50

Influence of chemical additives used in EPB tunneling and its management

Daniele Peila, Andrea Picchio

Department of Land, Environment and Geo-Engineering TUSC - Tunnelling and Underground Space Center & Laboratory

Politecnico di Torino - Italy 1. Introduction Earth Pressure Balanced Shields are currently the most used tunnelling machines throughout the world.

The use of conditioning agents that change the mechanical and hydraulic behaviour of a soil, into a plastic paste and thus permitting soil pressure applications at the tunnel face is the key point to explain the increasing application of this technology to many different soils.

The ground in the bulk chamber has to have properties that permit the face stability to be controlled with the application of the pressure (Anagnostou and Kovari, 1996) and to be impermeable, furthermore the machine head torque should be reduced and tools wear should be minimized. The conditioning products and parameters have therefore to: - guarantee an uniform face pressure; - minimise inflow/over-excavation; - create a homogenous flow-path from the tunnel face to the belt conveyor; - minimise torque and friction.

Despite its great importance, not much laboratory research have been registered on soil conditioning, particularly for cohesionless soils but also when complex clay formations can be encountered. Conditioning is still today often defined on the basis of a trial-and-error procedure developed directly at the job sites (EFNARC, 2005) but a laboratory preliminary assessment appears to be a key point for a correct analysis of machine performance.

Among the studies concerning ground conditioning, the following should be mentioned: Kuribashi et al. (1993), Maidl (1995) Herrenknecht and Maidl (1995) and Quebaud (1998), who offered the first qualitative quantification of the effect of foam, and Milligan (2001), who developed a state-of-the-art procedure with specific reference to microtunelling applications while the EFNARC (2005) guidelines provide useful indications on the use of conditioned products. The simple slump cone test was used by Peron and Marcheselli (1994), Quebaud et al. (1998), Bordachar and Nicolas (1998), Jancsecz et al. (1999), Williamson et al. (1999), Peña (2003), Boone et al. (2005), Vinai et al. (2006) , Peila et al. (2009) and Thewes M. and Budach (2010) and to provide a procedure for the definition of soil plasticity, finally Borio and Peila (2010) developed tests to evaluate the permeability of the conditioned soil.

51

Tests able to simulate large scale tests, using screw conveyor devices have been carried out by Bezuijen and Schaminée (2001), who studied the behaviour of conditioned sand soils with both a full-scale and a laboratory model screw conveyor, Yoshikawa (1996), who performed a number of tests using a full-scale EPB screw conveyor with plastic soil and with different screw speeds and Merritt and Mair (2006) and Peila at al. (2007) and Vinai at al (2008) who used a laboratory screw conveyor device to test the extraction of soil from a pressurized tank.

It is important to asses that optimisation of ground conditioning is one of the key parameters in order to achieve a successful tunnel drive with an EPB shield and this should be done before starting the excavation.

Before the TBM launch, it is strongly recommended to carry out a series of laboratory tests. These should be able to characterise the soil to be excavated and to give a good estimate of the parameters to be used during tunnelling. In the following the most important tests are presented and discussed. 2. Ground conditioning tests for EPB tunneling In the following paragraph the most important laboratory tests for characterisation of conditioned soil are presented. 2.1 Foam’s half-life The half-life of foam (t50) is the time required for 50% of the water used to generate the foam to drain away. The half-life depends upon the foaming agent concentration in water and the Foam Expansion Ratio (FER) as clearly shown by Fig. 1. The longer the foam half-life, the higher will be its durability and efficiency when mixed with soil. 2.2 Slump tests for conditioned soils To characterize the conditioned ground, it is possible to carry out standard slump tests. The test procedure is the following: in a standard mixer, the proportioned amounts of ground and foam solution are mixed together then the material is tested in the same way as fresh concrete (ASTM 143-C; EN 12350) by lifting a standard cone and measuring the lowering of the cone and the shape of the obtained slump. In order to standardize the evaluation of these results, it is necessary to have a design chart that is able to provide a unique interpretation. For this reason, the shape and rupture of the soil cone and the drainage of water and foam were observed during many different tests and taken into account in order to define the global behavior of the material: - impossibility of creating a plastic “paste” with an irregular collapse of the cone (not suitable);

52

Figure 1. Examples of the results obtained from half-life tests using the same foaming agent liquid for different FER’s for two different foaming commercial agents - stiff behaviour with a reduced slump value but with a plastic paste creation, mainly due to an insufficient foam content (borderline); - too fluid a mix with a relevant loss of water and/or foam due to the presence of too much water and/or foam (not suitable); - “plastic” behaviour with a reduced water loss from the soil (borderline); correct behaviour of the mix (suitable).

This test is also suitable for checking the quality of the conditioned soil directly on the job site. When using a slump test it is usually assessed that a soils is properly conditioned when the cone fall ranges from 100 to 200 mm.

Conditioning agent B

Conditioning agent A

53

Figure 2 - An example of slump test: the material in its natural state (non conditioned) (left) and the material conditioned with foam (right)

Figure 3. Example of comparative chart for defining the behaviour of conditioned soil using slump tests on sandy gravel

A B

54

Figure 4. Slump test procedure

55

2.3 Permeability test Soil permeability is a key parameter for a good conditioning particularly when working under water table.

Only a conditioned ground with low permeability facilitates the correct management of the pressure to the face in the presence of water and prevents possible water inflow into the excavation chamber. For this assessment it is not possible to use a standard permeability test since this procedure requires a constant water flow through the sample. In the case of conditioned soils the flow washes away the bubbles thus changing the results that can be obtained and that are significant for the technological application of an EPB machine.

To get a significant results a modified permeability test should therefore be carried out. In the TUSC laboratory of Politecnico di Torino a specific procedure with the measurement of the time required by a pre-defined amount water to pass through a sample has been set. A series of tests have shown the feasibility of the procedure.

Figure 5. The modified permeability test layout (A) and equipment (B). In Figure B it is possible to see the position of water that is passing through the sample when the photograph was taken. 2.4 Wear test To achieve if the adopted conditioning is able to reduce both the wear on the metallic parts of the machines and the friction of the muck, a test device, where a disk is turned inside the soil at a constant speed for a pre-defined time has been developed in the laboratory and the test procedure has been defined. This test is carried out with the measurement of the loss of material of the test disk (made of brass or aluminium) (Peila et al, 2011) or the test tool that is made of

A B

56

blades (Nilsen et al., 2007; Gharahbagh et al., 2011) before and after the test and the measurement of the applied torque.

This test procedure has shown to be feasible and to permit a good comparison between different conditioning sets. Figure 7 shows the comparison of the torque measured in a sandy gravel before and after conditioning. The reduction achieved by the conditioning is clear.

2.5 Simulation of the ground extraction by a screw conveyor This test allows to evaluate the suitability of conditioned materials to be extracted from a chamber under pressure by a screw conveyor.

