مقایسه فنی- اقتصادی روشهای نوین پایدارسازی گودهای عمیق در فضای شهری

مقدمه

امروزه صنعت ساختمان از جایگاه مهمی در رشد اقتصادی هر کشور برخوردار بوده و نقش محوری را در پیشرفت آن کشور بازی می کند (Okema, 2000). قیمت، زمان و کیفیت، به‌عبارت‌دیگر مثلث آهنی، به‌عنوان سه فاکتور مهم در موفقیت هر پروژه به شمار می رود (El‐Sheikh & Pryke, 2010). ازاین‌رو جهت حصول اطمینان از موفقیت پروژه¬های عمرانی بهره-گیری از اصول و ابزار مدیریت پروژه لازم و ضروری می‌باشد. از سوی دیگر در کلان‌شهرها جهت بهره‌برداری حداکثری از زمین، فراهم آوردن پارکینگ، فضای تأسیسات، باشگاه¬های ورزشی و …، نیاز به گودبرداری¬های عمیق را بیش ‌از پیش ضروری می-نماید.
با افزایش عمق گودبرداری و لزوم حفظ و حراست از تأسیسات زیرساختی لازم است برنامه‌ریزی جامعی در خصوص مدیریت پروژه و ارزیابی پروژه‌های گودبرداری انجام داد. آمارهای موجود در خصوص گودبرداری‌های شهری حاکی از افزایش قابل‌توجه حوادث و در نتیجه خسارات مالی قابل‌توجه، صدمات جانی، تلفات گسترده، آسیب به سازه‌ها و تأسیسات زیرزمینی اطراف و اثرات اجتماعی منفی می¬باشد.
مطالعات گسترده‌ای در حوزه مدیریت پروژه و بررسی فنی-اقتصادی پروژه‌های عمرانی انجام‌شده است اما تمرکز کمتری در خصوص برنامه‌ریزی، کنترل پروژه و انتخاب روش مناسب پایدارسازی گودهای عمیق انجام‌شده است. در این پژوهش پس از مروری بر روش‌های پایدارسازی گود، به بررسی و شناخت نکات مثبت و منفی دو روش اصلی پایدارسازی شامل روش مهار فشاری متقابل و روش Top-Down پرداخته‌شده است. با انتخاب یک مطالعه موردی می¬توان به صورت جزئی و عمیق به بررسی برآورد هزینه‌ای و برنامه زمانی اجرای پایدارسازی گود و اجرای سازه اصلی پرداخت. به‌علاوه کیفیت و شرایط اجرایی عایق و ایزولاسیون پروژه نیز مورد ارزیابی قرارگرفته است.

