در پروژه‌های ساختمانی شهری که با گودبرداری همراه‌اند، خطر ریزش دیواره‌های مجاور یکی از بزرگ‌ترین دغدغه‌های مهندسان عمران و ناظران ایمنی است. در این شرایط، سازه نگهبان یا شمع نگهبان نقش حیاتی در پایداری گود و محافظت از جان و مال افراد ایفا می‌کند. سازه نگهبان به مجموعه‌ای از روش‌ها و ابزارهایی اطلاق می‌شود که برای تثبیت دیواره‌های گود در زمان اجرای پروژه‌های عمرانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سازه‌ها بسته به نوع خاک، عمق گود، شرایط محیطی و هزینه‌ها به روش‌های مختلفی اجرا می‌گردند.
در این مقاله، با تکیه بر روش‌های رایج اجرای سازه نگهبان در ایران، به بررسی تخصصی هرکدام از آن‌ها خواهیم پرداخت. در ضمن به نقش و کاربرد ناودانی در برخی از این روش‌ها، به‌ویژه سازه نگهبان خرپایی، اشاره خواهیم کرد تا درک بهتری از تأثیر این مقاطع فولادی بر قیمت تمام‌شده پروژه داشته باشید.
سازه نگهبان چیست و چرا استفاده می‌شود؟
سازه نگهبان نوعی سیستم موقت یا دائمی است که به‌منظور پایداری دیواره‌های گودبرداری شده استفاده می‌شود. این سازه‌ها معمولاً قبل از آغاز عملیات خاک‌برداری یا همزمان با آن نصب می‌شوند تا از ریزش خاک، نشست ساختمان‌های مجاور، ترک‌خوردگی آسفالت خیابان‌ها یا حتی فرو ریختن تأسیسات شهری جلوگیری شود.
نقش اصلی آن‌ها، ایجاد تکیه‌گاهی موقت برای خاک است تا زمانی که سازه اصلی (مانند فونداسیون یا دیوارهای حائل) به‌طور کامل اجرا و دیواره‌های گود تثبیت شوند. توجه داشته باشید طراحی سازه نگهبان به شناخت دقیق شرایط زمین، عمق گود، بارهای وارده و مجاورت با دیگر سازه‌ها نیاز دارد.
مهم‌ترین اهداف استفاده از سازه نگهبان
استفاده از سازه نگهبان در گودبرداری‌های شهری نه‌تنها یک الزام فنی، بلکه راهکاری حیاتی برای حفظ ایمنی، کاهش ریسک و مدیریت هزینه‌ها در پروژه‌های عمرانی محسوب می‌شود. این سازه‌ها با عملکرد مهندسی‌شده خود، نقش مؤثری در کنترل فشار جانبی خاک و جلوگیری از ریزش دیواره‌ها دارند.
با افزایش عمق گودبرداری، فشار جانبی وارد بر دیواره‌های خاکی به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. اگر این نیروها کنترل نشوند، منجر به ناپایداری، ترک‌خوردگی یا حتی ریزش کامل دیواره‌ها خواهند شد. در این میان، سازه نگهبان با ایجاد تکیه‌گاهی موقت و مستحکم، این فشارها را به زمین منتقل کرده و از فروپاشی جلوگیری می‌کند. این مزیت، تنها به جلوگیری از تخریب فیزیکی محدود نمی‌شود، بلکه آثار آن در لایه‌های مختلف ایمنی و هزینه پروژه نیز مشهود است:
- پایداری دیواره‌های گود در برابر فشار جانبی خاک: ساختار مهاربندی‌شده سازه نگهبان، با جذب و توزیع یکنواخت نیروهای وارد از خاک، پایداری جانبی را تضمین کرده و از تغییر شکل یا حرکت جانبی خاک جلوگیری می‌کند.
- جلوگیری از نشست زمین و آسیب به سازه‌های اطراف: در بافت‌های شهری که ساختمان‌های مجاور اغلب قدمت بالا یا پی‌های سطحی دارند، کوچک‌ترین حرکت خاک می‌تواند خسارات جدی به آن‌ها وارد کند. سازه نگهبان مانع از جابه‌جایی ناگهانی زمین و نشست احتمالی می‌شود.
