پایش هوشمند انکرهای دائمی در یک دیوار حائل مهارشده (مطالعه موردی در شمال ولز، بریتانیا)

فرسودگی زیرساخت‌ها و محدودیت سرمایه‌گذاری در بخش نگهداری، موجب شده است ارزیابی قابلیت اطمینان و تداوم بهره‌برداری از سازه‌های موجود بیش از گذشته مورد توجه قرار گیرد. در نتیجه، استفاده از روش‌های نوین بازرسی، ابزاردقیق و پایش سلامت سازه به یک ضرورت تبدیل شده است.

در طول زمان، سیستم‌های زیرساختی از جمله پروژه‌های ژئوتکنیکی از نظر دیجیتالی‌سازی و استفاده از فناوری هوشمند، در میان کم‌توسعه‌یافته‌ترین بخش‌ها بوده‌اند. با این حال، برای سازه‌های حیاتی مانند پل‌ها، توربین‌های بادی، دیوارهای حائل و سدها، وجود یک سیستم هشدار زودهنگام که بتواند کاهش ظرفیت عملکردی را شناسایی کند، مزیت قابل‌توجهی برای بهره‌برداران و مدیران این پروژه‌ها محسوب می‌شود.

نگهداری پیشگیرانه این امکان را فراهم می‌کند که پیش از وقوع خرابی‌های جدی، وضعیت سازه به‌صورت مستمر ارزیابی شده و اقدامات اصلاحی در زمان مناسب انجام شود؛ موضوعی که موجب افزایش عمر بهره‌برداری و کاهش هزینه‌های تعمیرات خواهد شد. داده‌های لحظه‌ای (Real-time) حاصل از برنامه‌های پایش و ارزیابی‌های مبتنی بر داده، به مهندسان امکان می‌دهد تا تصمیمات طراحی صحیح را به‌طور کارآمد اتخاذ کنند. این مقاله، یک سیستم پایش هوشمند انکر را که اخیراً در یک سایت در شمال ولز، بریتانیا نصب شده است، تشریح می‌کند.

موقعیت مکانی پروژه

منطقه Llanycil در حاشیه دریاچه Bala در پارک ملی Snowdonia، واقع در شهر Gwynedd در ولز قرار دارد. این دریاچه، بزرگترین دریاچه طبیعی ولز است که سطح آب آن در اوایل قرن نوزدهم توسط توماس تلفورد برای تأمین آب کانال السمر Ellesmere  افزایش یافت. این منطقه همچنین یک سایت با اهمیت علمی ویژه (SSSI) محسوب می‌شود. بزرگراه A494 در کنار این دریاچه قرار دارد و یک جاده اصلی است که از اقتصاد محلی و گردشگری حمایت می‌کند. بخش‌های شمالی این جاده همچنان جز پرترددترین جاده‌های ولز به شمار می‌روند.

اطلاعات پروژه و تاریخچه

پس از وارد شدن خسارت قابل‌توجه ناشی از فرسایش شیب خاکریز، یک طرح برای پایدارسازی و محافظت از شیب در برابر خسارات بیشتر در سال ۲۰۰۸ انجام شد. با این حال، در اواخر سال ۲۰۰۹، حرکت و نشست موضعی در خاکریز مشاهده و بررسی‌هایی برای پایش و ثبت این نشست انجام شد. داده‌ها نشان داد که حرکت تدریجی شیب ادامه یافته و بر روی مسیر پیاده‌رو تأثیر گذاشته است که در نهایت منجر به بازسازی دیوارحائل گردید. از این رو، به منظور بررسی علت حرکت و ارائه یک طراحی دقیق برای تثبیت خاکریز در تمام طول ۱۸۰ متری پروژه، گروهی از مهندسان مشاور ژئوتکنیک به کار گمارده شدند.

در سال ۲۰۱۸، یک آزمایش میدانی بر روی نیل‌های خودحفار (Self-drilling Soil Nails) انجام شد. این روش تا حدی موفق بود و حرکت زمین را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داد، اما به‌طور کامل متوقف نکرد. در اوایل سال ۲۰۲۰، وضعیت فونداسیون دیوارحائل، راهکار میخ‌کوبی را بی‌اثر کرد. در نتیجه، چراغ‌های راهنمایی موقت برای بستن خط جنوبی نصب شدند، زیرا نگرانی اصلی کارفرما، تردد یکپارچه وسایل نقلیه بود. مدیریت ترافیک به‌صورت موقت انجام شد و کارفرما مصمم بود تا در سریع‌ترین زمان ممکن جاده را مجدداً بازگشایی کند.