مروری بر ادبیات فنی

فرآیند ساخت‌وساز همراه با ریسک‌های متعددی همراه بوده است. شناسایی ریسک¬های حاکم بر پروژه، تجزیه‌وتحلیل ریسک از ارکان اصلی مدیریت پروژه محسوب می‌گردد; به عبارتی فرآیند مذکور، شناسایی و ارزیابی فاکتورهای بالقوه‌ای که در پیشرفت پروژه تأثیرگذار هستند را فراهم می¬سازد. به‌ویژه اجرای سازه نگهبان در گودبرداری‌ها با توجه به عدم قطعیتی که در ماهیت خاک وجود دارد، پیش‌بینی ریسک¬ها می¬تواند در کاهش هزینه و زمان پروژه کاملاً مؤثر باشد.
برمایه ور و همکاران به برآورد ضریب اهمیت (وزن) ریسک¬¬های مطرح‌شده در گودبرداریها تا عمق 8 متر پرداختند. با توجه به نتایج ارائه‌شده، عمده¬ترین ریسک¬های موجود در پروژ¬ه¬های گودبرداری مربوط به وضعیت خاک، بارهای دینامیکی در مجاورت گود و ایستایی ذاتی خاک و هم‌جواری‌ها گزارش‌شده بود. این مطالعات نشان می¬دهد که بی‌توجهی به وضعیت خاک و شرایط محیطی اطراف تأثیر بسزایی در بروز حوادث و کاهش ایمنی در پروژه‌های گودبرداری دارند که منجر به خسارات مالی و جانی زیادی میگردد (برمایه و همکاران، 1397).
پژوهشی دیگر به شناسایی و تحلیل خطرات مرتبط با ساخت‌وساز در بنگال پرداخته است Aarthipriya et al., 2020)). در این پژوهش، جهت مطالعه ریسک و تأثیر آن بر زمان و هزینه تمام‌شده پروژه، تحلیل کمّی ریسک به روش¬های شبیه‌سازی مونت‌کارلو و تحلیل حساسیت و برنامه‌ریزی با استفاده از نرم‌افزار Primavera انجام‌شده است. از دلایل افزایش قیمت‌ها در این پژوهش می‌توان به نوسانات نرخ مصالح، برنامه‌ریزی نادرست منابع، تخمین نامناسب مقادیر کار، بررسی ناکارآمد شرایط خاک اشاره نمود Aarthipriya et al., 2020)).
Heravi و همکاران به تجزیه و تحلیل درخت خطا Fault Tree Analysis (FTA)، شبکه¬¬های Bayesian Belief Networks (BBNs)، تحلیل جامع فازی و شبیه‌سازی مونت‌کارلو (MCS) برای تحلیل ریسک و درنهایت تجزیه‌وتحلیل حساسیت به‌منظور برنامه‌ریزی پاسخ به ریسک پرداختند (Heravi, et al., 2021). رویکرد مذکور در یک پروژه حفاری عمیق واقعی در تهران، بررسی‌شده است که نتایج به‌دست‌آمده حاکی از آن است که چارچوب پیشنهادی به‌عنوان رویکرد عملی برای یکپارچه‌سازی شیوه‌های مدیریت ریسک به عبارتی Risk Management (RM) در حوزه پروژه‌های گودبرداری کاربرد دارد. روش پیشنهادی می‌تواند روابط متقابل بین رویدادهای ریسک را در نظر گرفته و علل ریشه‌ای آن‌ها را شناسایی کند. به‌علاوه، این رویکرد می‌تواند راهنمای سرمایه‌گذاران و مدیران در فرآیند مدیریت ریسک باشد.
در بخش روش¬های پایدارسازی گود، اجرای مهارهای تنیده و ناتنیده (Soil Nailing and Anchorage System) به لحاظ تأثیر اندرکنش مهارها و خاک، مراحل اجرا، هندسه پروژه و … رفتار پیچیده¬ای دارند. مطالعات زیادی به بررسی اندرکنش خاک و سازه و ارزیابی سیستم‌های پایدارسازی با استفاده از نرم‌افزارهای گوناگون که بر اساس روش¬های عددی مختلفی مانند روش المان محدود تحت عنوان Finite Element Method و یا به‌اختصار FEM (Fan & Luo, 2008; Ou et al., 2020; Zhao et al., 2018) ، المان مجزا تحت عنوانDiscrete Element Method یا به‌اختصارDEM (Lisjak, Figi, & Grasselli, 2014) و تفاضل محدود Finite Difference Method (Sivakumar Babu, Srinivasa Murthy, & Srinivas, 2002) پرداخته‌اند.
در بین سیستم¬های سازه نگهبان روش مهار فشاری متقابل و Top-Down با توجه به عدم نیاز به اخذ مجوز یا جلب رضایت از همسایه¬های به دلیل رفع ضرورت نفوذ به حریم محاذی املاک مجاور (ماده 38 قانون مدنی) در مقایسه با روش انکراژ و نیلینگ در فضای شهری و در گودبرداری‌های عمیق کاربرد بیشتری دارد. Rowley & Yarwood، اعتقاد داشتند اجرای یک دال بتنی دائمی مؤثرترین المان در پایدارسازی گودها به شمار می¬رود (Rowley&Yarwood,1988). از طرفی در روش Top-Down در مقایسه با روش مهار فشاری متقابل امکان استفاده از المان نگهدارنده هم به‌عنوان المان سازه نگهبان و هم به‌عنوان المان سازه اصلی وجود دارد. ر واقع، در روش Top-Down دیوارهای پیرامونی در ترازهای مختلف با استفاده از دال بتنی دائمی مهار می¬شوند. در حالی که در روش¬های ساخت از پایین به بالا مشابه روش مهار متقابل برای مهار فشار خاک در دیواره¬ها از مقاطع فولادی استفاده می¬شود. در روش تاپ دان تغییرات بار از طریق ساخت تدریجی و مرحله‌ای جایگزین خاک حفاری‌شده می‌گردد و درنتیجه تغییر شکل در سازه در دست احداث و سازه‌های هم‌جوار کاهش می‌یابد Katzenbach et al., 1998)). در نتیجه استفاده از روش پایدارسازی تاپ دان به حداقل رسیدن نشسته‌ای ساختمان¬های هم‌جوار به عنوان یکی از مهم‌ترین عواملی که بهره‌برداری سازه¬های مذکور را تحت تأثیر قرار می¬دهد می¬باشد.

