به منظور آگاهی از شرایط زمین شناسی و ژئوتکنیکی اعماق بیشتر زمین ، معمولا گمانه‌هایی حفر می‌شود. گمانه در واقع چاه قائمی است که توسط وسایل مکانیکی در خاک یا سنگ حفر می‌شود. گمانه‌های کم عمق گاه توسط دستگاه ساده‌ای به نام اوگر (auger) که طرز کار آن مانند مته بخاری است، حفر می‌شوند. حفاری گمانه‌ها به صورتهای مختلف انجام می‌شود. در روش حفاری ضربه‌ای پیشروی توسط ضربات پی در پی به سر مته تیغه‌ای شکل انجام می‌شود و مدار کنده شده و خرد شده هر چند مدت یکبار بوسیله ابزار مخصوصی به نام گل کش از چاه خارج می‌شود. حفاری ضربه‌ای بیشتر در آبرفتها و رسوبات ناپیوسته ، مخصوصا اکتشاف زیر زمینی بکار می‌روند. نمونه‌هایی که به این ترتیب بدست می‌آید، کاملا دست خورده است.

 

در ادامه مطلب به تشریح موارد زیر می پردازیم :

• وسایل حفر گمانه
• ماشین حفاری
• لوله‌های جدار
• لوله‌های حفاری
• مته حفاری
• روش حفر گمانه
• برنامه ریزی عملیات حفاری
• انتخاب وسایل
• فاصله بین گمانه‌ها
• عمق گمانه
• جهت یابی گمانه

وسایل حفر گمانه : اجزا اصلی یک حفاری آزمایشی یا مغزه گیری عبارت است از یک آزمایش حفاری ، لوله‌های جدار چاه ، لوله‌های حفاری ، سرمته‌های حفاری و ابزارهای نمونه گیر.

ماشین حفاری : ماشین حفاری متشکل از یک منبع تولید نیرو ، یک دکل برای بلند کردن وسایل ، یک پمپ برای جریان انداختن آب و گل (یا یک کمپرسور برای حفاری با هوا) است. وظیفه ماشین حفاری پایین بردن ، چرخاندن و بالا آوردن وسایل حفاری و گرفتن نمونه است. انواع متنوعی از ماشینهای حفاری و وسایل حفر چاه وجود دارد.

لوله‌های جدار : لوله‌های جدار چاه جهت نگاهداشتن گمانه در حالت عادی ، در آغاز حفاری و جلوگیری از ریزش دیواره آن ، که قبلا اشاره شد، بکار می‌رود. مخارج حفر یک گمانه بطور مستقیم بستگی به لوله جدار و قطر گمانه دارد. در صورتی که نیاز به قرار دادن لوله جدار در اعماق مختلف باشد، چاه شکلی تلسکوپی به خود می‌گیرد.

لوله‌های حفاری : لوله‌های حفاری ، ماشین حفاری را به مته حفاری یا نمونه گیرها وصل می‌کند. انتخاب لوله مناسب به عواملی مثل عمق پیش بینی شده برای گمانه نوع نمونه گیر انتخاب شده و قطر مغزه حفاری و از همه مهمتر قدرت ماشین بستگی دارد.

مته حفاری : مته برای بریدن خاک و سنگ بکار می‌رود. سر مته از انواع مختلفی برخور دارند. مانند مته‌های خرد کننده ، مته‌های تیغه‌ای ، مته‌های سنگی و مته‌های مغزه گیر.

 

روش حفر گمانه : مراحل مختلف حفر یک گمانه اکتشافی را به نحوه زیر می‌توان خلاصه نمود.:

1) نمونه سطحی گرفته می‌شود.

2) لوله جدار آغازین تا عمق 1 متری رانده می‌شود.

3) خاکهای داخل لوله جدار تا 10 سانتیمتری پایین تر از لبه خارج می‌شود (از همین مواد می‌توان جهت حلقه بندی مصالح استفاده کرد.)نمونه گرفته می‌شود.

