Kryteria doboru środka spieniającego oraz ocena właściwości mechanicznych kondycjonowanej gleby dla tarcz EPB w warstwach piaszczystych o dużej zawartości wody

Dlaczego pęcherzyki mają znaczenie pod ziemią

Współczesne miasta opierają się na podziemnych liniach kolejowych i tunelach technicznych, z których wiele powstaje za pomocą ogromnych maszyn przecinających grunt niczym podziemne pociągi. Gdy tarcze drążą w luźnym, przesiąkniętym wodą piasku, podłoże może zachowywać się bardziej jak ruchome piaski niż jak stała ziemia, co grozi zapadliskami, zalaniami i kosztownymi opóźnieniami. W badaniu tym analizuje się, jak sprytnie zaprojektowana piana — zasadniczo kontrolowane pęcherzyki powietrza — może ujarzmić trudny piasek, utrzymać stabilność czoła i pomóc maszynie przesuwać się naprzód w sposób bezpieczny i wydajny.

Przecinanie mokrego i chwiejnego piasku

Typ tarczy badany w tym eksperymencie nazywa się tarczą zrównoważenia ciśnienia gruntu (Earth Pressure Balance, EPB). Działa ona, naciskając na grunt przy czołowej ścianie tunelu podczas powolnego postępu. W piaszczystych warstwach nasyconych wodą wykopany grunt jest bardzo przepuszczalny i ziarnisty, o niskiej lepkości i dużym tarciu wewnętrznym. Woda może trafiać do ślimaka transportowego maszyny, a luźny piasek ma skłonność do łukowania i zatorów. Aby temu zapobiec, operatorzy wstrzykują do świeżo wykopanego gruntu kondycjonery, takie jak piana. Celem jest przekształcenie chropowatego, nieszczelnego piasku w gładką, pastowatą mieszaninę, która bezpiecznie przeniesie ciśnienie, przepłynie przez maszynę i zostanie usunięta bez zatkań czy nagłych wyrzutów wody i gruntu.

Testowanie wielu receptur pęcherzyków

Naukowcy zbadali osiem komercyjnych środków spieniających — mieszanek chemicznych, które tworzą pęcherzyki po połączeniu z wodą i powietrzem. Przy użyciu niestandardowego generatora piany i kilku przyrządów laboratoryjnych zmierzyli kluczowe właściwości roztworów pianotwórczych. Obejmowały one napięcie powierzchniowe (jak łatwo tworzą się pęcherzyki), współczynnik spienienia (ile objętości piany powstaje z danej objętości cieczy), tempo zaniku piany w rurce szklanej oraz półokres zaniku piany, który wskazuje, jak długo połowa piany przetrwa zanim odcieknie. Zmieniając stężenie każdego środka, zidentyfikowali „optymalny zakres”, w którym pęcherzyki powstają łatwo i pozostają stabilne, bez marnowania materiału.

Od testów pęcherzyków do zachowania gruntu

Sama jakość piany nie wystarcza; musi ona rzeczywiście poprawiać właściwości wykopanego piasku. Zespół wybrał trzy reprezentatywne środki spieniające i wymieszał ich pianę z słabo sortowanym, wodonośnym piaskiem z placu budowy metra w Nanchang w Chinach. Następnie zmierzono zachowanie kondycjonowanego gruntu, stosując proste, lecz informatywne testy. Test rozlewności sprawdzał, jak daleko stożek kondycjonowanej ziemi rozlewa się pod własnym ciężarem, co wskazuje na podatność na płynięcie. Testy przepuszczalności pod ciśnieniem pokazały, jak łatwo woda przepływa przez mieszaninę. Miniaturowy test na ścinanie (vane test) mierzył bezodpływową wytrzymałość na ścinanie, czyli zdolność kondycjonowanej ziemi do przeciwstawiania się odkształceniu przy zachowaniu plastycznego zachowania. Poprzez dostosowanie ilości wstrzykniętej piany badacze dopasowali zachowanie gruntu do zakresów znanych jako bezpieczne i nadające się do pracy przy drążeniu EPB.

Wybór odpowiedniej piany do zadania

Z tych eksperymentów autorzy wyprowadzili praktyczne zasady doboru. Skuteczny środek spieniający powinien przy stężeniu około 3% w wodzie obniżać napięcie powierzchniowe poniżej 40 mN/m, tworzyć pianę o ekspansji powyżej 12 razy objętości cieczy, utrzymywać co najmniej 150 mL piany w standardowym teście po 15 minutach oraz mieć półokres zaniku dłuższy niż 400 sekund. Stwierdzono również, że piany, których objętość maleje w łagodnie zakrzywiony, „wklęsły” sposób w czasie, zwykle sprawują się lepiej niż te, które tracą objętość bardziej liniowo i szybko. Gdy takie piany są wstrzykiwane w odpowiednich ilościach — często w okolicach 20–25% objętości wykopanego gruntu — otrzymana mieszanina wykazuje rozlewy 150–200 mm, bardzo niską przepuszczalność i umiarkowaną wytrzymałość na ścinanie, co sprzyja płynnej, kontrolowanej pracy maszyny.

Co to oznacza dla bezpieczniejszych tuneli

Dla osób niezwiązanych z branżą istotne jest, że nie wszystkie pęcherzyki są takie same. Poprzez staranne dostrojenie sposobu wytwarzania piany i wybór na podstawie jasnych progów liczbowych inżynierowie mogą przekształcić kłopotliwy, wodonośny piasek w materiał, który przenosi ciśnienie, płynie jak gęsta śmietana i przeciwdziała niebezpiecznym przeciekom. Badanie dostarcza ustandaryzowanego sposobu wyboru i testowania środków spieniających, zmniejszając prób i błędów na placach budowy oraz pomagając chronić pracowników, ulice miasta i pobliskie budynki w trakcie tworzenia nowej przestrzeni pod naszymi stopami.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: tunnel boring, soil conditioning, foaming agents, water-rich sand, underground construction