اجرای روش تاپ دان به چه صورتی انجام می گیرد؟اجرای روش تاپ دان

با توجه به افزایش روز افزون جمعیت، یکی از مشکلاتی که با آن مواجه شده ایم تامین فضاهای مسکونی، اداری و … می باشد. همین مساله باعث شده است که بسیاری از ایده­ پردازان شهری به استفاده ­ی همزمان ارتفاع و عمق زمین، برای ساختمان سازی توجه کنند. اما آیا روشی مطمئن و سریع برای ساخت و ساز در عمق زمین سراغ دارید؟ آیا استفاده از شمع برای پایدار سازی گودبرداری روشی مناسب است؟

در این مقاله جامع ابتدا به معرفی روش تاپ دان خواهیم پرداخت و سپس تمامی مراحل اجرای تاپ دان در ساختمان ها و تونل ها را آموزش خواهید دید.

1. روش­ های مرسوم پایدارسازی گودبرداری

از آنجایی که همواره در پروژه‌های با گودبرداری عمیق، احتمال خطر ریزش دیواره گود وجود دارد، بررسی و شناخت دقیق لایه‌های خاک و تعیین و طراحی دقیق سازه‌ی نگهدارنده گود، اهمیت بسیار زیادی داشته و گاهی زمان زیادی صرف مطالعات ژئوتکنیک و طراحی سازه نگهبان می‌گردد. بر اساس دانش مهندسی و بررسی‌های انجام شده یکی از روش‌های زیر یا ترکیبی از آنها برای پایدارسازی گودها تعیین می‌شود:

روش سازه نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structures)

روش مهار فشاری (مهار متقابل) دیواره‌های گود (Strut)

روش میخ کوبی دیواره‌های گود (Nailing)

روش دوخت به پشت (Tie back) یا مهار کششی دیواره‌های گود (Anchorage)

دیوار دیافراگمی (Diaphragm Pile Wall)

دیوار برلنی (Berliner Wall)

روش سپرکوبی (Sheet Pile)

روش اجرای شمع (pile)

روش ساخت از بالا به پایین (Top/Down Construction)

در ادامه، در رابطه با روش ساخت از بالا به پایین توضیحات کامل ارائه خواهد شد.

2. روش تاپ دان چیست؟

روش ساخت از بالا به پایین به عنوان تحول عظیمی در ساخت سازه‌های بزرگ زیر زمینی (تونل)، برای اولین بار در دهه ۷۰ میلادی، در ساخت ایستگاه‌های متروی شهرهای پاریس و میلان مورد استفاده قرار گرفت و به نام روش (Cut & cover) شناخته شد. اساس این روش بر مبنای پیشرفت سازه تونل درون گودبرداری و سپس پرکردن محیط خارجی تونل با مصالح خاکریزی پس از تکمیل سازه تونل می‌باشد. این روش ساخت بیشتر برای ساخت تونل‌های سطحی اقتصادی، و قابل قبول می‌باشد.

عملیات تونل سازی به روش (Cut & cover) به دو نوع مختلف معرفی شده است:

روش ساخت از بالا به پایین (top-down)

پایین به بالا (bottom-up)

در سال 1935 میلادی در توکیو ژاپن، گودبرداری یک ساختمان دارای زیر زمین به علت افزایش سرعت ساخت، با این روش انجام شد. در سال 1950 میلادی در شهر میلان ایتالیا کمپانی ICOS ترکیب دیوار دیافراگرامی و ساخت بالا به پایین را اجرا نمود. به مرور زمان تحقیقات بسیاری در امریکا، اروپا و بخصوص شرق آسیا در این زمینه صورت گرفت. این روش نوین ساخت و ساز، تاکنون در کشورهای مختلفی چون انگلستان، امریکا، فنلاند، چین، روسیه، ویتنام، سنگاپور و ایران متناسب با نوع نیاز ساختگاه، در پروژه‌های زیرزمینی (تونل و مترو) و برج‌های بلند دارای زیرزمین‌های متعدد، مورد استفاده قرار گرفته است.

