• تکنیک­های حفاری جهت اجرای ریزشمع یا میکروپایل

روش حفاری بایستی طوری انتخاب ­شود که کمترین آسیب و خسارت یا بالازدگی در زمین و سازه را ایجاد نموده، و در عین حال اقتصادی­ ترین، موثرترین و مطمئن­ترین ابزار برای نفوذ و تزریق باشد. ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها اغلب بایستی از میان مصالح با مقاومت پایین برای رسیدن به یک لایه مستحکم و مقاوم­تر حفر شوند. بنابراین عمدتاً به روش­های حفاری لایه فوقانی بمنظور نفوذ در خاک­های زیرین و تقویت خاک­های تحکیم نیافته و ضعیف نیاز می­باشد. همچنین، در صورتیکه لایه مقاوم از جنس مصالح ایستا مانند سنگ یا خاک چسبنده نباشد، گمانه حفر شده نیاز به نگهداری موقت در تمام طول خود، مثلاً استفاده از غلاف موقت یا سیال حفاری مناسب (مثل بنتونیت) دارد. اگر تمام عمق شمع از مصالح ایستا باشد، بدون نیاز به نگهداری موقت گمانه بوسیله غلاف یا حفاری با اوگر تو خالی، امکان حفر گمانه با روش­های گمانه باز وجود دارد. برای نفوذ اولیه به زیر یک سازه موجود، ممکن است از روش حفاری متفاوتی استفاده شود. ممکن است تکنیک­های مغزه­ گیری بتن، برای ایجاد یک گمانه بزرگ­تر از اندازه طرح در دال­های بتنی موجود، بکار بسته شوند تا امکان غلاف­گذاری متعاقب برای عبور از میان آن وجود داشته باشد. در برخی موارد می­توان از روش­های مرسوم حفاری سنگ همچون تکنیک­های دورانی- ضربه­ای برای رسوخ در پی موجود یا سازه با آرماتورگذاری، سبک استفاده کرد. ممکن است برای رسوخ اولیه در لایه ­های سخت فوقانی، مانند سنگ لاشه­ های بتنی تکنیک­های دورانی- ضربه­ای یا دورانی مضاعف بکار گرفته شود و در کنار آن روش حفاری مرسوم و پیشرفته single-tube برای تکمیل میل چاه­های شمع در لایه ­های خاک زیرین استفاده شود.

آب رایج­ترین وسیله برای پاکسازی و شستشوی گمانه در حین حفاری می­باشد، که ممکن است با هوا، گل حفاری و یا فوم جایگزین گردد. در استفاده از سیستم هوا برای پاکسازی باید احتیاط لازم جهت اجتناب از نفوذ هوا در داخل زمین اطراف، که موجب ترک خوردگی و دست خوردگی خاک می­گردد، در نظر گرفته شود. بطور کلی این باور پذیرفته شده که استفاده از گل بنتونیت برای پایدارسازی و شستشوی گمانه، با ایجاد پوسته­ای از رس در سطح تماس، موجب زایل شدن ظرفیت باربری مجموعه دوغاب- زمین می­گردد، اما در ایتالیا و فرانسه این روش یک روش معمول برای شمع­های نوع D می­باشد. “گل­های پلیمری حفاری” بطور موفقیت آمیز در اجرا و ساخت ریزشمع (یا میکروپایل) ­ها در تمام انواع زمین­ها استفاده شده­اند. این نوع گل نگرانی در مورد اختلال در ظرفیت باربری مجموع دوغاب- زمین را کاهش می­دهد و بر خلاف گل بنتونیت، امکان پاکسازی و دفع راحت­تر ضایعات را فراهم می­کند.

  • تکنیک­های حفاری لایه ­های سربار فوقانی

روش­های ابتکاری زیادی برای حفاری لایه­های سربار وجود دارد که توسط تولید کنندگان تجهیزات حفاری در سراسر دنیا عرضه می­گردد. همچنین، پیمانکاران مبتکر اغلب روش­های خود را در مواجهه با شرایط محلی جدید توسعه و تطبیق می­دهند. نتیجه کار، مجموعه­ای از سیستم­ها و روش­های پیچیده می­باشد که بسیاری از آنها در عمل محدودیت­هایی داشته و بسیاری از آنها نیز مطلقاً یا نسبتاً آزمایشگاهی می­باشند. بررسی دقیق این مجموعه روش­ها موید این امر می­باشد که اساساً شش روش کلی بین المللی وجود دارد که در گارگاه­های ژئوتکنیکی (قطر کمتر از 300 م.م، عمق کمتر از 60 متر) استفاده می­شوند. در ادامه بحث، مختصری از این شش روش ارائه شده است. همچنین این شش روش در جدول 1 خلاصه شده و در شکل 2 نیز بطور ساده نشان داده شده­اند.

