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利用竖井和地层冻结法抢救TBM的工程项目
Dipl.-Ing. Michael Löffler, Dipl.-Ing. Helmut Haß (德国CDM咨询有限公司)
Dipl.-Ing. Thomas Ahlbrecht (德国德尔曼汉尼尔凿井工程有限公司)
Dr.-Ing. Wolfgang Schwarz (德国鲍尔建筑工程有限公司)
摘 要：近年来，由于隧道掘进机(TBM)不同的故障而被困在地面无法继续工作。在所有这些项目中，可以应用地面冻结，获新建井或深坑来的解救发生故障的隧道掘进机。解救竖井的设计和建造，通常使用地下连续墙，深度往往达到地表以下100m。由于隧道掘进机发生故障和巨大的工期压力，所有解救井不得不在部分扰动土层条件下建立。
客户始终通过CDM公司提供咨询和设计工作，以及对冷冻土壤样品的实验室测试。大多数项目是由鲍尔建筑工程有限公司（井筒和冻结孔）和德尔曼汉尼尔凿井公司（冷冻设备和监控）完成的。
本文介绍了在伊斯坦布尔的两个项目（土耳其）和开罗（埃及），两者具有相同的营救故障隧道掘进机的方法。但对于每一个项目，井筒的条件和冻结设计，以及冻结方法必须适用于实际的现场条件。同时使用盐水冻结和液氮冻结。不同的土壤和地下水的条件下，不同井筒的尺寸以及隧道掘进机故障治理，最终选择了土壤冻结设计。
本文介绍了隧道掘进机解救的所有阶段，从失败中，预处理和最终设计结果和实验室测试以及在凿井，钻井工程，地层冻结和建设所取得的经验，确保了每个项目的顺利完成。
关键词：隧道掘进机、井筒、地层冻结、实验室测试
TBM rescue projects using shafts and ground freezing
Dipl.-Ing. Michael Löffler, Dipl.-Ing. Helmut Haß (CDM Consult GmbH, Germany)
Dipl.-Ing. Thomas Ahlbrecht (Deilmann-Haniel Shaft Sinking GmbH, Germany)
Dr.-Ing. Wolfgang Schwarz (Bauer Spezialtiefbau GmbH, Germany)
Abstract:In recent years tunnel boring machines (TBM) got stuck in the ground unable to continue driving due to different failures. In all those projects the lost TBMs could be rescued via already existing or newly built shafts or deep pits and the application of ground freezing. Rescue shafts were designed and built, usually using diaphragm walls up to a depth of 100 m below surface. All rescue shafts had to be built in partly disturbed soil conditions due to the occurred TBM failure and under enormous time pressure.
Clients always retained CDM to provide consulting and design works as well as the required lab testing on frozen soil samples. Most of the projects were carried out by the construction companies BAUER (shafts and freeze pipe drillings) and DeilmannHaniel Shaft Sinking GmbH (freezing equipment and monitoring).
This paper presents two projects in Istanbul (Turkey) and Cairo (Egypt), both examples for the same rescue concept the lost TBMs. But for each project the shaft conditions and the freezing lay-out as well as the freezing method had to be adapted to the actual in-situ conditions. Both, brine freezing and LN2 (liquid nitrogen) freezing were performed. Different soil and groundwater conditions, different shaft and TBM dimensions as well as the kind of the TBM failure governed the finally chosen soil freezing design.
The paper describes all phases of those TBM recoveries, from the failure, the results of the pre- and final design and the lab tests as well as the experience made during shaft sinking, drilling works, soil freezing and construction works to the successful finish of each project.
