مرجع تخصصی آب و فاضلاب

میکروتونلینگ (Microtunneling): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای میکروتونلینگ

میکروتونلینگ یک فناوری بدون حفاری باز برای نصب لوله ها با قطر کوچک تا متوسط (معمولاً ۶۰۰–۳۵۰۰ میلیمتر) است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم میشود:

• روش هدایتشونده (Guided Microtunneling):

  • استفاده از سیستمهای هدایت لیزری یا ژیروسکوپی برای کنترل دقیق مسیر.

  • مناسب برای مسیرهای مستقیم یا منحنی با شعاع زیاد.

• روش غیرهدایتشونده (Unmanned Microtunneling):

  • بدون نیاز به اپراتور در داخل دستگاه.

  • ایدهآل برای مسیرهای کوتاه و مستقیم.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر:

  • شعاع خمش (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق حفاریL=طول مسیر،D=عمق حفاری.

  • حداکثر زاویۀ انحراف: ۱-۲ درجه (برای دقت بالا).

• محاسبۀ نیروی رانش (Thrust Force):
  F=μ×W×L+Fسیال+Fخاک

  • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن لوله، L=طول مسیر

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

  • Fخاک=مقاومت خاک

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع چاه

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه میکروتونلینگ (MTBM):

  • سر مته (Cutterhead): مجهز به تیغههای فولادی یا الماسه برای خاکهای سخت.

  • سیستم هدایت: لیزر، ژیروسکوپ، یا سیستم های اینرشیال.

  • سیستم رانش: جکهای هیدرولیک با ظرفیت ۱۰۰-۱۰۰۰ تُن.

• لوله های پیشساخته:

  • جنس: بتن مسلح، فولاد، یا GRP (فایبرگلاس).

  • اتصالات: آببند با گسکتهای لاستیکی.

• سیستم سیال حفاری:

  • دوغاب بنتونیت: برای روانکاری، خنک‌سازی، و حمل خاک.

  • پمپ و مخزن: تزریق مداوم سیال.

• سیستم جداسازی خاک:

  • هیدروسیکلون و فیلتر: جداسازی خاک از سیال حفاری.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک و سطح آب زیرزمینی.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند Plaxis یا FLAC).

۲. حفر چاله های ورودی و خروجی:

• چالۀ ورودی (Launch Shaft): برای نصب دستگاه.

• چالۀ خروجی (Receiving Shaft): برای جمع‌آوری دستگاه پس از اتمام کار.

۳. نصب دستگاه میکروتونلینگ:

• مونتاژ دستگاه در چالۀ ورودی و اتصال به سیستم رانش.

• کالیبراسیون سیستم هدایت.

۴. فرآیند حفاری:

• شروع حفاری با سر مته و تزریق سیال حفاری.

• حمل خاک به سطح با سیستم پمپاژ.

• نصب لوله ها بهصورت مرحله ای با جک های هیدرولیک.

۵. هدایت و کنترل مسیر:

• نظارت بر مسیر با سیستم های لیزری یا ژیروسکوپی.

• اصلاح انحرافات با تنظیم جک های هیدرولیک.

۶. پایان کار و تست نهایی:

• خارج‌کردن دستگاه از چالۀ خروجی.

• تست فشار و آببندی لوله ها.

۵. چالش ها و راهکارها

• ریزش خاک:

  • راهکار: افزایش فشار سیال حفاری یا استفاده از افزودنی های پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ یا لوله های قدیمی):

  • راهکار: تغییر مسیر یا استفاده از متههای الماسه.

• انحراف از مسیر:

  • راهکار: کالیبراسیون دقیق سیستم هدایت و نظارت مداوم.

۶. مزایای میکروتونلینگ

• دقت بالا: انحراف کمتر از ۲۵ میلیمتر در مسیرهای طولانی.

• حداقل تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌ های حساس.

• سرعت اجرا: پیشروی ۱۰-۳۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• امنیت: عدم نیاز به حضور اپراتور در داخل تونل.

۷. کاربردهای اصلی

• نصب خطوط فاضلاب، آب، و گاز.

• عبور از زیر رودخانه ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، و مناطق تاریخی.

میکروتونلینگ بهعنوان یک روش پیشرفته و دقیق، برای پروژه‌های زیرزمینی با نیاز به دقت بالا و حداقل اختلال در سطح زمین ایده‌آل است. انتخاب تجهیزات و روش اجرا به شرایط خاک، عمق، و طول مسیر بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری افقی هدایت شده (HDD): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای HDD

HDD یک فناوری بدون حفاری باز برای نصب لوله ها و کابل ها در زیر زمین با عبور از موانعی مانند رودخانه ها، جاده ها یا سازه هاست. مراحل اصلی عبارتند از:

• حفاری مرحلۀ اولیه (پایلوت هول):

  • ایجاد یک چاه کوچک (قطر ۱۰۰-۲۰۰ میلیمتر) با استفاده از مته هدایت شونده و سیال حفاری.

