها أو أقطارها بين 30 إلى 60 سنتيمتراً. ثم ملأوا بقية الفجوة بالملاط ليعمل كردم، تاركين فقط تلك التجويفات المحددة فارغة.

قام الباحثون بعد ذلك بإجراء اختبارين مختلفين عبر سطح اللوح المسلح. أولاً، استخدموا وحدة رادار مخترق للأرض، حيث قاموا بسحبها على طول خطوط محددة لمسح المنطقة. أظهرت صور الرادار النتائج المتوقعة: خلقت الأسياخ الفولاذية انعكاسات منحنية قوية هيمنت على الصورة. وبينما استطاع الرادار اكتشاف وجود شيء مختلف في المناطق التي بها تجاويف، إلا أن إشارات المساحات الفارغة كانت متشابكة مع إشارات الأسياخ الفولاذية. وجد الباحثون أنه يمكنهم استخدام تقنية رياضية تسمى "تحويل المويجات" (wavelet transform) لمحاولة فصل هذه الإشارات المتداخلة، واستطاعوا رؤية أن قوة الإشارة تزداد كلما كبر حجم التجويفات. ومع ذلك، جعلت الأسياخ الفولاذية من الصعب جداً تحديد حواف الثقوب بوضوح أو تحديد ما إذا كان التجويف مربعاً أم مستديراً؛ وخلصت الدراسة إلى أن تحديد شكل التجويف لا يزال يمثل تحدياً، وأن دقة تقدير الأبعاد باستخدام الرادار قد تنخفض.

بعد ذلك، توجه الفريق إلى الميكروفون. فبدلاً من إرسال موجات راديوية، استخدموا مطرقة متخصصة للنقر على سطح الخرسانة، مما أحدث صوتاً حاداً واهتزازاً انتقل عبر اللوح. واستخدموا ميكروفوناً حساساً، وُضع على بعد سنتيمترين فقط فوق السطح، ليستمع إلى جزيئات الهواء وهي تهتز استجابة للنقرة. المنطق هنا يعتمد على كيفية سلوك اللوح عندما يكون تحته ثقب. فعندما تكون الخرسانة صلبة ومدعومة بالكامل من الأرض، تكون متماسكة وتقاوم الانحناء. ولكن عندما يوجد تجويف فارغ تحتها، يصبح ذلك الجزء من اللوح مرناً، مثل "الترامبولين". وعند النقر عليه، يهتز الجزء المرن بشكل مختلف، منتجاً صوتاً ذا طابع مختلف عن الأجزاء الصلبة.

كانت النتائج من الميكروفون واضحة بشكل مذهل. فقد قاس الباحثون "المرونة" للوح عند كل نقطة على طول خطوط المسح الخاصة بهم. وحيث كانت الخرسانة صلبة ومدعومة بالكامل، ظلت المرونة منخفضة وثابتة. ولكن بمجرد مرور الميكروفون فوق تجويف، قفزت المرونة بشكل كبير. أظهرت البيانات ارتفاعاً حاداً في المرونة بالضبط حيث توجد الثقوب، مما سمح للفريق بتحديد حواف التجويفات بدقة عالية. وخلافاً للرادار، لم يتأثر الميكروفون تقريباً بالأسياخ الفولاذية داخل الخرسة؛ فصوت انحناء اللوح فوق الثقب كان متميزاً بما يكفي لتجاهل ضجيج الفولاذ. ووجد الفريق أنهم لا يستطيعون فقط اكتشاف وجود ثقب، بل يمكنهم أيضاً تقدير حجمه بشكل نسبي. إذ تسببت التجويفات الأكبر في زيادة أكبر في المرونة، واستطاع الميكروفون التمييز بوضوح بين الثقوب ذات الـ 30 سنتيمتراً والـ 60 سنتيمتراً.

ولعل الاكتشاف الأكثر كشفاً كان كيفية تأثير شكل التجويف على الصوت. فعندما قارن الباحثون بين الثقوب المربعة والدائرية، لاحظوا أن منطقة زيادة المرونة كانت أعرض فوق الثقوب المربعة مقارنة بالدائرية من نفس العرض. حدث هذا لأن الشكل المربع يحافظ على عرضه الكامل على طول مسار المسح بالكامل، بينما يتلاشى الشكل الدائري عند الحواف، مما يخلق منطقة مرونة أضيق. ومع ذلك، أشارت الدراسة إلى أنه بينما أظهر أسلوب الاستشعار الصوتي ميزة واضحة في تحديد حواف التجويفات، فإن فروق المرونة المرتبطة بالأشكال التفصيلية للتجويفات كانت ضئيلة. هذا الفرق الطفيف يعني أنه بينما استطاع الباحثون استنتاج حجم التجويف، لم يتمكنوا من التمييز بشكل موثوق بين الشكل المربع أو الدائري بناءً على المرونة وحدها. وبينما عانى الرادار من فصل إشارة الثقب عن إشارة الفولاذ، قدم الميكروفون خريطة مباشرة ونظيفة لأماكن فقدان الأرض.

تخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من أن الرادار المخترق للأرض أداة مفيدة، إلا أن قدرته على رسم الخرائط الدقيقة لهندسة التجويفات خلف الخرسانة المسلحة محدودة بسبب تداخل الأسياخ الفولاذية. وفي المقابل، يوفر الاستشعار الصوتي باستخدام الميكروفون طريقة أكثر موثوقية لاكتشاف هذه الفجوات المخفية وتقدير أبعادها. ومن خلال الاستماع إلى كيفية اهتزاز جدار النفق، يمكن للمهندسين تحديد حدود التجويف بدقة أكبر بكثير من مجرد النظر إلى صور الرادار. وهذا يشير إلى أنه في المستقبل، يمكن أن يؤدي الجمع بين هذين الأسلوبين إلى منح مفتشي الأنفاق صورة أوضح بكالعيان للأخطار المخفية الكامنة خلف الجدران، مما يضمن بقاء الشرايين تحت الأرض لمدننا آمنة وسليمة.