4) حفاری چاه برای یک متر بعد ادامه می‌یابد. پیشروی با راندن لوله جدار و برداشتن خاکهای داخل آن (مثل مرحله 3) یا با استفاده از گل روان (جهت تثبیت دیواره چاه و بالا آوردن نمونه‌ها) انجام می‌شود.

5) چرخه فوق آن اندازه ادمه می‌یابد تا به عمق دلخواه برسیم (در حفاری یا برنامه‌های حفاری تکمیلی فواصل نمونه گیری به 3 تا 6 متر افزایش می‌یابد.)

6) در برخورد با سنگ لبه لوله جدار را در سطح سنگ قرار داده تا بتوان مغره گیری را با آب تمیز داد. آب سر مته را خنک و تمیز نگهداشته ، از کند شدن آن جلوگیری می‌کند.

7) موقعیت لوله جدار ، لوله حفاری و سر مته یا لوله حفاری و ابزارهای نمونه گیری ، در شروع هر مرحله پیشروی به دقت اندازه گیری و یادداشت می‌شود. باید دقت شود که چاه ریزش نکرده باشد و سر مته درست در ته چاه قرار گرفته باشد. همچنین نمونه گیری باید در 10 سانتیمتری زیر لوله جدار یا در عمق نهایی حفاری قبل از آغاز نمونه گیری باشد.

 

برنامه ریزی عملیات حفاری : هرگونه برنامه ریزی باید با توجه به هدفهای حفاریها و مغره گیری ، یعنی دستیابی به نمونه‌هایی از مصالح زمین شناسی برای بررسی ، طبقه بندی و انجام آزمونهای آزمایشگاهی ، اندازه گیری مشخصات فیزیکی و مهندسی مصالح برجا و دستیابی به اطلاعاتی در مورد آب زیر زمینی صورت گیرد. نحوه تکوین یک برنامه ریزی را به نحو زیر می‌توان خلاصه کرد.

انتخاب وسایل : در انتخاب وسایل باید مرحله مطالعات ، شکل سطح زمین و قابلیت دسترسی آن ، شرایط زمین شناسی ، عمق حفاری و نوع نمونه‌های مورد نیاز مورد توجه قرار گیرد.

فاصله بین گمانه‌ها : در مراحل شناسایی مقدماتی و توجیهی ، گمانه‌ها در جایی حفر می‌شود که بتواند همبریها را ، آنگونه که در نقشه زمین شناسی مهندسی رسم شده ، مشخص نماید. در شرایط یکنواخت طراحی شبکه‌ای از گمانه‌ها که فاصله آنها با توجه به وسعت ناحیه مورد بررسی ممکن است از 30 تا 100 متر باشد، واقع می‌شود.

عمق گمانه : عمق گمانه‌ها در محل گود برداریهای روباز برای ساختمانها ، بزرگراهها ، مترو و مانند آن ، و حفاریهای بسته مثل تونلها و در شرایط نامناسب تا اعماق باز هم بیشتری نفوذ کند. علاوه بر آن باید بتواند وضعیت سطح پیرو متریک را مشخص سازد. در مورد اخیر گمانه باید تا مقدار قابل ملاحظه‌ای در زیر گودبرداری پایین برود.

جهت یابی گمانه : گمانه‌های اکتشافی معمولا به صورت قائم حفر می‌شوند. از حفاری زاویه دار اغلب در توده‌های سنگی و برای اکتشاف درزها ، گسلها و حفرات انحلالی یا قرار دادن مهار در سنگ و خاک استفاده می‌شود. استفاده از حفاری افقی معمولا برای اکتشاف مسیر تونلها (گمانه پیشاهنگ) تعبیه میل مهار در سنگ و قرار دادن ابزارهای اندازه گیری یا انجام زهکشی افقی است.

