Kriterien zur Auswahl von Schaummitteln und mechanische Leistungsbewertung konditionierter Böden für EPB-Schildvortrieb in wasserreichen Sandschichten

Warum Blasen unter der Erde wichtig sind

Moderne Städte bauen auf unterirdische Bahnlinien und Versorgungsstollen, von denen viele mit riesigen Maschinen vorgetrieben werden, die den Boden wie unterirdische Züge durchschneiden. Arbeiten diese Tunnelbohrmaschinen in lockerem, wassergesättigtem Sand, kann sich der Untergrund eher wie Treibsand als wie fester Boden verhalten, mit der Gefahr von Senkungen, Überflutungen und teuren Verzögerungen. Diese Studie untersucht, wie gezielt eingesetzter Schaum — im Wesentlichen kontrollierte Blasen — genutzt werden kann, um diesen schwierigen Sand zu stabilisieren, die Tunnelsohle zu sichern und das Vortriebsgerät sicher und effizient vorankommen zu lassen.

Durch nassen und instabilen Sand graben

Die hier betrachtete Tunnelbohrmaschine heißt Earth Pressure Balance (EPB)-Schild. Sie drückt gegen den Boden an der Tunnelsohle, während sie langsam vorwärts arbeitet. In wasserreichem Sand ist der ausgebaggerte Boden sehr durchlässig und körnig, mit geringer Haftung und hoher innerer Reibung. Wasser kann in die Förderschnecke der Maschine strömen, und der lockere Sand neigt zu Bögenbildung und Verstopfungen. Um das zu verhindern, injizieren Betreiber Konditioniermittel wie Schaum in den frisch ausgebrochenen Boden. Ziel ist es, den rauen, durchlässigen Sand in ein glattes, pastenartiges Gemisch zu verwandeln, das Druck sicher tragen, durch die Maschine fließen und ohne Verstopfungen oder plötzliche Wasser‑ und Bodenausbrüche abgeführt werden kann.

Zahlreiche Schaumrezepte testen

Die Forscher untersuchten acht handelsübliche Schaummittel — chemische Mischungen, die beim Kombinieren mit Wasser und Luft Blasen erzeugen. Mit einem eigens entwickelten Schaumerzeuger und mehreren Laborgeräten maßen sie zentrale Eigenschaften der Schaumlösungen. Dazu gehörten Oberflächenspannung (wie leicht Blasen entstehen), das Schaumausdehnungsverhältnis (wie viel Schaumvolumen aus einem bestimmten Flüssigkeitsvolumen entsteht), die Abbaugeschwindigkeit des Schaums in einem Glasrohr und die Halbwertszeit des Schaums, die anzeigt, wie lange die Hälfte des Schaums überlebt, bevor er abläuft. Durch Variation der Konzentration jedes Schaummittels identifizierten sie einen „Sweet Spot“, bei dem Blasen leicht entstehen, aber stabil bleiben, ohne Material zu verschwenden.

Von Blasentests zum Verhalten des Bodens

Die Schaumqualität allein reicht nicht aus; sie muss den ausgebrochenen Sand tatsächlich verbessern. Das Team wählte drei repräsentative Schaummittel aus und mischte deren Schaum mit schlecht abgestuftem, wasserreichem Sand von einer U‑Bahn-Baustelle in Nanchang, China. Anschließend bestimmten sie das Verhalten des behandelten Sands mit einfachen, aber aussagekräftigen Prüfungen. Ein Fließmaßversuch (Slump-Test) prüfte, wie weit ein Kegel konditionierten Bodens unter seinem eigenen Gewicht auseinanderläuft und damit die Fließfähigkeit anzeigt. Durchlässigkeitsprüfungen unter Druck zeigten, wie leicht Wasser durch das Gemisch hindurchtreten kann. Ein miniaturisierter Vane-Test maß die ungestörte Scherfestigkeit, ein Indikator dafür, wie stark der konditionierte Boden Verformungen widerstehen kann, während er sich noch plastisch verhält. Durch Anpassung der eingespritzten Schaummenge passten die Forscher das Verhalten des Bodens an Bereiche an, die als sicher und praktikabel für EPB‑Vortrieb bekannt sind.

Den richtigen Schaum für die Aufgabe auswählen

Aus diesen Experimenten leiteten die Autoren praktische Auswahlregeln ab. Ein wirksames Schaummittel sollte bei etwa 3 % Konzentration in Wasser die Oberflächenspannung unter 40 mN/m senken, Schaum erzeugen, der sich auf mehr als das 12‑fache des Flüssigkeitsvolumens ausdehnt, nach 15 Minuten in einem Standardtest noch mindestens 150 mL Schaum beibehalten und eine Halbwertszeit von mehr als 400 Sekunden aufweisen. Sie stellten außerdem fest, dass Schäume, deren Volumen im Zeitverlauf in einem sanft gekrümmten, „konkaven“ Muster abnimmt, tendenziell besser abschneiden als solche, die ihr Volumen linearer und schneller verlieren. Wenn solche Schäume in geeigneten Mengen injiziert werden — oft um 20–25 % des ausgebaggerten Bodenvolumens — zeigt der resultierende Boden Fließmaße von 150–200 mm, sehr niedrige Durchlässigkeit und mäßige Scherfestigkeit, was einen ruhigen, kontrollierten Maschinenbetrieb unterstützt.

Was das für sicherere Tunnel bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Botschaft: Nicht alle Blasen sind gleich. Durch sorgfältiges Abstimmen der Schaumerzeugung und die Auswahl anhand klarer numerischer Schwellenwerte können Ingenieure problematischen, wasserreichen Sand in ein handhabbares Material verwandeln, das Druck trägt, wie eine dicke Creme fließt und gefährliche Leckagen widersteht. Die Studie bietet eine standardisierte Methode zur Auswahl und Prüfung von Schaummitteln, reduziert Versuch‑und‑Irrtum auf Baustellen und hilft, Arbeiter, Straßen und nahe Gebäude zu schützen, während neuer unterirdischer Raum unter unseren Füßen geschaffen wird.

Zitation: Zhou, Y., Zhu, B., Luo, R. et al. Selection criteria for foaming agent and mechanical performance evaluation of conditioned soil for EPB shield tunneling in water-rich sand strata. Sci Rep 16, 12331 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38868-y

Schlüsselwörter: Tunnelbohrung, Bodenaufbereitung, Schaummittel, wasserreicher Sand, Untertagebau