Studie om plastisk flöde hos konditionerad jord i tryckkammaren hos djupt nedgrävda EPB-sköldar som borrar genom sandigt skikt

Varför djupa tunnlar kräver noggrant anpassat slam

Moderna städer förlitar sig i allt större utsträckning på tunnelbanor som borras långt under trafikerade gator. För att karva ut dessa tunnlar säkert använder man jättemaskiner som skjuts framåt samtidigt som de håller tillbaka omkringliggande sand och vatten. Materialet framför maskinen måste flyta som tjock tandkräm: tillräckligt mjukt för att föras bort, men styvt nog för att hindra tunnelansiktet från att kollapsa eller plötsligt spruta upp i staden ovanför. Denna studie ställer en praktisk fråga med stora säkerhetskonsekvenser: hur bör det där ”tunnelslammet” beredas när tunnlar går betydligt djupare än vanligt genom lös, sandig mark?

Hur tunnelmaskinerna förlitar sig på konstruerad jord

Earth pressure balance (EPB)-sköldmaskiner gräver fram jorden i fronten och för den ut via en skruvtransportör, samtidigt som de bibehåller ett jämnt tryck som stöder tunnelansiktet. I sandig mark på liten djup förlitar sig entreprenörer ofta på erfarenhet för att välja skum och slam som omvandlar jorden till en bearbetbar pasta. Ett enkelt fältprov, slump-testet, mäter hur mycket en konformad hög av denna pasta kollapsar under sin egen vikt. Typisk vägledning anger ett brett ”bra” intervall på 100–200 millimeter slump. Men för mycket djupa tunnlar i sand kan sådana tumregler svikta: om jorden flyter för lätt kan den spruta okontrollerat ur maskinen; om den är för styv blir utsläppet långsamt och tunneln kan sätta igen.

Att göra slump till en mätbar flödesregel

Författarna omformulerar detta tumregelproblem med begrepp från vätskemeKANIK. De behandlar den konditionerade jorden som en Bingham-vätska, ett material som inte börjar röra sig förrän en viss spänning överskrids, varefter det flyter som en mycket trög vätska. Under denna antagelse bygger de en förenklad mekanisk modell av slump-testet som kopplar den observerade kollapshöjden direkt till jordens ”flytgränsspänning” — den spänning som krävs för att få materialet att börja flyta. Laboratoriemätningar med en viskometer bekräftar att när sand blandas med skum och bentonit följer den resulterande jordpastan ungefärligt detta beteende vid praktiska flödeshastigheter, och modellens förutsagda slumpvärden överensstämmer väl med de uppmätta när jorden är rimligt mjuk.

Få styv jord att flyta med speciella tillsatser

På de stora djup som studien intresserar sig för behöver ingenjörer ofta jord som knappt slumpar alls, men som ändå beter sig som en sammanhängande, långsamt rörlig plugg i skruvtransportören. Skum och bentonit ensamma kunde inte ge denna kombination: lågslumpade prover blev torra och spröda och förlorade den nödvändiga plasticiteten. Forskarna testade därför ett annat recept där de tillsatte en långkedjig polymer kallad polyakrylamid (PAM) tillsammans med mycket fina partiklar. Dessa tillsatser bildar ett mikroskopiskt tredimensionellt nätverk som förbinder sandkorn samtidigt som det fyller springorna mellan dem. Elektronmikroskopbilder visar en tät, nätliknande struktur i den behandlade jorden. I labbet förblev dessa blandningar tandkrämsliknande även vid betydligt lägre slumpvärden, och deras flöde följde återigen Bingham-liknande modell, vilket gav forskarna pålitliga värden för flytgränsspänning och viskositet över ett brett styvhetsspann.

Hur djup och tryck omformar den ideala slemmet

Med dessa mätningar i hand undersökte författarna sedan hur jorden bör bete sig inne i skruvtransportören när det är trycket, inte enbart mekanisk rotation, som driver materialet framåt. De härledde ett matematiskt uttryck för hur mycket Bingham-liknande jord som skulle passera genom ett idealiserat rör under en given tryckskillnad, och kontrollerade detta mot detaljerade datorsimuleringar av en verklig skruvtransportör. Den förenklade modellen återgav huvudtrenden: utsläpp ökar med kammartrycket och minskar när flytgränsspänning eller viskositet ökar. Med data från ett verkligt tunnelprojekt i Guangzhou, där en 8,8 meter i diameter EPB-sköld tunnlade cirka 30 meter under marken genom sandlager, inverterade de modellen för att uppskatta de egenskaper i kammaren hos det muck som faktiskt gav säker, balanserad drift. Analysen visade att när tunneldjup och tryck ökar måste jorden successivt bli starkare (högre flytgränsspänning) och därmed mindre slampig för att förhindra okontrollerat flöde.

Praktisk vägledning för djupare och säkrare borrning

Slutligen omvandlade författarna dessa reologiska mål till enkla slumprekommendationer för olika nedgrävningsdjup för liknande EPB-sköldar i sandig mark. För en tunnelkrona vid 20 meters djup föreslår de en relativt mjuk jord med en slump runt 177 millimeter. Vid 30 meters djup stramas det idealiska slumpvärdet till cirka 94 millimeter, nära fältobservationer från Guangzhou-linjen. Vid 40 och 50 meters djup förutspås den säkraste blandningen vara mycket styv, med slump på ungefär 60 respektive 28 millimeter. Med andra ord, när tunnlar blir djupare måste ”tandkrämen” bli mer lik fast lera för att upprätthålla en stabil, icke-sprutande jordplugg, och tillsatser som PAM och fina partiklar är nödvändiga för att hålla sådan styv jord flytande på ett kontrollerat sätt. Detta arbete förvandlar ett till stor del empiriskt hantverk till en kvantitativ ram och ger tunnelkonstruktörer en tydligare säkerhetsmarginal för jordkonditionering i djup, sandig stadsmark.

Citering: 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

Nyckelord: EPB-sköldborrning, jordkonditionering, tunnelansiktets stabilitet, Bingham-vätska, polymermodifierad jord