  • مسیر با دستگاههای مکان‌یابی الکترونیکی (مانند سیستمهای Walkover یا Wireline) ردیابی میشود.

• گشادسازی (Reaming):

  • افزایش قطر چاه با استفاده از ریمر (Reamer) به اندازۀ ۱.۵ برابر قطر لوله نهایی.

• کشش لوله (Pullback):

  • لوله (مانند HDPE یا فولاد) از انتهای مسیر به داخل چاه کشیده میشود.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر حفاری:

  • شعاع خمش مجاز (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق حفاریL=طول مسیر،D=عمق حفاری.

  • حداکثر زاویۀ خمش: ۸-۱۵ درجه (برای جلوگیری از شکست لوله).

• محاسبۀ نیروی کشش (Pull Force):
  F=μ×W×L+Fسیال​

  • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن لوله، L=طول مسیر

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع چاه

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه HDD:

  • رانش و گشتاور: قابلیت رانش ۱۰۰-۱۰۰۰ تُن و گشتاور بالا برای خاکهای سخت.

  • سیستم کنترل: مانیتورینگ زاویۀ مته، فشار سیال، و موقعیت در لحظه.

• مته و ریمر:

  • مته پایلوت: مجهز به فرستندۀ موقعیت (Beacon).

  • ریمرهای مخروطی یا بالونی: برای گشادسازی چاه.

• سیستم سیال حفاری (Bentonite Slurry):

  • مخزن و پمپ: تزریق دوغاب بنتونیت برای روانکاری، خنک‌سازی، و جلوگیری از ریزش خاک.

• لوله های HDPE:

  • مقاوم در برابر خوردگی و انعطاف پذیر (با درجۀ DR مناسب).

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک، سطح آب زیرزمینی، و موانع.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند BoreAid یا DrillPath).

۲. حفاری پایلوت هول:

• شروع حفاری از چالۀ ورودی با زاویۀ ۸-۱۵ درجه.

• ردیابی مسیر با دستگاه Walkover یا Gyro-Based.

۳. گشادسازی چاه:

• جایگزینی مته با ریمر و افزایش تدریجی قطر چاه.

• تزریق مداوم سیال حفاری برای پایداری دیواره.

۴. کشش لوله:

• اتصال لوله به ریمر و کشش آن از چالۀ خروجی به ورودی.

• نظارت بر فشار کشش و همترازی لوله.

۵. تست و بازرسی:

• تست فشار لوله (برای خطوط آب یا گاز).

• پرکردن فضای خالی با دوغاب سیمانی (در صورت نیاز).

۵. چالشها و راهکارها

• ریزش خاک:

  • راهکار: افزایش چگالی سیال حفاری یا استفاده از افزودنیهای پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ یا لولههای قدیمی):

  • راهکار: تغییر مسیر با سیستم هدایت دقیق یا استفاده از متههای الماسه.

• خمش بیش از حد لوله:

  • راهکار: کاهش سرعت کشش و انتخاب لوله با قابلیت انعطاف بالا (مانند HDPE).

۶. مزایای HDD

• حداقل تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌های حساس.

• عبور از عمق زیاد: تا ۵۰ متر عمق و ۲ کیلومتر طول.

• سرعت اجرا: نصب ۵۰۰-۱۰۰۰ متر در روز (بسته به شرایط).

۷. کاربردهای اصلی

• نصب خطوط آب، گاز، فاضلاب، و کابل های فیبر نوری.

• عبور از زیر رودخانه ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، و مناطق تاریخی.

HDD به عنوان یک روش پیشرفته و پایدار، جایگزین مناسبی برای حفاری باز است. موفقیت پروژه به دقت در طراحی مسیر، انتخاب تجهیزات، و مدیریت سیال حفاری وابسته است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

CIPP (Cured-In-Place Pipe): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای CIPP

CIPP یک فناوری بدون حفاری برای بازسازی لوله های فرسوده با قراردادن یک لاینر رزینی در داخل لوله موجود است. روش های اصلی عبارتند از:

• روش معکوس سازی (Inversion):

  • لاینر رزینی با استفاده از فشار هوا یا آب به داخل لوله فرستاده شده و به دیواره میچسبد.

  • مناسب برای لوله های با قطر ۱۰۰–۲۰۰۰ میلیمتر.

