جت گروتینگ در تونل‌سازی چگونه از ریزش زمین جلوگیری می‌کند؟

جت گروتینگ (Jet Grouting) یکی از روش‌های پیشرفته بهسازی زمین در پروژه‌های تونل‌سازی است که با هدف افزایش مقاومت خاک، کاهش تغییرشکل، کنترل آب زیرزمینی و ایجاد یک توده مقاوم در اطراف یا جلوی تونل مورد استفاده قرار می‌گیرد. اهمیت این روش زمانی بیشتر می‌شود که تونل در خاک‌های سست، اشباع، ریزدانه یا زمین‌های دارای سطح آب زیرزمینی بالا احداث شود؛ زیرا در چنین شرایطی کوچک‌ترین کاهش در پایداری زمین می‌تواند به نشست سطحی، ریزش جبهه کار یا حتی آسیب به سازه‌های مجاور منجر شود.

در جت گروتینگ، دوغاب سیمانی با فشار و سرعت بالا از نازل‌های مخصوص به داخل زمین تزریق می‌شود. انرژی جت باعث فرسایش و خردشدن بخشی از خاک شده و هم‌زمان دوغاب با خاک درجا مخلوط می‌شود. محصول نهایی، توده‌ای سیمانی‌شده موسوم به Soilcrete است که در مقایسه با خاک اولیه، مقاومت بیشتر، تغییرشکل‌پذیری کمتر و نفوذپذیری پایین‌تری دارد.

جت گروتینگ چیست؟

جت گروتینگ یک روش بهسازی درجا است که بدون نیاز به خارج کردن کامل خاک، خصوصیات مکانیکی و هیدرولیکی آن را در عمق موردنظر تغییر می‌دهد.

فرآیند معمول با حفاری گمانه تا عمق طراحی‌شده آغاز می‌شود، سپس لوله و مانیتور تزریق در محل قرار می‌گیرد و دوغاب با فشار بالا از نازل‌ها تزریق می‌شود. این فرآیند باعث فرسایش یا برش خاک اطراف گمانه و اختلاط آن با دوغاب سیمانی می‌شود؛ در ادامه لوله به‌تدریج چرخانده و بالا کشیده می‌شود تا ستون یا توده بهسازی‌شده شکل بگیرد.

با ادامه این فرآیند، ستون‌هایی با قطر مشخص در زمین تشکیل می‌شوند و در صورت هم‌پوشانی ستون‌ها می‌توان یک دیوار یا توده پیوسته ایجاد کرد.

در روش‌های متداول، جت گروتینگ بر اساس سیال مورد استفاده به سیستم‌های تک‌سیاله، دوسیاله و سه‌سیاله تقسیم می‌شود. در سیستم تک‌سیاله، دوغاب سیمان مستقیماً برای فرسایش و اختلاط خاک استفاده می‌شود؛ در سیستم‌های چندسیاله، هوا یا آب نیز برای افزایش انرژی و شعاع اثر جت به کار می‌رود.

جت گروتینگ چیست؟

چرا ریزش زمین در تونل اتفاق می‌افتد؟

برای درک نقش جت گروتینگ ابتدا باید عوامل اصلی ناپایداری زمین در حفاری تونل را شناخت.

وقتی بخشی از زمین برای ایجاد تونل برداشته می‌شود، شرایط تنش موجود در اطراف حفره تغییر می‌کند. اگر خاک یا سنگ توانایی تحمل تنش‌های جدید را نداشته باشد، تغییرشکل در اطراف تونل افزایش پیدا می‌کند.

از مهم‌ترین عوامل مؤثر می‌توان به مقاومت برشی پایین خاک، وجود لایه‌های سست و ناپایدار، فشار آب منفذی بالا و سطح آب زیرزمینی بالا اشاره کرد. وجود حفره‌ها و نواحی ضعیف، هوازدگی شدید سنگ، نزدیک بودن ساختمان‌ها و تأسیسات شهری، کاهش بیش از حد فشار جبهه حفاری و افزایش تغییرشکل در تاج و دیواره تونل نیز از دیگر عوامل مؤثر هستند.

