روش نوین بتن‌ریزی زیر تراز آب زیرزمینی با شیلنگ انعطاف‌پذیر پرفشار

بتن‌ریزی زیر تراز آب، به‌ویژه در گودبرداری‌های عمیق شهری، یکی از عملیات‌های چالش‌برانگیز در اجرای سازه‌های زیرزمینی است. تماس مستقیم بتن تازه با آب می‌تواند موجب شسته‌شدن ذرات سیمان، جداشدگی سنگدانه‌ها، افت مقاومت و کاهش کیفیت بتن نهایی شود. ازاین‌رو، انتقال و جایگذاری پیوسته بتن در محل موردنظر، بدون ایجاد آشفتگی و اختلاط با آب، اهمیت ویژه‌ای دارد.

روش یکی از روش‌های متداول برای بتن‌ریزی زیرآبی است، اما استفاده از لوله‌های صلب در گودهای شهری، به‌خصوص در شرایطی که فضای کاری محدود، هندسه پیچیده یا دسترسی دشوار باشد، می‌تواند مانورپذیری و انعطاف‌پذیری عملیات را محدود کند. در مقابل، استفاده از شیلنگ‌های انعطاف‌پذیر معمولی برای انتقال بتن تحت فشارهای بالا نیز با مشکلاتی نظیر تغییر شکل، سایش و خطر پارگی یا ترکیدگی همراه است.

در سال‌های اخیر، توسعه شیلنگ‌های تخصصی پمپ بتن با ساختار چندلایه و تقویت‌شده، امکان ترکیب انعطاف‌پذیری موردنیاز برای هدایت شیلنگ با مقاومت بالا در برابر فشار و سایش را فراهم کرده است. در این سیستم‌ها، لایه‌های پلیمری داخلی و خارجی در کنار چندین لایه تقویت‌کننده فولادی، ضمن تأمین مقاومت مکانیکی، امکان انتقال بتن در مسیرهای پیچیده و شرایط کاری دشوار را فراهم می‌کنند.

بر اساس طراحی‌های جدید این شیلنگ‌ها، استفاده از آرایش متناوب رشته‌های فولادی با جهت‌های مخالف S-twist و Z-twist، علاوه بر افزایش مقاومت در برابر فشار داخلی، به حفظ انعطاف‌پذیری و کاهش تمایل شیلنگ به پیچ‌خوردگی کمک می‌کند. برخی از این شیلنگ‌ها برای فشار کاری مداوم حدود 130 bar و فشار ترکیدگی در محدوده 275 تا 300 bar طراحی شده‌اند و در قطرهای داخلی متداول 4 تا 5 اینچ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بر این اساس، هدف این مقاله بررسی امکان استفاده از شیلنگ‌های انعطاف‌پذیر تقویت‌شده برای بتن‌ریزی زیر تراز آب، تشریح اصول و الزامات اجرایی این روش و مقایسه آن با روش متداول Tremie است. این رویکرد می‌تواند به‌ویژه در پروژه‌های گودبرداری شهری که محدودیت فضا و دسترسی، استفاده از سیستم‌های صلب را دشوار می‌کند، مورد توجه قرار گیرد.

روش بتن‌ریزی زیرآبی با شیلنگ انعطاف‌پذیر

بتن‌ریزی زیرآبی با شیلنگ انعطاف‌پذیر بر پایه انتقال پیوسته بتن از طریق یک سیستم پمپاژ تحت فشار و جایگذاری کنترل‌شده آن در محل موردنظر استوار است. اصل اساسی این روش، کاهش تماس مستقیم بتن تازه با آب و جلوگیری از پدیده‌هایی مانند شسته‌شدن سیمان، جداشدگی سنگدانه‌ها و افت کیفیت بتن است. برای این منظور، بتن باید به‌صورت پیوسته به محل بتن‌ریزی منتقل شود و دهانه خروجی شیلنگ در محدوده بتن تازه قرار گیرد تا بتن جدید به‌تدریج بتن قبلی را جابه‌جا کرده و فضای موردنظر را پر کند.