مطالعات زمین‌شناسی سایت

در مجموع، هفت گمانه تا حداکثر عمق 7/5 متر حفر شد. شرایط زمین‌شناسی به شرح زیر شناسایی گردید:

• خاک خاکریزی شده با تراکم متوسط تا متراکم به ضخامت 3/5 متر
• دو لایه شن با تراکم متوسط تا متراکم با یک لایه نازک از سیلت/رس بسیار نرم تا نرم بین آن‌ها
• سنگ‌آهک سیلت‌دار (Siltstone) با مقاومت متوسط

درصد بازیابی مغزه‌ها حفاری (Core Recovery) در تمام گمانه‌ها ۱۰۰٪ ثبت شده است.

ابزار دقیق و پایش (مانیتورینگ)

در سال ۲۰۱۵، یک انحراف‌سنج (Inclinometer) و یک پیزومتر (Piezometer) در نزدیکی تاج شیب نصب شد تا عملکرد عملیات پایدارسازی بر روی حرکات زمین پایش و ارزیابی شود. داده‌ها به‌صورت مستمر قبل، حین و بعد از ساخت‌وساز در سال‌های ۲۰۲۱/۲۰۲۰ ثبت می‌شوند تا تأثیر راهکار سازه‌ای بر حرکت زمین ارزیابی گردد. یک انحراف‌سنج دیگر نیز در اوایل سال ۲۰۲۱ نصب شد.

رویکرد طراحی

گزینه‌های متعددی برای تثبیت و پایدارسازی خاکریز مورد بررسی قرار گرفت، اما راهکار پیشنهادی، یک دیوار حائل متشکل از شمع‌هایی بود که با اجرای یک کلاف (کلاهک) بتنی یکپارچه عمل کنند و توسط انکرها مهار گردند (Anchored Retaining Wall). شمع‌های فولادی با فاصله مرکز به مرکز ۲ متر و به صورت مدفون در سنگ بستر (Bedrock) در نظر گرفته شدند. مسیر عبور وسایل نقلیه و عابر پیاده توسط این سازه مهار می‌شوند و هر دو بخش جاده و پیاده‌رو مجدداً تسطیح و آسفالت خواهند شد.

برای تطابق با طرح پیشنهادی، بخشی از خاک توده لغزش یافته برداشته خواهد شد که در نتیجه نیروی محرک وارد بر سطح لغزش کاهش می‌یابد. علاوه بر این، هرگونه فشار خاک و نیروهای ضربه‌ای ناشی از دیوار، از طریق تیر کلاف و انکرها به سنگ بستر زیرین منتقل می‌شوند. راهکار پیشنهادی، ضریب اطمینان پایداری خاکریز را بهبود بخشیده و هرگونه حرکت زمین و ترک‌خوردگی ناشی از آن در جاده و پیاده‌رو را کاهش می‌دهد.

برای مقابله با هرگونه فرسایش یا لغزش احتمالی در جلوی تیر کلاف مهارشده، یک لایه پوشش سنگی (Reno Mattress) ساخته شد و ابزارهای پایش (شیب‌سنج و پیزومتر) نیز نصب گردیدند.

سازه دیوار حائل

براساس طبقه‌بندی انجام شده سازه دیوار برای عمر مفید ۱۲۰ ساله طراحی شده است. سیستم تقویت سازه‌ای شامل یک دیوار بتنی مسلح بود که به طول تقریبی ۷۵ متر از ضلع غربی بزرگراه محافظت می‌کرد. دیوار بتنی مسلح به گونه‌ای طراحی شد که استحکام کافی برای دهانه‌های بین شمع‌های فولادی و فواصل انکرها را فراهم آورد. آرماتورگذاری به‌صورت متداول برای مقاومت در برابر لنگر خمشی و نیروهای برشی و همچنین برای تحمل بارهای موضعی در سر انکرها طراحی گردید.