مشخصات مطالعه موردی

پروژه موردمطالعه تحت نام پروژه دانا در زمینی به ابعاد حدودی 25×35 متر (سطح گودبرداری معادل 875 مترمربع) و تراز کف گود حدود 21- متر نسبت به کد صفر پروژه می‌باشد. همان‌طور که در شکل 1 و 2 نشان داده‌شده است، شمال و غرب پروژه مشرف‌به گذر، در بخش جنوبی مجاور فضای سبز و در بخش شرقی در مجاورت یک ساختمان مسکونی می‌باشد. مجتمع مسکونی دانا دارای شش طبقه زیرزمین و یازده طبقه فوقانی می‌باشد. مطالعات ژئوتکنیک انجام‌شده شامل حفر دو گمانه ماشینی به عمق 64 متر، چهار گمانه دستی به عمق 17، آزمایش¬های برش برجا، بارگذاری صفحه و تست‌های آزمایشگاهی می¬باشد. نتایج به‌دست‌آمده حاکی از وجود سطح آب زیرزمینی در تراز 17.0- و لایه‌های متناوب رس و لای با پلاستیسیته کم (CL-ML) و خاک شن و ماسه با ریزدانه (SC و GP-GC) می¬باشد.

مروری بر روشهای پایدارسازی در مطالعه موردی

در خصوص پایدارسازی پروژه به روش اجرای مهارهای تنیده و ناتنیده (Soil Nailing and Anchorage System) نظر به وجود لایه‌های خاک ریزدانه و رسی می‌باشد، با توجه به میزان نفوذ دوغاب در خاک رسی و مقاومت باند کم، استفاده از مهارهای تنیده با رشته¬های بالا با صعوبت همراه خواهد بود. به‌علاوه اجرای این روش نیازمند کسب اجازه حفاری از املاک مجاور خواهد بود که به همین علت از لیست روش‌های کاربردی پروژه دانا حذف گردید.
از دیگر روش¬های پایدارسازی گود می¬توان به اجرای سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structure) اشاره نمود که در این روش با بهره‌گیری از شمع¬ها و المان¬های فولادی مورب فشار خاک دیواره گود به زمین کف گود منتقل می¬گردد. این روش با توجه به روند اجرا و مراحل ساخت در گودهایی با عمق کم و متوسط قابل‌اجرا می‌باشند و عملاً در این پروژه اجرایی نخواهد بود.
در پایدارسازی گود به روش سیستم مهار متقابل (Bracing Strut) با اجرای المان‌های شمع و استرات¬های فولادی فشار خاک دیواره گود را به دیوار خاکی مقابل متصل می¬کند. در این روش عملاً سازه فلزی با عملکرد موقت به عنوان سازه نگهبان در خارج از فضای سازه اصلی (سازه نگهبان چنان طراحی می¬گردد که محل شمع‌ها و استرات‌های آن، هیچ‌گونه تلاقی با سازه اصلی نداشته باشد) طراحی و از بالا به پائین اجرا می¬شود. لازم به ذکر است که در هنگام اجرای سازه اصلی المان¬های استرات فولادی و تیرهای فرعی داخل پروژه قابل بازیافت می¬باشد.
از روش¬های نوین گودبرداری می¬توان به روش اجرای تاپ-دان (Top-down Construction Method) اشاره نمود. در این متد عملاً سازه اصلی نقش سازه نگهبان را ایفا می¬نماید؛ بنابراین در طراحی سازه اصلی به روش تاپ دان¬، می‌بایست ملاحظات اجرا و تأثیر انتقال بار خاک به سازه را دقیقاً مطابق خاک‌برداری واقعی که در روش اجرا مدون می¬گردد، در مدل‌سازی لحاظ نمود. علاوه بر آن تأثیر اجرای سازه طبقات بالای سطح زمین در بارپذیری ستون‌ها باهدف جلوگیری از کمانش آن¬ها، در بخش زیرزمین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار خواهد بود که می‌بایست در مدل‌سازی لحاظ گردد و این کنترل، ابعاد و وزن اسکلت را به میزان قابل‌توجهی افزایش خواهد داد. نمایی از روش‌های اجرا در هرکدام از متدهای فوق‌الذکر در شکل‌های 3 تا 6 آورده شده است.
در مجموع نظر به ارتفاع قابل‌توجه گود و محدودیت‌های سازه‌های اطراف و تأسیسات در ادامه پس از طراحی پروژه به بررسی عمیق‌تر دو روش سیستم مهار فشاری متقابل و روش اجرای Top-Down پرداخته می¬شود.