The laboratory device prototype (Peila et al., 2007; Vinai et al., 2008), is a 1:10 screw conveyor scale model of a standard metro tunnel machine. It was designed to allow an index laboratory test which could handle a limited ground volume to be performed but also soils with relatively large particles (up to 20 mm) to be tested.

The device is made of an 800 mm high tank with a 600 mm nominal internal diameter filled with soil. An aluminium plate, connected to a hydraulic jack, with a stroke of 500mm, applies a nominal pressure to the tank of up to 2 MPa, which is the value that can be encountered in a number of urban tunnels at a depth of 10-20 m. A 1500 mm long screw conveyor is coupled to the tank with an upward inclination of 30°.

The diameter of the screw case is 168 mm, the flights have a pitch of 100 mm and the screw shaft has a diameter of 60 mm.

The device was instrumented with the following sensors, as shown in Fig.7: three total pressure cells to measure the total normal stress applied along the screw conveyor case. The cells are spaced 250mm apart and the first cell has a distance of 430mm from the tank; a torque meter, in line with the screw shaft, to measure the torque transferred from the motor; a displacement wire transducer to control the upper plate movement; two total pressure cells, to measure the load under the upper plate and on the bottom of the tank.

The foam used for the soil conditioning is obtained from an industrial foam generator adapted for laboratory purposes.

Figure 6. View of the machine for the wear test. It is possible to see the position of the torque-meter and the tank where is inserted the soil for the test and where a disk is used as a test tool.

57

Figure 7. Example of the measured torque during the wear test without conditioning (A) and with conditioning (B).

Basically this test allows to check the efficiency of the ground conditioning parameters found during the slump test on a larger scale with a procedure closer to real action of an EPB machine.

The ground is considered to be conditioned correctly if the screw conveyor is able to extract soil constantly and the pressures registered along the screw decrease regularly from the cell closest to the chamber to the last one.

A B

58

Furthermore this test assesses the suitability of the conditioned soil to apply a regular pressure and to traverse the screw conveyor and measure the associated reduction in torque.

Sensor installed on the device: 1, 2, 3: pressure cells, 4: torque; 5: wire transducer, 6.7: pressure cells in the chamber Figure 8. Experimental screw conveyor extraction device (Peila et al., 2007).

Screw conveyor

59

Figure 9. Example of the trend of pressure through the screw (8A) measurement of the torque required for the extraction of the material (8B) 2.5.1 Test procedure for screw conveyor extraction test The soil sample is prepared by mixing a foam, water and soil in a concrete mixer. The conditioned soil is then poured into the tank. This operation is repeated until the tank is full (about 350 kg of conditioned soil). The upper plate is then positioned and pushed down by the jack to reach the test pressure.

The screw conveyor is then started and the material is collected and weighed at the discharge outlet. During the extraction of the material, the upper plate is moved downwards to keep the pressure in the tank constant.

The described device was calibrated through a series of tests on a reference monogranular sand with different conditioning amounts. These results were reported in Vinai et al. (2008). Many other tests were carried out on different soils where EPB tunneling was used and the most significant results are summarized in Table 1 to provide a basis for comparison of the effect of soil conditioning on different types of soil.

3. ExampleXAMPLE OF RESULTS OF EXTRACTION TESTS 3.1 Metro of Turin soil Tests were carried out on a Turin alluvional soil obtained from an area where a new stretch of the metro line were constructed. The soil, is a choesionless mix of sand and gravel, was sieved with a 20mm mesh to avoid that large cobbles can damage the testing device screw conveyor and the used grain size distribution is reported in Figure 10. The natural water content of the soil was 7% and this value was used in the tests.

A preliminary slump tests campaign allowed to ascertain that a foam with a FER of 16 and FIR of 30% permit a good soil conditioning. Table 2 reports the measured data for the tests on the Turin soil compared to those obtained for the reference sand (Vinai et al., 2008).

The test data show that it is difficult for the pressure to be transmitted in the unconditioned saturated soil since the torque reaches high peaks while the conditioned soil shows good behavior also if compared to the reference sand.

60

61

62

Figure 9. Grain size distribution of the Turin soil and photograph of the soil.

Table 2. Results of tests on the reference sand and the Turin soil.

Test Theoretical

pressure [kPa]

Measured pressure

[kPa]

Torque [Nm]

�disp. [mm/s

Cell 1

[kPa]

Cell 2 [kPa]

Cell 3 [kPa]

top bot. Top bot. Saturated refer. sand

90 105 ~150 ~100 30-40 0,3 4-8 4-6 2-4

Conditioned refer. sand

90 105 ~80 ~95 6-10 0,5 20-28 12-17 4-6

Saturated Turin soil

60 75 ~25 ~25 50 -- -- -- --

Conditioned Turin soil

60/90 75 ~45/60

~65/90

50 0,6 9-12 8-10 3-5

The test data show that it is difficult for the pressure to be transmitted in the unconditioned saturated soil since the torque reaches high peaks while the conditioned soil shows good behavior also if compared to the reference sand.

During the test, the theoretical pressure inside the tank was set at 60 kPa and then increased to 90 kPa to study its behavior at two different pressure levels; the medium value of torque required for the extraction of the conditioned Turin soil was about 50 Nm. This is due to the internal friction of the gravel, which represents a 20% percentage of grains. The pressure values registered by the pressure cells along the screw conveyor were disturbed by the larger fractions of the soil and these generated the peaks which can clearly be seen in figure 6. Despite this, the average values registered by the three cells were constant and with a regular drop along the screw conveyor.

63

Figure 11. Conditioned Turin soil. Pressure recorded by the sensors installed in the tank.

Figure 12. Obtained diagrams of the recorded torque for the conditioned Turin soil. On the basis of the results of the tests, the following comments can be made: • the conditioned material permits an almost regular transmission of the

pressure inside the tank; • the pressure measured in the cells along the screw conveyor shows

homogeneous values in time, but lower values compared to the pressure applied in the tank. The drop in pressure experienced during the passage from the tank to the screw is probably induced by the larger soil fractions, which are not able to maintain a perfect “plastic” behavior;

• the pressure applied inside the screw is regularly dissipated during the extraction;

64

Figure 13. Conditioned Turin soil. Pressures recorded by the sensors installed along the screw conveyor. • the torque applied to extract the material is almost regular and high

punctual values are induced by the larger grains inside the material itself. The medium value is close to that registered for the reference saturated sand;

• the displacement of the upper plate is regular and this suggests that the extraction of the conditioned material could easily be controlled also at the machine scale;

• extraction with the screw conveyor determines a reduction in plasticity of the conditioned soil. The chaotic movement of the material inside the screw conveyor increase the separation between the soil and water and damages the conditioning bubbles. The soil at the screw outlet results to be dryer, compared to the conditioned soil at the beginning of the test.

3.2 Rome - Metro C line soil The tests on the Metro C new metro line soil were carried out on the pozzolanic soil, a volcanic sand. The natural water content of the soil was 30% and this value was used in the tests.

