تکنولوژی انکراژ و نیلینگ

تکنولوژی پایداری شیروانی به روش انکراژ و نیلینگ

در سال های اخیر با افزایش تراکم در عرصه‌های محدود و در نواحی پر‌تراکم شهری، تقاضا جهت افزایش تعداد طبقات زیر‌زمینی و عمق گودبرداری‌ها بیشتر شده است. گسترش روز افزون شهرها و نیاز به فضاهای کار و سکونت از یک طرف و افزایش شدید قیمت زمین در شهرها و ضرورت استفاده حداکثری از زمین از سوی دیگر باعث شده است که احداث ساختمان‌های مرتفع اداری، تجاری و مسکونی با طبقات متعدد در زیر‌زمین به صورت چشم‌گیری گسترش یابند. از این رو با افزایش عمق گودبرداری، خطرات ناپایداری و گسیختگی دیواره‌های گودبرداری به شدت افزایش یافته که نیاز استفاده از راهکارهای مطمئن و مقرون به صرفه را جهت مقابله با خطرات احتمالی مورد اشاره مشهود می‌نماید.

اجرای سازه‌های نگهبان براي پايدارسازي گودهاي عميق به چند شيوه امکان پذیر است. روشهاي نیلینگ، انکراژ، دوخت به پشت، ديواره ديافراگمي، شمع، ریزشمع، جت گروتینگ، اختلاط عمیق خاک،  سپرکوبي و اجراي خرپا ازجمله‌ی اين روش‌ها هستند. هریک از اين روش‌ها مزايا و معايبي داشته و با توجه به ارزيابي‌هاي فني، اقتصادي، و امکانات در دسترس، روش يا روش‌هايي انتخاب و اجرا مي‌شوند.

پایدارسازی به روش نیلینگ- میخ‌کوبی (Nailing) و استفاده از انکراژ- مهارهای پس کشیده (Ground Anchors) از جمله ایمن‌ترین و مطمئن ترین روش‌های حفاظت از گودهای دائم و موقت در مقایسه با سایر روش‌های تثبیت و پایدارسازی ترانشه‌های خاکی می‌باشند. دلیل این امر خاکبرداری گام به گام و تثبیت هر مرحله از گود با استفاده از ردیف میخ‌های مربوط به آن مرحله و سپس انجام عملیات خاکبرداری در اعماق پایین‌تر می‌باشد. بنابراین تا تراز ماقبل هر رقوم ارتفاعی از گودبرداری، عمل پایدارسازی گود به طور کامل انجام می‌شود. عدم پرت فضا و نیز عدم ایجاد مزاحمت در انجام سایر عملیات ساختمانی از مزایای دیگر این روش‌ها در مقایسه با روش‌هایی نظیر خاک مسلح می‌باشد. روش‌های نیلینگ و انکراژ و یا ترکيب آنها باتوجه به کارايي بالا، قابليت اجراي در شرايط مختلف و هزينه اجرايي نسبتاً پايين، نسبت به ساير روش‌هاي سازه نگهبان گودهاي عميق، در سطح کشور رواج بيشتري دارند.

روش اجرا

در روش‌هاي نیلینگ و انکراژ، ابتدا گمانه‌ها طبق طرح در ديواره گود حفر شده و سپس ميلگردهاي فولادي و يا کابل‌هايي با قطرهاي مختلف درون گمانه قرار داده شده و عملیات تزریق دوغاب درون گمانه و در اطراف المان مسلح کننده انجام می‌گیرد.


