گودبرداری و سازه‌های نگهبان بهمراه اصول کلی گودبرداری و حفاری

گودبرداری و سازه‌های نگهبان

در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی لازم است که زمین به‌صورتی خاکبرداری شود که جداره‌های آن قائم یا نزدیک به قائم باشند. این کار ممکن است به‌منظور احداث زیرزمین، کانال، منبع آب و … صورت گیرد. فشار جانبی وارد بر این جداره‌ها ناشی از رانش خاک بر اثر وزن خود، و نیز سربارهای احتمالی روی خاک کنار گود می‌باشد. این سربارها می‌توانند شامل خاک بالاتر از تراز افقی در لبه‌ی گود، ساختمان‌های مجاور، بارهای ناشی از بهره‌برداری از معابر مجاور و … باشند. به‌منظور جلوگیری از ریزش ترانشه و تبعات منفی احتمالی ناشی از این خاکبرداری، سازه‌های موقتی را برای مهار ترانشه اجرا می‌کنند که به آن سازه‌های نگهبان می‌گویند. اهداف اصلی ایمن‌سازی جداره‌های گود با استفاده از سازه‌های نگهبان عبارت‌اند از: حفظ جان انسان‌هان خارج و داخل گود، حفظ اموال خارج و داخل گود، و نیز فراهم آوردن شرایط امن و مطمئن برای اجرای کار.

موضوع گودبرداری و طراحی و اجرای سازه‌های نگهبان در مهندسی عمران دارای گستره‌ی وسیعی است و نیاز به بررسی‌ها و مطالعات و ملاحظات ژئوتکنیکی، سازه‌ای، مواد و مصالح، تکنولوژیکی و اجرایی، و اقتصادی و اجتماعی دارد. در نتیجه می‌توان گفت با توجه به میزان خطرناک بودن گود، انتخاب روش مناسب بستگی به جمیع شرایط تأثیرگذار دارد، و می‌تواند در شرایط مختلف، به صورت‌های گوناگونی باشد. از سوی دیگر، تئوری‌ها و روش‌های اجرایی گودبرداری و سازه‌های نگهبان، هم مبتنی بر اصول تئوریک و هم متأثر از ملاحظات اجرایی و تجربی است. پایدارسازی جداره‌های گودبرداری به صورت‌ها و روش‌های مختلفی صورت می‌گیرد که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به روش‌های مهارسازی، دوخت به پشت، دیواره‌ی دیافراگمی، مهار متقابل، اجرای شمع، سپرکوبی، و اجرای خرپا اشاره نمود. در ادامه به‌تفصیل درباره‌ی هریک از این روش‌ها صحبت خواهیم کرد.

انواع روش‌های پایدارسازی گود

• روش مهارسازی، میخکوبی یا نیلینگ

در این روش، برای مهار حرکت و رانش خاک، با استفاده از تمهیداتی خاص، از خود خاک‌های دیواره کمک گرفته می‌شود. ابتدا در حاشیه‌ی زمینی که قرار است گودبرداری شود، در فواصل معین چاه‌هایی حفر می‌کنیم. عمق این چاه‌ها برابر با عمق گود به اضافه‌ی مقداری اضافه برای شمع بتنی انتهای تحتانی این چاه‌ها است. پس از حفر چاه‌ها، در درون آن‌ها پروفیل‌های I شکل یا H شکل قرار می‌دهیم. به‌منظور تأمین گیرداری و مهاری کافی برای این پروفیل‌ها، انتهای پروفیل‌ها را به‌میزان ۰٫۲۵ تا ۰٫۳۵ عمق گود، پایین‌تر از رقوم کف گود در درون بخش شمع ادامه می‌دهیم و در انتهای پروفیل‌ها نیز شاخک‌هایی رادر نظر می‌گیریم.

سپس، شمع انتهای تحتانی را، که قبلاً آرماتوربندی آن را اجرا کرده و کار گذاشته‌ایم، بتن‌ریزی می‌کنیم. بدین‌ترتیب پروفیل‌های فولادی مزبور در شمع مهار می‌شوند و پروفیل‌های فولادی همراه با شمع نیز در خاک مهار می‌گردند. پس از اجرای مراحل فوق، عملیات گودبرداری را به‌صورت مرحله به مرحله اجرا می‌کنیم. در هر مرحله، پس از برداشتن خاک در عمق آن مرحله، برای جلوگیری از ریزش خاک، با استفاده از دستگاه‌های حفاری ویژه، در بدنه‌ی گود چاهک‌هایی افقی یا مایل، به قطر حدود ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متر، در جداره‌ی گود حفر می‌کنیم. آنگاه درون این چاهک‌ها میلگردهایی را کار گذاشته و سپس درون آن‌ها بتن تزریق می‌کنیم. طول این چاهک‌ها، به نوع خاک و پارامترهای فیزیکی و مکانیکی آن، و نیز به عمق گود بستگی دارد و مقدار آن در حدود ۵ تا ۱۰ متر است.