A preliminary slump tests campaign on conditioned soil permitted us to ascertain that using a foam with a FER of 16 and a FIR of 30% led to an optimal soil conditioning. During the tests the speed of the screw conveyor was kept constant at 6 rpm.

The test on the non conditioned soil was interrupted after a few minutes because it was not possible to extract the material from the tank due to the creation of a stable hole around the entrance of the screw conveyor. Table 3 reports the measured data compared with those obtained for the reference sand.

65

Figure 14. Conditioned soil before (a) and after (b) the extraction from the tank.

Figure 15. Grain size distribution of the Roman soil and photograph of the soil.

Table 3. Results of the tests on the reference sand and the Roman soil.

Test Theoretical

pressure [kPa]

Measured pressure

[kPa]

Torque [Nm]

�disp. [mm/s

Cell 1

[kPa

Cell 2

[kPa]

Cell 3

[kPa] top bot. top bot.

Saturated refer. sand

90 105 ~150 ~100 30-40 0,3 4-8 4-6 2-4

Conditioned refer. sand

90 105 ~80 ~95 6-10 0,5 20-28

12-17 4-6

Rome unconditioned

soil

90/

120

~120

~135 60/75 -- -- -- -- --

Rome conditioned soil

90 105 ~70 ~80 11 0,55 20-30

13-23 10-15

a) b)

66

Figure 15. Slump behaviour of the pozzolana conditioned soil 3.2.1 Test on the unconditioned pozzolanic soil The test clearly shows that it is not possible to extract this soil from the apparatus without conditioning, since the screw creates a hole in the material itself that is then stable and no material flow is induced in the machine.

Figure 16. Void in the pozzolana induced by the screw and that prevent any flow of the material. 3.2.2 Test on the conditioned pozzolanic soil The pressure of the tank was set at 90 kPa but at the beginning of the test it was difficult to control the pressure with the jack, probably because of local compactation of the soil inside the tank.

After some displacement the conditioned soil was able to transmit the applied pressures inside the tank without any problems as clearly shown in Fig 16.

The screw torque value during the extraction when the pressure was stabilized is stable and has a value of 11 Nm, very close to the value requested for the conditioned reference sand.

w = 35% FIR = 40% w = 15% FIR = 110%

67

Figure 17. Conditioned pozzolanic soil. Pressure recorded by the sensors installed in the tank.

Figure 18. Value of the torque for the conditioned pozzolanic soil.

The pressures measured along the screw conveyor are similar to those recorded for the conditioned reference sand and they show a good and regular decay along the screw itself.

68

Figure 19 - Pressures recorded by the sensors installed along the screw conveyor for the pozzolanic soil On the basis of the tests carried out on pozzolanic soil some general considerations can be made: • the natural soil cannot be extracted from the tank, by a screw conveyor,

with its natural water content; • the natural water content in the soil is important since it directly

influences the amount of foam required to achieve an optimum conditioning;

• a FIR of 30% has given a good quality to the soil-foam mix after time zero and at an environmental temperature of about 20 °C for all the tested foams

Figure 20. Conditioned soil before (a) and after (b) extraction from the tank.

a) b)

69

If the real machine data results are analyzed, it can be observed that a quite larger amount of foam was generally used both above and below the water table, in particular in the first part above the water table (FIR = 130%).

This data can be explained by taking into account the decay of the properties of the conditioned soil with time and temperature. The influence of these two parameters has already discussed by Peila et al. (2008) who showed their great relevance on slump decay. By making a series of tests on the Rome pozzolanic soil at different temperatures and times after conditioning it was possible to show that in order to obtain a suitable slump after 30 min at a temperature of 40 °C, it is necessary to use a FIR of 140%.

Finally, by analyzing the cutter head torque vs FIR, it is possible to highlight that below the water table, therefore with a more fluid material and an increasing pressure in the chamber, a lower amount of foam is required to keep the head torque constant and at the same values registered above the water table. The measured head torque on the machine for the considered stretch ranged between 4.8 and 5.5 MN*m which is in good agreement with the values obtained with the usual formula: torque = �*D3. 3. CONCLUSIONS The most important test to be carried out for assessing the properties of the conditioned soil in EPB tunnelling are presented and discussed. The comparison between the results obtained in laboratory and real machine excavation are presented and discussed showing the importance of the laboratory tests when a preliminary assessment is to be developed at the design stage.

70

Figure 21. EPB machine data from a stretch of the Metro C line in Rome

Ring number

Ring number

Ring number

71

References Anagnostou G. and Kovari K. (1996), Face stability conditions with Earth-pressure balanced Shields, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 11, No. 2, Pergamon – Oxford, pp. 165 – 173 Bezuijen A., Schaminee P.E.L. and Kleinjan J.A. (1999), Additive testing for earth pressure balance shields, Proc. of 12th Eur. conf. on Soil Mech. And Geotech. Engng., Amsterdam, June 1999, Balkema, Rotterdam, pp. 1991 - 1996 Boone S.J., Artigiani E., Shirlaw J.N., Ginanneschi R., Leinala T. and Kochmanova N.(2005), Use of ground conditioning agents for Earth Pressure Balance machine tunnelling, Congrès international de Chambéry - Octobre 2005, AFTES, pp. 313-319 Bordachar F. and Nicolas L. (1998), Fluides conditionneurs pour la pression de terre, Tunnels et ouvrages souterrains 169 - Janvier/Février 1998, AFTES, pp. 21 – 27 (in French) Borio L. and Peila D. (2010), Study of the Permeability of Foam Conditioned soil with Laboratory Tests, American Journal of Environmental Science, 6(4), pp. 365-370. EFNARC (2005) “Specification and guidelines for the use of specialist products for Mechanized Tunnelling (TBM) in Soft Ground and Hard Rock,” Recommendation of European Federation of Producers and Contractors of Specialist Products for Structures. Herrenknecht M. and Maidl U. (1995), Applying foam for an EPB shield drive in Valencia, Tunnel 5/95, STUVA, pp. 10 - 19 Jancsecz S., Krause R. and Langmaack L. (1999), Advantages of soil conditioning in shield tunnelling: experiences of LRTS Izmir, Challenges for the 21st Century, Alten et al (eds), 1999, Balkema-Rotterdam, pp. 865 - 875 Kuribashi Y., Yagi K. and Ishimoto H. (1993), The PMF Super shield tunneling process - expanding applications for earth pressure balanced shield tunneling , Options for Tunnelling 1993, ed. H. Burger, Elsevier, pp. 411 – 420 Gharahbagh E.A., Rostani J. (2011) Study of tool wear in Soft Ground Tunneling and introduction of a new soil abrasivity test, WTC 2011, Helsinki Maidl, B., Herrenknecht, M. and Anheuser, L. (1995), Mechanised Shield Tunnelling , Ernst&Sohn, Berlin, p.428. Merritt, A. and Mair, R.J. (2006), Mechanics of tunnelling machine screw conveyor: model tests, Geotechnique, Vol. 56, pp. 605-615. Milligan G. (2001), Lubrication and soil conditioning in tunnelling, pipe jacking and microtunnelling state of the art review, Geotechnical consulting group – London Nilsen B., Dahl F., Holzhauser J., Raleigh P. (2011) New test methodology for estimating the abrasiveness of soil for TBM tunneling, 2007 RETC, Toronto Peila, D., Oggeri, C. and Vinai, R. (2007), Screw Conveyor Device for laboratory tests on conditioned soil for EPB tunnelling operations, Journal of Geotechnical and geoenvironmental engineering, ASCE, Vol.133 , pp. 1622-