مقایسه زمان‌بندی و کیفیت عایق روش‌های پایدارسازی

مطالعات بسیاری در خصوص دلایل، تأثیرات و راه‌حل‌های تأخیر در پروژه در کشورهای مختلف انجام‌شده است. از راه‌حل‌های مؤثر در مدیریت صحیح پروژه‌های عمرانی به کار بردن تکنیک¬های نوین ارزیابی ریسک ازجمله مدل‌سازی اطلاعات ساختمان Building Information Modelling یا به‌اختصار BIM و سیستم اطلاعاتی مدیریت پروژه Project Management Information System یا به‌اختصار PMIS می¬باشد(Gharouni Jafari & Noorzai, 2021; Jalali, Noorzai, & Heidari, 2020; Rokooei, 2015). در این پروژه جهت مقایسه زمانی دو روش پایدارسازی گود از نرم¬افزار Microsoft Project استفاده‌شده است (شکل 7 و 8).
شایان‌ذکر است که در روش تاپ دان زمان حفر چاهک ستون‌های اصلی و شمع‌های کمکی با توجه به قطر بالاتر نسبت به روش مهار متقابل حدود 75 روز برآورد می‌گردد؛ و در حدود 30 روز زمان موردنیاز جهت اجرای ریشه و شابلون صفحه‌ستون با دقت بسیار بالا لازم خواهد بود. ضمن این¬که به دلیل حساسیت اجرای محل ستون¬ها با دقت سانتیمتر در داخل چاهک‌ها نیاز به حفر گالری‌های دسترسی در تراز زیر مگر بین چاهک‌ها، درون خاک اشباع می‌باشد. با توجه به صعوبت خاک‌برداری و استفاده از مینی بیل در طبقات زیرین به دلیل محدودیت‌های ارتفاع، زمان خاک‌برداری همان‌طور که در شکل 8 نشان داده‌شده است، قابل‌توجه می‌باشد.

عایق‌بندی از مهم‌ترین و دقیق‌ترین فعالیت¬های ساختمانی می‌باشد. اهمیت این فعالیت در زمین‌هایی که داری سطح آب زیرزمینی ثابت می‌باشد دوچندان می‌گردد. این فعالیت در گودهای عمیق بلافاصله پس از اتمام گودبرداری اجرا می¬گردد، اما عموماً در نقشه¬های فاز یک این مسئله که از اهمیت بسیار بالائی برخوردار می‌باشد، مورد غفلت قرار می¬گیرد. از تمهیدات لازم در عایق‌بندی سازه نگهبان به روش مهار متقابل استفاده از ملاط ماسه سیمان در محل استقرار المان¬های سازه نگهبان و اجرای ماهیچه به‌منظور حذف کنج‌های قائم و تسهیل در هدایت جریان آب به کف گود نام برد. در این روش با توجه به اجرای سازه از پائین به بالا کیفیت عایق‌بندی تا حد بسیار زیادی قابل تضمین می‌باشد. در روش تاپ دان که عایق همراه دیوار حائل به‌صورت گسسته از بالا به پائین اجرا می‌گردد تضمین عایق‌بندی به شرایط اجرا بسیار وابسته است. از دیگر مشکلات عایق‌بندی غشائی در این روش به علت اینکه نمی‌توان حتی دیواره‌ها را به‌صورت افقی یکپارچه خاک‌برداری و عایق‌بندی نمود درزهای المان عایق و درز سرد بتن بسیار زیاد بوده و این خود به کاهش کیفیت عایق‌بندی دامن خواهد زد.

مقایسه هزینه اجرای روش‌های پایدارسازی

با توجه به توضیحات ارائه‌شده در این بخش به برآورد تقریبی هزینه‌های این دو روش پرداخته‌شده است. به‌منظور مقایسه دقیق‌تر در این قسمت هزینه‌های کار را از ابتدای عملیات گودبرداری تا پایان اجرای سقف سازه‌ای برای حدود 11000 مترمربع بنا با اسکلت فلزی، 10 ردیف فعالیت عمده را در نظر گرفته و به‌صورت جدول مقایسه‌ای 1 ارائه‌شده است. در مجموع در پروژه دانا هزینه تمام‌شده روش اجرای مهار فشاری متقابل در حدود 1.5 درصد بیشتر از روش تاپ-دان برآورد شده است. شکل 9 مقایسه کلی برآورد هزینه‌ای این دو روش را نشان می¬دهد. نمودار توزیع جزئی هزینه تهیه مصالح و اجرای پایدارسازی گود و اجرای اسکلت در شکل‌های 10 و 11 آورده شده است.
جدول 1- ردیف‌های عمده هزینه برای دو روش مهار متقابل و تاپ-دان

