Urvalskriterier för skummedel och mekanisk prestationsutvärdering av konditionerad jord för EPB-sköldtunnelborrning i vattenrika sandskikt

Varför bubblor spelar roll under jord

Moderna städer är beroende av underjordiska järnvägslinjer och servicetunnlar, många av vilka grävs med jättemaskiner som skär igenom jorden som underjordiska tåg. När dessa tunnelborrmaskiner arbetar i lös, vattenmättad sand kan marken bete sig mer som kvicksand än som fast jord, vilket innebär risk för sättningar, översvämningar och kostsamma förseningar. Denna studie undersöker hur smart utformat skum—i grunden kontrollerade bubblor—kan användas för att tygla den svårhanterliga sanden, hålla tunnelsnittet stabilt och hjälpa maskinen att avancera säkert och effektivt.

Att borra genom våt och instabil sand

Den typ av tunnelborrmaskin som studeras här kallas Earth Pressure Balance (EPB)-sköld. Den trycker mot jorden i tunnelsnittet samtidigt som den långsamt avancerar. I vattenrik sand är den uppgrävda jorden mycket genomsläpplig och kornig, med låg klibbighet och hög intern friktion. Vatten kan forsa in i maskinens skruvtransportör, och den lösa sanden är benägen att bilda bågar och stopp. För att undvika detta injicerar operatörerna konditionerare som skum i den nyupptagna jorden. Målet är att omvandla grov, läckande sand till en jämn, pastaliknande blandning som säkert kan bära tryck, flöda genom maskinen och avlägsnas utan igensättning eller plötsliga utbrott av vatten och jord.

Test av många bubbelrecept

Forskarna undersökte åtta kommersiella skummedel—kemiska blandningar som skapar bubblor när de kombineras med vatten och luft. Med en specialbyggd skumgenerator och flera laboratorieinstrument mätte de centrala egenskaper hos skumlösningarna. Dessa inkluderade ytspänning (hur lätt bubblor bildas), skumexpansionsförhållande (hur mycket skumvolym som uppstår från en given vätskevolym), hur snabbt skummet kollapsar i ett glaströr, och skummets halveringstid, vilket indikerar hur länge hälften av skummet överlever innan det dräneras bort. Genom att variera koncentrationen av varje skummedel identifierade de en ”sweet spot” där bubblor bildas lätt men förblir stabila, utan att slösa material.

Från bubbeltester till markbeteende

Skumkvalitet räcker inte i sig; det måste faktiskt förbättra den uppgrävda sanden. Teamet valde tre representativa skummedel och blandade deras skum med dåligt graduerad, vattenrik sand från en tunnelprojektplats i Nanchang, Kina. De mätte sedan hur den behandlade jorden betedde sig, med enkla men informativa tester. Ett slumptest kontrollerade hur långt en kon av konditionerad jord sprider sig under sin egen tyngd, vilket visar flytförmåga. Genomsläpplighetstester under tryck visade hur lätt vatten kan passera genom blandningen. Ett miniatyrbladstest mätte odränerad skjuvhållfasthet, ett mått på hur mycket den konditionerade jorden kan motstå deformation medan den fortfarande beter sig som en plastisk massa. Genom att justera hur mycket skum som injicerades matchade forskarna jordens beteende till intervall som är kända för att vara säkra och hanterbara för EPB-borrning.

Att välja rätt skum för uppgiften

Utifrån dessa experiment destillerade författarna praktiska urvalsregler. Ett effektivt skummedel bör, vid cirka 3 % koncentration i vatten, sänka ytspänningen under 40 mN/m, producera skum som expanderar till mer än 12 gånger vätskevolymen, behålla minst 150 mL skum i ett standardtest efter 15 minuter och ha en halveringstid längre än 400 sekunder. De fann också att skum vars volym avtar i ett mjukt kurvformat, ”konkavt” mönster över tid tenderar att prestera bättre än sådana som tappar volym mer linjärt och snabbt. När sådant skum injiceras i lämpliga volymer—ofta omkring 20–25 % av den uppgrävda jordvolymen—visar den resulterande jorden slumps på 150–200 mm, mycket låg genomsläpplighet och modest skjuvhållfasthet, vilket alla stödjer en jämn, kontrollerad maskindrift.

Vad detta innebär för säkrare tunnlar

För icke-specialister är budskapet att inte alla bubblor är lika. Genom att noggrant ställa in hur skum framställs och välja det med tydliga numeriska tröskelvärden kan ingenjörer förvandla problematisk, vattenrik sand till ett hanterbart material som bär tryck, flyter som tjock grädde och motstår farliga läckor. Studien erbjuder ett standardiserat sätt att välja och testa skummedel, vilket minskar försök-och-fel på byggplatser och bidrar till att skydda arbetare, stadsgator och intilliggande byggnader när nya underjordiska utrymmen skapas under våra fötter.

Citering: 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

Nyckelord: tunnelborrning, jordkonditionering, skummedel, vattenrik sand, underjordisk byggnation