2. 1 پروژه‌های اجرا شده با روش تاپ دان

در این بخش برخی از پروژه‌های مهمی که در دنیا و همچنین در ایران به این روش ساخته شده‌اند، معرفی شده است.

1. برج تجاری اداری هرون لندن (Heron Tower):

یک آسمان‌خراش ۴۶ طبقه به ارتفاع ۲۰۲ متر (۶۶۳ فوت) و مساحت زیربنای آن ۴۶۱۴۷۸ فوت‌مربع (۴۳۰۰۰ مترمربع)، با کاربری اداری-تجاری است، که در شهر لندن، بریتانیا مستقر می‌باشد. پروژه ساخت این ساختمان در سال ۲۰۰۷ آغاز شد و در سال ۲۰۱۱ تکمیل و افتتاح گردید.

2. برج تجاری ویتنام (Bitexco Financial Tower )

یک آسمان خراش به ارتفاع 5/262 متر و با 68 طبقه و سه زیر زمین واقع در شهر Ho Chi Minh City ویتنام که در سال 2011 میلادی تکمیل و افتتاح شد.

3. برج شانگ‌های چین(Shanghai Tower)

یک آسمان‌خراش ۱۲۱ طبقه به ارتفاع ۵۶۷ متر، با کاربری اداری -تجاری است، که در شهرشانگ‌های چین  مستقر می‌باشد. پروژه ساخت این ساختمان در سال ۲۰۰۸ آغاز شد و در سال ۲۰۱۶ به اتمام رسید. این ساختمان هم‌اکنون بلندترین ساختمان چین و دومین ساختمان بلند جهان به‌شمار می‌آید.

4. مجتمع (Marina Bay Sands) سنگاپور (2010 میلادی)

مساحت مجتمع تفریحی – استراحتی مارینا بی سندز 38 هکتار بوده که معماری آن به صورت سه برج 57 طبقه به ارتفاع ۱۹۴ متر است. این مجتمع چندین منظوره دارای هتل، کازینو، موزه و مغازه‌های تجاری است. ۳ برج این مجموعه توسط یک تراس آسمان ۱ هکتاری بر روی سقف آنها به یکدیگر متصل شده‌اند. نام این تراس آسمان ” پارک آسمان شن ها ” است.

همچنین در بالای این مجموعه یک پارک هوایی با ظرفیت ۳۹۰۰ نفر قرار دارد که شامل یک استخر ۱۵۰ متری می­شود. استخری که ۱۹۱ متر از سطح زمین بالاتر است. مساحت کل این مجموعه ۲۰ هکتار است. تاریخ افتتاح رسمی این مجموعه سال ۲۰۱۰ بود.

پروژه‌های بسیاری با رویکردهای متفاوت در نقاط مختلف جهان به روش تاپ دان انجام شده است، برخی از مهم‌ترین آنها عبارت است از:

ساختمان دفتر مرکزی شرکت بانکداری هنگ کنگ و شانگ های چین

مرکز festival walk هنگ کنگ

مرکز تجارت بین المللی IFC هنگ کنگ

ساختمان زینگیه بانک شانگ های در چین

Wynn’s Casino Macau در چین

مرکز خرید گالریز لندن در انگلستان

بلوک اداری خیابان ویکتوریا در لندن

مرکز theAlfa Arbat Centre درمسکو روسیه

ایستگاه متروی Buona Vista MRT Station در سنگاپور

مرکز آئودی در جنوب فنلاند

هالیوود پلازا در امریکا

Marriott Hotels در ایالات متحده آمریکا

ساختمانBAN CENTER در زاگرب کرواسی

پروژه ایستگاه قطار شهری اهواز

مجتمع تجاری لاهور اصفهان

پروژه ساختمانی شیخ بهایی

پروژه مسکونی شقایق تهران

پروژه چهارباغ تبریز و پروژه‌های بسیاری که در حال اجرا می‌باشند

مراحل اجرای روش تاپ دان (TOP-DOWN) در ساخت برج‌های بلند با زیرزمین‌های متعدد چیست؟