 

پس از انجام این مرحله، پانل‌های بتنی پیش‌ساخته‌ای را در بین پروفیل‌های قائم قرار داده و آن‌ها را از سویی به میلگردهای بیرون آمده از چاهک‌ها به نحو مناسبی متصل می‌کنیم و از سویی دیگر پانل‌ها را به پروفیل‌های قائم وصل می‌کنیم. به جای استفاده از این پانل‌های پیش‌ساخته می‌توانیم آن‌ها را به‌صورت درجا اجرا کنیم. همچنین می‌توانیم ابتدا بر روی دیواره آرماتوربندی کرده و سپس بر روی آن بتن‌پاشی کنیم. برای اتصال پانل‌ها به میلگردهای بیرون آمده از چاهک‌ها می‌توانیم سر میلگردهای مزبور را رزرو کرده و سپس با استفاده از صفحات سوراخ‌دار تکیه‌گاهی و مهره، آن‌ها را با پانل درگیر کنیم.

کلیه‌ی عملیات فوق را به‌صورت مرحله به مرحله، از بالا به پایین اجرا می‌کنیم. ملات یا خمیری که برای تزریق استفاده می‌کنیم، مخلوطی ایت از سیمان و آب یا سیمان و آب و ماسه که ممکن است در آن از مواد افزودنی نیز استفاده کنیم. همچنین می‌توانیم از مواد پلیمری و دوغاب‌های با پایه‌ی غیر از سیمان پرتلند و با ترکیبات خاص نیز برای تزریق استفاده کنیم. در تزریق با استفاده از سیمان پرتلند، نسبت آب به سیمان در ابتدا در حدود ۱٫۵ است که به ‌تدریج آن را کاهش داده و به حدود ۰٫۵ می‌رسانیم.

طراحی و برنامه‌ریزی و اجرای عملیات تزریق باید توسط متخصصان آشنا به موضوع و با استفاده از دستگاه‌های خاص و طبق استانداردها و ضوابط خاص صورت گیرد. همچنین باید توجه داشته باشیم که در صورتی که فشار به کار برده شده برای تزریق بیش از حد لزوم باشد، ممکن است ناپایداری‌ها و شکست‌هایی در خاک ایجاد شود.

• روش دوخت به پشت یا انکراژ

این روش، مشابهت زیادی با روش مهارسازی دارد. در این روش نیز حفاری را به‌صورت مرحله به مرحله و از بالا به پایین گود اجرا می‌کنیم. در هر مرحله به کمک دستگاه‌های حفاری ویژه، چاهک‌هایی افقی یا مایل در بدنه‌ی دیواره‌ی گود حفر می‌کنیم. سپس، درون این چاهک‌ها کابل‌های پیش‌تنیدگی قرار می‌دهیم و با تزریق بتن در انتهای چاهک، این کابل‌ها را کاملاً در خاک مهار می‌کنیم. سپس کابل‌ها مزبور را به‌کمک جک‌های ویژه‌ای می‌کشیم و انتهای بیرون‌آمده‌ی کابل را بر روی سطح جداره‌ی گود مهار می‌کنیم. آنگاه به درون چاهک‌های مزبور بتن تزریق می‌کنیم. پس از سخت شدن بتن و کسب مقاومت کافی آن، کابل‌ها را از جک آزاد می‌کنیم.

این کار موجب آن می‌شود که نیروی پیش‌تنیدگی موجود در کابل خاک را فشرده سازد، و در نتیجه خاک فشرده‌تر و متراکم‌تر شده و رانش ناشی از آن کاهش یابد، و در عین حال کل نیروی رانش خاک در جداره‌ی گود به خاک‌های داخل بدنه‌ی دیوار منتقل شده و خاک بدنه‌ی انتهایی، به‌عنوان سازه‌ی نگهبان عمل کرده و رانش خاک بدنه‌ی مجاور جداره را تحمل کند. عمق گودبرداری در هر مرحله، بستگی به نوع خاک و فاصله‌ی بین چاهک‌ها دارد و معمولاً در حدود ۲ تا ۳ متر است.

