اصول مهندسی تونل
( تزریق )
معرفی خاک مساله دار
تعریف تزریق
ملات تشکیل دهنده تزریق
تاریخچه و کاربرد تزریق
وسایل و تجهیزات اولیه حفاری و تزریق
اهداف تزریق
انواع تزریق براساس نوع محیط
انواع تزریق براساس نوع مواد تزریق شونده
روش های تزریق در خاک،سنگ و سازه
کاربرد تزریق در بهسازی خاک
بررسی انواع روش های تزریق
تصاویر نحوه تزریق
تصاویر دستگاه حفاری
فهرست
معرفی خاک مسئله دار
اصولا از لحاظ مهندسی به تمامی خاکهایی که احداث سازه بر روی آنها مطمئن نبوده ونیزتحت تاثیر شرایط آب و هوایی قراردارند، خاکهای مسئله دار می گویند.
خاکهای مسئله دار در گونه های مختلفی از جمله متورم شونده ، جذب آب
،فروریزشی(رمبنده) ، سست و…یافت می شوند.
برای بهسازی خاک های مسئله دار روش های مختلفی وجود دارد که در اینجا به بررسی روش تزریق می پردازیم.
تعریف تزریق
تزریق روشی است که بوسیله آن مصالح دوغابی با فشار به داخل منافذ و ترکها و حفرات موجود در توده خاک و سنگ تزریق می شود تا مشخصات فیزیکی و مکانیکی آنها را بهبود بخشد.
بطور کلی: اصلاح خصوصیات خاک وسنگ با پر کردن فضاهای خالی و ترکها با مصالح دوغابی
ملات تشکیل دهنده تزریق
سیمان پرتلند
سیمان فوق العاده دانه ریز
ماسه
مواد افزودنی
تاریخچه و کاربرد تزریق
1802 اختراع روش تزریق توسط چارلز برینی فرانسوی
1838 استفاده از مواد تزریقی برای پر کردن حفرات سنگ در سد گراسبوآ(فرانسه)توسط کولین
1839 تزریق در فونداسیون پل 375 متری تورس توسط بادمولین
1845 استفاده از تزریق سیمانی در فونداسیون سرریز یک سد به منظور تقویت سنگ آن توسط وارتن
1856 اولین تجربه تزریق در بریتانیا(تزریق در شن) توسط کینیپل
1864 اولین تزریق سیمان در ساخت فضاهای زیرزمینی
1900-1920 دوره پیشرفت تزریق و تکنیک های مربوط به آن
1910 ساخت اولین پمپ تزریق هیدرولیکی
1930 استفاده از تزریق در 19 سد بزرگ ایالات متحده
1932 اولین تزریق در کشور یوگسلاوی در سد گروسنیکا
1934 تزریق در سد شاوانون در فرانسه
1983 انجام اولین عملیات منظم تزریق در توده های سنگی در ایالات متحده در سد نیوکراتون
وسایل و تجهیزات اولیه عملیات حفاری و تزریق
اهداف تزریق
افزایش مقاومت زمین یا توده سنگ
مسدود کردن جریان آب در توده سنگ
تامین هر دو مورد فوق در یک زمان
انواع تزریق براساس نوع محیط تزریق
روشهای تزریق در خاک
روشهای تزریق در سنگ
روشهای تزریق سازه های بتنی.3
انواع تزریق بر اساس نوع مواد تزریق شونده
تزریق های سیمانی
تزریق های شیمیایی
روش های تزریق در خاک
تزریق نفوذی یا آب بند
تزریق تحکیمی
تزریق تراکمی
تزریق جت
تزریق شکست هیدرولیکی
تزریق تماسی یا تعادلی
روش های تزریق در سنگ
تزریق آب بند
تزریق تحکیمی
تزریق شکست هیدرولیکی
تزریق تماسی یا تعادلی
روش های تزریق در سازه ها
تزریق آب بند
تزریق تماسی یا تعادلی
تزریق اتصالی
عواملی نظیر دانه بندی خاک، ترازهای مختلف آب زیر زمینی ، عمق سازه از سطح زمین و دسترسی سطحی به تجهیزات بهترین روش و حالت را تعیین میکنند .
کاربرد تزریق در بهسازی خاک
پر کردن فضای خالی جهت جلوگیری از نشست های زیاد و تقویت خاک زیر پی
کنترل نشست و کاهش قابلیت نفوذپذیری خاک و یا ایجاد پرده های آب بند در سازه های خاکی جهت جلوگیری از فرار آب.
مقاوم سازی خاک زیر سازه موجود به منظور جلوگیری از جابه جایی ساختمان به دلیل خاکبرداری در همسایگی. کوبیدن شمع و اجرایی شمعک های تزریقی.