مانند تمام پروژه‌های عمرانی، یکی از مهمترین مراحل، فاز صفر (مطالعات) می‌باشد. پس از تکمیل مطالعات ژئوتکنیک و شناخت کامل و دقیق لایه‌های خاک محل پروژه، تعیین سطح آب های زیرزمینی، بررسی وضعیت همجواری ها، بررسی اندرکنش سازه و خاک، تعیین دقیق بارهای وارد بر شمع‌ها و دیوار دیافراگمی پیرامونی در مراحل مختلف اجرای سازه، تعیین بارهای ثقلی و جانبی وارد بر سازه، با هماهنگی کامل طراح ژئوتکنیک و سازه، جزئیات اجرایی سازه آماده می­ گردد. این مرحله حساس‌ ترین بخش کار است، چرا که کوچکترین خطا در محاسبات، ممکن است منجر به شکست پروژه گردد.

2.2  مراحل اجرای روش تاپ دان

برای هر پروژه متناسب با نوع و شرایط خاص آن ممکن است روند اجرای تاپ دان اندکی متفاوت باشد. به طور کلی مراحل اجرای تاپ دان به شرح زیر می‌باشد:

۱- مرحله اول: اجرای دیوارهای حائل محیطی:

به منظور پایدارسازی خاک دیواره گود، ابتدا دیوارهای حائل محیطی زیر زمین تا عمق مشخصی پایین‌تر از تراز زیر پی اجرا می‌شوند تا به سنگ بستر با ظرفیت باربری مدنظر برسند. این دیوارها که در ابتدا نقش سازه نگهبان موقت را دارند، در مراحل بعدی به عنوان دیوار سازه‌ای دائمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صورت بالا بودن تراز آب های زیرزمینی در این مرحله سیستم آب­ بندی (Water Proof) نیز اجرا می­گردد.

بسته به شرایط پروژه، مقتضیات طرح و مطالعات ژئوتکنیک، جهت ممانعت از ریزش خاک، دیوارهای حائل محیطی می‌توانند با یکی از روش‌های زیر اجرا شوند:

دیوار بتن آرمه درجا

دیوارهای دیافراگمی پیش ساخته بتنی با استفاده از روش دوغاب بنتونیت

شمع‌های سکانتی

شمع‌های پیوسته

سپری‌های فولادی

ستون­ های جت گروتینگ (Jet-Grouting)

دیوار حائل دیافراگمی به دلیل مزایای فراوان آن نسبت به سایر روش‌های اجرایی در ساخت دیوارهای محیطی سازه زیرزمینی، کاربرد بیشتری دارد.

به منظور اتصال دیوارهای حائل به دال سقف زیر زمین‌ها، باید در ترازهای مشخص، صفحات انتظار برای اتصالات بعدی پیش بینی شوند.

2- مرحله دوم: حفاری محل شمع‌های باربر میانی از زیر تراز ستون‌ها و دیوارهای همکف و نصب ستون های باربر میانی

شمع‌ها که به عنوان فونداسیون سازه می‌باشند، با روش‌های مرسوم تا عمق مشخص حفاری شده و تا تراز فونداسیون بتن ریزی می‌شوند. بسته به نوع پروژه، در صورت نیاز افزایش ظرفیت باربری ستون، لازم است تا از شمع‌های با انتهای پدستالی استفاده شود. این شمع‌ها دارای عمق مدفون مناسب برای انتقال بار سازه به بستر سنگی مناسب هستند.

ستون‌های باربر میانی سازه زیر زمینی، به کمک یکی از تکنیک‌های زیر، در بالای شمع‌ها اجرا می­شوند:

ستون بتنی‌ درجا با مقاطع مربع، مستطیل و یا دایره‌ای بر اساس تجهیزات حفاری موجود

ستون‌ بتنی پیش ساخته

ترکیب ستون‌های لاغر با ژاکت بتنی در حین ساخت سازه اصلی

ستون­ مرکب فولادی

۳- مرحله سوم: اجرای دال همکف (سقف نهایی سازه زیر زمینی)

پس از اجرای ستون‌های باربر میانی، کف زمین رگلاژ شده و با در نظر گرفتن محل بازشوهای دسترسی به طبقات پایین، بتن مگر و آرماتوربندی دال کف طبقه همکف در تراز بالای شمع‌ها و دیوارهای پیرامونی اجرا شده و بتن ریزی دال طبقه همکف بر روی زمین طبیعی انجام می ­شود. در واقع این دال بتنی و ستون‌های میانی در حکم فونداسیون موقت سازه می‌باشد.

