Diving and Compressed Air Work in Tunnel-Boring-Machines
Below a depth of 40 metres (which equals 4.0 bars over pressure) compressed air technicians enter a zone where it is no longer effective to carry out compressed air work under conventional conditions. However, because the next generation of tunnels will be longer and deeper than anything we have at present, it can only be a matter of time and opportunity before divers and compressed air technicians start playing a key role in hyperbaric work.
High groundwater head is a major challenge for tunneling in soft ground and weak rock. It has a strong impact on design and operation of Tunnel Boring Machines (TBMs) in order to prevent excessive groundwater inflow, to ensure face stability and to enable access to the cutterhead for maintenance, which can lead to an increase of the required construction period and budget. Designers should keep this in their mind when planning a tunnel alignment.
The 4th River Elbe Tunnel
The 4th River Elbe Tunnel was a milestone in Slurry-TBM tunneling due to the large TBM diameter of 14.2 m, low cover of as small as 7 m and high groundwater pressure of up to 4.5 bar. The southern section of the 2,561 m long tunnel was excavated in glacial deposits consisting of sand, marl and boulders, while more cohesive ground such as marl and clay with sand lenses and boulders was present on the northern tunnel section.
Frequent interventions for cutterhead maintenance were necessary due to presence of abrasive soils. Severe wear was observed on excavation tools and on the backside of the cutterhead which had to plough through accumulated spoil at the bottom of the excavation chamber. Thus intensive and time consuming repair works (6 weeks) were required under compressed air.
At the deepest point of the river crossing, the crew had to enter the excavation chamber and work under compressed air up to 4.5 bar.
In total 10,920 work hours were spent under regular compressed air at pressures up to 4.5 bar during which 2,738 man interventions were performed, 237 of them at pressures > 3.6 bar. In total 21 cases of decompression illness were reported, all of them occurred at pressures < 3.6 bar.
The 4th River Elbe tunnel was the first project where a rescue could be completed by connecting a NATO flange to the compressed air lock on the TBM to enable transport of injured personnel under compressed air pressure to a shuttle for pressurized transport the surface. Fortunately it was not necessary to use it.
Wesertunnel
The 1.640 m long twin tube Wesertunnel crosses the river Weser north of Bremen, Germany. A Slurry-TBM (∅ 11.71 m) was used to excavate the tunnel in glacial deposits. The glacial soil consists of poorly graded and partly very loose cohesion, less sand with hard granite boulders, and very soft to soft clay and peat in shallow areas. Below the river, plastic clays were found to have mainly stiff to hard consistency reaching shear strength values
of weak rock.
The tunnel invert’s deepest point was 40 m below sea level. Due to tidal influence of the North Sea the water level of the river was typically between +/-2 m above/below sea level and reached in maximum +5.2 m above sea level. Along the tunnel route, groundwater head encountered at tunnel invert was typically in a range of 2.5 to 4.0 bar and reached a maximum of 4.5 bar at storm tide.
Maintenance under compressed air was performed at up to 4.5 bar air pressure for works at the cutterhead and up to 5 bar for works at the stone crusher. Additionally divers were used to work within the bentonite slurry under pressure of up to 5 bar. Regular compressed air (no mixed gases) and oxygen decompression were successfully used. In total 5.000 h of compressed air works and a total of 1.400 man interventions were performed while 600 of them were under pressures exceeding 3.6 bar. Only 15 minor cases of decompression illness were reported, all of them under pressures less than 3.6 bar.
Westerschelde Tunnel
The 6.6 km long Westerschelde Tunnel is the first tunnel project where saturation diving technique was used for excavation chamber interventions. The twin tube tunnel was excavated by two Slurry-TBMs (Ø 11.33 m). Ground conditions consist of medium to fine quaternary sands within shallow sections and a massive formation of tertiary stiff clay on a length of approx. 2 km. Dense tertiary sands are found below the clay within the deepest tunnel section.