72

1625. Peila D., Oggeri C. and Borio L. (2009),Using the slump test to assess the behavior of conditioned soil for EPB tunneling, Environmental & Engineering Geoscience, , pp. 167-174, 2009, Vol. XV (3) Peila D., Picchio A., Barbero M., Bozza F. (2011), Wear tests on conditione soils for EPB tunneling, GEAM, 2011 (in press) Peña M. (2003), Soil conditioning for sands, Tunnels & Tunnelling international, July 2003, pp. 40 - 42 Peron J.Y. and Marcheselli P. (1994), Construction of the 'Passante Ferroviario' link in Milan, Italy, lots 3P, 5P, and 6P: excavation by large EPBS with chemical foam injection, Tunnelling '94 - seventh international symposium organized by IMM, London, 5-7 July 94, Chapman & Hall, pp. 679 - 707 Quebaud S., Sibai M. and Henry J.P. (1998), Use of chemical foam for improvements in drilling by earth pressure balanced shields in granular soils, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 13, No.2 Pergamon – Oxford, pp. 173 – 180 Thewes M. and Budach C. (2010), Soil conditioning with foam during EPB tunnelling, Geomechanics and Tunnelling, 3(3), pp. 256–267 Vinai, R., Oggeri, C. and Peila, D. (2007), Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 23(3), pp. 308-317. Vinai R., Borio L., Peila D., Oggeri C. and Pelizza S. (2008), Soil conditioning for EPB Tunnelling, Tunnels & Tunnelling international, Vol. XII, Williamson G.E., Traylor M.T. and Higuchi M. (1999), Soil conditioning for EPB shield tunneling on the South Bay Ocean Outfall, RETC proceedings 1999, ch. 51, pp. 897 - 925

73

Wpływ dodatków chemicznych, stosowanych w dr��eniu tuneli tarczami zmechanizowanymi TBM typu EPB

Daniele Peila, Andrea Picchio

Zakład Gruntów, �rodowiska i Geoin�ynieria; TUSC – Centrum oraz Laboratorium Budowy Tuneli i Przestrzeni Podziemnej Politechnika w Turynie

- Włochy

1. Wprowadzenie Tarcze zmechanizowane EPB tzn. zrównowa�onych ci�nie� gruntowych s� obecnie najcz��ciej stosowanymi urz�dzeniami do dr��enia tuneli na �wiecie.

Stosowanie plastyfikatorów, które zmieniaj� grunt w plastyczn� mas� o odpowiednich cechach mechanicznych i hydraulicznych pozwala na uzyskanie wła�ciwego parcia gruntu w czole tarczy. To wyja�nia stały wzrost stosowania tej technologii w bardzo zró�nicowanych warunkach gruntowych.

Grunt w komorze roboczej powinien mie� wła�ciwo�ci, które zapewniałyby kontrolowanie stateczno�ci przodka przy zadanym ci�nieniu (Anagnostou i Kovari, 1996) oraz powinien by� nieprzepuszczalny; poza tym, moment obrotowy głowicy skrawaj�cej powinien by� zredukowany a zu�ycie narz�dzi zminimalizowane. Plastyfikatory i ich parametry powinny posiada� nast�puj�ce wła�ciwo�ci: - gwarantowa� jednakowe ci�nienie na przodku, - minimalizowa� dopływ wody do wyrobiska, - stworzy� jednorodn� �cie�k� przepływu urobku od głowicy skrawaj�cej do

przeno�nika ta�mowego, - minimalizowa� moment obrotowy głowicy skrawaj�cej i tarcie. Mimo du�ej wagi tych zagadnie�, jak dot�d nie prowadzono wielu bada� laboratoryjnych gruntów z dodatkiem plastyfikatorów, szczególnie gruntów niespoistych, ale te� i spoistych – glin i iłów.

Dobór plastyfikatorów i sposób ich stosowania jest obecnie cz�sto okre�lane metod� prób i bł�dów, prowadzon� bezpo�rednio na budowie (EFNARC, 2005), tym niemniej wst�pna ocena, wydana przez laboratorium, wydaje si� by� kluczowym punktem do przeprowadzenia poprawnej analizy pracy tarczy EPB.

W�ród autorów bada� nad dodatkami uplastyczniaj�cymi grunt, nale�y wymieni� nast�puj�ce osoby: Kuribashi i in. (1993), Maidl (1995), Herrenknecht i Maidl (1995) oraz Quebaud (1998), którzy podali pierwsz� jako�ciow� kwalifikacj� efektu piany, a Milligan (2001), który opracował stan wiedzy o procesie uplastycznienia gruntu, ze szczególnym uwzgl�dnieniem mikrotunelowania, podał, �e wytyczne EFNARC (2005) dostarczaj� u�ytecznych wskazówek do stosowana plastyfikatorów. Proste badanie konsystencji gruntu za pomoc� sto�ka opadowego było stosowane przez

74

nast�puj�ce osoby: Peron i Marcheselli (1994), Quebaud i in. (1998), Bordachar i Nicolas (1998), Jancsecz i in. (1999), Williamson i in. (1999), Peña (2003), Boone i in. (2005), Vinai i in. (2006), Peila i in. (2009) oraz Thewes M. i Budach (2010). Aby oceni� plastyczno�ci gruntu, Borio i Peila (2010) opracowali test na okre�lenie przepuszczalno�ci gruntu z dodatkiem plastyfikatora.

Testy te umo�liwiły symulacj� kolejnych bada� na wi�ksz� skal�. Bezuijen i Schaminée (2001) badali zachowanie si� gruntów piaszczystych, zarówno w skali naturalnej jak i na modelowym przeno�niku �limakowym w laboratorium. Yoshikawa (1996) wykonał wiele prób z gruntem uplastycznionym, z zastosowaniem przeno�nika �limakowego EPB naturalnej wielko�ci stosuj�c ró�ne pr�dko�ci obrotowe �limaka. Merritt i Mair (2006), Peila i in. (2007) oraz Vinai i in. (2008) u�ywali modelu laboratoryjnego przeno�nika �limakowego do wykonania bada� transportu urobku z komory roboczej.

