Su açısından zengin kum tabakalarında EPB kalkan kazısı için köpürtücü seçimi kriterleri ve koşullandırılmış zeminin mekanik performans değerlendirmesi

Yeraltında kabarcıklar neden önemli

Modern şehirler, çoğu dev makinelerle kazılan yeraltı ray hatları ve altyapı tünellerine dayanır; bu makineler toprağı yeraltı trenleri gibi ezer. Bu tünel açma makineleri gevşek, suyla doymuş kumda çalıştığında, zemin katı toprak gibi değil, daha çok bataklık davranışı gösterebilir; bu da çökme, su baskınları ve maliyetli gecikme riskini getirir. Bu çalışma, kontrollü kabarcıklardan oluşan akıllıca tasarlanmış köpüğün o zorlu kumu nasıl yatıştırabileceğini, tünel yüzünü stabil tutabileceğini ve makinenin güvenli ve verimli ilerlemesine nasıl yardımcı olabileceğini inceliyor.

Islak ve sallantılı kumda kazı

Burada incelenen tünel açma makinesi tipi Earth Pressure Balance (EPB) kalkanı olarak adlandırılır. Kalkan, tünel yüzüne karşı basınç uygulayarak yavaşça ilerler. Su açısından zengin kumda kazılan zemin çok geçirgendir ve tanelidir; yapışkanlığı düşüktür ve içsel sürtünmesi yüksektir. Su makinenin vida konveyörüne hızla dolabilir ve gevşek kum kemerleşme ve tıkanmalara eğilimlidir. Bunu önlemek için operatörler taze kazılmış zemine köpük gibi koşullandırıcılar enjekte eder. Amaç, kaba, sızdırgan kumu güvenli şekilde basınç taşıyabilen, makinede akabilen ve tıkanma ya da ani su-toprak boşalmaları olmadan uzaklaştırılabilecek püremsi, düzgün bir karışıma dönüştürmektir.

Çok sayıda kabarcık reçetesini test etmek

Araştırmacılar, su ve hava ile karıştırıldığında kabarcık oluşturan sekiz ticari köpürtücüyü inceledi. Özel bir köpük üreticisi ve birkaç laboratuvar cihazı kullanarak köpük çözeltilerinin temel özelliklerini ölçtüler. Bunlar, kabarcıkların ne kadar kolay oluştuğunu gösteren yüzey gerilimi, belirli bir sıvı hacminden elde edilen köpük hacminin ne kadar arttığını gösteren köpük genişleme oranı, köpüğün cam bir tüpte ne kadar hızlı çöktüğü ve köpüğün yarı ömrü—köpüğün drenaj nedeniyle yarısının ne kadar sürede yok olduğunu gösteren süre—gibi ölçümleri içeriyordu. Her köpürtücünün konsantrasyonunu değiştirerek kabarcıkların kolayca oluştuğu ancak malzemenin israf edilmediği stabil bir “tatlı nokta” belirlediler.

Kabarcık testlerinden zeminin davranışına

Köpük kalitesi tek başına yeterli değildir; köpüğün kazılan kumu gerçekten iyileştirmesi gerekir. Ekip, üç temsilî köpürtücüyü seçip köpüklerini Çin’in Nanchang kentindeki bir metro tüneli sahasından alınmış kötü derecelenmiş, su açısından zengin kumla karıştırdı. Ardından işlenmiş kumun davranışını basit ama bilgilendirici testlerle ölçtüler. Bir slump testi, koşullandırılmış toprak konisinin kendi ağırlığı altında ne kadar yayıldığını kontrol ederek akışkanlığı gösterdi. Basınç altında yapılan geçirgenlik testleri, karışımdan suyun ne kadar kolay geçebildiğini gösterdi. Küçük bir vane testi, koşullandırılmış zeminin drenajsız kesme dayanımını ölçerek, plastik bir kütle gibi davranırken deformasyona ne kadar direnç gösterebileceğinin bir göstergesini verdi. Enjekte edilen köpük miktarını ayarlayarak araştırmacılar zeminin EPB tünel açımı için güvenli ve çalışılabilir olduğu bilinen aralıklara uymasını sağladılar.

İş için doğru köpüğü seçmek

Bu deneylerden yazarlar pratik seçim kurallarını çıkardılar. Etkili bir köpürtücü, suda yaklaşık %3 konsantrasyonda yüzey gerilimini 40 mN/m’nin altına düşürmeli, sıvı hacminin 12 kattan fazla köpük üretebilmeli, standart bir testte 15 dakika sonra en az 150 mL köpük koruyabilmeli ve yarı ömrü 400 saniyeden uzun olmalıdır. Ayrıca zaman içinde hacmi yavaşça ve içbükey bir eğriyle azalan köpüklerin, hacmini daha doğrusal ve hızlı kaybedenlere göre daha iyi performans gösterme eğiliminde olduğunu buldular. Bu tür köpükler uygun hacimlerde—çoğunlukla kazılan zemin hacminin yaklaşık %20–25’i civarında—enjekte edildiğinde, ortaya çıkan zemin 150–200 mm aralığında slump, çok düşük geçirgenlik ve ılımlı kesme dayanımı gösterir; bunların tümü makinenin düzgün, kontrollü çalışmasını destekler.

Daha güvenli tüneller için anlamı

Uzman olmayanlar için mesaj şudur: tüm kabarcıklar aynı değildir. Köpüğün nasıl üretileceğini dikkatle ayarlayarak ve onu açık sayısal eşiklerle seçerek mühendisler, sorunlu su açısından zengin kumu basınç taşıyabilen, yoğun krema gibi akan ve tehlikeli sızıntılara karşı dirençli bir malzemeye dönüştürebilir. Çalışma, köpürtücüleri seçmek ve test etmek için standardize edilmiş bir yol sunarak inşaat sahalarındaki deneme‑yanılma ihtiyacını azaltır ve yeni yeraltı alanları oluşturulurken işçileri, şehir sokaklarını ve yakın yapıların güvenliğini korumaya yardımcı olur.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: tünel kazma, zemin koşullandırma, köpürtücüler, su açısından zengin kum, yeraltı inşaatı