At the deepest point the tunnel invert is at a depth of 60 m below sea level. The water level was typically within a range of +/- 2.5 m above/below sea level and reached about +4.0 m in maximum. The tunnel cover was in a range of 28 m to 40 m.
When Nordseetaucher GmbH was asked to cooperate on this project to build two tunnels under the Westerschelde in the Netherlands, we didn’t hesitate a moment, knowing that it would be an ideal opportunity to put to use the skills and expertise we had gained during our 4th Tube of the River Elbe Crossing and the Wesertunnel, Germany contracts. However, the problems we could expect to face were on a slightly different scale. In the 4th Tube of the River Elbe Tunnel we were working under pressures of up to 4.5 bar, while work in the Wesertunnel was carried out at 5.0 bar. The brief for the two tunnels of the Westerschelde Tunnel Project called for us to work at pressures of up to 8.5 bar.
It is impossible to work at 8.5 bars pressure with compressed air, because the nitrogen contained in breath causes narcosis. Accordingly, from the very start we planned to work using mixed gases. For several decades, a number of methods and procedures have been tested and applied in international commercial offshore diving which can also be used in machine-driven tunnel construction projects carried out in hyperbaric pressure in excess of 5.0 bar. For several decades, a number of methods and procedures have been tested and applied in international commercial offshore diving which can also be used in machine-driven tunnel construction projects carried out in hyperbaric pressure in excess of 5.0 bar.
For instance, the use of mixed gases. These gases are a mixture of oxygen and various inert gases, blended according to the specific pressure spectrum to allow the divers to work for days and weeks under pressurised conditions (saturation method). At hyperbaric pressures of between 3.0 and 6.0 bar compressed air can be used as working gas with the saturation method, and may indeed be the method of preference in future. In order to use mixed gases safely and successfully, meticulous preparations to the tunnel boring machine and logistical processes are necessary.
Due to the relatively thin clearance above the tunnel it would have been dangerous to lower the bentonite level in the cutterhead chamber, the excavation chamber. Accordingly, specially trained diving personnel were on hand to carry out inspections and tool changes in the event of repair and maintenance work becoming necessary.
In total, 6 excursions in saturation were performed with a total saturation time of 40 days. The decompression time was 4 days each time. 10 inspection excursions with mixed gas were performed, in addition to 1.652 hours with compressed air involving 546 man interventions. 5 cases of decompression sickness occurred, all of which were successfully treated in the onsite treatment chamber.