باید توجه داشت که دستیابی به گمانه کاملا افقی با اغلب روشهای موجود امکان پذیر نیست. زیرا معمولا در آغاز حفاری ، گرانش زمین سر مته را به سمت پایین می‌کشد. سپس با افزایش پیشروی ، نیروی گرانش به روی وزن زیاد لوله‌های حفاری عمل می‌کند که ممکن است حرکت به سمت بالای سر مته را باعث شود. تغییرات در کیفیت سنگ نیز ممکن است در تغییر راستای گمانه تاثیر بگذارد.

 

انواع روش های حفاری:

 

1) حفاری شوئیدنی (Wash boring)

2) مته دورانی (Ratary drill)

3) اوگر مارپیچی ممتد

4) اوگر میان تهی

5) اوگرهای با قطر زیاد

6) حفاری ضربه‌ای

7) مته چکشی

8) مته ضربه‌ای بادی

9) روش توربینی

10) ماشین های حفر تونل ( نحوه تخلیه ، قیمت آنها ، اجزاء این ماشین ها )

 

1) حفاری شوئیدنی (Wash boring)

 این حفاری برای بدست آوردن نمونه‌های خاک ، حفاری اکتشافی برای بررسیهای اولیه ، حفر گمانه برای برخی آزمونهای برجا از جمله آزمایش SPT بکار می‌رود.

روش حفاری  :بالا و پایین رفتن سر مته باعث سست شدن مواد زیر لوله تزریق آب می‌شود. آب با فشار زیاد از سوراخ سر مته خارج و خرده‌ها را به خارج هدایت می‌کند.

مزایا : نیاز به کارگری با مهارت کم دارد. در همه نقاطی که برای وسایل سبک قابل دسترس باشند، قابل اجرا است.

محدودیتها : اجرای عملیات ، مخصوصا در عمق بیش از 10 متر کند است. نفوذ در خاک مقاوم مشکل و در سنگ غیر ممکن است. خارج کردن گراول از لوله جدار مشکل است و منجر به کاهش کیفیت نمونه‌ها می‌شود. گرفتن نمونه دست نخورده مشکل است.

 

 

2) مته دورانی (Ratary drill)

این روش هم نمونه‌های خاک و سنگ را بدست می‌دهد و هم نمونه‌هایی برای انواع آزمایشهای برجا ایجاد می‌کند. این روش در حفر گمانه‌های غیر قائم برای زهکشی افقی یا ایجاد مهار کاربرد دارد. امروزه کاربرد دستگاههای حفاری چرخشی بسیار متداول شده است. این دستگاهها را می‌توان در هر نوع زمین بکار برد. ولی برتری کاربرد آنها در زمینهای نرم بیشتر است. پیشروی این دستگاهها در داخل سنگهای سخت به کندی صورت می‌گیرد. در این روش سر مته فولادی که متصل به انتهای لوله فولادی است، از سر چاه به کمک موتور ، حرکت دورانی می‌نماید. گل حفاری از داخل لوله به درون چاه تزریق شده و از اطراف لوله به سر چاه بر می‌گردد.

گل حفاری ضمن خنک کردن سر مته اعمال حمل خرده سنگهایی که بوسیله سر مته از ته چاه تراشیده شده است، به سر چاه و جلوگیری از فشار طبقات سست و ریزش آنها به داخل چاه را نیز انجام می‌دهد. با روش حفاری دورانی چاههای بسیار عمیق حفر می‌گردد. عمیق ترین چاه جهان که با این روش حفر گردیده در سال 1956 در لوئیزیانا (آمریکا) به عمق 21535 فوت بود که به نفت نرسید.

روش حفاری : پیشروی توسط سر مته برنده که در انتهای لوله حفاری قرار دارد و تحت فشار هیدرولیکی است، انجام می‌شود. دیواره چاه را معمولا گل نگاه می‌دارد.

مزایا : روشی نسبتا سریع است و می‌تواند در همه نوع مواد نفوذ کند. برای همه نوع نمونه گیری مناسب است.

