Исследование пластического течения кондиционированного грунта в камере давления глубоко залегающих щитов EPB, проходящих через песчаный массив

Почему при рытье глубоких туннелей важна правильная «грязь»

Современные города всё больше зависят от подземных линий метро, проложенных глубоко под оживлёнными улицами. Чтобы прокладывать эти туннели безопасно, инженеры используют гигантские механизмы, которые продвигаются вперёд, одновременно сдерживая окружающий песок и воду. Материал перед машиной должен течь как густая зубная паста: достаточно мягким, чтобы его можно было выносить, но достаточно прочным, чтобы забой туннеля не обрушился и не прорвало на поверхность. В этом исследовании поставлен практический вопрос с большими последствиями для безопасности: как следует готовить такую «туннельную грязь», когда туннели прокладывают значительно глубже обычного через рыхлые песчаные слои?

Как щиты опираются на инженерно подготовленный грунт

Щитовые машины типа Earth Pressure Balance (EPB) отрабатывают грунт на передней части и удаляют его через шнековый конвейер, при этом поддерживая постоянное давление, которое удерживает забой. В песчаных грунтах на малой глубине подрядчики часто полагаются на опыт при выборе пен и суспензий, превращающих грунт в обрабатываемую пасту. Простейший полевой тест — испытание по осадке (slump) — измеряет, насколько конусообразная горка такой пасты сползает под собственной массой. Типичные рекомендации указывают широкий «нормальный» диапазон осадки 100–200 миллиметров. Но для очень глубоких туннелей в песке такие эмпирические правила могут не сработать: если грунт течёт слишком легко, он может неконтролируемо выдавливаться из машины; если он слишком жёсткий, выгрузка замедляется и туннель может забиваться.

Преобразование осадки в измеримое правило текучести

Авторы переосмыслили эту эмпирическую проблему с помощью понятий механики жидкостей. Они рассматривают кондиционированный грунт как жидкость типа Бингама — материал, который не начинает течь до тех пор, пока не будет превышено некоторое напряжение сдвига, а затем ведёт себя как очень густая жидкость. При этом предположении они построили упрощённую механическую модель испытания по осадке, связывающую наблюдаемую высоту сползания напрямую с «пороговым напряжением» грунта — напряжением, необходимым для начала его течения. Лабораторные измерения на вискозиметре подтверждают, что при смешивании песка с пеной и бентонитом полученная паста в практическом диапазоне скоростей течения приблизительно следует такому поведению, а предсказанные моделью значения осадки хорошо согласуются с экспериментальными, когда грунт достаточно мягкий.

Как заставить жёсткий грунт течь с помощью специальных добавок

Однако на больших глубинах инженерам часто требуется грунт, который почти не дает осадки, но при этом ведёт себя как цельный, медленно движущийся «заглушка» в шнеке. Одна только пена и бентонит не могли обеспечить такую комбинацию: образцы с низкой осадкой становились сухими и растрескивались, теряя необходимую пластичность. Поэтому команда испытала другую рецептуру, добавив длинноцепочечный полимер полиакриламид (PAM) вместе с очень мелкими частицами. Эти добавки образуют микроскопическую трехмерную сеть, которая мостит между зернами песка, заполняя промежутки между ними. Изображения электронного микроскопа показывают плотную, сетевидную структуру в обработанном грунте. В лаборатории такие смеси оставались похожими на зубную пасту даже при значительно меньших значениях осадки, и их поведение при течении снова соответствовало модели типа Бингама, что позволило исследователям получить надёжные значения порогового напряжения и вязкости для широкого диапазона жёсткости.

Как глубина и давление меняют идеальную «грязь»

Имея эти измерения, авторы далее изучили, как должен вести себя грунт внутри шнекового конвейера, когда его движение обеспечивается только давлением, а не механическим вращением. Они вывели математическое выражение для объёма проходящего через идеализированную трубу материала типа Бингама при заданной разности давлений, а затем сравнили это с подробным численным моделированием реального шнека. Упрощённая модель воспроизвела основной тренд: объём выгрузки растёт с увеличением давления в камере и падает с ростом порогового напряжения или вязкости. Используя данные реального метропроекта в Гуанчжоу, где щит диаметром 8,8 метра проходил примерно на 30 метров ниже поверхности через песчаные слои, они инвертировали модель, чтобы оценить внутренние свойства шлама, которые фактически обеспечивали безопасную, сбалансированную работу. Анализ показал, что по мере увеличения глубины и давления грунт должен становиться прогрессивно более прочным (с большим пороговым напряжением) и, следовательно, менее склонным к осадке, чтобы предотвратить неконтролируемое вытекание.

Практическое руководство для более глубокой и безопасной проходки

Наконец, авторы перевели эти реологические цели в простые рекомендации по осадке для различных глубин заложения аналогичных щитов EPB в песчаных грунтах. Для свода туннеля на глубине 20 метров они предлагают относительно мягкий грунт с осадкой около 177 миллиметров. На глубине 30 метров идеальная осадка сужается примерно до 94 миллиметров, что близко к полевому опыту на линии в Гуанчжоу. При глубинах 40 и 50 метров безопасней всего использовать очень жёсткий замес с осадками примерно 60 и 28 миллиметров соответственно. Другими словами, по мере углубления туннеля «зубная паста» должна становиться всё более похожей на плотную глину, чтобы поддерживать стабильную, не выдавливающуюся земляную заглушку, и добавки типа PAM с мелкими частицами необходимы, чтобы сохранить текучесть такого жёсткого грунта. Эта работа превращает в значительной мере эмпирическое ремесло в количественную основу, давая проектировщикам туннелей более ясную зону безопасности для кондиционирования грунта в глубоких песчаных городских условиях.

Цитирование: Zhong, X., Huang, S., Wang, H. et al. Study on plastic flow of conditioned soil within pressure chamber of deeply buried EPB shields tunneling through sandy stratum. Sci Rep 16, 12958 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43016-7

Ключевые слова: проходка щитом EPB, кондиционирование грунта, стабильность забоя туннеля, жидкость Бингама, грунт, модифицированный полимером