Wa�ne jest, �e optymalizacja dodatków do urabianego gruntu jest jednym z kluczowych parametrów słu��cych prawidłowemu wykonaniu tunelu za pomoc� tarczy EPB. To zagadnienie powinno by� rozwi�zane przed przyst�pieniem do dr��enia tunelu.

Przed uruchomieniem TBM zaleca si� wykona� seri� bada� laboratoryjnych. To powinno umo�liwi� scharakteryzowanie gruntu, który ma by� urabiany oraz wła�ciw� ocen� parametrów, stosowanych podczas dr��enia tunelu. W niniejszym opracowaniu przedstawiono i omówiono najwa�niejsze z tych bada�.

2. Badania gruntu z plastyfikatorem w postaci piany stosowanym do tarcz zmechanizowanych EPB W niniejszym rozdziale, przedstawiono opis najwa�niejszych bada� laboratoryjnych, które nale�y wykona� aby oceni� parametry gruntów z dodatkiem plastyfikatora w postaci piany. 2.1 Półokres �ycia piany Półokres �ycia piany (t50) to czas potrzebny na to aby 50% obj�to�ci wody stosowanej do wytworzenia piany zostało odprowadzone.

Półokres �ycia piany zale�y od st��enia w wodzie czynników tworz�cych pian� i od wskanika FER, jak to pokazano na rys. 1. (FER – Foam Expantion Ratio – jest to obj�to�� piany jaka mo�e by� wytworzona z okre�lonej obj�to�ci płynu tworz�cego pian�, np. woda plus plastyfikator). Im dłu�szy jest półokres �ycia piany, tym wi�ksza jest jej trwało�� i wydajno�� po jej wymieszaniu z gruntem.

75

2.2 Badanie konsystencji urobku metod� rozpływu sto�ka Aby okre�li� parametry gruntów z dodatkiem plastyfikatora, zaleca si� wykonanie standardowych bada� konsystencji tych gruntów. Procedura bada� jest nast�puj�ca: standardowy mieszalnik, proporcjonalne ilo�ci gruntu i roztworu piany s� ze sob� mieszane, a nast�pnie materiał jest badany w ten sam sposób jak �wie�a mieszanka betonowa (ASTM 143-C; EN 12350) przez podnoszenie sto�ka i opuszczanie go, a nast�pnie obserwacj� otrzymanego sto�ka gruntu. W celu standaryzacji oceny otrzymanych wyników, konieczne jest posiadanie wykresu wzorcowego, który umo�liwi dokonanie jednoznacznej interpretacji.

Rys. 1. Przykłady wyników bada� półokresu �ycia piany, przy u�yciu ciekłego czynnika pianotwórczego, dla ró�nych wskaników FER, przy dwóch ró�nych handlowych �rodkach pianotwórczych. Woda odprowadzona[%]; Plastyfikator A lub B; Czas [s]

Conditioning agent B

Conditioning agent A

76

Z tego powodu, kształt i p�kni�cia sto�ka gruntu oraz odprowadzanie wody i sama piana były obserwowane w czasie kilku ró�nych testów, a po uwzgl�dnieniu wszystkich wyników opracowano globaln� ocen� czterech typów zachowania si� badanego materiału, które podano poni�ej: - niemo�liwe jest utworzenie plastycznej “pasty” charakteryzuj�cej si� nieregularnym zapadaniem si� powierzchni sto�ka (nie po��dane), - zachowanie jak materiał sztywny ze zmniejszon� warto�ci� rozmycia sto�ka, głównie z powodu niewystarczaj�cej ilo�ci piany (na granicy sto�ka), ale z mo�liwo�ci� stworzenia plastycznej pasty, - zbyt płynna mieszanka ze znacz�cym odpływem wody i/lub piany z powodu zbyt du�ej ilo�ci wody i/lub piany (nie po��dane), - zachowanie “plastyczne”, przy zmniejszonym odpływie wody z gruntu (na granicy sto�ka); poprawne zachowanie si� mieszanki (odpowiednie).

Badanie to mo�na równie� stosowa� bezpo�rednio na budowie w celu sprawdzenia jako�ci gruntu z dodatkiem piany. Stosuj�c ten test, zwykle ocenia si� czy grunt ma wła�ciw� plastyczno��, co ma miejsce gdy sto�ek rozpływu ma wymiary w zakresie od 100mm do 200mm.

Rys. 2. Przykład badania konsystencji gruntu: A - materiał jest w naturalnym stanie (bez dodatków), B - z dodatkiem piany. 2.3 Badanie przepuszczalno�ci Przepuszczalno�� gruntu jest podstawowym parametrem, którego znajomo�� pozwala na stosowanie prawidłowych dodatków uplastyczniaj�cych grunt, co jest szczególnie istotne podczas dr��enia tunelu poni�ej poziomu wód gruntowych.

Tylko plastyczny, urobiony grunt o niskiej przepuszczalno�ci, ułatwia wła�ciw� regulacj� jego ci�nienia na przodku i zapobiega przedostawaniu si� wody gruntowej do komory roboczej. Aby oceni� przepuszczalno�� tego materiału nie mo�na stosowa� standardowego badania, gdy� procedura

A B

77

wymaga stałego przepływu wody przez próbk�. W przypadku gruntów z plastyfikatorem, przepływ wody wymywa p�cherzyki piany; to wpływa na zmian� otrzymanych wyników, co ma szczególne znaczenie przy technologii tarczy EPB.

Rys.3. Procedura badania konsystencji gruntów metod� rozpływu sto�ka Aby wyniki były miarodajne nale�y przeprowadzi� zmodyfikowane badanie przepuszczalno�ci.

W laboratorium TUSC na Politechnice w Turynie, opracowano specjaln� procedur� z pomiarem czasu wymaganego do przej�cia wody przez próbk�, przy uprzednio okre�lonej ilo�ci wody. Seria bada� wykazała mo�liwo�� stosowania takiej procedury.

Mieszanie gruntu z wod� i pian� Napełnianie sto�ka Podnoszenie sto�ka

Pomiar materiału usuni�tego ze sto�ka i ocena jako�ci mieszanki

78

FIR – Foam Injection Ratio oznacza obj�to�� piany wprowadzonej do gruntu przed czołem tarczy w stosunku do jednostki obj�to�ci urobionego gruntu [%] Brak wytworzenia si� pasty Zbyt płynny materiał – utrata piany – utrata wody i piany Linia graniczna Odpowiednia Zbyt płynna – zachowanie sztywne Brak wytworzenia si� pasty Brak wytworzenia si� pasty – sucha mieszanka – utrata wody Rys. 4. Przykład wykresu porównawczego w celu okre�lenia zachowania si� gruntu - piaszczystego �wiru z dodatkiem piany - przy zastosowaniu badania konsystencji gruntu za pomoc� rozpływu sto�ka 2.4 Badanie zu�ycia Aby oceni� czy przyj�te dodatki uplastyczniaj�ce grunt przyczyniaj� si� do zmniejszenia zu�ycia metalowych cz��ci tarczy oraz tarcia na powierzchni głowicy, nale�y wykona� badanie, podczas którego dysk (rodzaj no�a skrawaj�cego)obraca si� ze stał� pr�dko�ci� w gruncie w czasie wst�pnie zdefiniowanym podczas bada� laboratoryjnych. Na tej podstawie okre�la si� procedur� testu okre�laj�cego zu�ycie materiału no�a (rys.6).