در این فرآیند، بتن آماده ابتدا وارد قیف شده و سپس توسط پمپ به داخل خط انتقال رانده می‌شود. پمپ با ایجاد فشار موردنیاز، بتن را در طول مسیر حرکت داده و از طریق شیلنگ انعطاف‌پذیر به محل نهایی منتقل می‌کند. عملکرد پایدار سیستم به عواملی مانند ظرفیت و فشار پمپ، طول و قطر شیلنگ، ارتفاع و عمق بتن‌ریزی، تعداد خم‌های مسیر و قابلیت پمپاژ بتن وابسته است. همچنین، تداوم عملیات اهمیت زیادی دارد؛ زیرا توقف‌های طولانی می‌تواند احتمال انسداد خط، افت کارایی بتن و اختلال در فرآیند بتن‌ریزی را افزایش دهد.

آرایش کلی سیستم شامل پمپ بتن، خط انتقال و شیلنگ انعطاف‌پذیر است. شیلنگ، که می‌تواند در قطرهای متداول پمپاژ بتن مانند ۴ و ۵ اینچ مورد استفاده قرار گیرد، امکان هدایت بتن به نقاطی را فراهم می‌کند که دسترسی به آنها با لوله‌های صلب دشوار است. در صورت نیاز، شیلنگ با استفاده از تجهیزات بالابری یا سیستم‌های نگهدارنده در موقعیت مناسب قرار گرفته و دهانه خروجی آن در محدوده موردنظر هدایت می‌شود. این ویژگی، به‌ویژه در گودهای شهری با فضای کاری محدود یا هندسه پیچیده، می‌تواند مزیت اجرایی قابل‌توجهی ایجاد کند.

پمپ بتن وظیفه ایجاد جریان و غلبه بر مقاومت‌های موجود در مسیر انتقال را بر عهده دارد، در حالی که شیلنگ باید علاوه بر انعطاف‌پذیری، در برابر فشار داخلی، سایش ناشی از عبور سنگدانه‌ها و بارهای دینامیکی ناشی از عملکرد پمپ مقاومت کافی داشته باشد. به همین دلیل، شیلنگ‌های تخصصی پمپ بتن معمولاً از ساختار چندلایه شامل یک لایه داخلی مقاوم در برابر سایش، لایه‌های تقویت‌کننده فولادی و پوشش خارجی محافظ تشکیل می‌شوند. آرایش مناسب لایه‌های تقویت‌کننده، امکان دستیابی همزمان به مقاومت مکانیکی و انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند.

مشخصات فنی شیلنگ پمپ بتن

شیلنگ معرفی‌شده در پتنت WO2023002456A1 برای انتقال بتن تحت فشار بالا طراحی شده و نمونه‌های آن با فشار کاری حداقل ۱۳۰ بار و فشار ترکیدگی ۲۷۵ تا ۳۰۰ بار قابل طراحی هستند. قطر داخلی نمونه‌های مورد بررسی نیز حدود ۴ تا ۵ اینچ است که امکان انتقال مخلوط بتن با اندازه متداول سنگدانه را فراهم می‌کند.

ویژگی اصلی این شیلنگ، استفاده از تقویت‌کننده‌های فولادی چندلایه است که مقاومت آن را در برابر فشار داخلی و بارهای ناشی از پمپاژ افزایش می‌دهد. آرایش متناوب این تقویت‌کننده‌ها نیز به حفظ پایداری شیلنگ در هنگام خم‌شدن و تغییر مسیر کمک می‌کند. در کنار آن، لایه داخلی مقاوم در برابر سایش، دوام شیلنگ را در برابر عبور مداوم بتن و سنگدانه‌ها افزایش می‌دهد.

ترکیب این ویژگی‌ها باعث می‌شود شیلنگ ضمن تحمل فشارهای بالای انتقال بتن، انعطاف‌پذیری و قابلیت هدایت مناسبی داشته باشد. از این رو، استفاده از چنین شیلنگ‌هایی می‌تواند در شرایطی که مسیرهای انتقال پیچیده یا فضای کافی برای استقرار و جابه‌جایی لوله‌های صلب وجود ندارد، مزیت اجرایی ایجاد کند.

روش اجرایی بتن‌ریزی

اجرای بتن‌ریزی زیر تراز آب با شیلنگ انعطاف‌پذیر بر پایه انتقال پیوسته بتن، کنترل موقعیت دهانه خروجی و جلوگیری از تماس مستقیم بتن تازه با آب انجام می‌شود. روند کلی اجرا را می‌توان در چند مرحله اصلی خلاصه کرد.