پایدارسازی گود به روش نیلینگ و انکراژ و حفاری همراه با کیسینگ‌گذاری، بیمارستان امام خمینی، تهران


پایدارسازی گود به روش نیلینگ، اقدسیه، تهران

میخ‌کوبی (نیلینگ)

این روش برای اولین بار در دهه 1960 توسط مهندسین استرالیایی جهت پایدارسازی جداره های تونل استفاده شد به این صورت که ابتدا گمانه هایی در محیط پیرامونی تونل حفر شده و پس از آن عملیات تزریق دوغاب سیمانی درون گمانه های مذکور انجام گرفت. در انتها نیز به منظور یکپارچه نمودن سیستم سازه نگهبان و کاهش خطر برش پانچ، پس از نصب شبکه مش بر روی دیواره، عملیات بتن پاشی دیواره انجام پذیرفت.

در سال های بعد اين روش توسط مهندسين آلماني و فرانسوي براي پايدارسازي در شيرواني‌هاي خاکي مورد استفاده قرار گرفت. به عبارت ديگر روش استراليايي نیلینگ در سنگ توسط مهندسين آلماني و فرانسوي به پایداری شيب‌ها، ديوارهاي خاکي و کوله‌ي پل‌ها تعميم داده شد. پس از آن پایدارسازی به روش نیلینگ به طور گسترده در طرح‌هاي مختلف عمراني نظير تثبيت ترانشه‌هاي خط آهن و بزرگراه‌ها، ساخت سازه‌هاي نگهبان گودبرداري شده در مناطق شهري جهت احداث ساختمان‌هاي بلندمرتبه با عمق گودبرداری بالا و تثبيت شيب‌هاي زمين در برابر لغزش‌هاي احتمالي مورد استفاده قرار گرفت.  
اساس استفاده از روش نیلینگ بر مبنای مسلح کردن و مقاوم نمودن خاک با استفاده از دوختن توده‌‌ی خاک محرک به محدوده‌ای ایمن در پشت گوه گسیختگی بحرانی می‌باشد. در صورت بکارگیری این روش به موارد ذیل می‌توان دست یافت:

  • افزایش مقاومت برشی توده‌ی خاک
  • محدود نمودن تغییر مکان‌های قائم و افقی خاک
  • کاهش نیروی لغزش در سطح گسیختگی



اجزای نیلینگ

کاربرد نیلینگ در پروژه‌های عمرانی

  • پایداری ترانشه‌ها در احداث بزرگراه‌ها و راه آهن‌ها
  • پایداری جداره‌ی تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی
  • پایدارسازی و حفاظت گود در سازه‌های مناطق شهری (ساختمان‌های مجاور گود) و ایستگاه‌های زیرزمینی مترو
  • پایدارسازی کوله‌های مجاور پل‌ها در زمین‌های سست و ریزشی

مراحل اجرای نیلینگ

مراحل مختلف اجرای عملیات نیلینگ در شکل زیر نشان داده است.


 

