工程概况
位于德国的卡尔斯鲁厄—巴塞尔交通走廊延伸工程，全长 17km，是从荷兰鹿特丹到意大利热那亚的关键线路。工程将新增 2 条轨交线路，使路线中货运与客运交通分离。其中，位于莱茵河谷、穿越 Rastatt 城的铁路部分为隧道，长 4270m。隧道沿线不仅地层复杂，地势多变，而且覆土较浅。两条单线隧道的轨道中心间距为 26.5m，隧道间每隔500m 设 1 条联络通道。
Rastatt 隧道线路图
Rastatt 隧道平面示意图
盾构施工
工程使用了 2 台海瑞克泥水气平衡盾构，从北向南掘进。为了维持高铁在该线 250km/h 的时速，地下段的长度与坡度皆受到严格限制，盾构隧道的直径为 10.97m，最大深度 19m，穿越疏松沙土层和砾石沉积层，距离地面轨线最小仅 4m。
地质剖面图
2016 年 5 月，东线隧道盾构始发，西线隧道则于同年 9 月始发。TBM 使用 42000KN 推力，以20mm/min 的速度向前掘进，并且以每小时 2500m 3地质剖面图的速度泵送膨润土泥浆，每向前掘进 2m 需要约2h。盾构使用标准刀盘，开口率为 30%。
施工队伍所面临的一大挑战是地层对刀具的磨耗，这意味着需要对刀具进行更多监测。隧道掘进速度约为 16 ～ 18m/d，但是由于每次都要花 2 ～ 4d更换刀具，导致了平均掘进速度的下降。同时，磨耗性地层也意味着团队需要检测泵送设备的磨损情况。施工团队使用电磁铁测定法检测泵送管厚度，使其保持在 4mm 以上。
隧道工程中使用的盾构机
冻结支护
除盾构段之外，工程还包括明挖段和暗挖段，并使用了多种地基加固法，包括钢板桩、地下连续墙、喷射混凝土、冻结法等。在这些稳定地层方案的选择中，施工方还采用了一种从未使用过的方案——在使用 2 台直径 10.97m 盾构掘进隧道之前，先采用冻结法稳固铁轨下方的隧道外围地层。
隧道起点处的覆土不到 5m，为了防止地层变形或塌陷，减少对当地保护区的干扰，施工方建设了一个冻结管幕结构，在隧道上方共使用了 770 根平 均 长 17m 的 冻 结 管，形成一个三角结构，覆盖了长 190m 的东侧隧道、290m 的西侧隧道。“根据TBM 刀盘的支护压力，我们不能采用普通的方法进行隧道掘进，因为工程的覆土太浅，因此我们必须要使用那样的支护结构以保障顶覆土的稳定，同时也意味着 TBM 刀盘在这个区域只能使用原有膨润土量的三分之一，否则用于替代膨润土的高压空气就可能导致地层出现较大的变形”，承包商的 TBM经理介绍。因此，当盾构到达冻结管幕时，施工方进行了一次检测，以保障安全。
隧道初始段冻结示意图
另外，在穿越 Rheintalbahn 铁路段时也采用了冻结加固。起初，工程计划在接近铁轨时停下TBM，在冰冻的土层内改用传统的开挖方法，但为了节省成本，承包商建议进行一项技术革新——直接使用 TBM 穿越冻结地层，该部分位于隧道线路南侧的最末端，TBM 贯通后剩余的部分将使用明挖法施工。
起始段冻结 BIM 效果图
为了保证这一项技术革新的顺利实施，施工方进行了大量的准备工作——对冻结区进行热量与静态调查，以监测冻结区的状态能否满足施工要求；冻结区保持水密，并且能在 TBM 释放的热量之下保持冻结牢固不解冻，以及 TBM 自身在穿越冻结区时不因为低温而冻结都是至关重要的，三者需要维持平衡。对此，工程人员设计了一整套措施，以保证这样的情况不会发生，包括使用对温度变化相对不敏感的骨料等。在设计阶段，设计人员甚至出于安全考虑想在冻结区设置一个 TBM 停机点。