محدودیتها : جابجا کردن وسایل در زمینهای ناهموار و باتلاقی مشکل است و محتاج راه مناسب است. همچنین محتاج سکوی تسطیح شده است. کارآیی حفاری با توجه به اندازه دستگاه متغیر است.

 

 

3) اوگر مارپیچی ممتد

این دستگاه سوراخهایی به قطر کوچک تا متوسط حفر می‌کند و بطور پیوسته نمونه‌های دست خورده می‌گیرد. معمولا در خاکهای دارای چسبندگی ، که چاه بدون لوله جدار ریزش نمی کند، انجام می‌شود.

روش حفاری: حفاری با چرخاندن رشته ممتد اوگرمارپیچی صورت می‌گیرد.

مزایا : روش سریع در خاکهای مقاوم و سنگ نرم است. پس از خروج اوگر ، اگر چاه باز باقی بماند، امکان نمونه گیری SPT وجود دارد.

محدودیتها : پس از خروج اوگر در مواد با چسبندگی کم یا دانه‌ای و یا بدون چسبندگی ، چاه ریزش می‌کند و لذا عمق حفاری تا نزدیکی سیستم ایستابی محدود می‌شود. روشهای نمونه گیری محدود و نمونه‌های بدست آمده دست خورده‌اند.

 

 

4) اوگر میان تهی

این دستگاه سوراخهایی با قطر کم تا متوسط برای نمونه گیری از خاک حفر می‌کند.

روش حفاری: روش حفاری مشابه حالت قبل است با این تفاوت که ساقه مجوف به داخل زمین پیچانده می‌شود تا نقش یک لوله جدا را بازی کند.

مزایا : روش سریع خاکهای ضعیف تا نسبتا مقاوم است. گرفتن نمونه‌های SPT و UD امکانپذیر است. در خاکهای مقاوم حاوی لایه‌های شنی ، نفوذ به اعماق زیاد مشکل و به داخل قطعات سنگ غیر ممکن است. دست خوردگی قابل ملاحظه‌ای ممکن است بر اثر مته اوگر در خاک بوجود آید.

 

 

5) اوگرهای با قطر زیاد

این روش برای حفر سوراخهای با قطر زیاد (تا 10 سانتیمتر) برای کسب نمونه‌های دست خورده و بررسی لایه‌ها در خاکهای دارای چسبندگی که گمانه نیاز به حایل ندارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش حفاری : با چرخاندن اوگر دارای قطر زیاد خاک بریده شده و گمانه حفر می‌شود.

مزایا : روشی سریع بوده و بررسی شرایط خاک در زیر زمین از نزدیک را امکانپذیر می‌سازد.

محدودیتها : عمق حفاری توسط سطح ایستابی و شرایط سنگ محدود می‌شود. ماشینهای بزرگتر محتاج راه دسترسی مناسب هستند. برای خاکهای بدون چسبندگی ، رسهای نرم و خاکهای آلی مناسب نیست. نمونه‌ها دست خورده است.

 

 

6) حفاری ضربه‌ای

تنها در حفاری چاههای آب بکار می‌رود. نمونه‌های شسته شده توسط گل‌کش ‌خارج می‌شود. عمق تا سنگ بستر را مشخص می‌کند.  دستگاههای حفاری ضربه‌ای و یا سوندوزهای ضربه‌ای ، دستگاههای ساده‌ای هستند که برای پژوهشهای آب یابی بسیار مناسب هستند. از این دستگاهها بیشتر برای چاههایی که در داخل سنگهای مقاوم حفر می‌شود، استفاده می‌کنند. اصول کار سوندوزهای ضربه‌ای خردکردن سنگهاست که این عمل بوسیله مته‌ای به نام مته حفاری یا ترپان انجام می‌گیرد. مته‌ها بطور منظم از ارتفاع ثابتی روی سنگ فرود می‌آیند. دستگاه مجهز به یک خرک چهار قطبی و یا یک دکل است که مته‌های حفاری بوسیله یک قرقره برگشت روی آن آویزان می‌گردند.