ارزیابی و مقایسه نتایج

جهت بررسی عمیق اجرای اسکلت روش پایدارسازی گود بهروش‌های مهار فشاری متقابل و Top-Down لازم است تمام جوانب تأثیرگذار مد نظر قرار گیرد. در بخش زمان‌بندی اجرای پروژه روش مهار فشاری متقابل با 560 روز مدت پروژه از برتری قابل‌توجهی نسبت به اجرای گودبرداری به روش Top-Down با 640 روز، برخوردار می¬باشد. لازم به ذکر است که بخش عمده‌ای از تفاوت بازه زمانی اجرا به دلیل صعوبت اجرای عملیات خاک‌برداری، بازشوی خروج خاک و با در نظر داشتن سطح بالای آب زیرزمینی در روش Top-Down می¬باشد که ممکن است در مطالعات موردی دیگر با تغییر شرایط اجرا متفاوت باشد.
در خصوص کیفیت مهندسی سازه اجرا شده لازم به ذکر است که در روش Top-Down به‌واسطه تأثیر منفی در کیفیت اجرای سازه اصلی هم در بخش اجرای اسکلت فلزی هم اجرای دیوار حائل بتنی و کیفیت نامطلوب لایه غشائی نیمه‌تراوا و ایجاد بستر جهت زهکشی و عایق پروژه دانا می¬توان گزینه اجرای مهار فشاری متقابل را به‌عنوان گزینه برتر در این حوزه معرفی نمود. در حوزه بهای تمام‌شده اجرای اسکلت و عملیات گودبرداری، روش Top-Down به‌عنوان گزینه برتر به نظر می¬رسد.

نتیجه‌گیری

در این مطالعه با مروری بر تحلیل ریسک به ضرورت و اهمیت فاکتورهای مدیریت پروژه از جمله زمان، هزینه و کیفیت سازه پرداخته شد. در ادامه به توضیح مختصری در خصوص مطالعه موردی پروژه دانا با شش طبقه زیرزمین و یازده طبقه فوقانی و شرایط ژئوتکنیک پروژه پرداخته شد.از روش‌های پایدارسازی گود می¬توان به روش نیلینگ، روش مهارهای تنیده (انکراژ)، اجرای خرپا، روش اجرای مهار فشاری متقابل و روش نوین تاپ-دان اشاره نمود. روش¬های پایدارسازی نیلینگ و انکراژ عمدتاً با محدودیت عدم امکان اخذ مجوز از همسایگان مواجه بوده و درنتیجه روش¬های سازه نگهبانی که اجرای آن‌ها با عدم ورود به زمین همسایه میسر باشد مانند روش¬ سازه نگهبان خرپایی در گودهای با عمق محدود و در گودهای عمیق‌تر روش استرات و Top-Down کاربرد دارند. با توجه به موارد مذکور دو روش پایدارسازی به روش مهار فشاری و تاپ دان پرکاربردترین روش‌ها در پایدارسازی گودهای عمیق و در محیط‌های شهری می‌باشند. با توجه به اینکه درصد قابل‌توجهی از هزینه تمام‌شده پروژه با تعداد قابل‌توجه طبقات زیرزمین به بحث پایدارسازی گود اختصاص می‌یابد، انتخاب روش اصلح در کاهش هزینه‌ها و حداکثر کارایی می‌تواند گامی بزرگ در کاهش هزینه و زمان تحمیل‌شده به پروژه باشد. در مطالعه موردی حاضر از جنبه مدت پروژه و کیفیت سازه شامل اجرای سیستم زهکشی و ایزولاسیون، روش مهار فشاری متقابل و از منظر هزینه تمام‌شده پایدارسازی گود و اجرای سازه اصلی روش اجرای Top-Down به عنوان متد بهینه معرفی می¬گردد. این مطالعه در حوزه مدیریت پروژه با هدف کمک به مهندسان و مدیران در حوزه‌های مهندسین مشاور، پیمانکار و کارفرمایان جهت توجه به نکات مهم در زمان انتخاب روش پایدارسازی گود انجام‌شده است.