در چنین شرایطی، بهسازی زمین قبل از حفاری می‌تواند ظرفیت باربری و مقاومت برشی توده خاک را افزایش دهد و میزان تغییرشکل را کاهش دهد.

مطالعات مربوط به کاربرد جت گروتینگ در تونل‌سازی نشان داده‌اند که این روش می‌تواند برای کنترل نشست زمین و جلوگیری از شکست و ریزش بیش از حد در زمین‌های ضعیف مورد استفاده قرار گیرد. تجربه استفاده از این روش در پروژه متروی آتن نیز با هدف کنترل نشست زمین و شکست‌های ناشی از حفاری در شرایط سنگی ضعیف گزارش شده است.

جت گروتینگ چگونه از ریزش زمین جلوگیری می‌کند؟

مهم‌ترین اثر جت گروتینگ را می‌توان در چند مکانیزم اصلی خلاصه کرد.

افزایش مقاومت برشی خاک

یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از جت گروتینگ، افزایش مقاومت توده خاک است. در خاک طبیعی، مقاومت برشی به ویژگی‌هایی مانند چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و وضعیت تنش وابسته است. هنگامی که خاک با دوغاب سیمانی ترکیب می‌شود، یک توده جدید با خصوصیات مکانیکی متفاوت تشکیل می‌شود و در نتیجه، مسیرهای بالقوه شکست در اطراف تونل تقویت می‌شوند.

به بیان ساده، خاک ضعیف با اختلاط با دوغاب به Soilcrete تبدیل می‌شود که مقاومت بیشتری دارد و احتمال گسیختگی را کاهش می‌دهد. مطالعات آزمایشگاهی نیز نشان داده‌اند که جت گروتینگ می‌تواند مقاومت فشاری و پارامترهای مقاومت برشی خاک بهسازی‌شده را افزایش دهد.

کاهش تغییرشکل زمین

ریزش زمین همیشه به شکل شکست ناگهانی اتفاق نمی‌افتد. در بسیاری از پروژه‌ها، ابتدا تغییرشکل تدریجی زمین رخ می‌دهد و سپس در صورت ادامه تغییرشکل، شرایط به سمت ناپایداری پیش می‌رود.

جت گروتینگ با ایجاد نواحی سخت‌تر در اطراف تونل، سختی توده زمین را افزایش می‌دهد. این موضوع باعث می‌شود جابه‌جایی تاج تونل کاهش یابد، تغییرشکل دیواره‌ها محدود شود، نشست سطح زمین کاهش پیدا کند و فشارهای ناشی از حفاری بهتر توزیع شوند.

در پروژه‌های حفاری عمیق نیز افزایش ضخامت دیوارهای ایجادشده با جت گروتینگ با کاهش تغییرمکان جانبی سازه نگهبان و کاهش نشست سطح زمین همراه بوده است.

تشکیل چتر حفاظتی در بالای تونل

یکی از کاربردهای مهم جت گروتینگ در تونل‌سازی، ایجاد یک چتر بهسازی‌شده در بالای تونل است. در این روش، ستون‌های جت گروتینگ معمولاً به‌صورت افقی یا با زاویه مناسب در جلوی جبهه حفاری و بالای مسیر تونل اجرا می‌شوند. پس از سخت‌شدن دوغاب، مجموعه ستون‌ها یک ناحیه مقاوم در تاج تونل ایجاد می‌کند که می‌تواند مانند یک پوسته یا چتر مقاوم عمل کند و بار لایه‌های بالایی را بهتر به اطراف منتقل کند.

طرح کلی این روش از زمین طبیعی آغاز می‌شود، با اجرای ستون‌های هم‌پوشان جت گروتینگ ادامه می‌یابد، چتر مقاومی تشکیل می‌شود و سپس حفاری مرحله‌ای با ریسک ریزش تاج کمتر انجام می‌گیرد.

