کاربرد روش تاپ داون در تحلیل و حل مشکلات پیچیده

اجرای روش تاپ دان به چه صورتی انجام می گیرد؟

با توجه به افزایش روز افزون جمعیت، یکی از مشکلاتی که با آن مواجه شده ایم تامین فضاهای مسکونی، اداری و … می باشد. همین مساله باعث شده است که بسیاری از ایده­ پردازان شهری به استفاده ­ی همزمان ارتفاع و عمق زمین، برای ساختمان سازی توجه کنند. اما آیا روشی مطمئن و سریع برای ساخت و ساز در عمق زمین سراغ دارید؟ آیا استفاده از شمع فونداسیون برای پایدار سازی گودبرداری روشی مناسب است؟در این مقاله جامع ابتدا به معرفی روش تاپ دان خواهیم پرداخت

1. روش­ های مرسوم پایدارسازی گودبرداری

از آنجایی که همواره در پروژه‌های با گودبرداری عمیق، احتمال خطر ریزش دیواره گود وجود دارد، بررسی و شناخت دقیق لایه‌های خاک، طراحی و اجرای سازه نگهبان در گودبرداری، اهمیت بسیار زیادی داشته و گاهی زمان زیادی صرف مطالعات ژئوتکنیک و طراحی سازه نگهبان می‌گردد. بر اساس دانش مهندسی و بررسی‌های انجام شده یکی از روش‌های زیر یا ترکیبی از آنها برای پایدارسازی گودها تعیین می‌شود:

روش سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structures)

روش مهار فشاری (مهار متقابل) دیواره‌های گود (Strut)

روش میخ کوبی دیواره‌های گود (Nailing)

روش دوخت به پشت (Tie back) یا مهار کششی دیواره‌های گود (Anchorage)

دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)

دیوار برلنی (Berliner Wall)

روش سپرکوبی (Sheet Pile)

روش اجرای شمع (pile)

روش ساخت از بالا به پایین تاپ دان (Top/Down Construction)

در ادامه، در رابطه با روش ساخت از بالا به پایین توضیحات کامل ارائه خواهد شد.

2. روش تاپ دان چیست؟

روش ساخت از بالا به پایین به عنوان تحول عظیمی در ساخت سازه‌های بزرگ زیر زمینی (تونل)، برای اولین بار در دهه ۷۰ میلادی، در ساخت ایستگاه‌های متروی شهرهای پاریس و میلان مورد استفاده قرار گرفت و به نام روش (Cut & cover) شناخته شد. اساس این روش بر مبنای پیشرفت سازه تونل درون گودبرداری و سپس پرکردن محیط خارجی تونل با مصالح خاکریزی پس از تکمیل سازه تونل می‌باشد. این روش ساخت بیشتر برای ساخت تونل‌های سطحی اقتصادی، و قابل قبول می‌باشد.

عملیات تونل سازی به روش (Cut & cover) به دو نوع مختلف معرفی شده است:

روش ساخت از بالا به پایین (top-down)

پایین به بالا (bottom-up)

در سال 1935 میلادی در توکیو ژاپن، گودبرداری یک ساختمان دارای زیر زمین به علت افزایش سرعت ساخت، با این روش انجام شد. در سال 1950 میلادی در شهر میلان ایتالیا کمپانی ICOS ترکیب دیوار دیافراگرامی و ساخت بالا به پایین را اجرا نمود. به مرور زمان تحقیقات بسیاری در امریکا، اروپا و بخصوص شرق آسیا در این زمینه صورت گرفت. این روش نوین ساخت و ساز، تاکنون در کشورهای مختلفی چون انگلستان، امریکا، فنلاند، چین، روسیه، ویتنام، سنگاپور و ایران متناسب با نوع نیاز ساختگاه، در پروژه‌های زیرزمینی (تونل و مترو) و برج‌های بلند دارای زیرزمین‌های متعدد، مورد استفاده قرار گرفته است

مراحل اجرای روش تاپ دان (TOP-DOWN) در ساخت برج‌های بلند با زیرزمین‌های متعدد چیست؟