دیوار بر روی ۳۶ شمع لوله‌ای فولادی با قطر تقریبی ۳۲۰ میلی‌متر قرار دارد که برای افزایش مقاومت، با بتن پر شده‌اند. ضخامت جداره شمع‌های لوله‌ای فولادی به گونه‌ای طراحی شد که در برابر بارهای جانبی مقاومت کرده و ضخامت اضافی برای خوردگی در طول عمر طراحی ۱۲۰ ساله در نظر گرفته شد. طول شمع‌ها ۹ متر بود که در لایه سنگی زیرین شیب مدفون شدند تا مقاومت برشی جانبی مورد نیاز را تأمین کنند. دیوار بتنی با استفاده از انکرهای دائمی  به پشت مهار شد (Tied-back).

انکرهای دائمی

مهارهای زمینی نصب شده در پروژه، مطابق با استاندارد BS 8081 (آیین‌نامه موسسه استاندارد بریتانیا برای اجرای انکرهای تزریقی، ۲۰۱۵) برای عمر مفید ۱۲۰ ساله طراحی و ساخته شده‌اند. مهارها از یک میلگرد رزوه پیوسته GEWI با قطر ۴۰ میلی‌متر و رده ۶۰۰/۵۰۰ با محافظت دوگانه در برابر خوردگی (DCP – Double Corrosion Protection) ساخته شده‌اند. این مهارها در یک گمانه از پیش حفر شده، با استفاده از غلاف (کیسینگ) موقت به قطر ۱۴۰ میلی‌متر و دستگاه حفاری Klemm 702 نصب شدند. انکرها به طور کامل با سیمان پرتلند معمولی (OPC) و با استفاده از لوله ترمی تزریق شده و حداقل به طول ۳ متر در سنگ بستر مهار شدند. به طور متوسط، انکرها به طول ۱۸ متر بودند که شامل طول آزاد به طول تقریبی ۱۵ متر و یک طول باند به طول ۳ متر می‌شد. مهارها با زاویه ۴۵ درجه نسبت به افق و با فاصله مرکز به مرکز ۲ متر نصب شدند.

آزمایش‌های اولیه قبل از عملیات اصلی بر روی سه انکر با بار آزمون (Proof Load) معادل ۶۰۳ کیلونیوتن انجام شد. همچنین آزمایش‌های پذیرش (Acceptance Tests) بر روی تمام مهارهای دائمی صورت گرفت. هر دو آزمایش مطابق با مشخصات BSI 2018 (BS EN-ISO:22477 – 5، روش آزمون ۱) انجام شدند. بار قفل‌شدگی (Lock-off Load) مهارهای DCP معادل ۷۰ کیلونیوتن بود.

در مجموع، ۳۶ عدد مهار زمینی دائمی با محافظت دوگانه در برابر خوردگی (DCP) در پروژه نصب شد. جزئیات هد انکرها شامل یک صفحه تکیه‌گاه گالوانیزه به ابعاد ۲۵۰×۲۵۰×۵۰ میلی‌متر، یک لوله فولادی به طول ۳۵۰ میلی‌متر و یک مهره شش‌گوش بوده که همگی در یک کلاهک گالوانیزه پر از گریس به قطر ۱۰۱ میلی‌متر محصور شدند. تمامی مهارها قابلیت پس‌تنیدگی مجدد را دارند.

انکرهای هوشمند

از میان ۳۶ انکر دائمی DCP نصب شده در پروژه، ۱۲ عدد از نوع انکر هوشمند هستند که احتمالاً اولین استفاده از این فناوری در بریتانیا محسوب می‌شود.

انکر هوشمند چیست؟

سیستم انکر هوشمند، یک دستگاه پایش یکپارچه است که داده‌های حسگر را به‌صورت لحظه‌ای دریافت، پردازش می‌کند و نهایتاً در مورد آن هشدار می‌دهد. این روش، یک دیدگاه یکپارچه از وضعیت عملکرد سیستم مهار یک سازه ارائه می‌دهد.

انکر هوشمند، انکری است که بار آن به‌طور مکرر توسط یک سنسور منحصربه‌فرد اندازه‌گیری نیرو، پایش می‌شود و داده‌های میدانی به یک پلتفرم مبتنی بر فضای ابری ارسال می‌گردد. سپس این داده‌ها از طریق هشدارها در فواصل زمانی از پیش تعیین‌شده توزیع شده و می‌توان ۲۴ ساعت شبانه‌روز به آن‌ها در پلتفرم دسترسی داشت.

