Critères de sélection des agents moussants et évaluation des performances mécaniques du sol conditionné pour le tunnellier EPB dans des couches sableuses riches en eau

Pourquoi les bulles comptent sous terre

Les villes modernes dépendent de lignes de métro et de galeries de services souterraines, dont beaucoup sont creusées par d’immenses machines qui façonnent le sol comme des trains souterrains. Lorsque ces tunneliers travaillent dans des sables lâches saturés d’eau, le terrain peut se comporter davantage comme un sablier mouvant que comme une terre solide, entraînant risques d’affaissements, inondations et retards coûteux. Cette étude examine comment une mousse ingénieusement conçue — essentiellement des bulles contrôlées — peut être utilisée pour maîtriser ce sable difficile, stabiliser la face d’avancement et aider la machine à progresser de manière sûre et efficace.

Creuser dans un sable humide et instable

Le type de tunnelier étudié ici s’appelle une coiffe à équilibre de pression de terrain (EPB). Il s’appuie contre le terrain à la face du tunnel tout en avançant lentement. Dans un sable riche en eau, le matériau excavé est très perméable et granuleux, peu adhérent et à forte friction interne. L’eau peut s’engouffrer dans le convoyeur à vis de la machine, et le sable lâche est sujet au voûtement et aux blocages. Pour l’éviter, les opérateurs injectent des agents conditionneurs tels que de la mousse dans le sol fraîchement excavé. L’objectif est de transformer un sable rugueux et fissuré en un mélange lisse, pâteux, capable de supporter la pression, de s’écouler dans la machine et d’être évacué sans colmatage ni jaillissements soudains d’eau et de terre.

Tester de nombreuses recettes de bulles

Les chercheurs ont examiné huit agents moussants commerciaux — des mélanges chimiques qui produisent des bulles lorsqu’ils sont combinés à l’eau et à l’air. À l’aide d’un générateur de mousse sur mesure et de plusieurs appareils de laboratoire, ils ont mesuré les propriétés clés des solutions moussantes. Celles-ci comprenaient la tension de surface (facilité de formation des bulles), le taux d’expansion de la mousse (volume de mousse obtenu à partir d’un volume de liquide donné), la vitesse d’effondrement de la mousse dans un tube en verre et la demi‑vie de la mousse, qui indique combien de temps la moitié de la mousse subsiste avant de se drainer. En faisant varier la concentration de chaque agent, ils ont identifié un « point optimal » où les bulles se forment aisément tout en restant stables, sans gaspiller de produit.

Des essais de bulles au comportement du sol

La qualité de la mousse seule ne suffit pas ; elle doit effectivement améliorer le sable excavé. L’équipe a sélectionné trois agents moussants représentatifs et a mélangé leur mousse avec un sable mal classé, riche en eau, provenant d’un chantier de tunnelier à Nanchang, en Chine. Ils ont ensuite mesuré le comportement du sol traité à l’aide d’essais simples mais informatifs. Un essai d’affaissement (slump) a vérifié jusqu’où un cône de sol conditionné s’étale sous son propre poids, indiquant la capacité d’écoulement. Des essais de perméabilité sous pression ont montré la facilité avec laquelle l’eau traverse le mélange. Un essai à petite pales a mesuré la résistance au cisaillement non drainée, une jauge de la capacité du sol conditionné à résister à la déformation tout en restant plastique. En ajustant la quantité de mousse injectée, les chercheurs ont adapté le comportement du sol à des plages connues pour être sûres et exploitables pour le tunneling EPB.

Choisir la bonne mousse pour la tâche

À partir de ces expériences, les auteurs ont dégagé des règles pratiques de sélection. Un agent moussant efficace devrait, à environ 3 % de concentration dans l’eau, réduire la tension de surface en dessous de 40 mN/m, générer une mousse s’étendant à plus de 12 fois le volume de liquide, maintenir au moins 150 mL de mousse dans un test standard après 15 minutes et présenter une demi‑vie supérieure à 400 secondes. Ils ont également constaté que les mousses dont le volume décroît selon une courbe doucement concave au fil du temps tendent à mieux fonctionner que celles qui perdent rapidement et linéairement leur volume. Injectées à des proportions adaptées — souvent autour de 20–25 % du volume excavé — ces mousses donnent un sol présentant des affaissements de 150–200 mm, une très faible perméabilité et une résistance au cisaillement modérée, conditions favorables à une progression de machine régulière et contrôlée.

Ce que cela signifie pour des tunnels plus sûrs

Pour un public non spécialiste, le message est que toutes les bulles ne se valent pas. En réglant soigneusement la production de la mousse et en la sélectionnant selon des seuils numériques clairs, les ingénieurs peuvent transformer un sable problématique et saturé en un matériau maniable capable de supporter la pression, de s’écouler comme une crème épaisse et de résister aux fuites dangereuses. L’étude propose une méthode standardisée pour choisir et tester les agents moussants, réduisant les essais‑erreurs sur les chantiers et contribuant à protéger les travailleurs, les rues et les bâtiments voisins lorsque de nouveaux espaces souterrains sont créés sous nos pieds.

Citation: 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

Mots-clés: forage de tunnel, conditionnement des sols, agents moussants, sable riche en eau, construction souterraine