موقعیت و ابعاد بازشو‌های دسترسی دال کف، باید به گونه‌ای انتخاب شود که علاوه بر تأمین قابلیت مانور ماشین‌آلات حفاری و حمل و نقل، دسترسی مناسب به تمامی طبقات پایین‌تر برای بتن‌ریزی و عملیات اجرایی وجود داشته باشد و حتی الامکان هیچ‌یک از ستون‌ها یا اعضای باربر سازه‌ای، درون محدوده بازشو قرار نگیرد. در اطراف بازشوها، باید تمهیدات لازم جهت آرماتوربندی و بتن ریزی نهایی دال جهت بستن بازشو، پس از تکمیل فونداسیون و خروج ماشین آلات درنظر گرفته شود. ‌دال بتنی با سختی زیاد علاوه بر اینکه به عنوان یک مهار متقابل قوی در مدت انجام خاکبرداری عمل می‌کند، مانع انتقال صدا نیز به محیط اطراف می­ شود.

۴- مرحله چهارم: شروع خاکبرداری از طبقه زیر همکف 

پس از تکمیل سقف نهایی و رسیدن دال بتنی به مقاومت مورد نظر، با قرار گرفتن ماشین‌آلات حفاری در محل بازشو‌ها، عملیات گودبرداری تا تراز اجرایی سقف پایین‌تر، ادامه می‌یابد. در ابتدای حفاری عمدتاً از بیل مکانیکی معکوس جهت سرعت‌دهی به امر خاک‌برداری استفاده می‌شود و با ایجاد رمپ با شیب مناسب، راهی برای عبور و مرور ماشین‌آلات حمل وخروج مصالح ایجاد می‌گردد. روش خروج مصالح از درون بازشو‌ها بر اساس عمق و ابعاد سازه زیرزمینی و بدون ایجاد رمپ نیز امکان‌پذیر است.

پس از رسیدن به تراز‌ مورد نظر برای اجرای دال سقف، با رگلاژ نمودن کف زمین طبیعی و اجرای بتن مگر، مراحل اجرای سقف بعدی با آرماتور‌بندی و بتن‌ریزی بر روی زمین طبیعی اجرا می‌شود. اتصال سقف به ستون‌ها و دیوارهای محیطی با استفاده از یکی از تکنیک‌های اتصالات جوشی یا مکانیکی روی صفحات انتظار تعیین شده از قبل، انجام می‌گیرد. وضعیت زمین‌شناسی لایه‌های خاک، ارتفاع دقیق حفاری و انتخاب نوع ماشین‌آلات با ارتفاع کوتاه‌تر و توان بیشتر از نکاتی است که در زمان اجرای این مرحله باید مورد توجه قرار گیرد.

در این مرحله ساخت سازه بالای تراز زمین به طور موازی و هم‌زمان می‌تواند آغاز شود. نکته حائز اهمیت در اجرای روسازه این است که در همه مراحل اجرایی باید تعادل بارگذاری روسازه و تحمل سازه باربر زیرزمینی در نظر گرفته شود. این بدین معنی است که متناسب با تعداد زیرزمین‌های اجرا شده، ارتفاع روسازه افزایش یابد.

۵- مرحله پنجم: تکرار مرحله ۴ تا رسیدن به اجرای فونداسیون

فرآیند ذکر شده در گام قبل برای سایر ترازها تا رسیدن به پایین‌ترین تراز سازه تکرار خواهد شد.