Keywords: TBM, shaft, ground freezing, lab testing
1. 引言
随着隧道掘进机制造发展和投入使用的施工地层日益复杂，发生故障的机器数量也在增加。直到几年前，这些机器通过100m深的地下连续墙结合如垂直喷射注浆（也达100m深）的辅助措施进行解救，但在井壁开口的过程中有意外泄露的风险。有时，利用压缩空气凿开井壁来完成隧道掘进机的解救。
最近，欧洲和中东成功利用地层冻结救援了被困的隧道掘进机。在伊斯坦布尔（土耳其）隧道掘进机刚刚完成其计划掘进抵达喷致密块状在接收井，但在开始连续墙切割看来，致密块状漏水。当试图增加注浆措施泄漏密封失败，成功利用液态氮冷冻地层来解救隧道掘进机。冻结孔采用水平钻进，形成冻结壁加固后，凿除地下连续墙，使隧道掘进机提前进入接收井。
开罗地铁一号线在隧道施工过程中出现过事故。在地面排水口，水土流入导致隧道掘进机被淹没。救援井直接设置在隧道掘进机前，与地下连续墙延伸约100米到低渗透层。盐水冻结采用从包络隧道掘进机并扩展到失败的管片衬砌的水平冻结管。冻土圈内圆柱隧道碎片移除，衬砌段被取代后隧道掘进机被解救。
该案例表明，即使在极其困难的条件下隧道掘进机也可以被安全救出。地层冻结的优点是，封水和加固地层，可以满足使救援井靠近机器所需要的条件。在没有任何限制的情况下，在大气条件下工作人员可以安全地进行施工作业。
2. 土耳其伊斯坦布尔马尔马拉隧道项目
伊斯坦布尔马尔马拉隧道项目是世界上最大的交通项目之一。约25亿欧元用于投资在郊区交通路线沿海从哈卡里到盖布泽现代化的博斯普鲁斯海峡和在铁路隧道。该隧道项目穿越伊斯坦布尔分中心和博斯普鲁斯海峡，连接欧洲和亚洲，包括四个新的地铁站，全长13.6公里。
抗震设防隧道在海平面以下56米深度部分采用盾构法施工。于斯屈达尔地铁站，在地下连续墙保护下深开挖的基坑也作为隧道掘进机的接收井。紧接着有隧道掘进机（TBM5）要进入之前，发现在喷射注浆密封块和地下连续墙的洞口渗漏，大量的水和土壤流入井内。第一次从接收井尝试额外的注浆措施密封泄漏失败了。图1显示了于斯屈达尔地铁站的位置。
图1 于斯屈达尔地铁站 – 接收井
鲍尔和CDM公司研究，并设计了一种替代的解决方案，即使用地层冻结。建立与隧道掘进机护盾之间的密封连接的一个直径7.93米的地下连续墙，为了抵抗井内的水压力，冻结孔采用水平打钻。由于只需要短期内地层冻结，可以采用液氮冷冻。热工设计计算结果证明，冻结管的布局是足以达到所需的密封，并确定了液氮的消耗。图2a提出冻结管布置和热的有限元计算结果。
图2a 冻结管布局和热工计算结果
图2b 凿开地下连续墙安装刀盘
地层冻结布置包括以下内容：
l 33根冻结管，长度约为3.5米，间距0.9米
l 12根温度测量管，每根含5个热电偶
l TBM内放置5个热电偶
l 表面压力监测
由于冻结管长度约3.5米，管道连接线经常改变流动方向，确保冻土均匀发展。在下列过程中的中断被用来恢复机器：
l 初始地层冻结阶段用于密封抵抗水压
l 地下连续墙，安装钢舱壁，舱壁和隧道掘进机的空间切割填充料浆
l 停止冻结操作，隧道掘进机后部分解冻走向舱壁
l 当刀盘在地下连续墙时安装管片环
l 第二个地层冻结阶段
l 拆除隔板和安装最终橡胶密封
l 冻结停止并解冻后恢复隧道掘进机
在图2b中凿开地下连续墙在最初的冻结期对舱壁安装前显示。作为附加措施，干冰袋被用来冷却和降低隧道掘进机舱内的热源。
隧道掘进机在受之前的不同注浆措施/阶段影响变得极为困难的地层条件下，终于安全地解救（如图3所示）。
图3 隧道掘进机的解救
3. 埃及开罗大开罗地铁3号线
大开罗地铁3号线是开罗公共交通系统整体改善的一部分。3号线自2008开始建设，分为三个阶段。隧道为单洞双线，主要采用隧道掘进机（TBM）掘进施工。该地铁站正在提前兴建在相关的隧道掘进机隧道。4.3公里长的混合盾构隧道掘进机（直径9.43米）施工时第一阶段的一段衬垫失败了。在地面排水口，水土流入导致隧道掘进机被淹没。这次事故发生在El Gaish 街的Bab El Shareya地铁站和El Gaish地铁站之间。
通过评估喷射注浆，地层冻结和混合使用这两种技术解决方案后，最后选择直接在隧道掘进机的正前方建设解救竖井，并结合水平冻结作为解决方案。在这个方案中，两圈冻结孔，必须用锥形朝向彼此的孔中。这些孔是从先前构建解救井进行打钻的。