مانند تمام پروژه‌های عمرانی، یکی از مهمترین مراحل، فاز صفر (مطالعات) می‌باشد. پس از تکمیل مطالعات ژئوتکنیک و شناخت کامل و دقیق لایه‌های خاک محل پروژه، تعیین سطح آب های زیرزمینی، بررسی وضعیت همجواری ها، بررسی اندرکنش سازه و خاک، تعیین دقیق بارهای وارد بر شمع‌ها و دیوار دیافراگمی پیرامونی در مراحل مختلف اجرای سازه، تعیین بارهای ثقلی و جانبی وارد بر سازه، با هماهنگی کامل طراح ژئوتکنیک و سازه، جزئیات اجرایی سازه آماده می­ گردد. این مرحله حساس‌ ترین بخش کار است، چرا که کوچکترین خطا در محاسبات، ممکن است منجر به شکست پروژه گرد

2.2  مراحل اجرای روش تاپ دان

برای هر پروژه متناسب با نوع و شرایط خاص آن ممکن است روند اجرای تاپ دان اندکی متفاوت باشد. به طور کلی مراحل اجرای تاپ دان به شرح زیر می‌باشد:

۱- مرحله اول: اجرای دیوارهای حائل محیطی:

به منظور پایدارسازی خاک دیواره گود، ابتدا دیوارهای حائل محیطی زیر زمین تا عمق مشخصی پایین‌تر از تراز زیر پی اجرا می‌شوند تا به سنگ بستر با ظرفیت باربری مدنظر برسند. این دیوارها که در ابتدا نقش سازه نگهبان موقت را دارند، در مراحل بعدی به عنوان دیوار سازه‌ای دائمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورت بالا بودن تراز آب های زیرزمینی در این مرحله سیستم آب­ بندی (Water Proof) نیز اجرا می­گردد.

بسته به شرایط پروژه، مقتضیات طرح و مطالعات ژئوتکنیک، جهت ممانعت از ریزش خاک، دیوارهای حائل محیطی می‌توانند با یکی از روش‌های زیر اجرا شوند:

دیوار بتن آرمه درجا

دیوارهای دیافراگمی پیش ساخته بتنی با استفاده از روش دوغاب بنتونیت

شمع‌های سکانتی

شمع‌های پیوسته

سپری‌های فولادی

ستون­ های جت گروتینگ (Jet-Grouting)

دیوار حائل دیافراگمی به دلیل مزایای فراوان آن نسبت به سایر روش‌های اجرایی در ساخت دیوارهای محیطی سازه زیرزمینی، کاربرد بیشتری دارد.به منظور اتصال دیوارهای حائل به دال سقف زیر زمین‌ها، باید در ترازهای مشخص، صفحات انتظار برای اتصالات بعدی پیش بینی شوند.

2- مرحله دوم: حفاری محل شمع‌های باربر میانی از زیر تراز ستون‌ها و دیوارهای همکف و نصب ستون های باربر میانی

شمع‌ها که به عنوان فونداسیون سازه می‌باشند، با روش‌های مرسوم تا عمق مشخص حفاری شده و تا تراز فونداسیون بتن ریزی می‌شوند. بسته به نوع پروژه، در صورت نیاز افزایش ظرفیت باربری ستون، لازم است تا از شمع‌های با انتهای پدستالی استفاده شود. این شمع‌ها دارای عمق مدفون مناسب برای انتقال بار سازه به بستر سنگی مناسب هستند.ستون‌های باربر میانی سازه زیر زمینی، به کمک یکی از تکنیک‌های زیر، در بالای شمع‌ها اجرا می­شوند:

ستون بتنی‌ درجا با مقاطع مربع، مستطیل و یا دایره‌ای بر اساس تجهیزات حفاری موجود

ستون‌ بتنی پیش ساخته

ترکیب ستون‌های لاغر با ژاکت بتنی در حین ساخت سازه اصلی

ستون­ مرکب فولادی

۳- مرحله سوم: اجرای دال همکف (سقف نهایی سازه زیر زمینی)

پس از اجرای ستون‌های باربر میانی، کف زمین رگلاژ شده و با در نظر گرفتن محل بازشوهای دسترسی به طبقات پایین، بتن مگر و آرماتوربندی دال کف طبقه همکف در تراز بالای شمع‌ها و دیوارهای پیرامونی اجرا شده و بتن ریزی دال طبقه همکف بر روی زمین طبیعی انجام می ­شود. در واقع این دال بتنی و ستون‌های میانی در حکم فونداسیون موقت سازه می‌باشد.