در تونل‌های شهری که پوشش خاک روی تونل کم است، این روش اهمیت بیشتری پیدا می‌کند؛ زیرا هرگونه تغییرشکل می‌تواند مستقیماً به نشست سطح زمین و آسیب به ساختمان‌های بالایی منجر شود. مطالعات عددی و کاربردهای مهندسی نیز استفاده از جت گروتینگ افقی را برای کاهش نشست سطحی در تونل‌سازی شهری بررسی کرده‌اند.

ایجاد دیواره یا توده مقاوم در اطراف تونل

جت گروتینگ فقط برای ایجاد ستون‌های منفرد استفاده نمی‌شود. اگر ستون‌ها با فاصله مناسب و به‌صورت هم‌پوشان اجرا شوند، می‌توانند یک توده پیوسته ایجاد کنند که در اطراف تونل به‌عنوان یک ناحیه تقویت‌شده عمل می‌کند.

برای مثال، در یک مقطع تونل می‌توان از آرایش‌هایی مانند ستون‌های منفرد، ستون‌های هم‌پوشان، دیوار جت گروتینگ، چتر بالای تونل، بلوک بهسازی جلوی جبهه یا توده بهسازی اطراف تونل استفاده کرد. انتخاب آرایش مناسب به شرایط زمین، قطر تونل، عمق حفاری، روش حفاری، فشار آب زیرزمینی و الزامات کنترل نشست بستگی دارد.

کاهش نفوذ آب زیرزمینی

آب یکی از مهم‌ترین عوامل افزایش ریسک ناپایداری در تونل‌های خاکی است. در زمین‌های اشباع، افزایش فشار آب منفذی می‌تواند تنش مؤثر خاک را کاهش دهد و این کاهش تنش مؤثر نیز می‌تواند مقاومت برشی توده خاک را پایین بیاورد.

جت گروتینگ با ایجاد توده‌ای با نفوذپذیری کمتر می‌تواند مسیرهای جریان آب را محدود کند. به همین دلیل، این روش علاوه بر افزایش مقاومت مکانیکی، برای ایجاد Cut-off و کنترل جریان آب زیرزمینی نیز استفاده می‌شود. منابع فنی جت گروتینگ نیز ایجاد موانع کم‌نفوذ و کنترل آب را از کاربردهای مهم این فناوری معرفی می‌کنند.

در تونل‌سازی، این موضوع می‌تواند از ورود آب به جبهه حفاری، شسته‌شدن ذرات خاک، ایجاد حفره‌های زیرزمینی، کاهش پایداری جبهه و افزایش نشست سطحی جلوگیری کند.

کنترل نشست سطح زمین

یکی از مهم‌ترین نگرانی‌ها در تونل‌سازی شهری، نشست زمین است. اگر خاک بالای تونل در اثر حفاری جابه‌جا شود، این تغییرشکل می‌تواند به سطح زمین منتقل شود. در صورتی که در بالای تونل ساختمان، خیابان، خط مترو یا تأسیسات حساس وجود داشته باشد، حتی نشست نسبتاً محدود نیز می‌تواند مشکل‌ساز شود.

جت گروتینگ با افزایش سختی و مقاومت ناحیه اطراف تونل، میزان تغییرشکل ناشی از حفاری را محدود می‌کند؛ به همین دلیل، در پروژه‌هایی که کنترل نشست اهمیت بالایی دارد، می‌توان از جت گروتینگ پیش از حفاری استفاده کرد.

جت گروتینگ در کدام قسمت تونل اجرا می‌شود؟

محل اجرای جت گروتینگ به هدف بهسازی بستگی دارد.

در جلوی جبهه تونل، جت گروتینگ برای افزایش مقاومت خاک پیش از رسیدن جبهه حفاری به ناحیه ضعیف اجرا می‌شود؛ این روش برای عبور از خاک بسیار سست، نواحی پرآب، مناطق دارای حفره، لایه‌های ناهمگن و نواحی نزدیک سازه‌های حساس کاربرد دارد.