 

  • حفاری شستشوئی

در این روش، پنجه غلاف حفاری با یک مهره باز یا سرمته، سر جای خود ثابت می­شود و غلاف­گذاری در داخل زمین بوسیله دوران سر مته پیش می­رود. آب بطور پیوسته از میان غلاف پمپ شده و ضایعات را بیرون آورده و دور می­ریزد. خاک­ها و خرده سنگ­های حمل شده توسط آب عمدتاً به سطح بیرون دور غلاف فرار می­کنند، و ممکن است به داخل لایه­ های افقی فوقانی سست و نفوذپذیر منحرف گردند. در اصلاح و تقویت پی سازه­های حساس باید دقت بیشتری مد نظر باشد چرا که آب شستگی کنترل نشده می­تواند موجب خلاء زایی و آسیب رساندن به سازه گردد.

استفاده از هوا برای پاکسازی در این سیستم معمول نیست چرا که خطر فشارهای مضاعف کنترل نشده بر زمین، می­تواند موجب دست خوردگی زمین گردد. بالعکس، تجربه نشان داده است که افزودن ترکیبات پلیمری به آب در حفاری شستشویی در شرایط زمینی خاص، می­تواند بسیار مفید باشد. .(Bruce, 1992)

جدول 1. روش­های حفاری لایه­های بالاسری
نکات عمق و قطر معمول اصول کار روش حفاری
Obstructions or very dense soil problematical.

Very common for anchor installation. Needs high torque head and powerful flush pump.

50-100 mm to 30 m

100-250 mm to 60 m

Casing with “lost point” percussed without flush. Casing, with shoe, rotated with strong water flush. حفاری شستشویی

a) Drive drilling

b) External flush

1
Used only in very sensitive soil/site conditions. Needs positive flush return. Needs high torques. (Internal flushing only) 100-220 mm to 70 m Simultaneous rotation and advancement of casing plus internal rod, carrying flush. دورانی مضاعف 2
Useful in obstructed/rocky conditions. Needs powerful top rotary percussive hammer. 89-175 mm to 40 m As 2, above, except casing and rods percussed as well as rotated. دورانی ضربه­ای مضاعف (هم مرکز) 3
Expensive and difficult system for difficult overburden. 89-200 mm to 60 m As 2, except eccentric bit on rod cuts oversized hole to ease casing advance. دورانی ضربه­ای مضاعف (غیر هم مرکز) 4
Powerful, new system for fast, straight drilling in very difficult ground. Needs significant hydraulic power. 100-150 mm to 60 m As 2 or 3, except casing and rods may rotate in opposite directions. مضاعف دوسره 5
Obstructions problematical; care must be exercised in cohesionless soils. Prevents application of higher grout pressures. 100-400 mm to 30 m Auger rotated to depth to permit subsequent introduction of grout and/or reinforcement through stem. اوگر توخالی 6

 

شکل 2. روش­های حفاری لایه­های بالاسری (Bruce, 1988)

توضیحات مراحل شماره­گذاری شده شکل مطابق جدول1 می­باشد

  • روش دورانی مضاعف

در تکنیک دروانی مضاعف، راد با یک سرمته مستحکم درون غلاف حفاری قرار داده ­شده و به موتور دورانی وصل می­شود، که امکان دوران و پیشبرد مجموعه راد، سرمته و غلاف را بطور همزمان مهیا می­سازد. سیال شستشو (معمولاً آب یا پلیمر) از درون راد به سمت پایین پمپ می­شود و از خروجی­های مخصوص سر مته خارج می­شود. ضایعات حمل شده توسط سیال شستشو از بین دوایر متحدالمرکز راد و غلاف بالا می­آیند. سپس سیال از ورودی­های مهره فوقانی مته خارج می­شود. اگرچه خطرات روش دورانی مضاعف نسبت به استفاده از روش single-tube کمتر است، ولی تخلیه گمانه با هوا بایستی با احتیاط به کار برده شود چونکه انسداد درون دوایر متحدالمرکز راد می­تواند موجب افزایش فشار هوا در سر مته شده و به زمین آسیب برساند.

