روش سپر کوبی (شیت پایل) چیست و چه مزایایی دارد؟

در هنگام گودبرداری، فشار جانبی موجود می‌تواند به ریزش گود و آسیب دیدن سازه‌ها، تجهیزات و حتی افرادی که در اطراف آن قرار دارند، منجر شود. به همین خاطر، از شیوه‌های گوناگونی برای پایدارسازی گود استفاده می‌کنند که روش سپرکوبی یکی از مهمترین آن‌ها است. سپرکوبی فشار جانبی اطراف گود را مهار کرده و محیط امنی برای کار ایجاد می‌کند. سپرهایی که برای جلوگیری از ریزش گود مورد استفاده قرار می‌گیرند، جنس‌هایی مختلفی دارند که رایج‌ترین آن‌ها شامل چوب، بتن و فلز می‌باشند. در حال حاضر، به دلیل مقاومت بیشتر بتن و فولاد، عمدتا از این نوع سپرها استفاده می‌شود.

البته این که از چه نوع مصالحی برای سپرکوبی استفاده شود، به عوامل زیادی از جمله مقاومت خاک و سایر شرایط محیطی بستگی دارد. برای مثال، ممکن است یک زمین دارای تراوایی بالایی بوده و لازم باشد سپر در کنار نقش فشارشکنی خود، از نفوذ‌ آب به گود هم جلوگیری کند. روش سپر کوبی به دلیل شکل خاص مصالح مورد استفاده، شیت پایل (Sheet pile) یا شمع صفحه‌ای هم نامیده می‌شود. سپرهایی که در این روش برای مهار فشار جانبی به درون زمین کوبیده می‌شوند، بسته به شرایط ممکن است به عنوان سازه نگهبانی دائمی یا موقت مورد استفاده قرار بگیرند. از نظر شکل، سپرها در چند حالت تولید می‌شوند که کاربردهای گوناگونی داشته و بسته به شرایط محیطی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سپر کوبی یکی از شیوه‌های رایج پایدارسازی گود است. پس به طور کلی، قبل از آغاز عملیات گودبردای که نیاز به پایدار کردن محیط پیرامون گود وجود داشته باشد، در صورت مساعد بودن شرایط، می‌توان از روش سپر کوبی استفاده نمود. با توجه به مزایا و معایب این روش، ممکن است در برخی محیط‌ها نسبت به سایر روش‌ها ترجیح داده‌ شود. گاه نیز از نظر هزینه یا مقاومت، نسبت به روش‌های دیگر، ممکن است مورد استفاده قرار نگیرد. سپرها نقش اصلی را در مهار فشارهای جانبی دارند. همچنین می‌توانند به صورت همزمان کاربردهای دیگری هم داشته باشد. مهمترین کاربردهای روش شیت پایل عبارتست از:

1. جلوگیری از رانش زمین و ریزش گود.
2. جلوگیری از نفوذ آب.
3. پایداری خاکریز رودخانه‌ها.
4. پایدار سازی کانال‌های آب.
5. ساخت سازه‌های آبی.
6. ایجاد حوضچه‌های خشک.

1- جلوگیری از رانش زمین و ریزش گود

زمانی که عملیات گودبرداری آغاز می‌شود، فشارهای جانبی می‌توانند به ریزش گود و آسیب دیدن افراد و تجهیزات منجر شوند. اجرای روش سپر کوبی با مهار این فشارها،‌ از حرکت خاک و ریزش گود جلوگیری می‌کند.

2- جلوگیری از نفوذ آب

گاهی اوقات ممکن است زمین محل گودبرداری از تراوایی بالایی برخوردار باشد. در این گونه موارد، امکان نشت آب به محل عملیات و نشست زمین بسیار زیاد است. به همین خاطر، از سپرهایی استفاده می‌شود که در عین مهار فشارهای جانبی، امکان آب بندی گود را هم داشته باشند. امکان نفوذ آب به گود در زمین‌های با خاک رس کمتر و در محیط‌های شن و ماسه‌ای بیشتر است. در چنین مواردی عمدتا از سپرهای فلزی و بخصوص فولادی استفاده می‌شود. آن‌ها نسبت به بتن خاصیت آب‌بندی مناسب‌تری دارند.