高压环境作业
盾构机潜水与待压作业
在40 米深处，即压力相当于4 巴，传统作业方式对待压作业工程师在作业区域内进行压缩 空气作业已不再理想。况且，下一代隧道将比目前隧道长度更长、地理位置更深，潜水员和 待压作业工程师发挥主导作用将是未来高压作业的必然趋势。
在软土或软岩地质，隧道作业的主要挑战来自高压地下水。为防止地下水大量渗漏、确保掌 子面稳定、并能提供刀盘维保通道，盾构机的设计和操作都因此而深受影响，也同时导致了 工期的延长以及预算的增加。设计方在规划隧道位置时应将此考虑在内。
德国易北河第四隧道
德国易北河第四隧道盾构机直径达14.2 米，隧道最薄浅埋断仅为7 米，地下水压高达4.5 巴，因此易北河第四隧道成为泥水盾构机施工的 里程碑。盾构机在隧道南部2561 米的挖掘地质是由沙、泥灰和大圆石 组成的冰积土，而隧道北部段土质为更为连续 的黏性土，有泥沙，含沙砾和大圆石的黏土等。
土质的高磨损性导致了刀盘维保进仓作业的频 繁进行。我们发现不仅刀具磨损严重，而且刀盘背面也由于持续与 开挖仓底部沉积的泥渣不断摩擦而磨损严重。因此压缩空气待压修 复作业耗时大量，总耗时6 周。
在易北河隧道最深处，作业人员在开挖仓中的工作压力最高达到 4.5 巴。
此项目总共进仓作业时间为10920 小时， 进仓人次为2738 次，进仓压力最高达到 4.5 巴，其中237 人次的进仓压力大于 3.6 巴。减压病报告总共为21 例，均在 小于3.6 巴的情况下发生。
易北河第四隧道第一次使用了治疗仓。治疗仓通过连接上北大西洋 公约（NATO) 法兰后再连接到盾构机的压缩空气闸，这样就伤员可 以在待压条件下被运送至地面。但十分幸运的是，此次施工并未出 现要使用治疗仓的情况。
德国威悉河隧道
德国威悉河隧道是德国不来梅威悉河北部的1640 米双隧道。隧道施 工采用的是直径为11.71 米的泥水盾构，施工地质为冰积土。冰积土主 要有弱土且部分土况十分松散，含硬花岗岩但沙含量少的大圆石，在浅 埋段土质为十分松软的黏土和泥煤。在易北河下，发现的塑性黏土已相 互黏附成纹理坚硬，剪切强度已达到软弱岩层。
隧道仰供块最低点为海平面下40 米。由于北海的潮汐，河面水位在海 平面上下2 米处浮动， 也曾最高达到高于海平面5.2 米。隧道走势中，地下水压与隧道仰供 块之间压力大致在2.5 巴至4.0 巴之间，在暴潮时水压高达至4.5 巴。
刀盘维修工作是在大于4.5 巴的压缩空气压力下展开的，而碎石机的维修则是在大于5.0 巴 压力中进行。此外，潜水员也能适应在膨润土压力大于5.0 巴环境下工作。常规空气压缩 （非混合气体）和吸氧减压操作得顺利完成。在总共5000 小时的待压作业和1400 人次的进 仓作业中，其中有600 小时的作业压力大于3.6 巴。减压病报告为15 例，均在低于3.6 巴 的情况下发生。
荷兰Westerschelde 隧道
荷兰Westerschelde 隧道全长6.6 千米，它是隧道施工中第一个采 用饱和潜水进入开挖仓的隧道项目。两条隧道使用的是11.33m 的泥水 盾构。隧道地质由中等至良好的中空第四纪砂和大约2 千米长的大量第 三硬泥土质组成。在隧道最深处的黏土下，同时也发现大量第三金沙。
隧道仰拱块最低点为海平面下60m，水位大致都在海平面上下2.5 米浮 动，也曾最大超出海平面4 米。隧道覆土在28m 至40m 不等。
当我们北海潜水员公司被邀请参与Westerschedle 双隧道施工时，我们丝毫没有犹豫，因为 我们深知这是一次我们把在易北河第四隧道和威悉河隧道所取得经验用于实践的最佳机会。 可我们面对的问题却又有所不同：易北河隧道的工作压力最高为4.5 巴，而威悉河隧道的工 作也只是在最高5.0 巴的压力下进行的。但我们得知Westerschelde 隧道的工作压力将高达 8.5 巴。
鉴于在8.5 巴的压缩空气下，呼吸空气中的氮气会使人引起昏迷，所以在8.5 巴的压力下无 法开展压缩空气作业。因此，从一开始我们就计划使用混合气体作业。 几十年来，大量的已经证实且被应用在国际商业海上潜水的潜水方案和潜水程序，同样也能 在大于5.0 巴的盾构类隧道施工中。
其中就有混合气体的使用。这些混合气体是用氧气和不同惰性气体按照不同压力要求配比而 成，它能使潜水员在待压条件下连续工作几天甚至几周，这种方法也称作饱和潜水法。在压 力为3.0 巴到6.0 巴的条件下，饱和潜水作业也可以把压缩气体当成工作气体，此种方案也 是将来潜水的趋势。混合气体作业的安全成功进行需要十分周密的盾构机准备及必要的后勤 配合。
鉴于隧道覆土浅薄，在刀盘的开挖仓中降低膨润土压力将变的十分危险。因此，受过专业训 练的潜水员将进行刀具的检测和更换工作，以防需要开展修补或保养工作。
Westerschelde 项目中总共进行了6 此饱和潜水作业，合计时间为40 天，每次减压时间为4 天。在混合气体条件下的进仓作业总共10 次。此外还有546 人次，合计1652 小时的普通压 缩空气进仓。减压病报告为5 例，并且全部都在地面治疗仓治愈。
Buceo y trabajos en aire compromido en tuneladoras
Por debajo de una profundidad de 40 metros (equivalente a una sobrepresión de 4,0 bar) los buzos entran en una zona donde ya no resulta efectivo llevar a cabo trabajos en ambientes hiperbáricos bajo las condiciones tradicionales. Dado que la próxima generación de túneles se proyectarán cada vez más largos y a mayor profundidad, era sólo cuestión de tiempo y ocasión el destinar buceadores a los trabajos hiperbáricos.
