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Diving and Compressed Air Work in Tunnel-Boring-Machines

Hyperbaric Tunneling

Diving and Compressed Air Work in Tunnel-Boring-Machines

Below a depth of 40 metres (which equals 4.0bar 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.

Die 4. Röhre Elbtunnel

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 4.5bar.
The southern section of the 2.561 km 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 4.5bar.

In total 10,920 work hours were spent under regular compressed air at pressures up to 4.5bar by the engineers, diver and technicians during the 4th River Elbe Construction In total 2,738 man interventions were performed, 237 of them at pressures >3.6bar.

In total 21 cases of decompression illness were reported, all of them occurred at pressures < 3.6bar.

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.



The 1.640 km long twin tube Wesertunnel crosses the river Weser north of Bremen, Germany. A Slurry-TBM (Ø 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 3.6bar.


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 8.5bar.

It is impossible to work at 8.5bar 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 5.0bar.

For instance, the use of mixed gas. 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.

The Nanjing Yangtze River Crossing Tunnel

The Nanjing Yangtze River Crossing Tunnel is a 2.990 km long twin tube crosses the river Yangtze in Nanjing, China. Two Slurry-TBMs (Ø 14.96 m) are in use to excavate the tunnel in soft alluvium strata.

The strata are mainly silt and fine sand.

The tunnel invert’s deepest point is 65 m below sea level. Due to tidal influence the water level of the river is typically between +/-1.5 m above/below sea level.

On this project, welding in compressed air was the major task to carry out. From our experience and research of welding in compressed air and under water we knew that it is not a real problem. But this time it was very extreme. The buckets of 6 arms of the TBM had to be renewed. Therefore we welded new supports on the side arms of the cutterhead. The total time of this work took more than 12 weeks, day and night. The pressure was up to 5.4 bar overpressure in air.

To keep the support pressure stable we used bentonite with a special mixture of high density and viscosity.

Maintenance and repair under compressed air was performed at up to 5.4 bar air pressure for works at the cutterhead and up to 6.5 bar for works at the stone crusher. Regular compressed air (no mixed gases) and oxygen decompression is successfully in use. In total more than 4.000 h of compressed air works and more than 945 total man interventions are performed. Only 3 minor cases of decompression illness are reported.

For the welding operation we used the first time a new special designed compressed air helmet with triple air supply, two regulators and one free flow, communication and an integrated welding shield with sensors.



Esfahan Metro Tunnel Project - Iran

The Esfahan Metro Tunnel is a 4.550 km long twin tube between Shohada Aquare and Azadi Aquare.

The west and the east tunnel crosses the river Zayandehrood in the south of Esfahan, Iran.

The two EPB TBM’s (Ø 6.96 m) are in use to excavate the tunnel in soft alluvium strata. The strata are mainly silt, fine sand and gravel.

The tunnel invert’s deepest point is 20 m below street level and river.

Welding in compressed air is the major task to carry out. But this time the job is more extreme. The 8 cutterhead arms of the TBM had to be renewed more or less completely from the front side and the cutterhead edge of both machines from the back side. Therefore we welded new vertical side plates and new cover plates on the arms of the cutterhead and new hardox plates on the cutterhead edge. The total time of this work will take more than 6 month, day and night. The pressure is up to 2.0 bar overpressure in air. To keep the support pressure stable we used bentonite with a special mixture of high density and viscosity.

Maintenance and repair under compressed air is performed at up to 2.0 bar air pressure for works at the cutterhead. Regular compressed air and oxygen decompression is successfully in use.

In total more than 2.000 h of compressed air works and more than 375 man interventions until 31.03.2010 are performed. No minor case of decompression illness is reported.


Hangzhou Metro Tunnel Project - China

Change of the Main Drive Sealing System at 2.1 bar Overpressure

All 4 seals of the Main Drive Sealing System of a TBM were worldwide changed in overpressure in June 2012 for the first time. The unusual feature of this repair primarily consisted that the seals had to be changed, not like in the manufactory in a horizontal layer, in a vertical layer.

To make the dismantling and assembly work easier some grits were mounted in the excavation chamber, so that each place of the Main Drive Sealing System was attainable without problems. The dismantling of the faulty seals and the Chamber Rings was carried out by means of pulling-off devices made especially for it.

Before the opening of the Main Drive Sealing System it was needed to clean the cutterhead and excavation chamber and suck out all material to make sure that no pollutions be able to hinder the seal replacement.

All chamber rings and the seal housing were cleaned from any dirt and grease with high pressure water and coldcleaner.

The new seals were volcanized with a special bonding device of Nordseetaucher. To ensure a one hundred per cent connection, the device has been heated up to approximately 70 - 80 ° degrees Celsius for three hours.

The correct situation of the single seals and chamber rings were measured before and after the mounting. The measurements record was made according the design plans, delivered by Herrenknecht AG.









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。



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。



荷兰Westerschelde 隧道





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




The Nanjing Yangtze River Crossing Tunnel













Esfahan Metro Tunnel Project - Iran

















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. Puesto que en el futuro los 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 encarecer el presupuesto. Los responsables de los proyectos deberían considerarlo a la hora de planificar el alineación de un túnel.

El 4º Túnel del río Elba

La 4ª Galería del 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 túnel de 2.561 m de longitud se excavó en depósitos glaciares consistentes en arena, marga y 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 aproximadamente 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.

La 4ª Galería del 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 presuri-zado. Afortunadamente no fue necesario su uso.