Badanie to jest przeprowadzane wraz z pomiarem strat materiału testowanego dysku skrawaj�cego (wykonanego z mosi�dzu lub aluminium) (Peila i in., 2011) lub no�y skrawaj�cych (Nilsen i in., 2007; Gharahbagh i in., 2011). Przed i po badaniu obserwuje si� stan narz�dzi testowych i dokonuje si� pomiaru zastosowanego momentu obrotowego.

79

Rys. 5. Zmodyfikowany układ badawczy do badania przepuszczalno�ci (A) i aparatura(B) . Na rysunku (B) mo�na zobaczy� poziom wody, która przechodzi przez próbk�

Procedura tego badania jest mo�liwa do wykonania i pozwala na dobre porównanie ró�nych warunków stosowania dodatków uplastyczniaj�cych. Rysunek 7 przedstawia porównanie pomierzonych momentów obrotowych głowicy w pospółce bez dodatków i po dodaniu plastyfikatora. Wida� wyranie, �e uzyskano zmniejszenie zu�ycia materiału narz�dzia skrawaj�cego dzi�ki dodaniu plastyfikatora.

Rys. 6. Widok maszyny do przeprowadzania bada� zu�ycia elementów głowicy skrawaj�cej. Wida� miernik momentu obrotowego oraz zbiornik wypełniony gruntem, w którym znajduje si� dysk u�yty jako narz�dzie testowe

A B

80

Rys. 7. Przykład pomierzonego momentu obrotowego podczas badania zu�ycia narz�dzia skrawaj�cego w pospółce bez dodatków (A) i z dodatkiem plastyfikatora (B). 2.5 Symulacja transportu urobku za pomoc� przeno�nika �limakowego To badanie umo�liwia ocen� skuteczno�ci dodania do gruntu plastyfikatora z punktu widzenia transportu urobku przeno�nikiem �limakowym z komory roboczej.

Prototypowe urz�dzenie laboratoryjne (Peila i in., 2007; Vinai i in., 2008), jest modelem w skali 1:10 typowego przeno�nika �limakowego stosowanego w tarczach EPB dr���cych tunele metra. Badanie zaprojektowano

A

81

tak, aby ograniczy� obj�to�� transportowanego urobku, a jednocze�nie przetestowa� grunty o stosunkowo du�ej rozpi�to�ci krzywej uziarnienia – ziarna do 20mm �rednicy.

Urz�dzenie to posiada zbiornik o wysoko�ci 800mm, o znamionowej wewn�trznej �rednicy 600mm, który jest wypełniony gruntem. Płyta aluminiowa, przył�czona do dwignika hydraulicznego, o skoku 500mm, wymaga znamionowego ci�nienia zbiornika do 2 MPa, która to warto�� odpowiada zagł�bieniu stropu tuneli dr��onych w warunkach miejskich na gł�boko�ci 10-20m. Przeno�nik �limakowy ma długo�� 1500mm, jest pochylony pod katem 30º i jest poł�czony ze zbiornikiem. �rednica obudowy �limaka wynosi 168mm, zgarniaki maj� podziałk� 100mmm a wał �limaka ma �rednic� 60mm.

Urz�dzenie jest oprzyrz�dowane czujnikami, jak to pokazano na rys. 8: trzy czujniki parcia gruntu do pomiaru całkowitych normalnych napr��e� wzdłu� obudowy przeno�nika �limakowego. Czujniki te s� rozstawione co 250mm a pierwszy z nich jest w odległo�ci 430mm od zbiornika; miernik momentu obrotowego umieszczono w linii z wałem �limaka - słu�y on do pomiaru momentu przenoszonego z silnika; tensometr strunowy, który słu�y do kontrolowania przemieszcze� górnej płyty; dwa czujniki parcia do pomiaru obci��enia pod górn� płyt� i na dole zbiornika.

Piana stosowana jako plastyfikator gruntu jest uzyskiwana z przemysłowego generatora piany, dostosowanego do celów laboratoryjnych.

Zasadniczo, badanie to pozwala sprawdzi� skuteczno�� stosowania plastyfikatora oraz parametry urobku wyznaczone podczas badania konsystencji metod� rozpływu sto�ka, w wi�kszej skali oraz umo�liwia porównanie z procesem zbli�onym do rzeczywistej pracy tarczy EPB. Mo�na uzna�, �e grunt został prawidłowo uplastyczniony dodatkami, je�li przeno�nik �limakowy jest w stanie transportowa� urobek w sposób ci�gły, a zanotowane ci�nienie wzdłu� �limaka zmniejsza si� regularnie od czujnika poło�onego najbli�ej komory roboczej a� do ostatniego. Ponadto, to badanie pozwala oceni� czy dodatek piany, umo�liwia zachowanie stałego ci�nienia urobku w przeno�niku �limakowym i zmniejszenie momentu obrotowego. 2.5.1 Procedury testowe dla bada� transportu urobku przeno�nikiem �limakowym Próbka urobku jest przygotowywana przez zmieszanie piany i gruntu w betoniarce. Urobek ten jest nast�pnie wlewany do zbiornika. Czynno�� ta jest powtarzana tak długo, a� zbiornik zostanie napełniony (ok. 350kg urobku). Górna płyta jest nast�pnie odpowiednio uło�ona i doci�ni�ta dwignikiem hydraulicznym w celu uzyskania ci�nienia badawczego.

B

82

Rys. 8. Do�wiadczalny przeno�nik �limakowy (Peila i in. 2007). Czujniki zainstalowane na urz�dzeniu: 1, 2, 3- czujniki do pomiaru ci�nienia urobku, 4 -czujnik do pomiaru momentu obrotowego, 5- czujnik strunowy, 6,7- czujniki do pomiaru ci�nienia urobku w komorze roboczej.

Rys. 9. Przykład rozkładu ci�nienia urobku w przeno�niku �limakowym (A); rozkład pomierzonej warto�ci momentu potrzebnego do przetransportowania urobionego materiału (B).

Screw conveyor

83

Nast�pnie zostaje uruchomiony przeno�nik �limakowy i materiał jest gromadzony i wa�ony w miejscu wysypu z przeno�nika. W czasie transportu materiału, górna płyta jest przesuwana w dół, aby utrzyma� stałe ci�nienie w zbiorniku.

