روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن

در توسعه شتابان شهرها و افزایش ساخت‌وسازهای مسکونی، درمانی و آموزشی، هر مترمربع زمین تبدیل به یک دارایی راهبردی شده است. مهندسان عمران برای بهره‌برداری حداکثری از فضا، ناچار به ساخت سازه‌های بلندمرتبه و زیرزمین‌های عمیق هستند و این یعنی نقطه شروع پروژه، یعنی عملیات خاکی، نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت، ایمنی و هزینه نهایی دارد.

با این حال، دو واژه پرکاربرد «خاک‌برداری» و «گودبرداری» هنوز هم توسط بسیاری از افراد به اشتباه به جای هم استفاده می‌شود، در حالی که از نظر فنی، حقوقی و اجرایی کاملاً متفاوت‌اند. تمایز این دو فرآیند، پایه سیاست‌گذاری ایمنی در پروژه‌هاست.

در این مقاله تخصصی، قصد داریم با نگاهی عمیق به استانداردها و تکنیک‌های روز دنیا، تفاوت‌ها و الزامات این دو فرآیند را بررسی کنیم.

تعاریف فنی و مرزبندی قانونی عملیات خاکی

بر اساس مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان:

خاک‌برداری (Excavation)

اصلاح سطح زمین برای رسیدن به تراز اجرایی است. عمق معمولاً کمتر از ۶۰ سانتی‌متر است و ریسک ریزش یا نیاز به سازه نگهبان در آن بسیار کم است.

گودبرداری (Deep Excavation)

هر عملیاتی که کف آن پایین‌تر از سطح زمین مجاور باشد و پایداری دیواره‌ها نیازمند طراحی مهندسی باشد، گودبرداری محسوب می‌شود.
در گودهای عمیق، عمق معمولاً از عمق پی همسایه بیشتر است یا نسبت ارتفاع به عرض، پایداری را تهدید می‌کند.

این بخش، مرز میان یک پروژه کنترل‌شده و یک فاجعه مهندسی است.

اهمیت مطالعات ژئوتکنیک پیش از اجرا

هیچ عملیات خاکی نباید بدون داشتن گزارش مکانیک خاک آغاز شود. نوع خاک (چسبنده، دانه‎ای، ریزشی)، سطح آب زیرزمینی، ضریب چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی خاک، پارامترهایی هستند که روش اجرا را دیکته می‌کنند. در پروژه‌هایی که شرکت جهان پیکر صبا در حوزه ساخت فضاهای درمانی و بیمارستانی انجام می‌دهد، به دلیل وجود بارهای سنگین و حساسیت بالای سازه نسبت به نشست، آزمایش‌های برجا (In-situ) و آزمایشگاهی با دقت مضاعف انجام می‌شود. این مطالعات مشخص می‌کند که آیا روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن در آن منطقه خاص نیازمند زهکشی (Dewatering) هستند یا خیر. وجود آب در لایه‌های خاک می‌تواند فشار هیدرواستاتیک پشت دیواره‌ها را افزایش داده و پایداری گود را تهدید کند.

تکنیک‌های متداول خاک‌برداری سطحی و تسطیح

در عملیات خاک‌برداری سطحی که معمولاً برای آماده‌سازی محوطه، جاده‌سازی و یا رسیدن به کد روی پی در زمین‌های مسطح انجام می‌شود، تمرکز بر سرعت و حجم عملیات است. ماشین‌آلاتی نظیر اسکریپرها، گریدرها و بولدوزرها نقش اصلی را ایفا می‌کنند. در این مرحله، خطر ریزش دیواره‌ها کمتر است و شیب‌بندی (Slope) مناسب معمولاً برای پایداری کافی است.

یکی از نکات مهم در این مرحله، مدیریت خاک‌های نباتی و سطحی است. خاک‌های حاصل از لایه رویی که حاوی مواد آلی هستند، برای استفاده مجدد در بارگذاری مناسب نیستند اما می‌توانند در فضاهای سبز پروژه مورد استفاده قرار گیرند. این رویکرد همراستا با اصول “مصالح بازیافتی ارتقایافته در معماری” پایدار است که در آن تلاش می‌شود تا حد امکان از منابع موجود در سایت پروژه استفاده بهینه شود و تولید نخاله به حداقل برسد.