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 puntal más profundo del túnel se hallaba a 40 m bajo el 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 machacador 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 inferiores 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 que tenía una longitud de aprox. 2 km. Densas arenas superficiales se hallaron bajo el lodo en la zona más profunda del túnel.

El puntal 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. La información sobre el proyecto de los dos túneles Westerchelde requería 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.

The Nanjing Yangtze River Crossing Tunnel

El Nanjing Yangtze River Crossing Tunnel es
un túnel doble de 2.990 m de longitud que cruza el río Yangtze en Nanjing, China. Dos tuneladoras de lodo (Ø 14.96 m) están excavando el túnel en terreno blando de depósito aluvial.

La capa consiste principamente en sedimentos y arena fina.

El puntal más profundo del túnel se halla a 65 m bajo el nivel del mar. El nivel normal del agua en el río oscila entre +/-1,5 m sobre/bajo el nivel del mar.

En este proyecto el principal trabajo consiste en el soldeo en aire comprimido. Con nuestra investigación y experiencia en soldadura, tanto en aire comprimido como bajo el agua, ello no tenía porqué ser un problema. Sólo que este caso resultaba relamente complicado ya que se tenían que sustituir las palas de seis brazos de la tuneladora. Para ello hemos soldado nuevos soportes en los brazos laterales de la rafadora. Eso nos ha llevado trabajar día y noche durante más de doce semanas en una sobrepresión de hasta 5,4 bar. Para mantener estable la presión de soporte utilizamos bentonita con una mezcla especial de alta densidad y viscosidad.

Los trabajos de mantenimiento y reparación se han efectuado en presiones de hasta 5,4 bar en la rafadora y hasta 6.5 bar en el quebrantador. Se han utilizado exitosamente aire comprimido regular (no gases mixtos) y descompresión de oxígeno. En total se han hecho 4.000 horas de trabajo en aire comprimido y 850 intervenciones. Solamente se han reportado 3 casos leves de enfermedad de descompresión.

Para los trabajos de soldadura hemos usado por vez primera un nuevo casco especialmente diseñado para aire comprimido con: triple suministro de aire, dos con reguladores y uno con fluido libre; comunicación; y un protector integrado para soldadura con sensores.


Esfahan Metro Tunnel Project - Iran

El Túnel del Metro de Isfahan es un túnel doble de 4.550 m de longitud entre Shohada Aquare y Azadi Aquare. Los túneles este y oeste cruzan el río Zayandehrood en el sur de Isfahan, Irán. Las dos EPB TBM (Ø 6,96 m) excavan el túnel en terreno de aluvión blando. El stratum es básicamente barro, arena fina y grava.

El puntal más profundo del túnel está a 20 m por debajo del nivel de la calle y del río.

Normalmente el trabajo principal a llevar a cabo es de soldadura en aire comprimido, lo que no es un problema con nuestra experiencia. Pero este era un caso extraordinario, porque los ocho brazos del rafadora de la tenían que ser renovados casi por completo desde el frente y el borde del escudo de ambas tuneladoras desde la parte posterior. Por ello soldamos nuevas planchas verticales laterales y nuevas planchas de cubrimiento en los brazos de la rafadora y nuevas planchas “Hardox” en el filo de la rafadora. El tiempo total dedicado a este trabajo fue de aprox. seis meses durante las veinticuatro horas del día. La presión alcanzada es de 2,0 bar en aire comprimido. Para poder mantener estable la presión de soporte utilizamos bentonita con una mezcla especial de alta densidad y viscosidad.

El mantenimiento y la reparación en aire comprimido se ejecuta a 2,0 bar de presión para los trabajos en la rafadora. Se ha utilizado con éxito aire comprimido regular y oxígeno de descompresión. En total se han llevado a cabo más de 2.000 horas de trabajos en aire comprimido y más de 375 intervenciones hasta el 31.03.2010. No se ha reportado ningún caso leve de enfermedad de descompresión.


Proyecto: S-636 Metro Hangzhou

Cambio del sistema principal de cierre a una sobrepresión de 2,1 bares.

En junio de 2012 por primera vez en el mundo los cuatro sellos del sistema de accionamiento principal de cierre de una tuneladora fueron cambiados en sobrepresión. La característica inusual de esta reparación consistía en que los sellos tenían que ser cambiados no mediante la tradicional hinca horizontal sino vertical.

Para hacer más fácil el desmantelamiento y ensamblaje se montaron ciertos aguantes en la cámara de excavación, para que así cada lugar del sistema principal de cierre fuera accesible sin problemas. El desmantelamiento de los sellos defectuosos y de los anillos obturados de la cámara se hizo con dispositivos de extracción para ello hechos especialmente.

Antes de abrir el sistema principal de cierre había sido necesario de limpiar la rafadora y la cámara de excavación y succionar cualquier material para estar seguros que ninguna contaminación iba a entorpecer el cambio de sellos.

Todos los anillos de la cámara y el alojamiento del sellado fueron limpiados de suciedad y grasa con agua a alta presión y limpiador en frio.

Los nuevos sellos fueron vulcanizados con un sistema de empalme especial de Nordseetaucher. Para asegurarse al cien por cien la conexión, el sistema se calentó hasta aproximadamente 70-80º C por tres horas.

La situación correcta de los sellos sencillos y de los anillos de la cámara fueron medidos anteriormente y posteriormente del montaje. El historial de mediciones se hizo de acuerdo con los planes aportados por Herrenknecht AG.