مرحله اول: استقرار و آماده‌سازی سیستم

ابتدا پمپ بتن در محل مناسب مستقر و شیلنگ با قطر متناسب با ظرفیت پمپ و شرایط پروژه به خط انتقال متصل می‌شود. پیش از شروع عملیات، مسیر انتقال، اتصالات و شیلنگ باید از نظر آب‌بندی، سلامت و آمادگی برای پمپاژ کنترل شوند. همچنین محل بتن‌ریزی باید به‌گونه‌ای آماده شود که امکان هدایت و جابه‌جایی کنترل‌شده شیلنگ فراهم باشد.

مرحله دوم: استقرار شیلنگ در محل بتن‌ریزی

به کمک تجهیزات نگهدارنده یا بالابری، شیلنگ در موقعیت موردنظر قرار می‌گیرد. در بتن‌ریزی زیر آب، دهانه خروجی در ابتدا در نزدیک‌ترین نقطه به کف محل بتن‌ریزی قرار داده می‌شود. هدف این است که بتن از پایین شروع به تجمع کرده و با پیشرفت عملیات، تراز بتن افزایش یابد؛ بنابراین، از تخلیه آزاد بتن از ارتفاع و ایجاد تلاطم در آب جلوگیری می‌شود.

مرحله سوم: شروع و تداوم پمپاژ

بتن آماده از طریق قیف وارد پمپ شده و توسط سیستم پمپاژ به داخل شیلنگ رانده می‌شود. پمپاژ باید تا حد امکان پیوسته و با دبی کنترل‌شده انجام گیرد تا از ایجاد وقفه، انسداد خط و اختلال در کیفیت بتن جلوگیری شود. فشار موردنیاز نیز باید متناسب با طول و هندسه مسیر انتقال، ارتفاع پمپاژ، ویژگی‌های بتن و ظرفیت تجهیزات تعیین شود و نباید صرفاً بر اساس حداکثر فشار قابل‌تحمل شیلنگ انتخاب شود.

مرحله چهارم: جایگذاری و کنترل تراز بتن

با خروج بتن از شیلنگ، بتن تازه به‌تدریج در محل تجمع یافته و آب موجود را به سمت بالا و اطراف جابه‌جا می‌کند. همزمان با افزایش تراز بتن، موقعیت شیلنگ نیز به‌صورت کنترل‌شده تغییر می‌کند، به‌گونه‌ای که دهانه خروجی در محدوده بتن تازه باقی بماند. این موضوع یکی از مهم‌ترین الزامات روش است، زیرا خروج دهانه از بتن تازه و تخلیه مستقیم بتن در آب می‌تواند احتمال شسته‌شدن سیمان، جداشدگی سنگدانه‌ها و کاهش کیفیت بتن را افزایش دهد.

مرحله پنجم: پایان عملیات و شست‌وشوی شیلنگ

پس از رسیدن بتن به تراز طراحی، پمپاژ متوقف و شیلنگ به‌صورت کنترل‌شده از محل خارج می‌شود. بلافاصله پس از پایان عملیات، خط انتقال و شیلنگ باید مطابق دستورالعمل سازنده و الزامات پروژه تمیز و شست‌وشو شوند تا از باقی‌ماندن و سخت‌شدن بتن در داخل مجرا و کاهش قابلیت استفاده مجدد جلوگیری شود. همچنین شیلنگ باید از نظر سایش، آسیب‌دیدگی، اتصالات و تغییرشکل پس از هر عملیات مورد بازرسی قرار گیرد.

در مجموع، پیوستگی پمپاژ، کنترل موقعیت دهانه خروجی، مناسب بودن طرح اختلاط بتن و کنترل وضعیت شیلنگ مهم‌ترین عوامل مؤثر بر موفقیت این روش هستند. برخلاف برخی برداشت‌های ساده از این روش، افزایش فشار پمپ به‌تنهایی تضمین‌کننده عملکرد مناسب نیست و پارامترهای پمپاژ باید متناسب با شرایط واقعی پروژه تعیین شوند.

مقایسه با روش Tremie

روش Tremie یکی از روش‌های متداول بتن‌ریزی در زیر تراز آب است که در آن بتن از طریق یک لوله نسبتاً صلب و پیوسته به محل بتن‌ریزی منتقل می‌شود. در مقابل، روش مورد بررسی در این مقاله از پمپاژ بتن از طریق شیلنگ انعطاف‌پذیر تقویت‌شده استفاده می‌کند. تفاوت اصلی این دو روش، بیش از آنکه به اصل بتن‌ریزی زیرآبی مربوط باشد، به نحوه انتقال بتن، انعطاف‌پذیری مسیر و نحوه کنترل دهانه خروجی بازمی‌گردد.

