معرفی تکنیک Rock Bolt

مقدمه
یکی از سیستم های نگهداری سازه های زیرزمینی پیچ سنگها(Rock bolt)میباشند.طی چند دهه گذشته کاربرد پیچ سنگها در اهداف استحکام بخشیدن به شیبها،دیوارها،تونلها مخصوصاً در تونل های معدن و راه روزافزون بوده است.در حال حاضر کاربردپیچ سنگ از یکی ازابتدایی ترین تکنیک های مستحکم نمودن سقف و دیواره های تونل ها است. در هر نقطه ای بنا به ضرورت چه به صورت موضعی و چه به صورت کلی می توان از پیچ سنگها استفاده نمود.کاربرد پیچ سنگها توانسته تا حد زیادی از خطرات ریزش قطعه سنگ ها جلوگیری نماید و همچنین مقطع مفیدی در تونل ها ایجاد نماید چراکه استفاده از نگهداری چوبی و آرک های فولادی مقطع مفید تونل ها را تا حد قابل توجهی کاهش می دهد و مشکلاتی در مسائل مهندسی ترابری در معادن ایجاد می سازد.در نگهداری به صورت مرکب از پیچ سنگ،بتن پاشی و توری فلزی(مش) به صورت یک سیستم ادغامی استفاده می شود که جایگزین بسیار خوبی برای آرکهای فولادی به شمار می آیند.

انواع پیچ سنگ ها

بر حسب نوع عملکرد و روش نصب،پیچ سنگها به طور کلی به دو نوع تقسیم می شوند:

1. پیچ سنگها با مهار نقطه ای(Point anchored)
2. پیچ سنگها با مهار تمام طول یا تزریقی(Full length anchored)

انواع دیگری از پیچ سنگها نیز امروزه مورد استفاده هستند که برای شرایط خاصی طراحی می شوند.برای مثال می توان از پیچ سنگهای خاص،نوع تسلیمی(Yieldable) را نام برد که در سنگهای ضعیف یا نرم کاربرد دارد.

پیچ سنگ های با مهار نقطه ای(پیچ تحت کشش)

یک پیچ کششی از سه بخش تشکیل شده است که عبارتند از:

• الف- بخش انتهایی که باید به وسیله ای در سنگ گیردار شود.
• ب- بخش ساقه که همان میله ی اصلی پیچ سنگ است.
• ج- بخش ابتدایی یا سر پیچ سنگ که بوسیله ی پیچ و مهره در سنگ تثبیت می گردد.

بر حسب نوع مکانیسم گیردار شدن انتهای پیچ سنگ،این نوع پیچ سنگ ها را می توان در سه گروه اصلی طبقه بندی نمود:

1. پیچ با انتهای شکافی(Slot and wedge bolt or slotted bolt)
2. پیچ با انتهای پوسته انبساطی(Expansion shell)
3. پیچ با انتهای تزریقی(Grouted anchorage)

قطر ساقه ی پیچ ها متفاوت می باشد و معمولاً بین حدود 16تا 25 میلیمتر ساخته می شود.سطح میله پیچ ممکن است صاف یا آجدار باشد.تنش تسلیم پیچهای فولادی عامل اصلی طراحی و انتخاب تعداد و ابعاد آنها در یک پروژه می باشد. فولادی که پیچها از آن ساخته می شود، تنش تسلیمی بین 200 تا 500 مگاپاسکال(ASTM 76) دارد که بستگی به مقدار کربن آن فولاد دارد.

هرچه مقاومت پیچ بیشتر باشد،پیچ قویتر است ولی مقاومت خیلی زیاد هم از یک لحاظ مساعد نیست،زیرا اگر پیچ تحت کشش بسیار زیاد از هم گسیخته گردد(بشکند)با سرعت بسیار زیادی از چال پرتاب می شود که خطرات زیادی برای افراد مستقر در محوطه ی معدن یا پروژه ایجاد می کند،لذا توصیه می شود که نیروی کششی وارد بر پیچ از 60 درصد بار تسلیم پیچ و بیش از 60 درصد ظرفیت نهایی مهار نباشد.مثلاً برای پیچهای با قطر 16و19 میلیمتری ساخته شده از فولاد مرغوب،حداکثر نیروی کششی به ترتیب 50 تا60 کیلو نیوتن و 80تا90 کیلو نیوتن در نظر گرفته می شود.

پیچ سنگ ها با مهار تمام طول(تزریقی)
در لایه هایی که پیچها با مهار نقطه ای کارایی لازم را ندارند و یا از جا به جاییهای مختصر به موازات لایه های باید ممانعت به عمل آید از پیچ سنگهای با مهار تمام طول استفاده می شود.کاربرد این نوع پیچ ها در سالهای اخیر که رزین های سریعاً سفت شونده توسعه یافته اند تأثیر زیادی بر حرفه ی معدنکاری داشته است به طوری که حتی در محل هایی که کارهای معدنی در آن قبلاً بسیار مشکل و یا غیر ممکن بوده امروز با استفاده از این نوع پیچ سنگها به آسانی ادامه می یابد.