• روش کششی (Pull-In-Place):

  • لاینر از طریق یک چاله وارد لوله شده و با وینچ کشیده میشود.

  • ایده آل برای لوله های بلند یا مسیرهای مستقیم.

• روشهای پخت:

  • پخت با آب گرم/بخار: اعمال حرارت (۸۰–۱۲۰°C) برای سخت شدن رزین.

  • پخت با نور UV: استفاده از لامپ های UV برای پخت سریع رزین (زمان اجرا کاهش مییابد).

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبه ضخامت لاینر:
  t=(P×D)/2×S​
  P=فشار داخلی، D=قطر لوله، S=مقاومت کششی رزینP=فشار داخلی،D=قطر لوله،S=مقاومت کششی رزین.

• حجم رزین مورد نیاز:
  V=π×D×L×tرزین​
  L=طول لوله، tرزین=ضخامت لایه رزین

• زمان پخت:
  وابسته به دمای محیط و نوع رزین (معمولاً ۲–۸ ساعت برای رزینهای اپوکسی).

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• لاینر:

  • پارچۀ نمدی یا فایبرگلاس آغشته به رزین ترموست (اپوکسی، وینیل استر).

  • مقاوم در برابر خوردگی و سایش.

• دستگاه معکوسسازی (Inversion Drum):

  • مخزن تحت فشار برای واردکردن لاینر با استفاده از هوا/آب.

• سیستم پخت:

  • دیگ بخار/پمپ آب گرم: برای پخت با دمای ۸۰–۱۲۰°C.

  • لامپهای UV: برای پخت سریع در ۱۵–۶۰ دقیقه.

• تجهیزات کمکی:

  • دوربین CCTV: برای بازرسی قبل و بعد از اجرا.

  • پمپ خلأ: برای اطمینان از اشباع کامل رزین.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه:

• بازرسی لوله با CCTV برای شناسایی شکستگیها، رسوبات، یا انسداد.

• اندازهگیری دقیق قطر و طول لوله.

۲. پاکسازی لوله:

• استفاده از جت های آب پرفشار یا دستگاه های مکانیکی برای حذف رسوبات.

۳. آمادهسازی لاینر:

• اشباع لاینر با رزین در کارخانه یا محل پروژه.

• نصب سر هدایتگر برای کاهش اصطکاک.

۴. نصب لاینر:

• روش معکوس سازی: لاینر با فشار هوا/آب به داخل لوله فرستاده میشود.

• روش کششی: لاینر با وینچ از چاله ورودی به خروجی کشیده میشود.

۵. پخت رزین:

• اعمال حرارت (آب گرم/بخار) یا نور UV برای سختشدن رزین.

• نظارت بر دما با سنسورهای حرارتی.

۶. برش انتهاها و اتصالات:

• بازکردن اتصالات و برش لاینر اضافی با ربات های برش.

۷. تست نهایی:

• بازرسی با CCTV برای اطمینان از چسبندگی کامل.

• تست فشار آب برای بررسی نشتی.

۵. چالش ها و راهکارها

• چسبندگی ناقص رزین:

  • راهکار: استفاده از پمپ خلأ برای حذف حبابهای هوا.

• خم های تیز در مسیر:

  • راهکار: انتخاب لاینرهای انعطافپذیر با پارچۀ فایبرگلاس.

• زمان پخت طولانی:

  • راهکار: استفاده از رزینهای پختشونده با UV.

۶. مزایای CIPP

• کاهش هزینه ها: نیاز به حفاری محدود و عدم تخریب سطح.

• سرعت اجرا: بازسازی تا ۱۰۰ متر در روز.

• عمر طولانی: تا ۵۰ سال با مواد باکیفیت.

۷. کاربردهای اصلی

• بازسازی لوله های فاضلاب، آب، و گاز.

• عبور از زیر سازه های حساس (مانند رودخانهها یا جادهها).

CIPP یک راهکار پایدار برای بازسازی شبکه های زیرزمینی با کمترین اختلال است. انتخاب روش پخت (بخار، آب گرم، یا UV) به شرایط پروژه، بودجه، و نوع رزین بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

لاینینگ (Slip Lining): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای لاینینگ

این روش برای بازسازی لوله های فرسوده بدون حفاری گسترده با قراردادن لوله جدید در داخل لوله قدیمی استفاده میشود. انواع اصلی عبارتند از:

• لاینینگ پیوسته (Continuous Slip Lining):

  • استفاده از لوله های پلیاتیلن (HDPE) یا PVC که بهصورت پیوسته جوش داده شده و به داخل لوله قدیمی کشیده میشوند.

  • مناسب برای لوله های با طول زیاد و قطر متوسط (تا ۱۲۰۰ میلیمتر).