- افزایش ایمنی کارگران و تجهیزات در محل پروژه: محیط کاری در گود، به دلیل عمق و ریسک ریزش، همواره پرخطر است. مهار دیواره‌ها با سازه نگهبان، ایمنی روانی و فیزیکی تیم اجرایی را به‌طور محسوسی افزایش می‌دهد و مانع بروز حوادث ناگوار می‌شود.
- کاهش هزینه‌های ناشی از تأخیر یا ریزش دیواره: وقوع هر حادثه در گود، مانند ریزش خاک یا ترک در سازه‌های کناری، می‌تواند توقف طولانی‌مدت پروژه، نیاز به بازسازی و حتی پرداخت خسارت را در پی داشته باشد. استفاده از سازه نگهبان، با پیشگیری از این اتفاقات، موجب بهینه‌سازی هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری زمان می‌شود.
انواع سازه نگهبان رایج در ایران
در کشور ما، چند روش متداول برای اجرای سازه نگهبان مورد استفاده قرار می‌گیرند که انتخاب آن‌ها بسته به نوع خاک، عمق گود، موقعیت پروژه و بودجه متفاوت است. در ادامه، این روش‌ها را به‌طور کامل بررسی می‌کنیم:
۱. سازه نگهبان خرپایی (Truss Guard Structure)
سازه نگهبان خرپایی یکی از رایج‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها برای اجرای سازه نگهبان در پروژه‌های شهری است. در این روش، مهاربندی به‌صورت مثلثی یا مشبک طراحی می‌شود که ترکیبی از اعضای فشاری و کششی است. اجزای خرپا شامل ستون، اعضای قطری (Diagonal) و اعضای افقی است که به‌صورت یک سازه مثلثی، فشار و تنش خاک را خنثی می‌کنند.
مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی
- حفاری و شمع‌کوبی اولیه در محل‌های تعیین‌شده
- نصب ناودانی یا تیرآهن‌های قائم به‌عنوان عضو عمودی
- جوش‌کاری یا پیچ‌کردن اعضای قطری و افقی برای تشکیل خرپا
- اتصال خرپا به سازه اصلی یا مهار آن در کف گود
کاربرد ناودانی در سازه نگهبان خرپایی
در اجرای این نوع سازه نگهبان، ناودانی به‌عنوان یکی از مقاطع فولادی پرکاربرد، در ساخت اعضای افقی یا قطری خرپا استفاده می‌شود. به دلیل فرم خاص ناودانی U شکل، این مقاطع استحکام مناسبی داشته و در عین حال سبک‌تر از تیرآهن هستند که باعث کاهش وزن سازه و هزینه‌های اجرایی می‌شود. به همین دلیل، قیمت ناودانی یکی از پارامترهای مهم در برآورد هزینه ساخت سازه نگهبان خرپایی است. افزایش یا کاهش بهای ناودانی مستقیماً بر بودجه اجرای گودبرداری تأثیر می‌گذارد.
۲. سازه نگهبان مهار متقابل (Braced Cuts)
در این روش، پس از هر مرحله خاک‌برداری، دیواره‌های گود با تیرهای افقی و مهاربندهای قطری مهار می‌شوند. این سیستم معمولاً در گودهای مستطیلی و در محل‌هایی با فضای کافی قابل اجراست. مهارها ممکن است با استفاده از ناودانی، قوطی یا تیرآهن اجرا شوند.
۳. سازه نگهبان مهارگذاری (Soil Anchorage)
در این روش، میل‌مهارهایی (Anchor) به داخل دیواره گود و به سمت زمین بکر اطراف وارد می‌شوند. این میل‌مهارها تحت زاویه مشخص در خاک تزریق می‌شوند تا کشش خاک را تحمل کنند. از این روش برای گودهای با عمق زیاد و در مناطق پرتراکم استفاده می‌شود. هزینه اجرای آن نسبتاً بالاست اما در شرایط خاص، ضروری است.