پیچ سنگها با مهار تمام طول به سه دسته تقسیم می شوند:

1. پیچ های تزریقی پیش تنیده(Pre-tensioned)
2. پیچ های تزریقی پس تنیده(Post-tensioned)
3. پیچ های تزریقی ناتنیده(Un-tensioned)

اجزای پیچ سنگهای با مهار تمام طول
عموماً پیچ های تزریقی یا تمام طول از سه قسمت تشکیل شده اند:

• الف- قسمت میله ی فولادی(ساقه)
• ب- پلیت باربر و تزریقی که ممکن است سیمان یا رزین باشد(همین ماده ی تزریقی است که این پیچ ها را از پیچ های با مهار نقطه ای متفاوت می کند).
• ج- جدار میله ی پیچ که به صورت آجدار است و انتهای به شکل مخروطی یا تبری دارد که به سهولت وارد مواد تزریقی داخل چال می گردد.

روش های نصب پیچهای تزریقی (پیچ سنگ با مهار تمام طول)

1- روش پیچ متخلخل(Porosity method)
در این روش دو نیم استوانه سوراخ دار را که مجموعاً نقش پیچ را دارند پر از ماده ی تزریقی نموده و پس از بستن آنها به وسیله ی سیم آهنی،آن را وارد چال مملو از رزین می کنند و یا اینکه آن را در چال قرار داده و رزین را با فشار در آن تزریق می کنند تا چال پر شود.

2- روش تزریقی(Inject)
رزین رقیق به وسیله ی دستگاه مخصوص به درون چال رانده می شود(ضمن اینکه لوله ای در چال قرار گرفته است که از حبس شدن هوا در چال جلوگیری گردد)و دهانه ی چال به وسیله ای موقتاً پوشانده می شود تا رزین بیرون نریزد،آنگاه میله ی آجدار مناسب به داخل چال رانده می شود.مواد تزریقی در این روش نسبت به روش متخلخل اندکی رقیقتر می باشند.

3- روش فواره ی تزریق(Berg jet method)
ماده ی تزریقی به وسیله ی هوای فشرده با فشار 200 تا 400 کیلو نیوتن بر مترمربع به درون چال رانده می شود و سپس به تدریج لوله تزریق را بیرون آورده و میله ی پیچ نصب می گردد.

4- روش فشنگ دوغابی(Cement mortar cartridge)
در این روش مقداری سیمان که درون بسته های کاغذ صافی است ابتدا به مدت سه دقیقه در آب گذارده شده و سپس به داخل چال رانده می شود و بعد میله ی پیچ را در چال قرار می دهند.

امروزه استفاده از رزین ها هرچند گرانتر از سیمان هستند، مزایای بیشتری را در کاربرد پیچ سنگها نشان می دهد. از جمله مزایای آنها،مهار شدن و اتصال محکمتر در انواع مختلف سنگ ها و سرعت بیشتر استحکام نسبت به سیمان می باشد.

نصب پیچ های رزینی معمولاً به یکی از دو روش تزریقی و فشنگی انجام میگیرد.

روش تزریقی
تزریق رزین در چال تقریباً از سال 1960 در ایالات متحده شروع شد.در این روش،نوع مناسب رزین به تدریج و در حجمهای چند لیتری ساخته شده و به وسیله ی پمپ و با لوله پلی اتیلن به داخل چاه هدایت می گردد و سپس میله ی پیچ گذارده می شود.هرچند هزینه ی این نوع تزریق رزین در مقابل روش فشنگی کمتر است ولی به علت زمان بیشتری که نیاز دارد و هم به علت اتلاف مواد رزینی در اطراف چال،چندان مورد توجه نیست و فقط در سنگ های سخت از این روش استفاده می شود.

روش فشنگی
روش فشنگی برای پر کردن چال از رزین در ایالات متحده از سال 1970 آغاز گردید.نوع ماده ی رزینی،درجه استحکام،سرعت گیرایی،زمان چسبندگی و سایر ویژگی های فشنگهای معمول تجاری متفاوت و دامنه ی کاربرد آنها بسیار گسترده است.

ترتیب نصب پیچ سنگهای تمام طول رزین شده عبارت است از:

1. حفر چال به قطر 4/25 میلیمتر و طول مورد نظر.
2. قرار دادن تعداد کافی فشنگ رزینی در چال و نهادن یک سرپوش بر دهانه چال.
3. قرار دادن پیچ مناسب در چال.
4. چرخاندن پیچ در چال تا آن حد که در دستور کارخانه ی سازنده ی آن توصیه شده است.
5. فشار دادن به سر پیچ سنگ برای 20 تا 30 ثانیه و رها کردن آن.
6. پیچ کردن و محکم نمودن سر پیچ سنگ.

لازم به ذکر است که امروزه در برخی از معادن کشورمان نیز جهت نگهداری تونلهای معدنی،گالری های معدنی و همچنین سیستم های نگهداری در برخی از مقاطع تونلهای مترو و تونل های راه از پیچ سنگها استفاده می شود.همچنین در برخی از مقاطع جاده ها در پیچ ها برای پایداری بیشتر و بهتر از بتن پاشی و پیچ سنگ به صورت توأم استفاده می شود.