  • روش دورانی ضربه­ای مضاعف یا هم مرکز

سیستم دورانی- ضربه­ای مضاعف، شاخه پیشرفته­ای از روش دورانی مضاعف می­باشد که به موجب آن رادها و غلاف­ها بطور همزمان ضربه زده، دوران کرده و به پیش می­روند. ضربه­ها بوسیله یک موتور دورانی- ضربه­ای تامین می­گردند. این روش مستلزم یک drill head با انرژی ضربه­ای و دورانی قابل توجه می­باشد.

  • روش دورانی ضربه­ای مضاعف غیر هم مرکز یا lost crown

اساساً بعنوان سیستم برون مرکز حفاری لایه­ های بالاسری (ODEX) شناخته شده است. این روش مشتمل بر استفاده از حفاری ضربه­ای- دورانی در ترکیب با سرمته گشاد کننده برون محور می­باشد. موتور برون محور در زیر غلاف و پیشاپیش آن حفاری می­کند و قادر است با کمترین انرژی دورانی (پیشرانه) که در روش هم محور فوق الذکر لازم بود به داخل یک گمانه حفاری با اندازه بزرگتر وارد شود. همچنین، غلاف گذاری مستلزم استفاده از کفشک برش گران قیمت نمی­باشد و سایش و خراش و فرسودگی کمتری را متحمل می­گردد.

گمانه­های با قطر بزرگتر از 127 م.م، اغلب مستلزم استفاده از یک چکش down-the-hole می­باشد که بر روی یک کفشک محرک در پاشنه غلاف عمل می­کند، بطوریکه غلاف با فشار یک چکش فوقانی به خوبی بداخل گمانه رانده می­شود.

اخیراً سیستم مشابهی به ODEX، که اکنون با نام تجاری TUBEX شناخته می­شود، از جانب شرکت­های ژاپنی و اروپایی عرضه می­گردد. برخی از روش­ها صرفاً گونه­های مکانیکی و ساده­تر سیستم TUBEX می­باشند. اما هر کدام یک روش ضربه­ای مضاعف می­باشند که در آن یک سر مته، گمانه­ای بزرگتر از قطر گمانه برای پیشرفت راحت­تر غلاف بعدی ایجاد می­کند.

  • روش مضاعف دوسره

در روش مضاعف دوسره که شکل توسعه یافته تکنیک­های مرسوم دورانی مضاعف می­باشد، رادها و غلاف­ها توسط موتورهای جداگانه که بالای همان ارابه نصب شده­اند دوران می­کنند. این موتورها گشتاور چرخشی بالا (بنابراین پتانسیل آسیب دیدگی خاک را افزایش می­دهند) و در عوض سرعت دوران پایینی ایجاد می­کنند. موتورها بنحوی کار می­کنند که موتور پائینی (که غلاف خارجی را دوران می­دهد) و موتور بالائی (که باعث دوران میله حفاری می­شود) خلاف جهت هم دوران می­کنند.

عمل برش و حفاری پیش­رونده حاصله در سرمته، امکان نرخ نفوذ بالا را فراهم می­سازد، و دوران در خلاف جهت، موجب رفع انسداد دوایر متحدالمرکز راد و غلاف ناشی از ضایعات حمل شده در سیال شستشو می­گردد. همچنین می­توان، میله­های داخلی را با استفاده از تکنیک­های کاملاً دورانی یا دورانی- ضربه­ای به کمک یک محرک فوقانی یا چکش down-the-hole بکار گرفت. ویژگی دوران خلاف جهت، حتی در شرایط زمین بسیار سخت مقاومت مورد انتظار گمانه را ارتقاء داده و نفوذپذیری را تقویت می­کند.

  • اوگر تو خالی

اوگر تو خالی سیستمی یکپارچه با یک هسته توخالی مرکزی می­باشد، که معمولاً در ریزشمع (یا میکروپایل) ­های اوگری یا برای اکتشاف زمین استفاده می­شود. وقتی حفاری به سمت پایین صورت می­گیرد، سوراخ مرکزی بوسیله یک کلاهک در سر مته بسته می­شود. زمانیکه گمانه تا عمق مورد نظر حفاری شد، کلاهک بوسیله فشار دوغاب کنار زده شده، و بدینسان در حین بیرون کشیدن اوگر، شمع شکل می­گیرد. چنین اوگرهایی اغلب برای حفاری مصالح چسبنده یا سنگ­های خیلی نرم استفاده می­شوند.