解救井建于距离故障隧道掘进机约2至3米。解救井内径为18米，包括1.2米厚的和100m深地下连续墙安装一个鲍尔BC 40双轮铣槽机机轴，渗透到低渗透粘土层封水，最终开挖水平约为地表40米以下。总共有24个削减必须建造的墙（12个主要和12个二次削减），其宽度为2.5米。图4显示了鲍尔连续墙铣刀在开罗市中心的建筑工地之前部署，解救井是在大约4周内建好的。
图4 解救井开始前和施工完成后现场展示
与马尔马拉隧道项目相比，开罗项目的冻土不仅承担封水任务，而且还作为一个结构元素。环形冻结壁从解救井扩展到失稳区之后已安装好并且稳定衬砌段，同时抵抗土压和水压。图5展示了解救井的垂直截面上，被卡住的隧道掘进机和计划冻25m长的冻结壁。隧道的轴线在大约30米的深度，地下水位在地表下2.5m。
图5 解救井和结构性冻土体
形成的冻土体必须具有密封和结构功能。至于结构功能而言，设计必须贯通2.1米宽（隧道掘进机和第一个稳定的环形管片之间的距离）的裂缝。这个稳定的拱在三个月内必须是有效的。
作为结构元素的冻土体，结构计算要求进行冻土厚度设计。不受干扰的土壤中的破坏区由低梯度细到中等砂组成。但由于失稳和土体流动到了隧道掘进机上，控制区必须考虑到受扰动区。热与结构设计简化模型应用考虑以下方面：
l 扰动区
l 中间区域
l 未扰动区
相关模型如图6所示：
图6 考虑隧道掘进机周围不同土层条件的有限元模型
由于时间限制，地层冻结设计(热力和结构)最初使用估计的冻土设计参数。这些丰富的经验是从其他地层冻结工程的设计和实验室测试的基础上得到的。然而，它是强制性期间的进一步救援措施的设计阶段，以核实对冻土样本广泛的特殊实验室测试的估计值。原始土样被用来准备重塑三种不同条件(扰动，未扰动和中间)的试样。CDM公司在德国波鸿岩土工程和冷冻实验室中进行了详细的研究。
表1总结了假定的土壤特征值的结构计算。设计计算结果表明，冻土要求厚度不小于1.5米，土壤温度为10°C（平均厚度）。为了缩短初始冻结时间达到最高可能的安全水平，布设两圈环形冻结管，间距在0.88m和1.25m之间。在扰动区域的上部，布置较小的冻结管间距。考虑到解救隧道掘进机和修复隧道管片预计需要10个月左右的冻结期，因此选择盐水冻结。
表1 冻土和未冻土的参数汇总（冻土的平均温度T =—10℃）
土层 | E | 许用 | ||||
[MN/m2] | [-] | [ °] | [kN/m2] | [kN/m3] | [kN/m2] | |
扰动未冻区 | 10 | 0.3 | 22 | 0 | 18 | |
扰动冻结区 | 100 | 0.3 | 22 | 280 | 18 | 1000 |
中间未冻区 | 20 | 0.33 | 27 | 0 | 19.5 | |
中间冻结区 | 250 | 0.33 | 27 | 490 | 19.5 | 1750 |
未扰动未冻结区 | 30 | 0.35 | 22 | 0 | 21 | |
未扰动冻结区 | 330 | 0.35 | 22 | 550 | 21 | 2000 |
E 弹性模量 泊松比 内摩擦角 粘聚力 饱和土的比重 无侧限抗压强度
如下图7所示，为了在28天内成功完成初始冻结阶段，扰动区比未扰动区的冻结管之间的间距必须更小。
图7 冻结孔设计和现场实际示意图
冻结管布置和冻土的要求如下：
l 冻土厚度不小于1.5米，平均温度为-10℃或更低
l 冻土长度约25米
l 冻结管按环形布置2圈，总数量为76，间距为0.88至1.25米
l 从井内布置12个测温管
l 在地表布置3个测温管
冻结设备由德尔曼汉尼尔凿井工程有限公司进行安装和操作。由于预计地层冻结就必须维持超过十个月，因此决定使用氯化钙（盐水冻结）。
根据热有限元计算，376千瓦/小时的总制冷量可以满足约30天的初始冻结阶段。安装四个制冷机，每个制冷器的制冷能力为94千瓦/小时 (参见图8)。
图8 开罗地铁项目的四套冻结装置
图9展示了凿开的地下连续墙与隧道掘进机刀盘。最后，隧道掘进机安全解救，破碎的隧道衬砌在大气条件下修复没有任何安全问题。图10是刀盘解救的鸟瞰图。
图9 凿开的地下连续墙
图10 解救刀盘俯瞰图
4. 结论
从2009年底到2011年初，伊斯坦布尔、开罗等地利用地层冻结成功地进行了被困隧道掘进机的解救行动。在100米深的隔膜密封墙的保护下进行了钻探和所需冷冻机构的安装。由于隧道掘进机的周围都是冻土，为了解救隧道掘进机和修复它后面的隧道，冻结孔和测温孔的长度必须要达到28米。不同冻结阶段的设计是为了确保在地下未知土层情况的困难条件下安全解救隧道掘进机。
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