3- پایداری خاکریز رودخانه‌ها

روش سپر کوبی جهت پایدارسازی خاکریز رودخانه ها هم بسیار کاربردی است. در بسیار از مناطق سیل خیز، اطراف رودخانه‌ها خاکریزهایی ایجاد می‌شود تا در هنگام بالا آمدن آب رودخانه، از ورود آن به شهر یا اماکن رفاهی نزدیک آن جلوگیری شود. در این گونه موارد، خاکریز به تنهایی مقاومت کافی را نداشته و احتما تخریب آن با سیل وجود دارد. در حالی که استفاده از سپرهای بتنی یا فلزی در این مکان‌ها، مقاومت خاکریز در برابر فشارهای آب را چندین برابر نموده و از تخریب آن جلوگیری می‌کند.

4- پایدار سازی کانال‌های آب

زمانی که به هر دلیل نیاز به انتقال آب از طریق کانال وجود داشته باشد، در صورت پایدار نبودن دیواره‌های اطراف کانال، امکان ریزش، پر کردن کانال و انحراف مسیر آب وجود دارد. به همین خاطر، ابتدا دیواره‌های کانال را با روش سپر کوبی پایدارسازی کرده و سپس جریان آب را به آن وارد می‌کنند.

5- ساخت سازه‌های آبی به کمک روش سپر کوبی

در بسیاری از صنایع از جمله صنعت نفت و عمران، ممکن است نیاز باشد سازه‌هایی درون آب ساخته شوند. دکل‌های ثابت استخراج نفت، اسکله‌ها، سکوها و پل‌ها برخی از مهمترین این سازه‌ها به شمار می‌آیند. برای ساخت این سازه‌ها درون آب، ابتدا محل ستون‌های اصلی و پایه‌ها را سپر کوبی کرده تا از ورود آب جلوگیری شده و امکان ایجاد سازه‌ها، فراهم گردد. البته استفاده از شیت پایل برای پایدار کردن سازه‌های آبی، تا حد زیادی به عمق آب بستگی دارد.

6- ایجاد حوضچه‌های خشک

برای ساخت این حوضچه‌ها هم که بیشتر در صنعت کشتی سازی و تعمیرات آن کاربرد دارند، می‌توان از سپر کوبی استفاده کرد. جهت این امر، بخشی را انتخاب کرده و با استفاده از سپرهای مقاوم در برابر نفوذ آب، دور تا دور آن را پوشش می‌دهند. سپس آب حوضچه به وسیله پمپ‌ها مختلف خالی می‌شود تا امکان دسترسی به بخش‌های زیرین کشتی‌ هم فراهم گردد.

با توجه به این که از چه نوع سپری در این روش برای پایدرسازی گود استفاده می‌شود، ممکن است نحوه اجرای آن و برخی جزئیات کار تا حدودی با هم فرق داشته باشند با این حال، نحوه اجرای روش سپر کوبی به صورت کلی برای سپرهای مختلف یکسان است. برای انجام این کار مراحلی در نظر گرفته شده است که باید به ترتیب انجام شوند. مراحل اجرای روش شیت پایل در ادامه شرح داده شده است.

1- کوبش یا حفاری

اولین مرحله، تعیین دقیق محل گودبرداری است. بر اساس آن، مکان دقیق قرارگیری سپرها نیز مشخص می‌شوند. به این ترتیب، عملیات سپر کوبی آغاز می‌شود. در صورتی که خاک نرم بوده و شرایط محیط کار به گونه‌ای باشد که امکان کوبیدن مستقیم سپرها فراهم باشد، سپرهای انتخاب شده جهت این امر با استفاده از دستگاه‌های مخصوص به درون زمین کوبیده می‌شوند. برای این کار معمولا از چکش پنوماتیک یا چکش ویبره (شیوه لرزشی) استفاده می‌شود. نوع دستگاه مورد نیاز در روش سپر کوبی هم تا حد زیادی به جنس خاک و شرایط آن بستگی دارد.