Opisane urz�dzenie jest kalibrowane poprzez wykonanie kilku serii bada� z zastosowaniem wzorcowego piasku równoziarnistego i ró�nych parametrów plastyfikatora. Wyniki zostały opisane przez Vinai i in. (2008). Przeprowadzono wiele testów ró�nych gruntów, w których dr��ono tunele tarcz� EPB, a wi�kszo�� wa�niejszych danych została zestawiona w Tablicy 1, w celu stworzenia bazy danych do porównania efektów stosowania plastyfikatorów w ró�nych rodzajach gruntów. 3. Przykłady i wyniki bada� transportu urobku 3.1 Budowa metra w Turynie Badania te zostały wykonane dla gruntu aluwialnego wyst�puj�cego w Turynie. Próbki pobrano z obszaru budowy metra tury�skiego. Był to grunt niespoisty – pospółka, który został przesiany przez sita o oczkach 20 mm w celu wyeliminowania du�ych, polnych kamieni, które mogłyby uszkodzi� przeno�nik �limakowy. Uzyskan� krzyw� uziarnienia badanego gruntu pokazano na rys. 10. Naturalna wilgotno�� gruntu wynosiła 7% i t� warto�� stosowano podczas wykonywania bada�.

Wst�pne badanie konsystencji pozwoliło stwierdzi�, �e piana o FER 16% i FER 30% umo�liwiła dobre uplastycznienie gruntu. W tablicy 2 podano wyniki pomiarów z bada� gruntu tury�skiego, oraz dla porównania z bada� wzorcowego piasku (Vinai i in., 2008).

Wyniki z bada� pokazuj�, �e trudno jest utrzyma� ci�nienie nawodnionego gruntu bez plastyfikatora, gdy moment obrotowy osi�ga ekstremaln� warto��. Natomiast grunt z plastyfikatorem zachowuje si� dobrze w porównaniu z badaniem wzorcowego piasku. Wynika to z tarcia wewn�trznego �wiru, który stanowił 20% składu uziarnienia. Warto�ci ci�nienia zanotowane wzdłu� przeno�nika �limakowego przez czujniki pomiaru ci�nienia, zostały zakłócone tarciem wi�kszych frakcji gruntu i to spowodowało powstanie pików, które mo�na wyranie zobaczy� na rys.11. Pomimo tego zjawiska, warto�ci �rednie, zarejestrowane przez trzy czujniki, były stałe przy równomiernym spadku ci�nienia wzdłu� przeno�nika �limakowego. Tablica 1 na nast�pnej stronie przedstawia wyniki bada� transportu przeno�nikiem �limakowym urobku z plastyfikatorem i bez dodatków.

84

85

86

Rys. 10. Krzywa uziarnienia gruntu z Turynu oraz fotografia próbki gruntu Tablica 2 – Wyniki bada� gruntu tury�skiego i wzorcowego piasku

Badanie

Ci�nienie teoretycz-

ne [kPa]

Ci�nienie zmierzone

[kPa]

M [Nm]

� rozpro

sz. [mm/s

Czujnik 1 [kPa]

Czuj nik 2 [kPa]

Czuj nik 3 [kPa]

góra dół góra dół Wzorcowy

piasek nawodniony

90 105 ~150 ~100 30-40 0,3 4-8 4-6 2-4

Piasek wzorcowy z plastyfikato-

rem

90 105 ~80 ~95 6-10 0,5 20-28 12-17 4-6

Nawodniony grunt tury�ski 60 75 ~25 ~25 50 -- -- -- --

Grunt

tury�ski z plastyfikato-

rem

60/90

75 ~45/

60

~65/

90 50 0,6 9-12 8-10 3-5

Na podstawie wyników bada�, mo�na sformułowa� nast�puj�ce wnioski: • urobek z plastyfikatorem pozwala na prawie stałe przekazywanie ci�nienia

wewn�trz zbiornika; • ci�nienie zmierzone czujnikami wzdłu� przeno�nika �limakowego,

wskazuje na stałe jego warto�ci w czasie, a mniejsze warto�ci s� porównywalne z ci�nieniem stosowanym w zbiorniku. Spadek ci�nienia, wyst�puj�cy podczas przej�cia gruntu ze zbiornika do �limaka jest

87

prawdopodobnie spowodowany wi�kszym tarciem gruntu, który jednak nie jest w stanie zachowywa� si� perfekcyjnie ”plastycznie”,

• ci�nienie stosowane wewn�trz �limaka jest stale rozpraszane w czasie transportu urobku,

• moment stosowany do transportu materiału jest niemal stały, a du�e chwilowe warto�ci s� spowodowane wi�kszymi rozmiarami ziaren wewn�trz samego materiału. �rednia warto�� jest bliska tej, która została pomierzona dla nawodnionego, wzorcowego piasku,

Rys. 11. Grunt z Turynu z dodatkami. Ci�nienie zanotowane przez czujniki, zainstalowane w zbiorniku. Rys. 12. Wykres momentu dla gruntu z Turynu z dodatkiem plastyfikatora.

88

Rys. 13. Grunt z Turynu. Ci�nienie zanotowane przez czujniki zainstalowane wzdłu� przeno�nika �limakowego. • przemieszczenie górnej płyty jest stałe i to sugeruje, �e transport urobku z

plastyfikatorem mo�e by� łatwiej kontrolowany równie� w skali rzeczywistej maszyny TBM EPB,

• transport gruntu przeno�nikiem �limakowym powoduje zmniejszenie plastyczno�ci urobku z plastyfikatorem. Chaotyczny ruch materiału wewn�trz przeno�nika �limakowego wywołuje wi�ksze odseparowanie gruntu i wody, co powoduje uszkodzenie p�cherzyków piany. Grunt przy wylocie �limaka staje si� coraz bardziej suchy, w porównaniu do gruntu z pian� na pocz�tku badania.

Rys. 14. Grunt z pian� przed (a) i po wyj�ciu ze zbiornik (b).

a) b)

89

3.2 Budowa linii metra C w Rzymie Badania gruntu z linii C nowego metra w Rzymie zostały przeprowadzone na pucolanach i piasku wulkanicznym. Naturalna wilgotno�� wynosiła 30% i ta warto�� była utrzymywana podczas badania. Wst�pne badanie konsystencji gruntu z plastyfikatorem umo�liwiło ustalenie, �e stosowanie piany o wskaniku FER 16% i FER 30% prowadzi do optymalnego uplastycznienia gruntu. W czasie bada�, pr�dko�� obrotu przeno�nika �limakowego była stała i wynosiła 6 obr/min.