El elevado nivel de agua subterránea en el frente es un gran desafío en la perforación de túneles en terrenos blandos y roca débil. Tiene gran impacto en el proyecto y el manejo de las tuneladoras para prevenir el flujo excesivo de agua de fondo, asegurar la estabilidad del frente y permitir el acceso a la rafadora para su mantenimiento, lo que puede aumentar el tiempo de construcción y el presupuesto. Los responsables de los proyectos deberían considerarlo a la hora de planificar el alineamiento de un túnel.
El 4º Túnel del río Elba
El 4º Túnel del río Elba fue un hito en la perforación con tuneladoras de lodo debido al enorme diámetro de la tuneladora de 14,2 m, una cobertura muy baja de 7 m y una presión del agua subterránea de hasta 4,5 bar. La sección sur del tunel de 2.561 m de longitud se excavó en depósitos glaciares consistentes en arena, marga, cantos rodados, mientras que en la sección norte del túnel había un suelo más cohesivo, como marga y lodo con arena cristalina y cantos rodados.
Debido a la presencia de suelos abrasivos se hicieron necesarias frecuentes intervenciones de mantenimiento de la rafadora. Se observó severo desgaste en las herramientas de excavación y en la parte trasera de la rafadora. Fue necesaria una reparación a unos 50 m del punto en el que se alcanzó el mínimo de cubrimiento. Aquí se tuvo que parar la tuneladora para poder de nuevo soldar los soportes de las cámaras y cambiarlas.
Esta misión en aire comprimido llevó aprox. 6 semanas bajo presiones de hasta 4,5 bar.
Se destinaron en total 10.920 horas de trabajo en aire comprimido en presiones de hasta 4,5 bar, durante las cuales se realizaron 2.738 intervenciones, de ellas 237 en presiones superiores a 3,6 bar. En total se dieron 21 casos de enfermedad de descompresión, todos ellos a presiones inferiores a 3,6 bar.
El 4 Túnel del río Elba fue el primer proyecto en el que se hubiera podido llevar a cabo un rescate conectando una brida NATO a la esclusa de aire comprimido en la tuneladora, permitiendo así el traslado de los accidentados a la superfície con los transbordadores de transporte presurizado. Afortunadamente no fue necesario su uso.
Wesertunnel
La doble galería del Wesertunnel de 1.640 m de longitud, cruza el río Weser al norte de Bremen (Alemania). Una tuneladora de lodo (∅ 11,71 m) se usó para excavar el túnel en los depósitos glaciares. El suelo glaciar consiste en una cohesión de poca calidad y parcialmente muy suelta, menos arena con cantos rodados de granito y arcilla entre muy blanda y blanda y turba en áreas superficiales. Bajo el río, se hallaron arcillas que se habían endurecido alcanzando fuertes valores de roca blanda.
El punto más profundo del túnel estaba a 40 m por debajo del nivel del mar. Debido a la influencia de las mareas del Mar del Norte, el nivel normal del río era +/-2 m sobre/bajo el nivel del mar y alcanzaba un máximo de +5,2 m sobre el nivel del mar. A lo largo de la ruta del túnel el agua de fondo en el frente hallada oscilaba entre 2,5 y 4,0 bar y alcanzaba en marea de tormenta un máx. 4,5 bar.