گاهی اوقات ممکن است جنس خاک و شرایط محیط کار، طوری باشد که امکان کوبیدن مستقیم سپرها وجود نداشته باشد. این شرایط بیشتر در خاک‌های بسیار سخت و سنگی به وجود می‌آید. در این گونه موارد، ابتدا محل قرارگیری سپرها را حفاری می‌کنند. عمق این حفاری می‌تواند برابر با عمق گود یا در محیط‌های با شرایط بهتر، تا حدودی کمتر باشد. زمانی که حفاری انجام شد، سپر کوبی با همان روش‌ها یعنی استفاده از چکش‌های پنوماتیک یا ویبره آغاز می‌شود. به این ترتیب، سپرها با توجه به استانداردها و نکات مربوط به چفت و بست، در کنار هم کوبیده می‌شوند.

2- عملیات خاک برداری

مرحله بعدی اجرای روش سپر کوبی، خاکبرداری است. در این مرحله، خاک موجود در محیط گود بر اساس نقشه‌های موجود، تا تراز کف گود برداشته می‌شود. عملیات خاکبرداری هم ممکن است به صورت یک مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای انجام گیرد. در صورتی که پایداری خاک بالا، فشار جانبی گود زیاد نباشد و سپرها تا زمان خاک برداری کامل گود امکان تحمل آن را داشته باشند، این عملیات به صورت مستقیم تا آخر انجام می‌گیرد. در غیر این صورت، پس از خاک برداری تا یک عمق مشخص، مقاوم سازی سپرها انجام گرفته و سپس خاک برداری ادامه می‌یابد. این کار بسته به شرایط زمین و مقاومت سپرها، ممکن است طی چند مرحله انجام گیرد.

3- اجرای کمرکش افقی

پس از این که عملیات خاک برداری به پایان رسید، کمرکش‌های افقی اجرا می‌شوند. البته این مرحله در هنگام اجرای روش سپرکوبی هم کاملا به شرایط محیط و مقاومت سپرها بستگی دارد. این کمرکش‌ها به شکل افقی و گاهی اوقات مایل، پشت سپرها قرار گرفته و مقاومت آن‌ها را افزایش می‌دهند. در برخی موارد محدود ممکن است به دلیل پایداری بالای زمین، اصلا نیازی به این کمرکش‌ها نباشد؛ اما در برخی موارد هم شاید لازم باشد این کمرکش‌ها در چندین تراز مختلف و حتی در حین عملیات خاک برداری اجرا شوند تا مقاومت سپرها را افزایش داده و از ریزش دیواره‌های گود جلوگیری کنند.

4- مهارگذاری یا میخ کوبی

این مرحله در روش سپر کوبی همیشه ثابت نبوده و گاهی اوقات اجرا می‌شود. در واقع، بسته به نوع خاک و شرایط محیط، ممکن است در آخرین مرحله با سایر شیوه‌های پایدارسازی همچون مهارگذاری ترکیب شود. به این ترتیب، با میخ‌هایی بسیار مستحکم عمدتا از جنس فولاد، سپرها را به دیوارهای پشت آن‌ها می‌دوزند. در نتیجه، اتصال بسیار مستحکمی برقرار شده و از ریزش یا تغییر مکان سپرها جلوگیری می‌شود.

در کنار کمرکش‌های افقی و سایر روش‌های مهارگذاری مانند میخ کوبی که عمدتا جزو مراحلی اصلی روش سپر کوبی به شمار می‌آيند، دستک‌های فشاری هم تا حد زیادی به افزایش مقاومت سپرها کمک می‌کنند. در بسیاری از موارد، که فاصله دیواره‌های سپرگذاری شده به هم نزدیک، است امکان استفاده از دستک‌های فشاری وجود خواهد داشت. به این ترتیب، این دستک‌ها برای پایداری سازی سپرها در کانال‌های آب بسیار کاربردی هستند.