کنترل جابه جایی زمین در حین عملیات احداث تونل
مقاوم سازی خاک برای کاهش سیستم های حفاظتی جانبی
مقاوم سازی خاک برای افزایش مقامت در برابر بارگذاری جانبی شمع ها
تثبیت شیروانی ها
کنترل تغییر حجم خاک های انبساطی به کمک تزریق دوغاب آهکی
تزریق نفوذی (آب بند)
پر کردن درزه ها، شکافها و یا شکستگیها در سنگ و فضاهای خالی در خاک یا هر محیط متخلخل با دوغاب، بدون بهم زدن ساختار سنگ یا خاک با حداقل فشار
سیال دوغاب با حداقل فشار تزریق در یک بازه زمانی در فضاهای خالی موجود در بین ذرات خاک و یا در شکافهای سنگ تزریق می شود تا از وقوع شکستگیهای جدید جلوگیری شود.
هدف اصلی :کاهش نفوذپذیری و کنترل جریان آب زیرزمینی
انواع تزریق نفوذی
تزریق نفوذی تراوشی
تزریق نفوذی تداخلی
تزریق آب بندی وتحکیمی در سد کارون 3
نمونه ای از اجرای پرده آب بند در زیر یک سد توسط تزریق آب بند
آرایش گمانه های تزریق محیطی
در تونل کوهرنگ3
گمانه های تزریق نفوذی برای باز کردن و
توسعه دهانه ورودی تونل
تزریق تحکیمی
این روش تزریق دقیقاً مشابه روش قبلی است. ولی افزایش مقاومت و مدول سختی خاک یا سنگ نیز مد نظر است.
ساختار اولیه خاک یا سنگ تغییر نمی کند. تزریق تنها از طریق حداقل فشار ممکن
دو ویژگی مهم دوغاب مقاومت و سیالیت کافی جهت نفوذ در فضاهای خالی با حداقل فشار
باعث تقویت و استحکام مصالح تشکیل دهنده شالوده شده و کاهش جریان آب زیرزمینی
تزریق تحکیمی
تزریق تراکمی
خاکهای نرم وضعیف به وسیله تزریق ملاتی با اسلامپ بسیارکم (کمتر از 2/5سانتیمتر ) وبا فشار زیاد قابل متراکم شدن هستند.
روشی که به عنوان تزریق تراکمی شناخته شده است ، به دلیل این که ملات مورد استفاده بسیار غلیظ می باشد ، حباب یا ستونی تشکیل داده که با جابجایی خاک اطراف آن متراکم میگردد.
تزریق تراکمی ممکن است در یک سری نقاط مربوط به یک شبکه یا در امتداد یک خط اجرا گردد. فواصل تزریقهای نقطه ای در محدوده 1 تا 6.4 متر انتخاب می شود .
ویژگی های تزریق تراکمی
طرح اختلاط مخلوط دوغاب ویژه است تا به حفرات موجود در خاک نفوذ نکند و یا با خاک مخلوط نشود. در عوض، در خاکی که تزریق می شود، جایگزین می گردد.
حجم فضاهای خالی کاهش و محیط متراکم می گردد.
ملات خیلی سخت به خاکهای سست تزریق و حبابی از ملات تزریقی تشکیل و در خاک جایگزین شده و زمین اطراف را بدون نفوذ در حفرات خاک، متراکم می سازد.
در محیطهای شنی تراکم حداکثر ندارد اما در محیطهای ریزدانه سست کارایی بهتری دارد.
اغلب در پی های کم عمق برای بالا بردن دالهای نشست کرده بکار می رود.
تقریبا در همه نوع خاکها کاربرد دارد.
نحوه گسترش تزریق تراکمی در خاک
نحوه گسترش تزریق تراکمی در خاک
تزریق تراکمی در بالای سقف تونل
تزریق جت
گسترش از سال 1960
لایه های نازکی از ملات سیمانی تزریق با فشار بسیار زیاد به دیواره های گمانه برخورد می کنند.
پس از اصابت به دیواره های گمانه، بطور همزمان از یک سو مصالح موجود را حفاری نموده و از سوی دیگر نیز با خاک مخلوط می شوند.
عمل برش دهندگی لایه های نازک ملات سیمانی تزریق را می توان با وارد کردن هوای فشرده در آن افزایش داد.
در این روش از آب یا دوغاب با فشار بالا جهت گسیختن ساختار فیزیکی خاک استفاده می شود که به این طریق باعث اصلاح و بهبود زمین می شوند.
در این روش بعد از حفاری تا عمق مورد نظر توسط جتهای تعبیه شده در انتهای سیستم حفاری آب یا دوغاب را با فشار زیاد وارد خاک کرده همزمان با چرخش جت و بالا آمدن آن ستونی از خاک اصلاح شده ایجاد می گردد.
مراحل اجرای تزریق جتی
روشهای مختلف تزریق با فشار بالا(تزریق جت)
بر خلاف روند پیشرفت و توسعه ،به طور معمول از سه روش استفاده می شود :
روشone-fluid system (F1)
روش two-fluid system (F2)
روشthree-fluid system ( F3)
روش one-fluid system (F1) :
این روش ساده ترین تکنیک تزریق با فشار بالا است که سیال مورد استفاده در آن دوغاب سیمان می باشدکه به طور همزمان وظیفه تخرب و تزریق تشکیلات موجود را بر عهده دارد. عملیات با چرخش و انتقال یکسان مونیتور در هر لایه ادامه می یابد تاستونی از مصالح بهسازی شده تشکیل شود . در واقع در این روش تنها یک جانشینی جزئی در خاک اتفاق می افتد بطوریکه ستون حاصل ترکیبی از خاک تخریبی و دوغاب میباشد.