تکنیک‌های پیشرفته گودبرداری عمیق شهری

برخلاف خاک‌برداری سطحی، گودبرداری عمیق نیازمند طراحی سازه نگهبان (Retaining Structure) است. انتخاب سیستم سازه نگهبان وابسته به عمق گود، سربار ساختمان‌های مجاور و جنس خاک است. در ادامه به پیشرفته‌ترین تکنیک‌هایی که در اجرای روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌پردازیم.

۱. روش خرپایی (Truss Retaining Structure)

این روش یکی از متداول‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها برای گودهای با عمق متوسط در مناطق شهری است. در این سیستم، پروفیل‌های فولادی قبل از گودبرداری در حاشیه زمین نصب می‌شوند و همزمان با پیشروی گود، خرپاهایی برای انتقال فشار خاک به کف گود اجرا می‌گردد. هرچند این روش فضای داخل گود را اشغال می‌کند و سرعت اجرا را کمی کاهش می‌دهد، اما برای پروژه‌های مسکن ملی که مدیریت هزینه‌ها اولویت دارد، گزینه‌ای کارآمد است.

۲. روش نیلینگ (Nailing) و انکراژ (Anchorage)

در پروژه‌های بزرگراهی و ساختمانی عظیم، استفاده از میخ‌کوبی (Nailing) و دوخت‌به‌پشت (Anchorage) رواج بسیاری دارد. در این روش، دیواره‌های گود با استفاده از میلگردهای فولادی که درون خاک تزریق می‌شوند، مسلح می‌گردد. رویه نهایی با شاتکریت (بتن پاشی) پوشانده می‌شود تا از هوازدگی خاک جلوگیری شود. تفاوت انکراژ با نیلینگ در اعمال نیروی پیش‌تنیدگی است. انکراژ‌ها برای کنترل تغییر شکل‌های دیواره بسیار موثرتر هستند و در گودبرداری‌های مجاور ساختمان‌های حساس قدیمی یا بیمارستان‌ها که هرگونه جابجایی خاک ممنوع است، استفاده می‌شوند.

۳. ساخت از بالا به پایین (Top-Down Construction)

این روش انقلابی در روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن محسوب می‌شود. در روش تاپ-داون، به جای اینکه ابتدا گودبرداری تمام شود و سپس فونداسیون ریخته شود، ابتدا ستون‌ها و سقف طبقه همکف اجرا می‌شود و سپس عملیات خاکی از زیر سقف به سمت پایین ادامه می‌یابد. این روش در پروژه‌هایی با محدودیت فضای کارگاهی و یا در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالاست، بسیار ایده‌آل است. شرکت‌های پیشرو در عرصه انبوه‌سازی مانند جهان پیکر صبا، در پروژه‌هایی که در مراکز پرتراکم شهری واقع شده‌اند، از این تکنیک برای حذف خطرات ریزش و تسریع در روند ساخت استفاده می‌کنند.

• مطلب پیشنهادی: روش های اجرای فونداسیون بیمارستان

عوامل موثر در انتخاب روش مناسب پایدارسازی

انتخاب از میان گزینه‌های موجود یک تصمیم چندمتغیره است. مهندسان باید پارامترهای مختلفی را در ترازوی سنجش قرار دهند تا بهترین تعادل میان ایمنی، هزینه و زمان برقرار شود.

• عمق گود: با افزایش عمق، روش‌های ساده مانند خرپا کارایی خود را از دست داده و نیاز به روش‌های ترکیبی (مانند انکراژ و شمع) احساس می‌شود.
• وضعیت همجواری‌ها: وجود ساختمان‌های قدیمی، تاسیسات شهری حساس (لوله گاز، فیبر نوری) و خیابان‌های پرتردد، استفاده از روش‌هایی که کمترین لرزش و تغییر شکل را دارند، دیکته می‌کند.
• نوع خاک: در خاک‌های ریزشی و سست، روش نیلینگ ممکن است پاسخگو نباشد و نیاز به اجرای شمع‌های درجا (Pile) قبل از گودبرداری باشد.
• مدت زمان باز بودن گود: خاک رفتار خزشی دارد؛ یعنی با گذشت زمان تغییر شکل می‌دهد. اگر قرار است گود برای مدت طولانی باز بماند، ضرایب اطمینان بالاتری باید لحاظ شود.
• بودجه پروژه: استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته مانند دیوار دیافراگمی هزینه بالایی دارد و باید با بودجه کلی پروژه همخوانی داشته باشد.