جنس دستک‌های فشاری می‌تواند بتن، چوب یا فولاد باشد. با این حال، در بسیاری از موارد از جنس فولاد جهت این امر استفاده می‌شود. سپرهایی که با دستک‌های فشاری مقاوم سازی می‌شوند، از نظر ساختاری در دسته سپرهای مهار شده از جلو قرار می‌گیرند. از طرف دیگر، روش سپر کوبی با استفاده از این نوع دستک‌ها را می‌توان نمونه‌ای از سازه‌های نگهبات مهار متقابل به شمار آورد؛ چرا که دستک‌ها از هر دو طرف فشار را دریافت کرده و به طرف مقابل انتقال می‌دهند. به این صورت، از ریزش دیواره‌ها و تغییر شکل سپرها جلوگیری می‌کنند.

بسته به عوامل گوناگونی مانند نوع و جنس خاک محل گودبرداری، شرایط محیطی آن و هزینه در نظر گرفته شده برای این عملیات، می‌توان از سپرهای متفاوتی جهت سپر کوبی استفاده کرد. این سپرها بر اساس دو فاکتور جنس و شکل ظاهری شان دسته‌بندی می‌شوند.

الف- انواع سپر از نظر جنس

جنس سپرهایی که در روش سپر کوبی مورد استفاده قرار می‌گیرند، با بررسی عوامل گوناگونی توسط طراح تعیین می‌گردد. احتمال خوردگی مصالح مختلف در شرایط کار، اثر این مصالح روی سازه اصلی، میزان مقاومتی که هر نوع سپر ایجاد می‌کند و هزینه استفاده از آن‌ها، مهمترین فاکتورهایی هستند که طراحان قبل از انتخاب جنس سپر، مورد بررسی قرار می‌دهند. به طور کلی، انواع سپر از نظر جنس، عبارتند از:

1. سپر چوبی
2. سپر بتنی
3. سپر فلزی

1- سپر چوبی

به کارگیری سپرهای چوبی جهت ایجاد دیوارهای حائل دارای سابقه طولانی است. به عبارت دیگر، تا حدود ۱۰۰ سال قبل هر کجا که نیاز به ایجاد چنین دیوارهایی وجود داشت، از سپرهای چوبی استفاده می‌شد. بعد از آن، انواع جدید سپرها همچون فولاد و بتن رفته رفته جایگزین حائل‌های چوبی شدند. البته هنوز هم سپر چوبی در روش سپر کوبی کاربرد دارد. اما از این نوع سپرها بیشتر برای دیواره‌هایی که عمق و طول کمی داشته و دارای سربار سبکی هستند، استفاده می‌شود. از جمله معایب سپرهای چوبی می‌توان به مقاومت پایین آن‌ها در برابر نفوذ آب اشاره نمود؛ به همین خاطر برای محیط‌های تراوا مناسب نیستند. اگرچه هزینه استفاده از سپر چوبی نسبت به انواع بتنی و فولادی کمتر بوده و از این نظر مزیت دارد.

2- سپر بتنی

نوع دیگر سپرها از نظر جنس که کاربرد فراوانی هم دارند، سپرهای بتنی هستند. این سپرها از مقاومت بسیار بالایی برخوردار بوده و به خوبی فشارهای جانبی دیواره‌های گود را مهار می‌کنند. در اکثر موارد، حتی نیاز به سازه‌های نگهبان مانند کمرکش‌های افقی هم ندارند. مزیت دیگر این سپرها، مناسب بودن آن‌ها برای سازه‌های آبی است؛ زیرا در کنار مقاومت بالا، از نفوذ آب هم تا حد زیادی جلوگیری می‌کنند. به همین دلیل، پایدار کردن خاکریز رودخانه‌ها، کانال‌ها و سایر سازه‌های آبی با روش سپر کوبی، بسیار مناسب است. سپرهای بتنی عمدتاً به صورت پیش ساخته تولید شده و با روش نری و مادگی به هم متصل می‌شوند. البته قیمت این سپرها نسبت به سایر انواع آن بیشتر بوده و به خصوص برای حجم کار کم به صرفه نیستند.