为了支护该浅埋隧道，施工方使用了水平冻结法进行预支撑，以建立起隧道周边的全环冻结环境，使盾构穿越冻结区中心。考虑到该段坡度，当盾构机穿越约 5m 覆土的区域时，施工方从地面进行冻结，作为盾构上方的地层支护，防止可能出现的泥水突涌。同时，两条隧道之间每 500m 设立的 8 条联络通道也使用了冻结法进行支护，并使用喷射混凝土进行衬砌。
穿越铁路下方的水平冻结在铁轨两旁 100m 处设置的 2 个深 30m 的工作井内进行，冻结范围长约200m；使用水平定向钻机，钻出一圈 42 根长 100m的冷冻管孔，从而在外径 10.97m 的隧道周围形成厚2m 冻土层。
穿越铁路下方冻结示意图
事故发生
2017 年 8 月 12 日，施工现场的监测仪探测到地面铁路轨线出现沉降，该现象迅速造成铁轨下陷500mm，并扭曲了轨道，该线路的轨道交通立即全面停止。当时，东线隧道中的先发盾构机已经在穿越铁轨后掘进了 40m，总掘进已经达到 3974m，即将到达盾构接收井（该接收井也作为水平冻结法操作时的出入口）；而在西线隧道，后发的盾构也因此事故而停机，距离先发盾构机约 1000m，该盾构已掘进至 4250m 中的 3064m 处。
事故发生后，施工方立即采取措施，在新建隧道中钻出 3 个注浆孔，在盾构机刀盘后 150m 处注浆以形成混凝土栓塞，并使用混凝土将这条内径9.5m 隧道的盾构隔舱与混凝土栓塞之间全部进行了回填。
事故发生后采取的措施
为了稳定莱茵河谷铁路线下方的隧道段，160m的沿线先后打出了 7 个注浆孔，并灌注了 10500m 3混凝土。同时，施工方拆除了部分轨道，并建造了大约长 120m× 厚 1m 的混凝土底板，为莱茵河谷铁路线受影响的轨道重新铺设基础。
事故发生后续补救措施
事故后续
据官方早期估计，封闭的铁路线原定于 2017年 8 月 26 日解除封闭，但不久后，德铁便修改计划将铁路线封闭至 10 月 7 日。之后，德铁与施工方对抢修人员、设备与组织进行了部署，最终线路在 10月 2 日重新开通。
东线隧道进行事故抢修之际，西线隧道挖掘工作继续进行。同时，东线隧道仍将在当初规划的线路上完成，冻结区内部余下的 40m 将改为常规挖掘法完工；莱茵河谷铁路线轨道下方的混凝土浇灌填土，被填埋的 TBM 也将进行清理后从隧道内移除。
为了使西线隧道穿越铁路线不再出现纰漏，加倍保证安全性，施工方决定建造第二层混凝土底板，以稳定地层。第二条隧道将在距离第一次穿越点以北约 150m 处穿越，届时该混凝土底板可以为铁路轨道增加额外的稳定性。
事故发生后，8 月 21 日项目业主发出声明，称轨道下方隧道管片衬砌以及盾构后方 40m 的衬砌并没有出现开裂或坍落，而是 7 块厚 500mm、长 2m的衬砌环的出现移位造成空隙，导致了水土渗入。
从该调查结果看，事故原因应为冻结失效或盾构超挖。目前，事故的准确原因尚在进行调查，调查内容包括冻结法施工中的管理、检测仪器的数据、盾构推进操作以及盾构驾驶员的作业记录等。同时，德铁强调，隧道的原定路线是安全可行的。目前，第二层底板的施工正与早时开始的第一层底板同步进行，因而不会对工期造成影响。
摘自《盾构隧道科技》