این مته‌ها دارای حرکت رفت و آمدی می‌باشند و به منظور اجرای مانورهای پائین و بالا رفتن ، از دستگاه رفت و برگشت جدا گردیده و به یک وسیله‌ای به نام چرخ قرقره که برای جاگذاری لوله‌ها نیز بکار می‌رود، مربوط می‌باشند. خرکهای جدا شونده ، چوبی و یا فلزی هستند. پایه‌ها روی دالهای سیمانی که قبل از مونتاژ دستگاه تهیه می‌شوند، قرار می‌گیرند. دکل‌های خم شونده یا تلسکوپی ، سوندوزهای دستگاههای حفاری خود کار قابل حمل را مجهز می‌نمایند. ممکن است که این دکلها به صورت دائمی در پشت یک کامیون ثابت شده باشند. دکلها باید بوسیله کابلهای محکم روی بلوکهای سیمانی ثابت گردند .

عمیق ترین چاه با روش ضربه ای : عمیق ترین چاه با این روش در ایالت نیویورک توسط شرکت گاز طبیعی ایالت نیویورک در سال 1948 تا 1953 تا عمق 11145 فوت حفر گردید که به نفت نرسید.

روش حفاری : سر مته سنگین بالا آورده شده و رها می‌شود تا مواد شکسته شده و یک مخلوطی از خرده‌ها و آب ایجاد شود که توسط گل‌کش با پمپهای ماسه کش خارج می‌شود. دیواره چاه توسط لوله جدار ، پابرجا نگاه داشته می‌شود.

مزایا : روشی نسبتا اقتصادی جهت تعبیه گمانه‌های با قطر زیاد (تا 60 سانتیمتر) در انواع مواد است.

محدودیتها : ابزارها بزرگ و پر زحمت است. در خاکهای قوی و سنگ به کندی انجام می‌شود. اغتشاشات اطراف سر مته که ناشی از ضربات پر انرژی سر مته است، به شدت بر مقادیر SPT تاثیر می‌گذارد. مغزه گیری و نمونه UD سنگ امکانپذیر نیست.

 

 

7) مته چکشی

برای حفر چاه آب و چاههای اکتشافی در داخل قطعه سنگها مناسب است.

روش حفاری : مشابه حفاری ضربه‌ای است. شمعی که توسط نیروی دیزل رانده می‌شود برای راندن لوله جدار مضاعف استفاده می‌شود. در حالی که جریان هوا تراشه‌ها را از لوله داخلی خارج می‌کند.

مزایا : نفوذ نسبتا سریع در قطع سنگها و قلوه سنگها است.

محدودیتها  : مشابه حفاری ضربه‌ای است، با این تفاوت که پیشروی به مراتب سریعتر است.

 

 

8) مته ضربه‌ای بادی

این روش برای حفر گمانه برای آتشباری ، دوغاب زنی و مهار سنگ است. روش سریع برای حفر چالهای با قطر کم در سنگ سخت است. بهترین کاربرد را در سنگهای سخت توده‌ای دارد. نمونه‌ها منحصرا به ذرات و تراشه‌های کوچک است. برای نمونه گیری بکار نمی‌رود. در سنگهای سست دارای شکستگی با لایه‌های رس یا شیل مرطوب ممکن است تمام لوله حفاری در سوراخ باقی بماند.

روش حفاری : ضربات و چرخیدن سر مته ، سنگ را خرد می‌کند و تراشه‌ها توسط فشار هوا خارج می‌شود.