3- سپر فلزی

در حال حاضر، سپرهای فلزی با توجه به مزایای فراوانی که دارند، مهمترین نوع سپر برای پایدارسازی گودها با روش شیت پایل به حساب می‌آیند. در میان تمامی فلزها، عمدتا از فولاد، در برخی موارد آلومینیوم و به ندرت از سایر فلزات جهت ساخت سپر استفاده می‌شود. این نوع سپرها به خصوص در مواردی که جنس خاک بسیار سست و ناپایدار است، بسیار کاربردی هستند. به همین خاطر، هنگام اجرای روش سپر کوبی در مناطق نزدیک به دریا و محیط‌‌های ماسه‌ای و تراوا، عمدتا از سپرهای فلزی استفاده می‌شود. این سپرها در کنار مقاومت بالایی که دارند، برای جلوگیری از نفوذ آب هم بسیار مناسب بوده و آب بندی را به خوبی انجام می‌دهند.

در هنگام استفاده از سپر فلزی، معمولا از قاب‌های هادی استفاده می‌شود تا سپر در مسیر مستقیم به درون زمین رفته و منحرف نشود. جهت ایجاد قاب‌های هادی هم از الوارهای چوبی یا پروفیل‌های فولادی با مقاطع بزرگ استفاده می‌شود. به دلیل سنگین بودن سپرهای فلزی، برای قرار دادن آن‌ها در بین قاب‌های هادی از جرثقیل‌های بزرگ استفاده می‌شود. در ادامه هم بسته به شرایط محیط، از چکش‌های پنوماتیک یا ویبره برای فرو بردن آن‌ها درون زمین استفاده می‌شود. اجرای روش سپر کوبی با سپرهای فلزی معولا از نظر هزینه نسبت به سپرهای بتنی مزیت دارد. بعد از اتمام کار، ممکن است این سپرها خارج شده و برای سایر مصارف مورد استفاده قرار بگیرند یا این که درون خاک رها شوند.

ب- انواع سپر از نظر شکل ظاهری

در کنار جنس که اهمیت بیشتری دارد، سپرها را بر اساس شکل ظاهری‌شان هم به چند دسته مختلف تقسیم‌بندی می‌کنند. با توجه به شرایط متفاوت محیطی و جنس خاک، برای اجرای روش شیت تایل در هر ناحیه ای ممکن اسب به سپرهایی با شکل مختلف نیاز باشد. این موضوع بخصوص جهت اتصال مناسب سپرها و آب بندی گود اهمیت زیادی دارد؛ زیرا برخی اشکال سپر این کار را بهتر انجام می‌دهند. رایج‌ترین انواع سپر از نظر شکل ظاهری شامل موارد زیر است:

1. سپرهای Z شکل
2. سپرهای U شکل
3. سپرهای جان تخت

1- سپرهای Z شکل

این سپرها دارای شکلی شبیه به حرف Z لاتین (Z-type Sheet Piles) بوده و به خوبی در هم قفل می‌شوند. محل اتصال و قفل شدن این سپرها به یکدیگر هم از تار خنثی دور است. به این ترتیب، نسبت مقاومت به وزن افزایش پیدا کرده و از انتقال برش اطمینان حاصل می‌شود. سپرهای فلزی Z شکل در پایدارسازی به روش شیت پایل کاربرد بسیار گسترده ای دارند.

2- سپرهای U شکل

این نوع سپرها دارای شکلی شبیه به  حرفU  لاتین بوده (U-type Sheet Piles) و از مقاومت بالایی در برابر نفوذ آب و خاک به محیط گودبرداری برخوردارند. به همین خاطر در روش سپر کوبی از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند. از نظر ساختار هم شکل این سپرها تا حد زیادی به سپرهای Z شکل شباهت دارد. تفاوت اصلی آن‌ها با یکدیگر، این است که قفل سپرهایU  بر روی تار خنثی آن‌ها قرار داشته و بازده آن را کاهش می‌دهد.