مراحل اجرای نیلینگ

  1. خاکبرداری: ابتدا عملیات خاکبرداری با عمق 1 الی 2 متر ضمن در نظر گرفتن پارامترهای مقاومتی خاک جهت حفظ پایداری برای مدت زمان 24 تا 48 ساعت انجام می‌گیرد. پهنای خاکبرداری باید به حدی باشد که براحتی بتوان تجهیزات لازم جهت حفاری را مستقر نمود.
  2. حفاری گمانه‌ها جهت قرارگیری میخ : گمانه‌های مورد نظر می‌بایست باید به طول، قطر، جهت و فواصل معینی طبق طرح ارائه شده حفاری شوند.
  3. نصب میخ‌ها و تزریق دوغاب: پس از انجام مراحل فوق، میخ‌ها در گمانه‌های حفر‌شده قرار داده می‌شوند. اغلب میخ‌های مورد استفاده در طرح‌های نیلینگ توپر می‌باشند اگرچه میخ‌های توخالی (راد خودحفار) نیز بعضاً و با توجه به شرایط پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرند. به منظور پوشش کامل میخ با دوغاب تزریق شده، قبل از انجام عملیات تزریق، فاصله‌نگهدارها در اطراف میخ‌ها نصب می‌شوند تا از قرار گرفتن میخ بر روی خاک به صورت مستقیم جلوگیری نمایند. قبل از قرار دادن میخ درون گمانه حفر شده، لوله های تزریق بر روی میخ‌ها نصب می‌گردند و پس از  استقرار میخ درون گمانه، عملیات تزریق دوغاب تحت فشار ثقلی یا با استفاده از ست تزریق از طریق این لوله‌ها انجام می‌پذیرد. به منظور زهکشی آب سطحی در دیواره ‌های گود نیز می‌توان از نوارهای زهکش استفاده نمود که این نوارها به صورت عمودی و قبل از اجرای شاتکریت بر روی دیوار نصب می‌شود.
  4. اجرای پوسته موقت (Shotcrete facing): پوسته موقت به منظور ایجاد پوشش جهت جلوگیری از هوازدگی خاک، یکپارچه نمودن تنش و تغییر شکل دیواره گود، افزایش مقاومت در برابر برش پانچ در محدوده میخ گذاری و در نتیجه افزایش پایداری کلی دیوار اجرا می‌گردد. رایج‌ترین روش اجرای دیواره موقت، استفاده از یک لایه مسلح‌کننده سبک به همراه اجرای یک لایه شاتکریت بر روی سطح خاکبرداری شده می‌باشد.
  5. احداث تراز‌های بعدی خاکبرداری: جهت اجرای مرحله بعدی خاکبرداری، گام‌های اول تا چهارم برای پایداری خاکریز اجرا می‌شود. در هر مرحله از خاکبرداری نـوارهای عمودی زهکشی تا پایین خاکریز ادامه پیدا می‌کنند .در انتهای خاکبرداری، نوارهای زهکشی در پاشنه خاکریز به کانال جمع آوری آب در کف گود منتهی می‌شوند.
  6. احداث پوسته دائمی و نهایی (در صورت نیاز): پس از رسیدن خاکبرداری به تراز مورد نظر، نصب میــخ‌های مهار و انجام آزمایش‌های بارگذاری، پوستـه و نمای نهایـی احداث می‌گردد. تدابیر دیگری نیز ممکن است با توجه به نوع و شرایط پروژه به کار گرفته شوند.

اصول طراحی سیستم نیلینگ 

مراحل طراحی سیستم نیلینگ به طور خلاصه شامل موارد زیر است:

  • جمع آوری کلیه اطلاعات مورد نیاز در طراحی شامل: مشخصات ژئوتکنیکی زمین، سطح آب محیط، شرایط سازه‌های مجاور گود مورد طرح، وضعیت تاسیسات پیرامون گود و مدفون در زمین و... .
  • مشخص نمودن و ایجاد هندسه سازه نگهبان
  • طراحی المان‌های تسلیح (تخصیص قطر، طول و فاصله مناسب به مسلح‌کننده‌ها)
  • عمق و زاویه شیب خاکبرداری مشخص گردد.
  • بارگذاری
  • بررسی پایداری کلی سازه نگهدارنده و خاک اطراف آن و بررسی و کنترل ضرایب اطمینان و اصلاح طرح در صورت نیاز.
  • تخمین نیروهای وارده بر صفحه فولادی Bearing plate
  • در نظر گرفتن سطح پیزومتریک آب‌های زیر زمینی و لحاظ نمودن سیستم زهکش

 
انجام عملیات حفاری همراه با لوله‌گذاری (Casing)


انجام عملیات حفاری گمانه جهت اجرای انکر

پایدارسازی توسط انکرها (Ground Anchors)

انکرها، تاندون‌های پیش تنیده ای هستند که برای حفاظت از دیواره گودبرداری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

روش اجرا و عملکرد انکرها بدین صورت است که پس از تزریق محدوده انتهایی انکر و اطمینان از گیرش دوغاب تزریق شده، قسمت ابتدایی آن که در دیواره گود بوده با استفاده از دستگاه‌ کشش کشیده می‌شود و به این صورت خاک محدوده بحرانی ریزش متراکم شده و دیواره گود به محدوده‌ای ایمن از توده خاک در پشت گوه گسیختگی بحرانی دوخته می‌شود. شکل زیر شماتیکی از یک مهاری انکر را نشان می‌دهد.