6- مرحله ششم: اجرای آرماتوربندی و بتن ریزی لایه تکمیلی دیوارهای پیرامونی و ستون های میانی

پس از تکمیل عملیات گودبرداری و اجرای فونداسیون وخروج ماشین آلات، اقدام به آرماتوربندی و اجرای بتن لایه دوم اطراف ستون های فولادی و بخش داخلی دیوار دیافراگمی جهت باربری دائمی سازه می‌شود. استفاده از فونداسیون متکی بر شمع در این روش، توصیه شده است.

در ادامه مراحل مختلف روش تاپ‌دان در قالب یک تصویر مشاهده می‌شوند.

2. 2. 1 اتصال ستون‌ها به دال بتنی در روش تاپ دان

از آنجایی که این روش ساخت، معکوس حالت متداول است، لذا باید در هنگام اجرای ستون ها موارد زیر را در نظر گرفت:

در تراز سقف زیر زمین‌ها باید تمهیدات لازم جهت اتصال صحیح ستون و دال در نظر گرفته شود. در صورتی که ستون‌ها از نوع بتنی باشند، باید صفحات اتصال انتظار در روی شبکه آرماتوربندی بطور صحیح تعبیه گردد. اتصال سقف به ستون‌ها و دیوارهای اصلی با استفاده از یکی از تکنیک‌های اتصالات جوشی یا مکانیکی انجام می‌گیرد.

2. 2. 2 اجرای آب بندی اتصال شیاری دال سقف به دیوارهای محیطی

مراحل اجرای آب بندی اتصال شیاری دال سقف به دیوارهای محیطی به شرح زیر است:

بر اساس نقشه طراحی شده، پانل‌های فومی روی شبکه میلگردهای فولادی دیوار دیافراگمی در محل اتصال قرار می‌گیرند.

وقتی عمق گودبرداری به تراز اتصالات سقف و دیوار رسید، پانل‌های فوم را از بین می‌برند.

داخل شیار با استفاده از ملات سیمان، پر می‌شود.

رول ضد آب اجرا می‌شود.

شبکه آرماتور فولادی از کف بتنی عبور می‌کند.

3.2  مراحل اجرای تونل و مترو به روش تاپ دان

مراحل اجرای روش تاپ دان (TOP-DOWN) در ساخت تونل و مترو به چه صورتی است؟

مراحل اجرایی تونل اندکی با ساختمان­ های بلند متفاوت است که در ادامه در این رابطه توضیحاتی ارائه شده است.

• مرحله اول: اجرای دیوارهای حائل محیطی

دیوار حائل زیر زمینی، که معمولاً یک دیوار دیافراگمی بتنی یا شمع‌های سکانتی است، قبل از شروع خاکبرداری نصب می‌شود که در نهایت به عنوان دیوار نهایی سازه‌ی تونل می‌باشند.

• مرحله دوم: شروع مرحله اول گودبرداری پس از نصب وادار فولادی تا تراز زیر دال بتنی

خاکبرداری تا زیر تراز سقف سازه زیر زمینی انجام می‌شود. مهارهای فولادی متقابل (Strut) برای حفاظت از دیوارهای حائل در مقابل فشار جانبی خاک و جلوگیری از تغییرشکل جانبی آنها نصب می‌شوند.

• مرحله سوم: احداث دالی بتنی با تعبیه بازشوی دسترسی

پس از گودبرداری تراز اول، دال نهایی سطحی اجرا می‌شود. در این مرحله امکان استفاده از سطح فوقانی تونل فراهم شده و ادامه کار در زیر سطح زمین دنبال می‌شود. دال بتنی در تراز زیر استرات ها با تعبیه بازشوهای دسترسی لازم، به دیوارهای محیطی متصل می‌شود. این دال با سختی بالا به عنوان مهاری قوی مانع تغییرشکل دیوارهای محیطی شده و به نوعی هم مانع انتقال صدای ماشین آلات به خارج از گود می‌شود.