ریسک‌های پنهان و مدیریت بحران در گودبرداری

حتی با انتخاب بهترین روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن، همواره ریسک‌های پیش‌بینی نشده‌ای وجود دارد. وجود قنات‌های خشک شده، چاه‌های فاضلاب جذبی همسایگان و حفره‌های زیرزمینی می‌تواند معادلات را برهم بزند. یکی از خطرات رایج، اشباع شدن خاک بر اثر نشت آب از تاسیسات شهری است که وزن مخصوص خاک را بالا برده و فشار جانبی را به شدت افزایش می‌دهد.

در پروژه‌های حساس بیمارستانی و آموزشی، تیم مهندسی جهان پیکر صبا همواره سیستم‌های پایش دقیق (Monitoring) را نصب می‌کند. دوربین‌های نقشه‌برداری و سنسورهای تغییر شکل‌سنج (Inclinometer) به صورت لحظه‌ای هرگونه جابجایی در دیواره‌های گود و ساختمان‌های مجاور را رصد می‌کنند تا در صورت بروز کوچکترین خطر، عملیات متوقف و تدابیر اصلاحی اتخاذ شود. این سطح از دقت، بخشی جدایی‌ناپذیر از “چرخه عمر پروژه عمرانی” استاندارد است.

ماشین‌آلات و تجهیزات تخصصی

تفاوت دیگر میان خاک‌برداری سطحی و گودبرداری عمیق در نوع ماشین‌آلات است. در حالی که در تسطیح از لودرهای چرخ‌لاستیکی بزرگ استفاده می‌شود، در گودهای عمیق شهری، فضای مانور محدود است. در اینجا از بیل‌های مکانیکی با بازوی بلند (Long Reach Excavators)، مینی‌بیل‌ها (Bobcat) و تاورکرین‌ها برای خارج کردن خاک استفاده می‌شود. در روش‌های خاص مانند ساخت دیوار دیافراگمی، از دستگاه‌های حفار گراب (Grab) و هیدروفرز استفاده می‌شود که تکنولوژی بسیار پیچیده‌ای دارند.

استفاده از تجهیزات مدرن نه تنها ایمنی را بالا می‌برد، بلکه سرعت کار را نیز افزایش می‌دهد. در پروژه‌های انبوه‌سازی که زمان تحویل کلید واحدها حیاتی است، راندمان ماشین‌آلات فاکتور تعیین‌کننده‌ای است.

ملاحظات اقتصادی هزینه ایمنی در برابر هزینه حادثه

بسیاری از کارفرمایان غیرحرفه‌ای، هزینه‌های مربوط به پایدارسازی گود را هزینه‌ای سربار می‌دانند و سعی در کاهش آن دارند. اما واقعیت این است که هزینه اجرای صحیح روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن، نوعی بیمه برای کل پروژه است. ریزش گود نه تنها خسارات مالی سنگین (دیه، تخریب ماشین‌آلات، توقف پروژه) به همراه دارد، بلکه اعتبار پیمانکار را نیز خدشه‌دار می‌کند.

در بحث “انتخاب مصالح با بودجه محدود“، مهندسان خبره سعی می‌کنند با بهینه‌سازی طراحی سازه نگهبان، هزینه‌ها را مدیریت کنند، نه با حذف ایمنی. به عنوان مثال، استفاده از مش‌های فولادی با سایز بهینه یا انتخاب نوع سیمان مناسب برای تزریق در نیلینگ، راهکارهایی برای کاهش هزینه بدون افت کیفیت است.