اندازه‌گیری بار در انکر هوشمند در بازه‌های زمانی منظم، مثلاً هر ۱۵ دقیقه یک بار، انجام می‌شود. فرکانس اندازه‌گیری را می‌توان برای افزایش عمر باتری فرستنده (Transmitter) کاهش داد. سطوح هشدار (Alert Trigger Levels) توسط کارفرما و تیم مهندسی تعیین می‌شود و به محض رسیدن بار به این سطوح، اعلان‌ها ارسال می‌شوند. داده‌های پردازش‌شده، ارائه و تحلیل از طریق یک پلتفرم قابل دسترسی است که در این پروژه، “زیرساخت هوشمند” (Infrastructure Intelligence) نام دارد.

انکر هوشمند نه تنها برای میلگرد، بلکه برای انکرهای رشته‌ای (استرند) نیز در دسترس است و در حال حاضر تا ۷ رشته را پشتیبانی می‌کند که بار نهایی معادل ۲۲۰۰ کیلونیوتن را ارائه می‌دهد.

اجزای هد انکرهای هوشمند

ساختار حلقه پایش (Monitoring Ring)

مجموعه سر انکر برای انکرهای مونوبار (میلگرد) و رشته‌ای یکسان است و قابلیت افزودن یک حلقه پایش (Monitoring Ring) را دارد. حلقه پایش، یک سنسور اندازه‌گیری نیرو (لودسل حلقوی) با چندین جفت کرنش‌سنج  در اطراف خود است. قطر حلقه پایش ۱۶۰ میلی‌متر و ضخامت آن ۳۰ میلی‌متر است. حلقه پایش از طریق یک کابل ۶ میلی‌متری به فرستنده و باتری خارجی متصل می‌شود. از دو واشر (Gasket) در دو طرف حلقه پایش برای ایجاد یک سطح صاف، غلبه بر ناهمواری‌های قطعات گالوانیزه و کاهش مشکلات ناشاقولی که ممکن است بر دقت داده‌ها تأثیر بگذارد، استفاده می‌شود.

یک صفحه توزیع (به قطر ۱۶۰ میلی‌متر و ضخامت ۴۰ میلی‌متر) تحت بار، برای فشرده کردن واشرها و حلقه پایش بر روی صفحه تکیه‌گاه استفاده می‌شود. واشرها، حلقه پایش، صفحه توزیع و مهره شش‌گوش همگی در داخل کلاهک انکر قرار می‌گیرند که برای محافظت در برابر خوردگی با گریس پر می‌شود. فرستنده و باتری در خارج قرار گرفته و در حفره‌های انکرها برروی دیوار حائل پروژه نصب شده‌اند. فرستنده، داده‌های لحظه‌ای هر انکر را به یک مرکز قرائت  در نزدیکی ارسال می‌کند و سپس این داده‌ها به‌طور امن از طریق یک درگاه مرکزی به پلتفرم مبتنی بر فضای ابری منتقل می‌شوند.

پلتفرم زیرساخت هوشمند (Infrastructure Intelligence)

داده‌های لحظه‌ای و ارائه آن‌ها به‌صورت ۲۴ ساعته از طریق پلتفرم مبتنی بر فضای ابری قابل دسترسی است. این سیستم با اصول اولویت‌بندی امنیت با استفاده از ارتباطات رمزگذاری‌شده بین درگاه اینترنت اشیا (IoT Gateway) و فضای ابری طراحی شده و بر روی فناوری مایکروسافت آزور (Microsoft Azure) ساخته شده است.

داده‌ها را می‌توان بر روی نمایشگرهای سفارشی مشاهده کرد که گزینه‌های نمایش شامل دوقلوی دیجیتال سه‌بعدی (3D Digital Twins)، نمودارهای روند قابل تنظیم (Trend Charts)، داده‌های جدولی، نقشه‌ها و فایل‌های PDF است. امکان بررسی دقیق هر انکر برای مشاهده عملکرد بار و اطلاعات اضافی مانند گزارش‌های حفاری و نتایج آزمایش انکر که در قالب PDF ذخیره شده‌اند، وجود دارد.

دوقلوی دیجیتال سه‌بعدی به کاربر امکان می‌دهد تا سایت مجازی را از روی میز کار خود، گویی در محل حضور دارد، پیمایش کند. این شامل حرکت بر روی و زیر سازه‌ها و مشاهده هر المان از زاویه ۳۶۰ درجه است. این پلتفرم همچنین با استفاده از به‌روزرسانی‌های اندازه‌گیری از راه دور، یک نمایش دیجیتال به‌روز از محیط سایت ارائه می‌دهد. نمودارهای مبتنی بر زمان و نمودارهای تغییرات با عمق  نیز در دسترس هستند.