• مرحله چهارم: تکرار مرحله قبل تا رسیدن به تراز فونداسیون

• مرحله پنجم: تکمیل فونداسیون و دیوارهای سازه‌ای داخلی تونل

پس از تکمیل فونداسیون سازه و خروج ماشین آلات حفاری از محل بازشوها، دیوارهای بتنی مضاعف محیطی با آرماتوربندی دوبله به سمت بالا اجرا می‌شوند. پس از آن بازشوهای دسترسی دال سقف بسته می‌شوند.

• مرحله ششم: خاکریزی نهایی سطح فوقانی تونل

پس از تکمیل سازه زیرزمینی، عملیات خاکریزی تا تراز استرات ها انجام شده و در ادامه استرات های میانی حذف شده و خاکریزی تا سطح زمین ادامه می‌یابد.

2. 3. 1 مزایای اجرای روش تاپ دان در ساخت تونل

در این روش امکان بهره برداری سریع از سطح بالای تونل وجود دارد (عدم تداخل با رفت و آمد شهری)

پس از تکمیل تونل، دیوارهای گودبرداری به عنوان دیوار سازه‌ای دائمی به کار می‌روند.

دال‌های سازه‌ای به عنوان مهارهای داخلی برای دیواره‌های گود عمل می‌کنند، بنابراین باعث کاهش تعداد استرات های موردنیاز و کاهش ضخامت موردنیاز دیوارهای محیطی می‌شود.

کاهش حجم بتن ریزی و صرفه‌جویی در هزینه و کاهش خارج شدن کربن

صرفه جویی در هزینه‌های ساخت تونل به علت عدم نیاز به اجرای جداگانه سازه نگهبان موقت خاک

کاهش مدت عملیات ساخت به دلیل همپوشانی مراحل اجرایی ساخت سازه، تاسیسات برقی و مکانیکی و کوتاه شدن برنامه زمان بندی ساخت

کاهش آلودگی محیطی ناشی از عملیات خاکبرداری

عدم نیاز به نصب پشت‌بند‌ برای گودبرداری

به حداقل رساندن امکان جابجایی خاک دیواره گود بدلیل حضور استارت‌ها و دال بتنی

کاهش امکان نشست‌ خاک

امکان تجهیز کارگاه بالای سطوح گودبرداری و عدم نیاز به اشغال معابر پیرامون گود

محافظت قسمت‌های گودبرداری شده از خارج و عدم تأثیر شرایط جوی بر روی فعالیت‌های کارگاه به دلیل سرپوشیده بودن آن و حذف خطرات مربوطه

2. 4 تفاوت روش تاپ‌دان در سازه‌های فلزی و بتنی

آنچه اجرای روش تاپ دان در سازه اسکلت فلزی و بتنی را از هم متمایز می‌نماید، روش اجرا، برنامه زمان­‌بندی، روش حمل و انبار مصالح، نوع اتصالات و مبانی و الزامات طراحی و اجرا می‌باشد. به عنوان مثال لازم است جهت اتصال ستون فلزی به شمع بتنی پایه و اتصال آن به دیوار دال بتنی با توجه به شرایط هر پروژه تمهیداتی محاسبه و در نظر گرفته شود که متفاوت با اسکلت بتنی است.

نکات مهم در مورد بازشوهای دال بتنی و رمپ‌های موقت

تعیین موقعیت، تعداد و ابعاد بازشوهای دال بتنی از جمله مسائل مهم در روش تاپ دان است. بسته به وسعت دال و حجم مصالح خاکبرداری و عمق خاکبرداری، ممکن است نیاز به تعبیه رمپ‌های مجزا برای ورود و خروج ماشین الات باشد. به عنوان مثال در پروژه مرکز تجارت بین المللی IFC هنگ کنگ، از شفت‌های موقتی جهت خروج مصالح حاصل از خاکبرداری استفاده شده بود. نکته مهم دیگر، پیش بینی آرماتورهای انتظار پیرامون بازشوها جهت اجرای نهایی دال و بستن بازشوها به نحو مناسب می‌باشد.

2. 5 تکنیک حفاری مضاعف (Double-Bit)

این روش برای تسریع ساخت زیر زمین‌ها در چند پروژه از جمله مرکز تجارت بین المللی IFC هنگ کنگ استفاده شد