Критерии выбора пенообразователя и оценка механических свойств кондиционированного грунта для щитовой проходки EPB в водонасыщенных песках

Почему пузыри важны под землей

Современные города зависят от подземных линий метро и инженерных тоннелей, многие из которых прокладываются гигантскими машинами, которые «поглощают» грунт, как подземные поезда. Когда эти туннелепроходческие щиты работают в рыхлом, пропитанном водой песке, грунт может вести себя скорее как зыбучие пески, а не как твердь, что чревато провалами, подтоплениями и дорогостоящими задержками. В исследовании рассматривается, как грамотно сконструированная пена — по сути контролируемые пузыри — может приручить такой проблемный песок, сохранить устойчивость лицевой зоны и помочь машине продвигаться вперед безопасно и эффективно.

Проходка через влажный и неустойчивый песок

Тип щита, рассмотренный здесь, называется Earth Pressure Balance (EPB). Он упирается в грунт на лицевой поверхности тоннеля, двигаясь постепенно вперед. В водонасыщенном песке извлеченный грунт очень проницаем и зернист, с низкой липкостью и высоким внутренним трением. Вода может хлынуть в шнековую подачу машины, а рыхлый песок склонен к образованию арок и засоров. Чтобы избежать этого, операторы вводят кондиционеры, такие как пена, в свежевскопанный грунт. Цель — превратить грубый, проницаемый песок в однородную пастообразную смесь, которая сможет безопасно воспринимать давление, течь через машину и выводиться без засоров или внезапных выбросов воды и грунта.

Испытания множества «рецептов» пузырей

Исследователи изучили восемь коммерческих пенообразователей — химических составов, образующих пузыри при смешении с водой и воздухом. С помощью индивидуального генератора пены и нескольких лабораторных приборов они измеряли ключевые свойства пенных растворов. Среди них были поверхностное натяжение (насколько легко формируются пузыри), коэффициент расширения пены (во сколько раз увеличивается объем пены относительно объема жидкости), скорость оседания пены в стеклянной трубке и полужизнь пены, показывающая, за какое время половина пены разрушается и сливается. Варьируя концентрацию каждого пенообразователя, они определили «золотую середину», при которой пузыри формируются легко, но остаются устойчивыми без перерасхода материала.

От испытаний пены к поведению грунта

Качество пены само по себе недостаточно — она должна реально улучшать свойства извлеченного песка. Команда выбрала три репрезентативных пенообразователя и смешала их пену с плохо сортированным, водонасыщенным песком с участка метро в Наньчане, Китай. Затем они измеряли, как ведет себя обработанный грунт, используя простые, но информативные тесты. Тест осадки (slump) проверял, насколько конус кондиционированного грунта растекается под собственным весом, что указывает на текучесть. Пермеабильностные испытания под давлением показывали, насколько легко вода проходит через смесь. Миниатюрный тест на сдвиг с использованием лопастного датчика измерял бездренированную прочность на сдвиг — показатель того, сколько деформации выдерживает кондиционированный грунт, оставаясь при этом пластичной массой. Регулируя объем вводимой пены, исследователи добивались поведения грунта в пределах, известных как безопасные и работоспособные для щитовой проходки EPB.

Выбор подходящей пены для работы

Из этих экспериментов авторы выделили практические правила отбора. Эффективный пенообразователь при концентрации около 3% в воде должен снижать поверхностное натяжение ниже 40 мН/м, давать пену с коэффициентом расширения более 12, сохранять не менее 150 мл пены в стандартном тесте через 15 минут и иметь полужизнь более 400 секунд. Они также установили, что пены, объем которых со временем убывает плавно и «вогнуто», как правило, работают лучше, чем те, которые теряют объем более линейно и быстро. При уколах таких пен в подходящих объемах — часто около 20–25% от объема выработанного грунта — получаемый грунт демонстрирует осадки 150–200 мм, очень низкую проницаемость и умеренную прочность на сдвиг, что обеспечивает плавную и контролируемую работу машины.

Что это означает для более безопасных тоннелей

Для неспециалистов вывод прост: не все пузыри одинаковы. Тщательная настройка способов получения пены и выбор по четким числовым порогам позволяют инженерам превратить проблемный водонасыщенный песок в управляемый материал, способный воспринимать давление, течь как густая сметана и противостоять опасным утечкам. Исследование предлагает стандартизированный подход к выбору и испытанию пенообразователей, снижая проб и ошибок на стройплощадках и помогая защитить рабочих, городские улицы и близлежащие здания, пока под нашими ногами создается новое подземное пространство.

Цитирование: 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

Ключевые слова: проходка тоннелей, кондиционирование грунта, пенообразователи, водонасыщенный песок, подземное строительство