Badania gruntu bez dodatków zostały przerwane po kilku minutach gdy� nie mo�na było wyj�� materiału ze zbiornika na skutek powstania otworów w materiale przy wlocie do przeno�nika �limakowego. W tablicy 3 podano wyniki pomiarów w porównaniu z danymi otrzymanymi dla wzorcowego piasku. 3.2.1 Badanie pucolany bez dodatków Badanie wyranie dowodzi, �e nie mo�na transportowa� takiego gruntu przeno�nikiem �limakowym bez zastosowania dodatku piany. Obroty �limaka powoduj� powstanie w tym gruncie przerw o statecznych �cianach, które utrzymuj� si� mimo obrotów maszyny. W wyniku tego nie ma stałego przepływu urobku w przeno�niku, i dlatego te� nie istnieje przepływ materiału w maszynie. Rys. 15. Krzywa uziarnienia gruntu z Rzymu i fotografia próbki gruntu. 3.2.2 Badanie pucolany z plastyfikatorem Ci�nienie w zbiorniku ustalono na 90 kPa, lecz na pocz�tku badania trudno było je kontrolowa� za pomoc� dwignika hydraulicznego, prawdopodobnie z powodu zag�szczenia si� gruntu wewn�trz zbiornika. Dopiero po pewnym przemieszczeniu si� gruntu z plastyfikatorem mo�liwe było przenoszenie ci�nienia przez urobek i jego ruch w zbiorniku, jak to wida� z wykresu na rys. 18.

90

Tablica 3 – Wyniki bada� gruntu z Rzymu i wzorcowego piasku

Badanie Ci�nienie

teoretyczne [kPa]

Ci�nienie pomiarowe

[kPa]

M [Nm]

� [mm/s

Czuj nik 1 [kPa

Czuj nik 2 [kPa]

Czuj nik 3 [kPa

góra dół góra dól Nawodniony

piasek wzorcowy

90 105 ~150 ~10

0 30-40

0,3 4-8 4-6 2-4

Piasek wzorcowy z plastyfikato-

rem

90 105 ~80 ~95 6-10 0,5 20-28

12-17 4-6

Grunt z Rzymu bez dodatków

90/120 ~120 ~135 60/75

-- -- -- -- --

Grunt z Rzymu z

plastyfikato-rem

90 105 ~70 ~80 11 0,55 20-30

13-23 10-15

Rys. 16. Badanie konsystencji pucolany z plastyfikatorem. Warto�� momentu obrotowego �limaka w czasie transportu urobku, przy ustabilizowanym ci�nieniu wynosi 11 Nm i jest bliska warto�ci okre�lonej dla wzorcowego piasku z dodatkiem piany.

w = 35% FIR = 40% w = 15% FIR = 110%

91

Rys. 17. Przerwa w pucolanie spowodowana obrotami �limaka, która uniemo�liwiły przepływ materiału. Ci�nienia zmierzone wzdłu� przeno�nika �limakowego s� podobne do warto�ci pomierzonych dla wzorcowego piasku z plastyfikatorem i wskazuj� na wła�ciwy i stały rozkład ci�nienia wzdłu� samego �limaka.

Na podstawie bada� przeprowadzonych na pucolanie, mo�na sformułowa� nast�puj�ce wnioski: • pucolana o naturalnej wilgotno�ci nie mo�e by� transportowana z komory

roboczej przeno�nikiem �limakowym, • wilgotno�� naturalna pucolany jest wa�na i ma bezpo�redni wpływ na ilo��

piany potrzebnej do optymalnego uplastycznienia tego gruntu, • przy wskaniku FIR 30% jako�� wytworzonej mieszanki grunt – piana jest

dobra nawet zaraz po wymieszaniu i przy temperaturze otoczenia ok. 20 °C dla wszystkich badanych mieszanek.

Analizuj�c rzeczywiste dane z pracy maszyny TBM mo�na zauwa�y�, �e stosuje si� du�e ilo�ci piany zarówno przy pracy powy�ej jak i poni�ej poziomu wód gruntowych, a szczególnie powy�ej ich poziomu (FIR = 130%).

Mo�na to wytłumaczy� bior�c pod uwag� rozkład wła�ciwo�ci gruntu z plastyfikatorem w funkcji czasu i temperatury. Wpływ tych parametrów ju� został omówiony przez Peila i in., (2008), którzy wykazali jak wa�ny jest rozkład konsystencji w czasie. Wykonuj�c seri� bada� pucolany z Rzymu przy stosowaniu ró�nych temperatur i czasu obserwacji po wymieszaniu z plastyfikatorem, stwierdzono, �e w celu uzyskania odpowiedniej konsystencji po 30 minutach w temperaturze 40°C, konieczne jest zastosowanie FIR 140%.

Na koniec, analizuj�c warto�� momentu obrotowego głowicy skrawaj�ce versus FIR, nale�y zaznaczy�, �e poni�ej poziomu wód gruntowych, przy wi�kszej ilo�ci płynnego urobku i wzro�cie ci�nienia w komorze roboczej, potrzebna jest mniejsza ilo�� piany do utrzymania stałej warto�ci tego momentu. Jest ona równa tej ilo�ci, jak� zarejestrowano podczas pracy powy�ej poziomu wód gruntowych.

92

Zmierzona warto�� momentu obrotowego głowicy skrawaj�cej, dla rozpatrywanego zakresu rozci�gania, sytuuje si� pomi�dzy 4,8 i 5,5 MNm, co jest zgodne z warto�ciami otrzymanymi z uniwersalnego wzoru: moment = � · D3.

Rys. 18. Pucolana z dodatkiem piany. Ci�nienie wewn�trz zbiornika.

Rys. 19. Warto�� momentu obrotowego �limaka dla pucolany z plastyfikatorem.

93

Rys. 20. Warto�� ci�nienia pucolany z plastyfikatorem zmierzona czujnikami umieszczonymi wzdłu� przeno�nika �limakowego.

Rys. 21. Pucolana z plastyfikatorem przed (a) i po wyj�ciu ze zbiornika(b).

Rysunek nr 22 na nast�pnej stronie przedstawia dane z pomiarów podczas pracy tarczy TBM EPB na budowie linii C metra w Rzymie. O� pozioma przedstawia numer elementu obudowy, o� pionowa dla wykresu pierwszego przedstawia FIR, dla wykresu drugiego moment obrotowy głowicy obrotowej, dla wykresu trzeciego ci�nienie w komorze roboczej. Punkty po lewej stronie czerwonej linii oznaczaj� warunki poni�ej poziomu wody gruntowej a po prawej stronie warunki powy�ej poziomu wód gruntowych.

a) b)

94

Ring number

Ring number

Ring number

95

4. Podsumowanie W referacie przedstawiono i omówiono najwa�niejsze badania jakie powinny by� wykonane przed dr��eniu tuneli tarcz� TBM EPB, aby oceni� własno�ci gruntów z dodatkiem plastyfikatora w postaci piany. Porównano i oceniono wyniki bada� laboratoryjnych i bada� wykonanych podczas rzeczywistej pracy maszyny, udowadniaj�c jak wa�ne s� badania laboratoryjne. Ich wyniki umo�liwiaj� dokonanie wst�pnej oceny zastosowanego plastyfikatora na etapie projektowania.