شکل­های مختلفی از کفشک­های برش یا سر مته­ها را می­توان به انتهای اوگر نصب کرد، اما حفاری فونداسیون­های قدیمی و خاک لاشه سنگی و تخته سنگی، با این روش بسیار مشکل و غیر اقتصادی می­باشد. همچنین حین استفاده از اوگرها بایستی مراقبت­های ویژه اعمال شود. نرخ نفوذ کنترل نشده یا پاکسازی بیش از حد گمانه، می­تواند به جداشدگی و تفکیک بیش از حد نخاله­های حفاری منجر شود. بنابراین خطر سست شدگی خاک یا خلازایی در شرایط محیطی خاص وجود دارد.

  • تکنیک­های حفاری رو باز

زمانیکه ریزشمع (یا میکروپایل)  در خاک­های پایدار اجرا می­گردد، می­توان غلاف گذاری را به حالت تعلیق در آورده و اجرای گمانه را تا انتهای عمق با روش حفاری رو باز ادامه داد. اختلاف هزینه بین اتلاف زمان در تغییر موضع به سیستم کم هزینه­تر حفاری رو باز و یا ادامه کار با یک سیستم حفاری گران قیمت­تر برای تمام عمق گمانه بایستی مورد بررسی قرار گیرد. تکنیک­های حفاری رو باز را می­توان به شرح زیر طبقه­ بندی کرد:

* حفاری ضربه­ای دورانی

مخصوص سنگ­های با مقاومت فشاری بالا می­باشد. تکنیک ضربه­ای- دورانی با استفاده از محرک فوقانی و هم با استفاده از چکش­های سقوطی down-the-hole بکار برده می­شود. در ریزشمع (یا میکروپایل) ­های با قطر کوچک تکنیک down-the-hole اقتصادی­تر و رایج­تر می­باشد. سیال شستشو نیز هوا، ترکیب هوا- آب یا فوم انتخاب می­گردد.

در سیستم محرک فوقانی نیز می­توان از هوا، آب و یا سایر سیستم­های شستشویی استفاده کرد، اما به لحاظ قطر و عمق اجرا محدودیت­هایی وجود دارد. ضمناً این سیستم نسبتاً پر سر و صدا می­باشد، و ممکن است بواسطه ارتعاشات بیش از حد آسیب­هایی به سازه و فونداسیون وارد نماید.

* اوگرهای تو پر یکپارچه

در رس­های سفت تا سخت فاقد تخته سنگ و در برخی سنگ­های ضعیف، حفاری را می­توان با یک اوگر توپر انجام داد. این سیستم حفاری، سریع و بی­صدا بوده و نیازی به سیال برای خروج ضایعات ندارد. ممکن است خطر افت فشار جانبی یا wall remolding/interface smear وجود داشته باشد که هر کدام از اینها می­توانند بطور جداگانه بر مجموعه خاک- دوغاب تاثیر بگذارند. چنین اوگرهایی ممکن است در مواردی که جمع ­آوری و دفع دقیق ضایعات حفاری به لحاظ محیط زیستی بسیار مهم می­باشد، استفاده شوند.

*  گشاد کردن گمانه ­ها

ابزارهای مختلفی برای بزرگ­کردن یا گشاد کردن گمانه­های باز در خاک­های چسبنده یا نهشته­های نرم وجود دارد، بویژه زمانیکه شمع­ها به کشش کار می­کنند (مثلاً برای برج­های مخابراتی یا دکل­های انتقال برق). این ابزارها را می­توان بطور مکانیکی یا هیدرولیکی به کار گرفت و با یک یا چند ابزار گمانه را کم کم خراش داده و گشاد نمود. اما این یک پروسه زمان­بر می­باشد، و بررسی کفایت آن به راحتی ممکن نیست. همچنین، پاکسازی گمانه­های گشاد شده اغلب مشکل می­باشد، آب بهترین وسیله پاکسازی می­باشد اما ممکن است موجب نرم شدگی زمین گردد. بخاطر همه این دلایل، به ندرت می­توان در پروژه­های کنونی ریزشمع (یا میکروپایل)  موردی از استفاده این روش پیدا کرد. افزایش در ظرفیت باربری معمولاً با استفاده از روش­های تزریق تحت فشار حاصل می­گردد.