• لاینینگ قطعهای (Segmental Slip Lining):

  • استفاده از لوله های کوتاه (مانند GRP یا فولاد) که به صورت قطع های در داخل لوله قدیمی نصب میشوند.

  • مناسب برای لوله های با قطر بزرگ یا مسیرهای پیچیده.

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبه قطر لوله جدید:
  Dnew=Dold−2×tliner−فاصلۀ آزاد

  • tliner​=ضخامت لاینر.

  • کاهش قطر لوله باید بهگونهای باشد که حداقل ۸۵٪ ظرفیت هیدرولیکی لوله قدیمی حفظ شود.

• محاسبه افت فشار پس از نصب:

  • استفاده از معادلۀ منینگ یا هیزن-ویلیامز با در نظر گرفتن قطر کاهشیافته و زبری لاینر.

  • مثال:
    Q=n1​×A×R2/3×S1/2
    n=ضریب زبری منینگ، A=سطح مقطع، R=شعاع هیدرولیک

• نیروی کششی مورد نیاز:
  Fpull​=μ×W×L+Fbending​

  • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن لوله جدید، L=طول مسیر

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• سیستم کششی:

  • وینچ هیدرولیک با ظرفیت ۲۰-۱۰۰ تُن (بسته به قطر و جنس لوله).

  • غلتک های هدایتگر برای جلوگیری از آسیب به لوله جدید در هنگام کشش.

• لوله جدید:

  • HDPE: مقاوم در برابر خوردگی و انعطافپذیر (برای مسیرهای منحنی).

  • GRP (فایبرگلاس): سبک و مقاوم در برابر فشارهای خارجی.

• دستگاه جوش HDPE:

  • برای اتصال لوله های پلیاتیلن با روش الکتروفیوژن یا بات فیوژن.

• پمپ تزریق دوغاب:

  • برای پرکردن فضای حلقوی بین لوله قدیمی و جدید با دوغاب سیمانی یا رزین.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه:

• بازرسی لوله قدیمی با دوربین CCTV برای شناسایی شکستگیها، رسوبات، یا انحرافات.

• اندازه گیری دقیق قطر و زبری سطح داخلی.

۲. پاکسازی لوله قدیمی:

• استفاده از دستگاه رودور (Rodder) یا جتهای آب پرفشار برای حذف رسوبات و زباله ها.

۳. آماده سازی لوله جدید:

• جوشکاری لوله های HDPE بهصورت پیوسته در محل پروژه.

• نصب سر هدایتگر (Leading Edge) برای کاهش اصطکاک در حین کشش.

۴. کشش لوله جدید:

• لوله جدید از طریق چالۀ ورودی (Launch Pit) به داخل لوله قدیمی کشیده میشود.

• نیروی کششی توسط وینچ هیدرولیک اعمال شده و همترازی لوله با سنسورهای نوری کنترل میشود.

۵. تزریق دوغاب:

• فضای خالی بین لوله قدیمی و جدید با دوغاب سیمانی یا رزین اپوکسی پر میشود تا از حرکت جانبی لاینر جلوگیری شود.

۶. تست نهایی:

• تست فشار آب یا هوا برای اطمینان از آببندی.

• بازرسی نهایی با CCTV.

۵. چالشها و راهکارها

• کاهش قطر لوله:

  • راهکار: استفاده از لاینرهای با سطح داخلی صیقلی (مانند HDPE) برای جبران افت فشار.

• انسداد در مسیر کشش:

  • راهکار: پیشپاکسازی دقیق لوله قدیمی و استفاده از سر هدایتگر با قابلیت عبور از موانع.

• ترک خوردگی لوله جدید در حین کشش:

  • راهکار: محدودکردن نیروی کششی و استفاده از لوله های با مقاومت کششی بالا (مثلاً HDPE با گرید PE100).

۶. مزایای لاینینگ

• کاهش هزینه ها: نیاز به حفاری محدود و عدم تخریب سطح معابر.

• سرعت اجرا: نصب تا ۱۰۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• افزایش عمر لوله: تا ۵۰ سال با استفاده از مواد مقاوم.

۷. کاربردهای اصلی

• بازسازی لوله های آب، فاضلاب، و گاز با قطر ۱۰۰-۱۲۰۰ میلیمتر.

• عبور از زیر جاده ها، رودخانه ها، یا مناطق تاریخی بدون آسیب به محیط.

با استفاده از لاینینگ، شبکه های فرسوده با کمترین اختلال در زیرساختهای شهری بازسازی میشوند. انتخاب بین لاینینگ پیوسته و قطعی به عواملی مانند قطر لوله، انعطاف پذیری ماده، و بودجه پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب