روش مهار متقابل یا استرات چیست و چه مزایایی دارد؟

مهاربند متقابل یکی از روش‌های پایدار کردن گود در ساختمان‌سازی است که تا زمان ساخت سازه، توسط یک سیستم مهاربندی از سازه پشتیبانی می‌کند. اجرای آن در مورد گودهای با عرض کم (عرض تا 10 متر) بسیار متداول است. استفاده از این روش در گودبرداری‌های با عرض کم (60 فوت تا 120 فوت) زمانی که نصب تای بک یا دوخت به پشت امکان‌پذیر نباشد، منطقی است. حفاری مهاربندی شده را می‌توان به راحتی با استفاده از نرم‌افزار DeepEX طراحی کرد. توجه به پدیده کمانش در طراحی اعضای افقی یکی از مسائل مهم در روش مهاربندی است که در زمان طراحی باید مد نظر قرار گیرد. اعضای افقی و عمودی باید بر اساس آیین‌نامه سازه‌های فولادی طراحی شوند.

در تثبیت گود به روش مهاربندی متقابل، معمولاً از لوله و یا تیرآهن به عنوان مهاربند (استرات/اعضای فشاری) استفاده می‌شود. نقش استرات، انتقال فشار خاک از یک دیوار به دیوار دیگر است. نصب پایه مهاربندها با خاکبرداری موضعی در اطراف استرات آغاز می‌شود. استرات‌ها معمولاً بر روی یک سری تیرآهن‌های افقی (wale beams) که بار استرات را به دیوار دیافراگم توزیع می‌کند، قرار می‌گیرند. بار وارد بر استرات را می‌توان هم با کرنش‌سنج اندازه‌گیری کرد و هم با استفاده از معادلات الاستیسیته با اندازه‌گیری افزایش جدایی بین تیرآهن افقی و استرات (strut) تخمین زد. فاصله معمول استرات هم در جهت عمودی و هم در جهت افقی، در محدودۀ 15 فوت (4.5 متر) است. در صورتیکه تایبک (tieback) استفاده شود، اندازه این فاصله، بیشتر و بزرگ‌تر می‌شود؛ زیرا در این صورت، سطح پیش‌بارگیر بسیار بالاتر خواهد بود.

اجرای پایه (استرات) به عنوان پیش‌بارگیر می‌بایست از همان آغاز کار صورت گیرد. این کار برای به حدأقل رساندن حرکات دیواره به یک استاندارد تبدیل شده است. زیرا در غیر این صورت، زمانی که حفاری پیش رفته و عمیق‌تر می‌شود، حرکت خاک و دیواره گود بیشتر و بیشتر می‌گردد. اگر فاصله چاهک‌ها خیلی زیاد باشد، احتمال خم شدن بیش از حد پایه‌ها بر اثر وزن‌شان وجود دارد. علاوه بر این، تدابیری هم باید برای انبساط و انقباض حرارتی پایه‌ها در نظر گرفته شود.

حفاری مهاربندی شده در مورد گودهای عمیق با وجوه عمودی مستقیم (straight vertical faces) به صورت جانبی تا زمان ساخت سازه با صفحه‌گذاری (sheeting) و سیستم مهاربندی (bracing system) پشتیبانی می‌شود. در گودبرداری‌های عمیق، ایجاد شیب ایمن و بی‌خطر بر روی نمای گود (صرفاً برای ایمنی) به دلیل هزینه زیاد، کمبود فضا و سایر سازه‌های موجود در اطراف، عموماً امکان‌پذیر نیست. بنابراین، حفاری به طور موقت با کمک صفحات و یا استرات‌ها پشیبانی می‌شود. ورق‌ها یا صفحات را بر روی دیواره گود قرار می‌دهند و آن‌ها را توسط استرات‌های افقی نگه می‌دارند. صفحات و استرات‌ها پس از پایان نیاز به آن‌ها، برداشته می‌شوند.

به طور معمول، در پایدارسازی گود به روش مهار متقابل، توالی حفاری به ترتیب زیر است:

• حفاری cantilever اولیه با برش V شکل.
• حفر تعدادی چاهک رو بروی هم و در پیرامون گود.
• نصب استرات و قرار دادن پروفیل های فولادی درون چاهک‌ها یا ترانشه‌های کوچک.
• خاکبرداری به صورت V جهت ادامه خاکبرداری به سطوح بعدی و نصب استرات. این مرحله برای سطوح بعدی نیز تکرار می‌شود.
• خاکبرداری تا رسیدن به مرحلۀ نهایی.

1- حفر تعدادی چاهک در پیرامون گود

چاهک‌ها باید در فواصل مشخصی از یکدیگر حفر شوند. جانمایی این چاه ها با نقشه برداری و بر اساس نقشه های اجرایی انجام می شود. اندازه طول این چاهک‌ها می‌بایست به اندازه عمق گود، به اضافه مقداری اضافه‌تر (0.25 تا 0.35) باشد. این مقدار اضافه، به منظور تأمین گیرداری انتهای تحتانی پروفیل هایی است که در چاهک قرار داده می‌شود.

2- درج پروفیل های فولادی درون چاهک

الف- اجرای اعضای عمودی

بر طبق محاسبات و نقشه‌های اجرایی، اعضای عمودی یعنی تیرآهن یا هاش درون این چاهک‌ها قرار داده می‌شود. اعضای عمودی، به صورت عمودی در داخل چاهک‌ها قرار داده می‌شوند. سپس به طور کامل به دیواره چاهک اتصال داده می‌شوند و سپس ریشۀ آن‌ها بتن‌ریزی می‌شود. طول این پروفیل‌ها طوری در نظر گرفته می‌شود که بخش انتهایی آن‌ها اندکی بالاتر از تراز بالای گود قرار گیرد. سپس بخش انتهایی هر دو پروفیل‌های قائم را به کمک تیرها و خرپاهایی، جوش داده و به هم وصل می‌کنند. اتصال پروفیل‌های قائم به یکدیگر، به پایداری آن‌ها کمک می‌کند و به منظور به دام افتادن بهتر عضو عمودی در بتن ریشه انجام می‌شود. ریشه شمع فلزی حدود 25 درصد عمق حفاری و قطر چاه‌ها حدود 80 تا 100 سانتی متر است.

ب- اجرای اعضای افقی در روش مهار متقابل

پس از اجرای اعضای عمودی، نوبت به اجرای ردیف اول اعضای افقی است. اعضای افقی می‌تواند لوله، تیر IPE دوبل و یا هاش باشد. اعضای افقی با استفاده از ورق های فولادی به اعضای عمودی جوش داده می‌شوند. برای جلوگیری از ریزش موضعی، می‌توان در بین اعضای عمودی، از تیرهای چوبی، توری فولادی، شاتکریت یا اعضای مناسب دیگر  استفاده کرد. برای کاهش طول موثر اعضای افقی می توان از cache (عضو عمود بر عضو افقی) استفاده کرد. این کار از کمانش اعضای افقی جلوگیری می‌کند.

تکمیل اعضای افقی:

پس از اجرای ردیف اول اعضای افقی، تا رسیدن به تراز ردیف دوم اعضای افقی، خاکبرداری انجام می‌شود و مش فولادی و شاتکریت بتنی نیز انجام می‌شود. این روند تا پایان حفاری ادامه دارد.

3- آغاز عملیات گود برداری

پس از انجام دو مرحلۀ بالا، نوبت به عملیات گودبرداری می‌رسد. گودبرداری به تدریج انجام می‌شود. روش مهار متقابل در مورد خاک‌های دانه‌ای و سست باید با احتیاط انجام شود. در شرایطی که خاک سست است و حالت ریزشی دارد، می‌بایست در بین اعضای قائم، از الوارهای چوبی یا هر عضو مناسب دیگری استفاده شود.

مزیت ها

• روش مهار گذاری فشاری برای کانال‌های کم عمق با عرض کم و تونل‌ها مناسب است.
• با روش های زهکشی قابلیت انطباق دارد.
• پس از پایان کار، امکان استفاده مجدد از برخی پروفیل‌ها وجود دارد.
• با دیگر روش های پایدارسازی گود، مثل سولجر پایل، قابلیت اجرای ترکیبی دارد.
• امکان انجام پایدارسازی و گودبرداری به طور همزمان وجود دارد؛ این مزیت، به افزایش سرعت پیشروی پروژه کمک می‌کند.
• برای اجرای آن، نیازی به اجازه از همسایگان نیست.
• برای حفاری‌های عمیق واقع در مناطق شهری مناسب است.
• انعطاف‌پذیری و امکان تقویت طرح در حین اجرا.

معایب و محدودیت ها

• روش مهارگذاری فشاری برای گودبرداری‌هایی که عرض گود نسبت به عمق آن زیاد است (گودهای با عرض بیش از 12 متر) قابل اجرا نیست.
• در صورت وارد شدن ضربه از ماشین آلات به دستک‌ها، خطر ریزش گود وجود دارد.
• اجرای روش مهار متقابل، در زمین های بزرگ به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
• در مورد گودهای با عرض 10 تا 12 متر، سرعت اجرای کار پایین می‌آید و سختی و هزینه انجام کار بالا می‌رود.
• اجرای این روش مستلزم یک تیم اجرایی متخصص و با تجربه است؛ به ویژه در اجرای استرات و اتصالات آن‌ها.
• نیاز به تجهیزات و ماشین آلات خاص.
• در مورد پروژه‌های با هندسه یا ژئومتری نامنظم، محدودیت اجرایی وجود دارد. در مورد پروژه‌های با هندسۀ نامنظم می‌توان در صورت مناسب بودن شرایط، از روش انکراژ استفاده کرد.

• در روش مهاربندی متقابل، از تیرها یا خرپاهای مایل استفاده نمی‌شود و سعی بر این است که به صورت افقی باشند.
• بسیاری از مراحل انجام کار توسط ماشین آلات انجام می‌شود و همین امر سرعت اجرا را بالا می‌برد.
• در اجرای روش مهار متقابل، نسبت به سازه نگهبان خرپایی، اتصالات کمتری استفاده می شود.
• اجرای روش خرپایی فضای زیادی را اشغال می‌کند اما این حالت در روش مهارگذاری فشاری وجود ندارد.

• مهاربندی سیستم استرات می‌بایست در جهت عمود بر سیستم قاب آن صورت گیرد. این کار کمک می‌کند تا پایداری گود بیشتر شود و صلبیت جانبی آن تأمین شود.
• در محدودۀ آزاد بین دو سازه نگهبان مجاور هم ممکن است احتمال ریزش خاک وجود داشته باشد؛ در این صورت، جهت جلوگیری از ریزش خاک دیواره، می‌بایست از شاتکریت یا انواع پنل‌ها استفاده شود.
• استفاده از دستک‌ها کمک می‌کنند تا فشارهایی که از طرفین خاک وارد می‌آید، توسط آن ها مهار شود.
• طول دستک‌های فشاری نباید زیاد باشد. در غیر اینصورت، موجب ایجاد فشار خواهد شد.
• طول دستک‌های فشاری نباید کم باشد، زیرا موجب کشش شمع‌ها خواهد شد.
• در گودهای عمیق، لنگر خمشی در شمع‌ها زیاد می‌شود و باید از پروفیل‌های سنگین‌تر استفاده گردد.
• فضای کافی در زیر دستک‌های فشاری وجود داشته باشد تا فضای کافی برای کارگران و تردد ماشین آلات خاک‌برداری در محوطه پایین دستک فراهم باشد.