 

 

9) روش توربینی

بر حسب گزارشی که به چهارمین کنگره جهانی نفت در سال 1955 در رم داده شد، شوروی سابق نوعی حفاری دورانی ابداع کرده بود که در آن سر مته به جای آنکه به کمک لوله فولادی دوران نماید، بوسیله توربینی که به عنوان نیروی محرکه از گل حفاری و یا الکتریسیته استفاده می‌نماید، حرکت می‌کند. در این روش قسمت متحرک تنها سر مته در عمق چاه خواهد بود. بنابراین می‌تواند سرعت دورانی به مراتب بیشتری داشته باشد. از نظر سرعت عملی که این روش دارد، دارای برتری اقتصادی زیادی است. بر حسب گزارش فوق 65 درصد کل حفاریهای نفتی شوروی سابق با این روش بوده است. این روش اکنون در اروپا و آمریکا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

 

10) ماشین های حفر تونل

در این قسمت به معرفی یکی از ماشین های حفر تونل که تونل را به صورت تمام مقطع حفر می کند

می پردازم.این ماشین ها تمام مقطعهای دایره ای را یک جا حفر می کنند و معمولا آنها را به نام ماشین های تونل حفر کن می نامند و با علامت اختصاری t.b.m که حروف اول نام انگلیسی دستگاه است از آنها نام می برند .کامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونل ها در حد قابل توجهی افزایش یابد.

امروزه در سنگ های نسبتا سخت نیز برای حفر تونل از این ماشین ها استفاده می کنند.بعد از سال ها تلا ش و ساخت انواعی از این نوع ماشین ها کوشش های بعدی به منظور ساخت ماشین های تمام مقطعی بود که شرایط سخت زمبن شناختی قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفت های اولیه این ماشین ها محدود تر است.در واقع شروع این تحقیقات کوشش های رابینز در سال 1957 میلادی برای ساخت ماشین هایی بود که بتواند در سنگ های خیلی سخت نیز با راندمان معقول تونل حفر کند.

در آن زمان به تدریج این دستگاه ها سنگینتر و محکم تر شد ند و توان آنها نیز افزایش یافت اما پیشرفت آنها در زمینه حفر سنگ های محکم کند است.به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و دسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلتی که در بین آنها لایه هایی با مقاومت   140mpa وجود داشت راضی کننده نبود. سر انجام ناخن ها به طور کلی حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از دیسک های حفار ادامه یافت.

 

تقسیم بندی ماشین های t.b.m” tunnel boring machine ” به صورت زیر است :

1)open t.b.m

2)single t.b.m

3)d. s t.b.m

 

قسمت های اصلی این نوع ماشین ها به شرح زیر است:

• بدنه
•  صفحه حفار
• ابزار برش
• چنگ زنها
• جک های رانش صفحه حفار

 

نحوه تخلیه مواد حفر شده توسط ماشین : مواد حفر شده به وسیله سیستم ویزه ای که معمولا مرکب از سطل های تعبیه شده پیرامون صفحه حفار است از جلوی جبحه کار جمع آوری شده و به داخل نوار نقاله ای که از داخل دستگاه می گذرد به پشت ماشین هدایت می شود گرچه معمولا محدودیتی برای ابعاد مواد حفر شده و انتقال آنها وجود ندارد اما اگر ابعاد حفر شده خیلی زیاد باشد ممکن است گیر کنند وعمل اتقال را متوقف سازند.از طرفی مواد خیلی نرم نیز علاوه بر مشکل تهویه ممکن است مخلوتی را تولید کنند که به شدت ساینده باشند. در بعضی از این نوع ماشین ها در مجاورت صفحه حفار پرده هائی تعبیه می شود که گرد و غبار را می گیرند این ذرات در اثر اسپری آب جدا می شوند.

قیمت این ماشین ها : قیمت tbm گران است و بیشتر به نوع سفارش داده شده به کارخانه سازنده و نوع سنگ های حفر شونده بستگی دارد . ولی در کل قیمت آنها را می توان در حدود 7 یا 8 میلیارد تومان در نظر گرفت باید دوباره بگویم که حدود قیمت این است و بسته به شرایط قیمت آنها ممکن است کمتر یا بیشتر باشد.از مهم ترین سازند گان این نوع ماشین ها می توان از شرکت ویرث نام برد.