• روش دیواره‌ی دیافراگمی

در این روش ابتدا به کمک دستگاه‌های حفاری ویژه محل دیوار نگهبان را حفر می‌کنیم. سپس به‌طور همزمان محل حفر شده را با گل بنتونیت و سیمان پر می‌کنیم تا از ریزش خاک دیواره‌ی محل حفر شده جلوگیری شود. سپس قفسه‌ی آرماتورهای دیوار نگهبان را، که از قبل ساخته و آماده کرده‌ایم، در داخل محل حفر شده‌ی دیوار جای می‌دهیم. آنگاه بتن‌ریزی دیوار را انجام می‌دهیم. بتن مصرفی معمولاً از نوع بتن روان و با کارایی زیاد است. دیوارهای دیافراگمی به‌صورت پیش‌ساخته و پس‌کشیده نیز اجرا می‌شوند.

• روش مهار متقابل

این روش برای گودهای به عرض کم مناسب است. در این روش ابتدا در دو طرف گود، در فواصلی معین از یکدیگر چاهک‌هایی را حفر می‌کنیم. طول این چاهک‌ها برابر با عمق گود به اضافه‌ی مقداری اضافه‌تر به میزان ۰٫۲۵ تا ۰٫۳۵ برابر عمق گود است. این عمق اضافه به‌منظور تأمین گیرداری انتهای تحتانی پروفیل‌هایی است که در چاهک قرار داده می‌شوند. سپس در درون این چاهک‌ها پروفیل‌های فولادی H یا I، مطابق با محاسبات و نقشه‌های اجرایی، قرار می‌دهیم. طول این پروفیل‌ها را معمولاً به‌گونه‌ای در نظر می‌گیریم که انتهای فوقانی آن‌ها تا حدی بالاتر از تراز بالایی گود قرار گیرند.

 

آنگاه قسمت فوقانی هر دو پروفیل قائم متقابل مزبور را به‌کمک تیرها یا خرپاهایی به یکدیگر متصل می‌کنیم. این کار موجب می‌شود که هر دو پروفیل قائم متقابل، به پایداری یکدیگر کمک کنند. پس از آن، عملیات گودبرداری را به‌تدریج انجام می‌دهیم. در صورت لزوم، در نقاط دیگری از ارتفاع پروفیل‌های قائم نیز سیستم مهار متقابل را اجرا می‌کنیم. در صورتی که خاک خیلی ریزشی باشد باید در بین اعضای قائم از الوارهای چوبی یا اعضای مناسب دیگر استفاده کنیم. سیستم مهار متقابل فوق‌الذکر باید در جهت عمود بر سیستم قابی آن، یعنی در جهت طول گود، نیز به صورتی مناسب مهاربندی شود.

• روش اجرای شمع

در این روش، در پیرامون زمینی که قرار است گودبرداری شود در فواصل معینی از هم، شمع‌هایی را اجرا می‌کنیم. این شمع‌ها می‌توانند از انواع مختلف مصالح سازه‌ای نظیر فولاد، بتن و چوب باشند. همچنین شمع‌های بتنی را می‌توان به‌صورت پیش‌ساخته یا درجا اجرا کرد. در این روش، شمع‌ها فشار جانبی خاک را به‌صورت تیرهای یکسر گیردار تحمل می‌کنند. طول گیرداری لازم در انتهای شمع‌ها چیزی در حدود ۰٫۳H است. پس از اجرای شمع‌ها، می‌توان عملیات گودبرداری را اجرا کرد. در صورت لزوم باید شمع‌ها را در امتداد دیواره‌ی گود مهاربندی کرد.

 

• روش سپرکوبی

در این روش، ابتدا در طرفین گود سپرهایی را می‌کوبیم و سپس خاکبرداری را شروع می‌کنیم. پس از آن‌که عمق خاکبرداری به حد کافی رسید در کمرکش سپرها و بر روی آن‌ها، تیرهای پشت‌بند افقی را نصب می‌کنیم. سپس قیدهای فشاری قائم را در جهت عمود بر صفحه‌ی سپرها به این پشت‌بندهای افقی وصل می‌کنیم. سپرها و پشت‌بندها و قیدهای فشاری در عرض‌های کم و خاک‌های غیرسست، معمولاً از نوع چوبی است ولی در عرض‌های بیشتر و خاک‌های سست‌تر استفاده از سپرها و پشت‌بندها و قیدهای فشاری فلزی اجتناب‌ناپذیر است.