۴. سازه نگهبان دوخت به پشت (Soil Nailing)
روش دوخت به پشت، تکنیکی است که در آن میل‌گردهایی به صورت مورب به داخل خاک تزریق می‌شوند و با ملات یا دوغاب تثبیت می‌شوند. سپس روی دیواره با شاتکریت یا بتن پاششی پوشانده می‌شود تا یک سطح مقاوم ایجاد گردد. این روش به دلیل سرعت اجرای بالا، در پروژه‌های اضطراری یا در مناطق شهری کاربرد زیادی دارد. در این سیستم نیز مقاطع فولادی مانند میل‌گرد یا ناودانی ممکن است به‌صورت موقت یا دائمی استفاده شوند.
۵. دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)
این روش شامل اجرای دیوارهای از بتن مسلح در عمق خاک است که پیش از گودبرداری اجرا می‌شود. این دیوار که به کمک حفاری‌های پیوسته یا با استفاده از قالب اجرا می‌گردد، نقش نگه‌دارنده دائمی دیوار گود را بازی می‌کند. دیوار دیافراگمی عمدتاً در پروژه‌های بزرگ مانند مترو، پل‌ها، یا ساختمان‌های بلندمرتبه اجرا می‌شود.
۶. سپرکوبی (Sheet Pile)
سپرکوبی شامل نصب صفحات فلزی، بتنی یا پلیمری در خاک با استفاده از کوبنده‌های سنگین است. این صفحات تا عمق مشخصی در زمین فرو می‌روند و دیواره گود را نگه می‌دارند. روش سپرکوبی در خاک‌های سست و کنار رودخانه‌ها بسیار رایج است و به‌دلیل سرعت اجرا، در پروژه‌های موقتی نیز کاربرد دارد.
۷. اجرای شمع درجا (Pile)
در این روش، ستون‌هایی به صورت شمع بتنی در محل حفر و اجرا می‌شوند تا پایداری دیواره تأمین شود. این شمع‌ها ممکن است مسلح یا غیر‌مسلح باشند و پس از اجرای کامل، گودبرداری در میان آن‌ها انجام می‌شود. این روش در گودهای با عمق زیاد و در مناطق با ترافیک بالا کاربرد دارد.
عوامل مؤثر بر انتخاب نوع سازه نگهبان
برای انتخاب یک روش مناسب و ایمن جهت اجرای سازه نگهبان، در نظر گرفتن مجموعه‌ای از عوامل فنی، اقتصادی و محیطی ضروری است. بی‌توجهی به این فاکتورها نه‌تنها می‌تواند ایمنی پروژه را به خطر بیندازد، بلکه ممکن است هزینه‌های پیش‌بینی‌نشده‌ای را نیز به کارفرما تحمیل کند. در ادامه، مهم‌ترین عواملی که در انتخاب نوع سازه نگهبان نقش تعیین‌کننده دارند، به‌صورت تفصیلی و حرفه‌ای بررسی شده‌اند:
1. نوع و جنس خاک
خاک بستر محل پروژه، از مهم‌ترین مؤلفه‌های تأثیرگذار در انتخاب روش سازه نگهبان است. خاک‌های رسی، ماسه‌ای، شن‌دار یا ترکیبی هرکدام رفتار متفاوتی در برابر گودبرداری از خود نشان می‌دهند. مثلاً در خاک‌های سست و اشباع، احتمال ریزش بسیار بالاست و به روش‌هایی با پایداری بیشتر مانند دیوار دیافراگمی یا مهارگذاری نیاز است. در مقابل، خاک‌های چسبنده و متراکم ممکن است نیازی به روش‌های پرهزینه نداشته باشند.