تعامل سازه نگهبان با سازه اصلی

یکی از چالش‌های فنی در گودبرداری، تداخل عناصر سازه نگهبان با اسکلت اصلی ساختمان است. ستون‌های خرپا یا میلگردهای نیلینگ نباید مانع اجرای دیوارهای حائل اصلی یا ستون‌های سازه شوند.

در طراحی‌های مدرن، گاهی سازه نگهبان به عنوان بخشی از سازه دائم در نظر گرفته می‌شود. به عنوان مثال در روش دیوار برلنی یا دیافراگمی، خود دیوار نگهبان می‌تواند نقش دیوار حائل طبقات زیرزمین را ایفا کند و سپس با “روش های عایق کاری پروژه عمرانی” مناسب، آب‌بندی شود.

همچنین در مرحله دیوارچینی داخلی، اتصال صحیح میان دیوارهای جداکننده و سازه اصلی باید برقرار شود. استفاده از “سیستم های دیوارچینی نوین” مانند وال‌پست‌های ارتجاعی، به سازه اجازه می‌دهد تا در برابر نیروهای جانبی زلزله رفتار شکل‌پذیر داشته باشد، موضوعی که باید از همان مرحله گودبرداری و اجرای فونداسیون برای آن برنامه‌ریزی شده باشد.

الزامات زیست‌محیطی و مدیریت نخاله

حجم خاک خارج شده از گودهای عمیق پروژه‌های انبوه‌سازی بسیار زیاد است. مدیریت حمل و دفن این خاک‌ها باید طبق ضوابط محیط زیست انجام شود تا باعث آلودگی هوا و محیط شهری نشود. آب‌پاشی مداوم مسیرهای تردد کامیون‌ها، استفاده از توری‌های محافظ و شستشوی لاستیک کامیون‌ها قبل از خروج از کارگاه، الزاماتی هستند که شرکت‌های متعهدی همچون جهان پیکر صبا در بافت‌های شهری رعایت می‌کنند. همچنین تفکیک زباله‌های ساختمانی از خاک خالص، امکان بازیافت و استفاده مجدد از آن‌ها را فراهم می‌سازد.

نگاه ویژه به کاربری‌های حساس مثل بیمارستان و مدرسه

اجرای گودبرداری برای ساختمان‌هایی با ضریب اهمیت خیلی زیاد (مانند بیمارستان‌ها) حساسیت‌های مضاعفی دارد. در این پروژه‌ها، فونداسیون‌ها معمولاً ابعاد بسیار بزرگی دارند (رادیه جنرال) و عمق گودبرداری برای رسیدن به لایه‌های متراکم خاک زیاد است. همچنین تجهیزات پزشکی حساس به لرزش (مانند دستگاه‌های MRI) نیازمند تمهیدات خاص در طراحی پی و جداسازی لرزه‌ای هستند.

بنابراین، روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن در این پروژه‌ها باید به گونه‌ای انتخاب شوند که بستر خاک دست‌خوش کمترین تغییر و دست‌خوردگی (Disturbance) شود. معمولاً یک لایه ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متری در کف گود دست‌نخورده باقی می‌ماند و درست قبل از اجرای بتن مگر، به صورت دستی برداشته می‌شود تا تراکم طبیعی خاک حفظ شود. همچنین استفاده از “مصالح ساختمانی مقاوم در برابر زلزله” در اجرای شاتکریت و عناصر سازه نگهبان، اولین سد دفاعی سازه در برابر حوادث طبیعی است.

نتیجه‌گیری فنی

در نهایت، باید پذیرفت که عملیات خاکی در محیط‌های شهری، ترکیبی از دانش مهندسی، تجربه اجرایی و مدیریت ریسک است. تفاوت میان یک خاک‌برداری ساده و یک گودبرداری پیچیده، در هزاران تن فشار خاکی است که پشت دیواره‌ها کمین کرده است. تسلط بر روش‌های خاک‌برداری و گودبرداری امن و به‌کارگیری تکنولوژی‌های روز، تنها راه تضمین موفقیت در این مرحله پرچالش است. برای شرکت‌هایی که افق دید آن‌ها ساخت شهرهایی ایمن‌تر و مدرن‌تر است، ایمنی در گودبرداری نه یک انتخاب، بلکه یک اصل بنیادین و غیرقابل مذاکره است.