انعطاف‌پذیری و قابلیت مانور

در سیستم Tremie، مسیر انتقال به دلیل استفاده از لوله‌های صلب، هندسه مشخص‌تری دارد و تغییر مسیر یا جابه‌جایی محل تخلیه معمولاً به تجهیزات بالابری و تنظیم مجدد مجموعه لوله نیاز دارد. این موضوع در فضاهای محدود، شمع‌های متعدد یا هندسه‌های پیچیده می‌تواند زمان اجرای عملیات را افزایش دهد.

در مقابل، شیلنگ انعطاف‌پذیر امکان تغییر مسیر و موقعیت دهانه خروجی بدون جابه‌جایی کل خط انتقال را فراهم می‌کند. بنابراین، در پروژه‌های شهری که محدودیت فضا و دسترسی وجود دارد، این ویژگی می‌تواند یکی از مهم‌ترین مزایای اجرایی روش باشد.

نحوه انتقال بتن و کنترل جریان

در Tremie، جریان بتن عمدتاً تحت تأثیر وزن ستون بتن و اختلاف ارتفاع موجود در سیستم قرار دارد و حفظ پیوستگی بتن داخل لوله اهمیت اساسی دارد. در مقابل، در روش شیلنگ انعطاف‌پذیر، بتن توسط پمپ بتن در طول مسیر انتقال رانده می‌شود و امکان کنترل دبی و تداوم جریان از طریق سیستم پمپاژ فراهم است.

عملکرد شیلنگ تحت فشار

یکی از محدودیت‌های شیلنگ‌های انعطاف‌پذیر معمولی، کاهش پایداری آن­ها در اثر فشار داخلی و بارهای مکانیکی است. طراحی شیلنگ مورد بررسی با استفاده از چند لایه تقویت‌کننده فولادی و آرایش متناوب رشته‌ها، برای افزایش مقاومت در برابر فشار و تغییرشکل توسعه یافته است.

الزامات اجرایی و کنترل کیفیت

هر دو روش به پیوستگی بتن‌ریزی و جلوگیری از تماس نامطلوب بتن تازه با آب وابسته‌اند. در روش Tremie، حفظ غوطه‌وری انتهای لوله در بتن تازه و جلوگیری از خروج آن از بتن اهمیت زیادی دارد. در روش شیلنگ نیز دهانه خروجی باید در محدوده بتن تازه باقی بماند و پمپاژ به‌صورت کنترل‌شده ادامه پیدا کند.

بنابراین، استفاده از شیلنگ انعطاف‌پذیر را نباید جایگزینی بدون قیدوشرط برای Tremie دانست؛ بلکه این روش در شرایطی بیشترین مزیت را دارد که محدودیت فضا، دشواری دسترسی، نیاز به تغییر موقعیت دهانه خروجی یا پیچیدگی مسیر انتقال وجود داشته باشد.

نتیجه‌گیری

شیلنگ پیشرفته پمپ بتن با ترکیب انعطاف‌پذیری، مقاومت مکانیکی و دوام بالا، راهکاری مؤثر برای بتن‌ریزی در شرایط پیچیده، چاه‌های عمیق و محیط‌های زیر تراز آب زیرزمینی محسوب می‌شود. ساختار مارپیچی و ضربدری رشته‌های فولادی، امکان تحمل فشار کاری حداقل ۱۳۰ بار و فشار ترکیدگی ۲۷۵ تا ۳۰۰ بار را فراهم می‌کند، و لایه داخلی ضدسایش و پوشش مقاوم در برابر UV، دوام و عمر مفید تجهیز را افزایش می‌دهند.

در مقایسه با سیستم‌های صلب و روش‌های سنتی مانند Tremie، انعطاف‌پذیری این شیلنگ امکان هدایت و توزیع آسان‌تر و پمپاژ پیوسته بتن را فراهم کرده و می‌تواند به کاهش زمان اجرا، افزایش ایمنی و کاهش هزینه‌های عملیاتی منجر شود. بنابراین، این فناوری ظرفیت قابل‌توجهی برای بهبود عملیات بتن‌ریزی در پروژه‌های شهری، زیرآبی و سازه‌های عمیق دارد.

منابع

Dede, I., Can Karabulut, B., Aptiogullari, E., Cabadak, N., Yalvac, V., & Deveci, F. (2023). Hose for Pumping Concrete (WIPO Patent No. WO 2023/002456 A1). World Intellectual Property Organization.