2. عمق گود
عمق گودبرداری ارتباط مستقیمی با میزان فشار جانبی وارد بر دیواره‌ها دارد. برای گودهای کم‌عمق (معمولاً زیر ۴ متر)، می‌توان از روش‌های ساده‌تر مانند سپرکوبی یا خرپایی استفاده کرد. اما در گود‌هایی با عمق زیاد، روش‌هایی مانند اجرای شمع درجا، دیوار دیافراگمی یا مهارگذاری توصیه می‌شود. افزایش عمق گود همچنین هزینه‌ها و زمان اجرا را به‌طور چشمگیری بالا می‌برد.
3. تراکم و موقعیت سازه‌های مجاور
وجود ساختمان‌های قدیمی، بافت‌های فرسوده یا تأسیسات حساس در مجاورت گود، میزان ریسک اجرای پروژه را افزایش می‌دهد. در این شرایط، باید از روش‌هایی استفاده شود که کمترین میزان جابه‌جایی خاک و ارتعاش را ایجاد می‌کنند. انتخاب اشتباه می‌تواند باعث نشست سازه‌های اطراف، ترک در دیوارها یا حتی ریزش فاجعه‌بار شود.
4. شرایط جوی و لرزه‌ای منطقه
اقلیم منطقه (بارندگی، رطوبت، یخبندان) نقش مستقیمی در پایداری خاک و تأثیر آن بر سازه نگهبان دارد. در مناطق با بارش زیاد یا احتمال جاری شدن آب‌های سطحی، انتخاب روشی با زهکشی مناسب ضروری است. همچنین در مناطق زلزله‌خیز، طراحی و اجرای سازه نگهبان باید با در نظر گرفتن نیروهای لرزه‌ای انجام شود تا مقاومت کافی در برابر حرکات ناگهانی زمین داشته باشد.
5. مدت زمان پروژه
برخی از روش‌ها مانند اجرای دیوار دیافراگمی یا مهارگذاری، زمان‌بر هستند و نیاز به تجهیزات سنگین و نیروی متخصص دارند. اگر پروژه نیاز به اجرای سریع داشته باشد، باید از روش‌هایی با زمان اجرا و تجهیز کمتر مانند خرپایی یا دوخت به پشت استفاده کرد. البته کاهش زمان نباید باعث افت کیفیت یا کاهش ایمنی شود.
6. قیمت مصالح به‌ویژه مقاطع فولادی مانند ناودانی
مقاطع فولادی، یکی از ارکان اصلی اجرای بسیاری از انواع سازه‌های نگهبان هستند؛ به‌ویژه در روش‌هایی مانند خرپایی یا مهار متقابل. ناودانی به‌دلیل فرم U شکل، در ساخت اجزای فشاری و کششی خرپا بسیار کاربرد دارد و قیمت آن تاثیر مستقیم بر هزینه تمام‌شده پروژه می‌گذارد. نوسانات بازار فولاد، انتخاب روش اجرایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد؛ به‌طوری‌که در زمان افزایش قیمت ناودانی، ممکن است پیمانکاران به سمت روش‌های کم‌مصرف‌تر متمایل شوند. بنابراین، توجه به قیمت روز ناودانی و مدیریت خرید مصالح در زمان مناسب، نقش کلیدی در کنترل هزینه‌های پروژه دارد.
نتیجه‌گیری
سازه نگهبان یکی از حیاتی‌ترین عناصر اجرایی در پروژه‌های ساختمانی محسوب می‌شود که بسته به شرایط پروژه به روش‌های مختلفی اجرا می‌گردد. شناخت صحیح از انواع روش‌های سازه نگهبان و درک مزایا و معایب هرکدام، تاثیر مستقیمی بر ایمنی و هزینه‌های پروژه دارد. در این میان، استفاده از مقاطع فولادی مانند ناودانی به‌ویژه در روش‌هایی چون سازه خرپایی، اهمیت بالایی دارد.
با توجه به نوسانات بازار فولاد، توجه به قیمت ناودانی در زمان برآورد و اجرا از اهمیت بالایی برخوردار است. افزایش هوشمندی نسبت به این عوامل، نه‌تنها باعث افزایش ایمنی بلکه منجر به بهینه‌سازی هزینه‌ها در اجرای پروژه‌های عمرانی می‌شود.