نمودار تغییرات با عمق برای نمایش قرائت‌های شیب‌سنج و پیزومتر سایت استفاده می‌شوند، در حالی که نمودارهای مبتنی بر زمان، عملکرد بار انکرها دائمی را نشان می‌دهند. نمودارها دارای نوارهای رنگی برای نمایش سطوح هشدار هستند و هشدارها از طریق ایمیل یا پیامک (SMS) ارسال می‌شوند. امکان مقایسه تمام نیروهای سر انکرها بر روی یک نمودار و همچنین مقایسه تمام داده‌ها و دانلود آن‌ها برای هر بازه زمانی مشخص وجود دارد. ذخیره‌سازی اسناد مرتبط با یک انکر خاص و کل سایت نیز ممکن است.

این برنامه بر روی تمام دستگاه‌ها از رایانه رومیزی، تبلت تا تلفن همراه کار می‌کند و از مرورگرهای بومی دستگاه‌ها استفاده می‌کند. همچنین می‌توان کدهای QR را به سر انکر متصل کرد که با اسکن توسط دوربین دستگاه، کاربر را مستقیماً به داده‌های خاص آن انکر در پلتفرم زیرساخت هوشمند هدایت می‌کند.

نتیجه‌گیری

با وجود اجرای چندین مرحله عملیات ترمیمی، شیب خاکریز واقع در حدفاصل دریاچه Bala  و بزرگراه A494 در شمال ولز همچنان دچار فرسایش و ناپایداری بود. ازاین‌رو، مشاور ژئوتکنیک پروژه مأمور شد تا راهکاری جدید برای پایدارسازی این خاکریز ارائه دهد. راهکار منتخب، اجرای یک سیستم دیوار حائل مهارشده در امتداد محدوده بحرانی به طول حدود ۱۸۰ متر بود که از شمع‌های فولادی مدفون در سنگ بستر، یک تیر کلاف بتن‌آرمه و انکرهای دائمی تشکیل می‌شد.

در این طرح، شمع‌های لوله‌ای فولادی در سنگ بستر اجرا شدند و یک دیوار بتن‌آرمه به طول تقریبی ۷۵ متر برای حفاظت از خط غرب‌رو بزرگراه A494 احداث شد. این سازه با عمر طراحی ۱۲۰ سال، به گونه‌ای طراحی گردید که ضمن انتقال مؤثر بارها بین شمع‌ها و انکرهای دائمی، مقاومت و سختی لازم را برای کنترل تغییرشکل دیوار و پایدارسازی خاکریز تأمین کند.

از مجموع ۳۶ انکر دائمی با سیستم محافظت دوگانه در برابر خوردگی (Double Corrosion Protection – DCP)، تعداد ۱۲ انکر به سامانه پایش هوشمند مجهز شدند که به احتمال زیاد، نخستین کاربرد این فناوری در بریتانیا به شمار می‌رود. در این سیستم، نیروی وارد بر هر انکر به‌صورت پیوسته و با فواصل زمانی قابل تنظیم، توسط یک حسگر اختصاصی اندازه‌گیری نیرو پایش شده و داده‌ها به‌صورت لحظه‌ای (Real-Time) به یک فضای ابری منتقل می‌شوند. این قابلیت، امکان پایش از راه دور عملکرد سیستم مهار و صدور هشدارهای زودهنگام در صورت تغییرات غیرعادی بار را فراهم می‌کند.

همچنین، تلفیق داده‌های انکرهای هوشمند با اطلاعات حاصل از شیب‌سنج‌ها و پیزومترهای نصب‌شده در سایت، تصویری جامع از رفتار ژئوتکنیکی شیب و عملکرد سیستم پایدارسازی ارائه می‌دهد. این اطلاعات علاوه بر صحت‌سنجی فرضیات طراحی، امکان کالیبراسیون مدل‌های عددی و بهینه‌سازی طرح‌های مشابه در پروژه‌های آینده را نیز فراهم می‌سازد. در نتیجه، با بهره‌گیری از رویکرد نگهداری پیشگیرانه و پایش هوشمند، می‌توان منابع مهندسی را بر نقاط بحرانی متمرکز کرد، زمان حضور نیروهای فنی در محل را کاهش داد و در نهایت، ایمنی و قابلیت اطمینان سازه را افزایش داد.