 

• روش خرپایی

این روش، یکی از مناسب‌ترین و متداول‌ترین روش‌های اجرای سازه‌ی نگهبان در مناطق شهری است. اجرای آن ساده بوده و نیاز به تجهیزات و تخصص بالایی ندارد، و در عین حال قابلیت انعطاف زیادی از نظر اجرا در شرایط مختلف دارد. برای اجرای این نوع سازه‌ی نگهبان، ابتدا در محل عضوهای قائم خرپا، که در مجاورت دیواره‌ی گود قرار دارند، چاه‌هایی را حفر می‌کنیم. عمق این چاه‌ها برابر با عمق گود به اضافه‌ی مقداری اضافه برای اجرای شمع انتهای تحتانی عضو خرپا است. طول شمع را از طریق محاسبه به دست می‌آوریم. آنگاه درون شمع را آرماتوربندی کرده و عضو قائم را در داخل شمع قرار می‌دهیم و سپس شمع را بتن‌ریزی می‌کنیم. پس از سخت شدن بتن، انتهای تحتانی عضو قائم به‌صورت گیردار در داخل شمع قرار خواهد داشت.

 

سپس خاک را در امتداد دیواره‌ی گود با یک شیب مطمئن برمی‌داریم. آنگاه فونداسیون پای عضو مایل را اجرا می‌کنیم. این فونداسیون در پلان به‌صورت مربعی است. پس از آن، عضو مایل را از یک طرف به عضو قائم و از طرف دیگر به ورق کف ستون بالای فونداسیون متصل می‌کنیم. عملیات فوق را برای کلیه‌ی خرپاهای سازه‌ی نگهبان در امتداد دیواره به‌صورت همزمان اجرا می‌کنیم. حال، خاک محصور بین اعضای قائم و افقی خرپاها را در سرتاسر امتداد دیواره، به‌صورت مرحله به مرحله برمی‌داریم و در هر مرحله اعضای افقی و قطری خرپا را به‌تدریج نصب می‌کنیم تا آن‌که خرپا تکمیل شود.

در مقاله‌ای با عنوان بررسی مزایا و معایب انواع روش‌های پایدارسازی گود، مزایا و معایب هریک از روش‌های معرفی شده به‌تفصیل شرح داده شده‌اند.

منبع: کتاب اصول و مبانی گودبرداری و سازه‌های نگهبان، دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان

همچنین برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، می‌توانید به منابعی مانند بررسی انواع روش‌های حفاری، کتاب اصول گودبرداری و ایمنی گود و آموزش گودبرداری و سازه‌ی نگهبان مراجعه کنید.

اصول کلی گودبرداری و حفاری

ماده ۲۳۹ :
اگر در مجاورت محل گودبرداری و حفاری کارگرانی مشغول به کار دیگری باشند باید اقدامات احتیاطی برای ایمنی آنان به عمل آید.

ماده ۲۴۰ :
دیواره های هر گودبرداری که عمق آن بیش از ۱۲۰ سانتی متر بوده و احتمال خطر ریزش وجود داشته باشد، باید به وسیله نصب شمع، سپر و مهارهای محکم و مناسب حفاظت گردد، مگر آنکه دیواره های دارای شیب مناسب (کمتر از زاویه پایدار شیب خاکریزی) باشند.

ماده ۲۴۱ :
در مواردی که عملیات گودبرداری و حفاری در مجاورت خطوط راه آهن، بزرگراه ها و یا مراکز و تاسیساتی که تولید ارتعاش می نمایند، انجام شود باید تدابیر احتیاطی از قبیل نصب شمع، سپر و مهارهای مناسب برای جلوگیری از خطر ریزش اتخاذ گردد.

ماده۲۴۲ :
مصالح حاصل از گودبرداری و حفاری نباید به فاصله کمتر از نیم متر از لبه گود ریخته شود.
همچنین این مصالح نباید در پیاده روها و معابر عمومی به نحوی انباشته شود که مانع عبور و مرور گردد.

ماده ۲۴۳ :
دیواره های محل گودبرداری و حفاری در مواردی ذیل باید دقیقا مورد بررسی و بازدید قرارگرفته و در نقاطی که خطر ریزش بوجود آمده است، وسایل ایمنی نصب و یا نسبت به تقویت آنها اقدام گردد.