روش two-fluid system (F2) :
این روش حالت پیشرفته تر روش قبلی بوده که در آن اثر برشی جت دوغاب بطور قابل توجهی بوسیله پوششی از هوای فشرده ،با فشار حدود 2 تا 15 بار ، افزایش می یابد. نسبت به روش f1 ستون هایی با قطر بزرگتر حاصل شده واز طرفی امکان بهسازی حجم بیشتری از ناحیه تزریق نیز میسر میباشد.
روشthree-fluid system ( F3) :
در این روش جت آب همراه با پوششی از هوا وظیفه برش و تخریب تشکیلات را بر عهده دارد به طوری که نازل مربوط به تزریق دوغاب در بخش پایینی جت دیگر قرار میگیرد . در این روش همراه با کارایی بهتر جت برشی (آب+ هوا) رسیدن به حجم بالایی از مناطق بهسازی شده نیز ممکن خواهد بود.
تزریق جت برای بهبود شرایط دهانه ورودی تونل در زمین های نرم
تزریق جت در سقف تونل از داخل
تزریق جت از سطح زمین در اطراف تونل
نمونه ای از دستگاه تزریق جت
تزریق شکست هیدرولیکی
تزریق شکست هیدرولیکی، شکست عمدی زمین(خاک یا سنگ) تحت فشار تزریق است.
این روش جهت متراکم و سخت کردن زمین و یا دسترسی به حفرات دیگری که در دسترس نیستند، بکار می رود.
از این روش برای کاهش نفوذپذیری توده زمین( خاک یا سنگ) و ایجاد بالا زدگی های کنترل شده در سازه ها استفاده می شود.
اگر فشار تزریق بطور مناسب افزایش یابد، توده خاک ممکن است شکافته شده و شکافهای مصنوعی پر شده از دوغاب شکل گیرد.
شکافها و یا درزه های موجود ممکن است بزرگتر شده و ترکهای جدیدی ایجاد شود. این روش به همان روش کلاکوژ( CLAQUAGE) مهندسان فرانسوی بر میگردد.
تزریق تماسی
در این روش تزریق از روشهای تزریق آب بند، تراکمی یا شکست هیدرولیکی بعنوان رابط بین سازه و محیط اطراف (بویژه حفاری تونل)استفاده می شود.
هدف از انجام این نوع تزریق برداشتن فاصله و پر نمودن شکاف بین سازه و شالوده آن میباشد. به نحوی که این دو بتوانند به صورت یک واحد ساختمانی عمل نمایند. در تزریق تماسی تنها درزههایی مد نظر هستند که در ضخامتی از سنگ بین 5/0 تا یک متر وجود دارند.
این روش تزریق به تزریق تعادلی (compensation grouting) نیز معروف است.
تزریق اتصالی
این روش تزریق در محل اتصال سازه ها و یا حفرهای خالی موجود در سازه های بتنی صورت می گیرد.
این نوع تزریق جهت آب بندی سازه ها و همچنین افزایش مقاومت آنها با اتصال نقاط منفصل از جمله ریز ترکها استفاده می شود.
پرکردن فضاهای خالی باقی مانده بین بتن و پوشش های فولادی استفاده شده در تونلهای تحت فشار
عملیات اجرایی تزریق اتصالی نبایستی به هیچ وجه زودتر از 28 روز بعد از بتن ریزی شروع شود تا بتن حداکثر انقباض و ترک خوردگی را داشته باشد.
در تونل سازی ابتدا تزریق تماسی، سپس تزریق تحکیمی و تزریق آب بندی انجام گرفته و سپس در آخرین مرحله تزریق اتصالی انجام خواهد شد.
دوغاب مورد استفاده در این نوع تزریق باید از نظر مقاومتی و آب بندی مناسب باشد. بیشتر این نوع دوغابها از نوع شیمیایی می باشد.
محل اتصال سازه ها که می توان تزریق تماسی انجام داد
گمانه های تزریق و خروج هوا در تزریق اتصالی تونل
برخی مشخصات فیزیکی و شیمیایی که باید حین تزریق کنترل شود
ویسکوزیته (Viscosity) توسط آزمایش قیف مارش
مقاومت فشاری ( (Compressive Strength
آب انداختن (Bleeding)
چگالی دوغاب (دانسیته)
انحراف سنجی
تجهیزات مورد نیاز حفاری و تزریق
ماشین حفاری به همراه تجهیزات حفاری
ست کامل پمپ تزریق
همزمن ها
لوله های انتقال دوغاب
پکر
نمونه از سیستم های حفاری
دستگاه دیامک 262 اولین بار توسط فرانسوی ها و انگلیسی ها در تونل مانش استفاده شد.
دستگاه حفاری
پایان