اجزای مختلف انکر

 
اجزای مختلف تاندون از نوع استرند

اجزای مختلف تاندون از نوع میلگرد عبارتند از:

  • طول گیرداری: ناحیه تزریق شده انکر می‌باشد که در محدوده پشت گوه گسیختگی بحرانی قرار داشته و با اندرکنش با خاک اطراف محدوده تزریق که عمده آن به صورت برشی می‌باشد، مقاومت مورد نیاز جهت انجام کشش را فراهم می‌کند.
  • طول آزاد: قسمتی از انکر است که درون گوه گسیختگی قرار داشته و در این محدوده کابل‌های تشکیل دهنده انکر می‌توانند آزادانه تغییرشکل الاستیک دهند تا نیروی مقاوم را از طول گیرداری به المان سازه‌ای منتقل کند.
  • مهار یا گیره (Anchorage): وسیله‌ای است که به تاندون وصل می‌شود و شامل صفحه و سرمهاری (Anchor head) بوده و اجازه تنیدگی و قفل کردن (lock-off) کابل‌های پیش تنیده را می‌دهد.
    باید توجه داشت که انکرها به دلیل فشرده نمودن توده خاک درون گوه گسیختگی، باعث کاهش محسوس تغییر شکل‌های دیواره گود و همچنین افزایش ضریب اطمینان سازه نگهبان می‌شوند و در مقایسه با سیستم نیلینگ از این دو منظر عملکرد بهتری ارائه می‌دهند.    


استفاده از انکر جهت پایدارسازی گود


استفاده از انکر جهت پایدارسازی گود


انکرهای نصب شده جهت پایدارسازی شیب در سنگ شدیداً هوازده

انواع انکرها

تاکنون انواع مختلفی از مهاری‌های پیش‌تنیده توسط متخصصین این رشته ارائه شده است که تفاوت آنها در استفاده از تاندون‌های مختلف، روش‌های گوناگون حفاری، شیوه‌های متفاوت تزریق و سیستم‌های محافظت خوردگی مختلف (برای دیوارهای دائم) می‌باشد. انتخاب مهاری و روش نصب آن عموماً بستگی به شرایط خاک، شرایط آب زیرزمینی، محدودیت‌های محل و تجهیزات موجود بستگی دارد. انواع مهاری‌ها شامل موارد زیر می‌باشند که جزئیات آنها در شکل نشان داده شده است.


 

انواع مختلف مهارها

  • انکر با استوانه مستقیم با تزریق ثقلی (Straight shaft gravity-grouted)
  • انکر با تزریق تحت فشار(Straight shaft pressure-grouted)
  • روش پس تزریق(Post-grouted)
  • مهارهای ته پهن شده (Underreamed)

سیستم مهار توخالی (Hollow Bar Anchor System)

در روش نوینی که در سال‌های اخیر رواج یافته است و سیستم مهار توخالی (Hollow Bar Anchor System) نامیده شده است، از لوله‌های خود تزریق بنام Titan Hollow Bar استفاده می‌شود که در آن عملیات حفاری، تزریق و نصب المان فولادی به صورت هم‌زمان انجام می‌پذیرد. در این روش در حین حفاری عملیات تزریق انجام گرفته و راد فولادی و سرمته‌ی آن بعنوان المان فولادی و باربر در زمین باقی می ماند.
قابل ذکر است که با توجه به گزارش‌های ارائه شده از اجرای این روش و برخلاف تصور عمومی، مزیت عمده این روش مقرون به صرفه بودن آن در مقایسه با سایر روش‌های پایدارسازی مشابه می‌باشد.


اجزای مختلف سیستم مهار توخالی

 
مراحل اجرای سیستم مهار توخالی