موقعیت و ابعاد بازشو‌های دسترسی دال کف، باید به گونه‌ای انتخاب شود که علاوه بر تأمین قابلیت مانور ماشین‌آلات حفاری و حمل و نقل، دسترسی مناسب به تمامی طبقات پایین‌تر برای بتن‌ریزی و عملیات اجرایی وجود داشته باشد و حتی الامکان هیچ‌یک از ستون‌ها یا اعضای باربر سازه‌ای، درون محدوده بازشو قرار نگیرد. در اطراف بازشوها، باید تمهیدات لازم جهت آرماتوربندی و بتن ریزی نهایی دال جهت بستن بازشو، پس از تکمیل فونداسیون و خروج ماشین آلات درنظر گرفته شود. ‌دال بتنی با سختی زیاد علاوه بر اینکه به عنوان یک مهار متقابل قوی در مدت انجام خاکبرداری عمل می‌کند، مانع انتقال صدا نیز به محیط اطراف می­ شود.

۴- مرحله چهارم: شروع خاکبرداری از طبقه زیر همکف

پس از تکمیل سقف نهایی و رسیدن دال بتنی به مقاومت مورد نظر، با قرار گرفتن ماشین‌آلات حفاری در محل بازشو‌ها، عملیات گودبرداری تا تراز اجرایی سقف پایین‌تر، ادامه می‌یابد. در ابتدای حفاری عمدتاً از بیل مکانیکی معکوس جهت سرعت‌دهی به امر خاک‌برداری استفاده می‌شود و با ایجاد رمپ با شیب مناسب، راهی برای عبور و مرور ماشین‌آلات حمل وخروج مصالح ایجاد می‌گردد. روش خروج مصالح از درون بازشو‌ها بر اساس عمق و ابعاد سازه زیرزمینی و بدون ایجاد رمپ نیز امکان‌پذیر است.

پس از رسیدن به تراز‌ مورد نظر برای اجرای دال سقف، با رگلاژ نمودن کف زمین طبیعی و اجرای بتن مگر، مراحل اجرای سقف بعدی با آرماتور‌بندی و بتن‌ریزی بر روی زمین طبیعی اجرا می‌شود. اتصال سقف به ستون‌ها و دیوارهای محیطی با استفاده از یکی از تکنیک‌های اتصالات جوشی یا مکانیکی روی صفحات انتظار تعیین شده از قبل، انجام می‌گیرد. وضعیت زمین‌شناسی لایه‌های خاک، ارتفاع دقیق حفاری و انتخاب نوع ماشین‌آلات با ارتفاع کوتاه‌تر و توان بیشتر از نکاتی است که در زمان اجرای این مرحله باید مورد توجه قرار گیرد.

در این مرحله ساخت سازه بالای تراز زمین به طور موازی و هم‌زمان می‌تواند آغاز شود. نکته حائز اهمیت در اجرای روسازه این است که در همه مراحل اجرایی باید تعادل بارگذاری روسازه و تحمل سازه باربر زیرزمینی در نظر گرفته شود. این بدین معنی است که متناسب با تعداد زیرزمین‌های اجرا شده، ارتفاع روسازه افزایش یابد

۵- مرحله پنجم: تکرار مرحله ۴ تا رسیدن به اجرای فونداسیون

فرآیند ذکر شده در گام قبل برای سایر ترازها تا رسیدن به پایین‌ترین تراز سازه تکرار خواهد شد.

6- مرحله ششم: اجرای آرماتوربندی و بتن ریزی لایه تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون های میانی

پس از تکمیل عملیات گودبرداری و اجرای فونداسیون وخروج ماشین آلات، اقدام به آرماتوربندی و اجرای بتن لایه دوم اطراف ستون های فولادی و بخش داخلی دیوار دیافراگمی جهت باربری دائمی سازه می‌شود. استفاده از فونداسیون متکی بر شمع در این روش، توصیه شده است