در تاج تونل، هدف اصلی ایجاد یک چتر مقاوم برای کاهش احتمال ریزش سقف است، و در اطراف دیواره تونل، جت گروتینگ برای افزایش مقاومت جانبی و محدودکردن تغییرشکل استفاده می‌شود.

در برخی شرایط، بهسازی کف تونل نیز می‌تواند برای افزایش ظرفیت باربری و کاهش تغییرشکل کف حفاری انجام شود. همچنین با اجرای ستون‌های هم‌پوشان در اطراف تونل می‌توان یک ناحیه کم‌نفوذ ایجاد کرد و جریان آب را محدود نمود.

نقش جت گروتینگ در روش‌های مختلف حفاری تونل

کاربرد جت گروتینگ به روش حفاری نیز وابسته است.

در روش NATM، رفتار واقعی زمین و تغییرشکل‌های اطراف حفریه اهمیت زیادی دارد. در زمین‌های ضعیف می‌توان پیش از حفاری، بخش‌هایی از زمین را با جت گروتینگ بهسازی کرد تا شرایط برای اجرای نگهداری اولیه مناسب‌تر شود.

در تونل‌های کم‌عمق شهری، کنترل نشست اهمیت ویژه‌ای دارد و جت گروتینگ افقی می‌تواند در تاج و جلوی جبهه حفاری برای کاهش تغییرشکل استفاده شود.

در تونل‌های حفاری‌شده با TBM نیز، در برخی پروژه‌ها جت گروتینگ برای بهسازی موضعی زمین، کنترل آب یا تقویت نواحی حساس مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین در پروژه‌هایی که تونل جدید در مجاورت تونل موجود اجرا می‌شود، بهسازی زمین می‌تواند برای محدودکردن تغییرشکل و کاهش اثرات متقابل دو سازه مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات میدانی روی کاربرد جت گروتینگ بین تونل‌های جدید و موجود، پایش فشار آب منفذی، تغییرمکان و رفتار تونل موجود را نیز بررسی کرده‌اند.

آیا هر نوع خاکی برای جت گروتینگ مناسب است؟

یکی از مزیت‌های جت گروتینگ، قابلیت استفاده در طیف نسبتاً گسترده‌ای از خاک‌هاست؛ اما عملکرد آن در همه خاک‌ها یکسان نیست، چرا که مکانیزم تشکیل ستون به نوع خاک وابسته است.

در شن و ماسه، رفتار غالب جت به‌صورت نفوذ و اختلاط دوغاب ظاهر می‌شود؛ در رس، فرسایش و برش خاک غالب است؛ در مصالح دانه‌ای درشت، نفوذ دوغاب در فضای خالی رخ می‌دهد؛ و در خاک‌های لایه‌ای، رفتار ترکیبی و وابسته به شرایط هر لایه خواهد بود.

پژوهش‌های مربوط به مکانیزم جت گروتینگ نشان می‌دهند که نوع خاک نقش مهمی در قطر ستون، میزان اختلاط و نتیجه نهایی عملیات دارد. بنابراین نمی‌توان صرفاً بر اساس فشار پمپ، قطر نهایی ستون را با دقت تعیین کرد.

مهم‌ترین پارامترهای طراحی جت گروتینگ در تونل

طراحی جت گروتینگ باید بر اساس شرایط واقعی زمین انجام شود.

افزایش فشار تزریق می‌تواند انرژی بیشتری برای فرسایش و اختلاط خاک ایجاد کند، اما فشار بیش از حد نیز می‌تواند باعث تغییرشکل ناخواسته زمین شود. دبی تزریق نیز روی حجم ماده تزریق‌شده و فرآیند تشکیل ستون تأثیر دارد، و سرعت چرخش مانیتور روی میزان انرژی اعمال‌شده به واحد حجم خاک اثرگذار است.