El mantenimiento bajo aire comprimido se hizo a un presión de hasta 4,5 bar para obras en la rafadora y hasta 5 bar en el quebrantador de piedras. Buzos adicionales se destinaron al trabajo en bentonita bajo presión de hasta 5 bar. Se usaron con éxito aire comprimido normal (no gases mixtos) y descomprensión de oxígeno. En total se hicieron 5.000 horas de trabajo en aire comprimido y 1.400 intervenciones, 600 de las cuales bajo presiones de más de 3,6 bar. Sólo se dieron 15 casos leves de enfermedad de descompresión, todos ellos a presiones inferiors a 3,6 bar.
Túnel Westerschelde
El Túnel Westerschelde de 6,6 km es el primer proyecto en el que se aplicaron técnicas de buceo en saturación para excavar las galerías. El doble túnel fue excavado con dos tuneladoras de lodo (Ø 11,33 m). El suelo consistía en arenas cuaternarias de consistencia entre medianas y finas en secciones superficiales y una formación masiva de arcilla rígida de una longitud de aprox. 2 km. Densas arenas superficiales se hallaron bajo el lodo en la zona más profunda del túnel.
El punto más profundo del túnel está a una profundidad de 60 m bajo el nivel del mar. El nivel del agua era normalmente entre +/- 2.5 m sobre/bajo el nivel del mar y alcanzaba algo como +4,0 m en total. La cobertura del tunel estaba en un ámbito de entre 28 m a 40 m.
Cuando se le preguntó a Nordseetaucher GmbH si quería cooperar en un proyecto de construcción de dos túneles bajo el río Westerchelde en los Países Bajos, no lo dudamos ni por un instante, sabiendo que sería una oportunidad ideal para poner en uso las habilidades y la experiencia adquirida en los proyectos de la cuarta galería del túnel del río Elba y del Wesertunnel. Ello no obstante, los problemas que podíamos esperar eran de una escala sensiblemente diferente. En el Túnel Elba trabajamos con presiones de hasta 4,5 bar, mientras que los trabajos en el Túnel Wesser se ejecutaron con 5,0 bar. Las instrucciones del proyecto de los dos túneles Westerchelde requerían trabajar a presiones de hasta 8,5 bar.
Es imposible trabajar con aire comprimido a presiones de hasta 8,5 bar, porque el nitrógeno presente en la respiración causa narcosis. Por ello desde el principio planificamos el trabajo usando gases mixtos. Durante décadas, algunos métodos y procedimientos se habían probado y aplicado en el buceo comercial internacional de ultramar, que también podían ser usados en la construcción mecánica de túneles ejecutados en presión hiperbárica superior a 5,0 bar. Por ejemplo, el uso de gases mixtos, que son una mezcla de oxígeno y varios gases inertes, mezclados de acuerdo con el espectro específico de presión para permitir a los buzos trabajar durante días e incluso semanas bajo condiciones presurizadas (método saturado). Con el método saturado es posible trabajar en aire comprimido a presiones hiperbáricas de entre 3,0 y 6,0 bar y de hecho puede llegar a ser el método de mayor preferencia en el futuro. Para usar los gases mixtos sin riesgos y con éxito, se requieren preparativos en la tuneladora y procesos logísticos meticulosos.
Debido al poco espacio libre sobre el túnel, hubiera sido peligroso bajar el nivel de la bentonita en la cámara de la rafadora. Así pues, personal especialmente entrenado estaba a mano para inspeccionar y cambiar herramientas en caso que fueran necesarios trabajos de mantenimiento y reparación.
Se hicieron un total de 6 intervenciones en saturación con un total de tiempo en saturación de 40 días. El tiempo de descompresión fue en cada ocasión de 4 días. Se realizaron 10 inspecciones con gas mixto además de las 1.652 h en aire comprimido conllevando 546 transbordos. Se dieron 5 casos de enfermedad de descompresión, que se pudieron tratar exitosamente in situ en la cámara hiperbárica.