3- سپرهای جان تخت

شکل دیگر سپرها که در اجرای روش شیت پایل استفاده می‌شود، سپرهای جان تخت (Flat Web Sheet Piles) هستند. کارکرد سپرهای جان تخت با سایر انواع سپر متفاوت است. به این صورت که اکثر سپرها با استفاده از مقاومت کششی، فشار ناشی از خاک یا آب را مهار می‌کنند. در حالیکه سپرهای جان تخت به صورت دایره‌ای یا قوسی سلول‌های گرانشی ایجاد می‌کنند. سلول‌های ایجاد شده به وسیله مقاومت کششی قفل‌ها در کنار یکدیگر ثابت می‌مانند. امکان ساخت این نوع سپرها در قطر و ارتفاع زیاد وجود داشته و می‌توانند در مقابل فشارهای زیاد هم مقاومت کنند.

4- سپرهای تاوه ای شکل

دسته دیگری از سپرها که تقریبا از سایر انواع سپر کوچک ترند، سپرهای تاوه2ای (Pan type Sheet Piles ) هستند. این نوع سپرها از طریق فرایند نورد سرد تولید می‌شوند و بیشتر برای سربارهای کم و سبک کاربرد دارند. مهمترین کاربردهای این نوع سپر در اجرای روش سپرکوبی، استفاده برای نهرهای زهکشی، زمین‌های گلف و دیوار حائل خانه‌های مسکونی می‌باشد.

اجرای روش شیت پایل برای مهار انواع گود، مزایا و معایب گوناگونی دارد. بسته به نوع خاک، شرایط محیط کار و هزینه تعیین شده برای مهار گود، ممکن است مزایای آن در برخی موارد به معایب آن چربیده یا برعکس آن اتفاق بیافتند. به همین دلیل، برای انتخاب این روش در میان سایر روش‌های پایداری گود، باید از مزایا و معایب آن مطلع باشد.

مزایای روش سپر کوبی

• سرعت اجرای کار در این روش بالاست.
• روشی بسیار مناسب برای اجرای کانال‌ها، بخصوص کانال های با طول‌ زیاد محسوب می‌شود.
• اجرای این روش از درجه ایمنی بالایی برخوردار است.
• یک شیوه پایدارسازی بسیار مناسب برای عرض‌های کم به شمار می‌آید.
• برای پایداری سازی زمین‌هایی با خاک سست و تراوا مناسب است.
• از قابلیت آب بندی فوق العاده‌ ای برخوردار بوده و از نفوذ آب به درون گود جلوگیری می‌کند.
• در صورت استفاده از سپرهای فلزی، امکان بیرون آوردن سپرها و استفاده مجدد از آن‌ها بعد از پایان کار وجود دارد.
• روش سپر کوبی به صرفه ترین گزینه برای پایدار کردن سازه‌های آبی از جمله اسکله‌های ساحلی، حوضچه‌های خشک، شفت‌های بتنی، دریچه‌های دریایی، کانال‌های انتقال آب، دیوارهای حائل رودخانه‌ها، فوانداسیون و زیرسازی پایه پل‌هایی که روی آب ساخته می‌شوند، محسوب می‌شود.

معایب

• در روش پایدارسازی به روش شیت پایل، به دستگاه‌های ويژه سپرکوبی مانند چکش پنوماتیک، چکش ویبره و غیره نیاز است.
• برای حضور دستگاه‌های سپرکوب، به فضای نسبتا زیادی لازم است.
• این روش نسبت به سایر روش‌های ساده‌تر پایدارسازی گود، به نیروهایی با تخصص بالاتر نیاز دارد.
• با توجه به سروصدای فراوان روش سپر کوبی، استفاده از آن در مناطق شهری با محدودیت مواجه است.
• کوبیدن سپرها در خاک‌های سخت و سنگی دشوار است.
• شیت پایل سختی خمشی کمتری نسبت به دیوار حائل دیافراگمی یا شمع‌های نگهبان دارد.
• احتمال نشست در خاک‌های ماسه‌ای مجاور هنگام ضربه زدن یا بیرون کشیدن سپرها وجود دارد. به همین دلیل، ممکن است به پی ساختمان‌های مجاور آسیب وارد شود.
• در صورت عدم اتصال مناسب سپرها در روش سپر کوبی، بعد از گودبرداری احتمال از هم گسیختن شیت پایل و ریزش گود وجود دارد.