سرعت بالا کشیدن لوله مستقیماً با میزان دوغاب و انرژی اختصاص‌یافته به هر بخش از ستون ارتباط دارد. نوع دوغاب، یعنی نسبت آب به سیمان، نوع سیمان و افزودنی‌های مورد استفاده، می‌تواند خصوصیات Soilcrete را تغییر دهد. نوع خاک نیز از نظر دانه‌بندی، چسبندگی، تراکم، نفوذپذیری و شرایط آب زیرزمینی بر نتیجه عملیات اثر دارد.

قطر واقعی ستون نباید صرفاً بر اساس مقدار تئوری فرض شود؛ بلکه باید با اجرای ستون آزمایشی و کنترل میدانی تأیید شود.

چرا ستون آزمایشی در جت گروتینگ اهمیت دارد؟

یکی از مهم‌ترین چالش‌های جت گروتینگ این است که قطر و کیفیت ستون به شرایط واقعی زمین وابسته است. برای مثال، ممکن است پارامترهای یکسان تزریق در دو لایه مختلف، ستون‌هایی با قطر متفاوت ایجاد کنند.

به همین دلیل، اجرای Trial Column یا ستون آزمایشی یکی از مراحل مهم کنترل کیفیت است. در ستون آزمایشی می‌توان پارامترهایی مانند فشار تزریق، دبی، سرعت چرخش، سرعت بالا کشیدن، نوع دوغاب، قطر ستون، مقاومت فشاری و پیوستگی ستون را ارزیابی کرد.

منابع تخصصی نیز تأکید می‌کنند که قطر نهایی ستون عددی نیست که صرفاً از روی طراحی تعیین شود و شرایط واقعی خاک نقش مهمی در نتیجه دارد.

خطرات اجرای نادرست جت گروتینگ

جت گروتینگ با وجود مزایای زیاد، اگر بدون کنترل پارامترهای اجرایی انجام شود می‌تواند مشکلاتی ایجاد کند.

تزریق فشار بالا می‌تواند باعث افزایش فشار و تغییرشکل خاک شود؛ در برخی شرایط این مسئله به‌صورت Ground Heave یا بالا آمدگی سطح زمین مشاهده می‌شود. مطالعات تحلیلی و میدانی نیز ارتباط فشار تزریق و تغییرشکل سطح زمین را بررسی کرده‌اند.

تزریق حجم قابل‌توجهی از آب و دوغاب تحت فشار نیز می‌تواند فشار آب منفذی را به‌طور موقت افزایش دهد. در تونل‌های شهری، اگر فشار تزریق یا ترتیب اجرای ستون‌ها به‌درستی کنترل نشود، تغییرشکل زمین ممکن است به ساختمان‌ها، تأسیسات یا تونل‌های موجود منتقل شود.

همچنین اگر پارامترهای تزریق متناسب با شرایط خاک انتخاب نشوند، ممکن است قطر واقعی ستون کمتر از مقدار مورد انتظار باشد. بنابراین جت گروتینگ یک روش صرفاً تزریق سیمان نیست؛ بلکه یک فرآیند ژئوتکنیکی حساس است که باید با طراحی، آزمایش و پایش همراه باشد.

خطرات اجرای نادرست جت گروتینگ

کنترل کیفیت جت گروتینگ چگونه انجام می‌شود؟

برای اطمینان از عملکرد سیستم بهسازی، کنترل کیفیت باید در چند مرحله انجام شود.

پیش از اجرا، مطالعات ژئوتکنیک، بررسی لاگ گمانه‌ها، تعیین سطح آب زیرزمینی، آزمایش‌های آزمایشگاهی و انتخاب نوع سیستم جت گروتینگ انجام می‌شود.

هنگام اجرا، پارامترهایی مانند فشار، دبی، سرعت چرخش، سرعت بالا کشیدن، حجم دوغاب و مقدار برگشتی باید ثبت و کنترل شوند.