الف- بعد از اینکه یک وقفه ۲۴ ساعته یا بیشتر در کار

ب – بعد از هر گونه عملیات انفجاری

ج- بعد از ریزش های ناگهانی

د- بعد از صدمات اساسی به مهارها

ه- بعد از یخبندان های شدید

و- بعد از باران های شدید

ماده ۲۴۴ :
در محل هایی که احتمال سقوط اشیا به محل گودبرداری و حفاری وجود دارد باید موانع حفاظتی برای جلوگیری از وارد شدن آسیب به کارگران پیش بینی گردد.
همچنین برای پیشگیری از سقوط کارگران و افراد عابر به داخل محل گودبرداری و حفاری نیز باید اقدامات احتیاطی از قبیل محصور کردن محوطه گودبرداری، نصب نرده ها، موانع، وسایل کنترل مسیر، علایم هشدار دهنده

ماده ۲۴۵ :
شب ها در کلیه معابر و پیاده روهای اطراف گودبرداری و حفاری باید روشنایی کافی تامین شود و همچنین علایم هشدار دهنده شبانه از قبیل چراغ های احتیاط، تابلوهای شبرنگ و غیره در اطراف منطقه محصور شده نصب گردد، به طوری که کلیه عابران و رانندگان وسایل نقلیه از فاصله کافی و به موقع متوجه خطر گردند.

ماده ۲۴۶ :
قبل از قرار دادن ماشین آلات و وسایل مکانیکی از قبیل جرثقیل، بیل مکانیکی، کامیون و غیره و یا انباشتن خاک های حاصل از گودبرداری و حفاری و مصالح ساختمانی در نزدیکی لبه های گود، باید شمع، سپر و مهارهای لازم جهت افزایش مقاومت در مقابل بارهای اضافی در دیواره گود نصب گردد.

ماده ۲۴۷:

در صورتی که از وسایل بالابر برای حمل خاک و مواد حاصل از گودبرداری و حفاری استفاده شود، باید پایه های این وسایل به طور محکم و مطمئن نصب گردیده و خاک و مواد مذکور نیز باید با محفظه های ایمن و مطمئن بالا آورده شود.

ماده ۲۴۸ :
هرگاه دیواری جهت حفاظت یکی از دیواره های گودبرداری مورد استفاده قرار گیرد باید به وسیله مهارهای لازم پایداری آن تامین شود

ماده ۲۴۹ :
در صورتی که از موتورهای احتراق داخلی در داخل گود استفاده شود، باید با اتخاذ تدابیر فنی، گازهای حاصله از کار موتور به طور موثر از منطقه کار، کارگران تخلیه گردد.

ماده ۲۵۰ :
چنانچه وضعیت گود یا شیار به نحوی است که روشنایی کافی با نور طبیعی تامین نمی شود باید جهت جلوگیری از حوادث ناشی از فقدان روشنایی، از منابع نور مصنوعی استفاده شود.

ماده ۲۵۱ :
در صورتی که احتمال نشت و تجمع گازهای سمی و خطرناک در داخل کانال وجود داشته باشد باید با اتخاذ تدابیر فنی و نصب وسایل تهویه، هوای منطقه تنفسی کارگران به طور موثر تهویه گردد. همچنین در صورت تجمع آب در کانال باید نسبت به تخلیه آن اقدام شود.

ماده ۲۵۲ :
در مواردی که حفاری در زیر پیاده روها ضروری باشد، باید جهت پیشگیری از خطر ریزش، اقدامات احتیاطی از قبیل نصب مهارهای مناسب با استقامت کافی انجام و با نصب موانع، نرده ها و علایم هشدار دهنده، منطقه خطر به طور کلی محصور و از عبور و مرور افراد جلوگیری به عمل آید.

ماده ۲۵۳ :
در گود ها و شیارهایی که عمق آن ها از یک متر بیشتر باشد، نباید کارگران را به تنهایی به کار گمارد.

ماده ۲۵۴ :
در حفاری با بیل و کلنگ باید کارگران به فاصله کافی از یکدیگر به کار گمارده شوند.

ماده ۲۵۵ :
در شیار ها عمیق و طولانی که عمق آنها بیش از یک متر باشد، باید به ازاء حداکثر هر سی متر طول، یک نردبان کار گذارده شود.
لبه بالایی نردبان باید تا حدود یک متر بالاتر از لبه شیار ادامه داشته باشد.
راه های ورود و خروج به محل گودبرداری و حفاری ایمن شود.