پس از اجرا نیز بسته به پروژه می‌توان از روش‌هایی مانند مغزه‌گیری، آزمایش مقاومت فشاری تک‌محوری، آزمایش‌های ژئوفیزیکی، بررسی قطر ستون، کنترل پیوستگی، پایش نشست و پایش فشار آب منفذی استفاده کرد. در پروژه‌های حساس، مقایسه نتایج واقعی با مدل عددی نیز می‌تواند در ارزیابی عملکرد سیستم بهسازی مؤثر باشد.

تفاوت جت گروتینگ با تزریق معمولی در تونل‌سازی

این دو روش نباید با یکدیگر یکسان در نظر گرفته شوند.

در تزریق معمولی، هدف اغلب پرکردن ترک‌ها، درزه‌ها یا حفره‌های موجود و کاهش نفوذپذیری است. اما در جت گروتینگ، انرژی بالای جت ابتدا ساختار خاک را تخریب یا جابه‌جا می‌کند و سپس خاک و دوغاب با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا یک توده جدید ایجاد شود.

به همین دلیل جت گروتینگ می‌تواند یک توده خاک-سیمان با ابعاد قابل توجه ایجاد کند. این ویژگی باعث شده است که جت گروتینگ در پروژه‌های تونلی، زیرسازی، حفاری‌های عمیق و کنترل آب زیرزمینی کاربرد گسترده‌ای پیدا کند.

آیا جت گروتینگ به‌تنهایی برای جلوگیری از ریزش تونل کافی است؟

خیر، و این نکته از نظر مهندسی بسیار مهم است.

جت گروتینگ روش بهسازی زمین است، نه جایگزین کامل سیستم نگهداری تونل. در طراحی واقعی ممکن است جت گروتینگ در کنار روش‌هایی مانند شاتکریت، قاب‌های فولادی، بولت، لاینینگ بتنی، سیستم‌های نگهداری جبهه، زهکشی، تزریق تکمیلی و کنترل فشار جبهه به کار گرفته شود.

هدف جت گروتینگ این است که شرایط زمین را بهبود دهد تا سیستم نگهداری تونل بتواند در شرایط ایمن‌تر و قابل‌کنترل‌تری عمل کند.

جمع‌بندی

جت گروتینگ یکی از روش‌های مؤثر برای کنترل ناپایداری زمین در تونل‌سازی است. این فناوری با تزریق دوغاب تحت فشار بالا و ایجاد توده‌های Soilcrete، خصوصیات مکانیکی و هیدرولیکی خاک را تغییر می‌دهد.

مهم‌ترین اثرات آن را می‌توان این‌طور خلاصه کرد: افزایش مقاومت برشی، افزایش سختی، کاهش تغییرشکل، کاهش نفوذپذیری و کنترل آب زیرزمینی، که در مجموع به کاهش ریسک ناپایداری و ریزش زمین می‌انجامد.

این روش به‌خصوص در تونل‌های شهری، زمین‌های سست و اشباع، مناطق دارای آب زیرزمینی بالا و محل‌های نزدیک به سازه‌های حساس اهمیت دارد. با این حال، موفقیت جت گروتینگ به انتخاب صحیح پارامترهای اجرایی وابسته است؛ نوع خاک، فشار و دبی تزریق، سرعت چرخش و بالا کشیدن لوله، نوع دوغاب و آرایش ستون‌ها همگی باید بر اساس مطالعات ژئوتکنیکی و آزمایش‌های میدانی تعیین شوند.

در نهایت، ستون آزمایشی، کنترل پارامترهای تزریق و پایش تغییرشکل زمین از مهم‌ترین عوامل اطمینان از عملکرد جت گروتینگ هستند. جت گروتینگ زمانی بیشترین اثربخشی را دارد که به‌عنوان بخشی از یک سیستم جامع طراحی و پایش تونل، نه به‌عنوان یک راهکار منفرد، مورد استفاده قرار گیرد.