Bezwijkveiligheid van boortunnels Literatuurstudie

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels

Bezwijkveiligheid van boortunnels Literatuurstudie

Opdrachtgever: Centrum Ondergronds Bouwen

Movares Nederland B.V. Ir. S.J Lokhorst Projectnummer Kenmerk 2007.doc

IF 137000 COB-TC151 Literatuurstudie bezwijkveiligheid boortunnels vs2.0 dd 8-2-

1(58)


Titel en subtitel:

Schrijver(s):

Bezwijkveiligheid van boortunnels

Ir. S.J. Lokhorst

Literatuurstudie Datum rapport:

Type rapport:

8 februari 2007

Literatuurstudie

Rapportnummer opdrachtnemer:

COB-publicatienummer:

IF13700 Projectleider(s) opdrachtnemer:

Projectbegeleider(s) opdrachtgever:

Ir. S.J. Lokhorst

Ir. D.J. Molenaar

Projectbegeleider opdrachtnemer:

Naam en adres opdrachtnemer:

Naam en adres opdrachtgever:

Movares Nederland B.V.

Centrum Ondergronds Bouwen

Postbus 2855 3500 GW Utrecht

Gouda

Opmerkingen:

Samenvatting rapport: Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van geboorde tunnels. De studie is gebaseerd op twee doelstellingen: 1) Het doen van een uitspraak over de bezwijkveiligheid van geboorde tunnels. 2) Het doen van een uitspraak over de relatie tussen grondbelasting en de belasting die voor de lining van belang is.

Relationele rapporten: Projectplan TC 151: Delft Cluster Workpackage voorstel, Bezwijkveiligheid boortunnels; Vervuurt, A.H.J.M. e.a.; TNO Rapport 2004 CI-R0155; 2004 Verspreiding:

Trefwoorden: Boortunnel, bezwijkmechanismen, ovaliseren, veiligheidsfilosofie Classificatie:

Classificatie deze

Aantal blz.:

pagina:

2(58)

Prijs:

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Versie:

Datum:

Namens

Paraaf:

opdrachtnemer:

Namens

Paraaf:

opdrachtgever:

De begeleidingscommissie van het gecombineerde Delft Cluster / COB project “Bezwijkveiligheid Boortunnels” (TC151) bestaat uit de volgende personen: Ir. A. de Boer (Bouwdienst Rijkswaterstaat); Dr. ir. C.B.M. Blom (Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam); Ir. W.H.N.C. van Empel (Witteveen en Bos); Ir. F.B.J. Gijsbers (TNO Bouw en Ondergrond); Ir. P.P.T. Litjens (GeoDelft / Delft Cluster); Ir. D.J. Molenaar (COB); Ing. B.K.J. Obladen (T&E Consult); Ir. Q.C. de Rijke (Movares Nederland); Ir. J.A. den Uijl (TU-Delft, Faculteit Civiele techniek en Geowetenschappen); Dr. ir. A.H.J.M. Vervuurt (Secretaris, TNO Bouw en Ondergrond); Ir. C. van der Vliet (Voorzitter, Bouwdienst Rijkswaterstaat); Ir. D.C. van Zanten (Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam); Ir. A. Bezuijen (Corresponderend lid, GeoDelft).

3(58)


Samenvatting In 2005 zijn in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU Delft twee bezwijkproeven uitgevoerd op gesegmenteerde tunnelringen van de Botlekspoortunnel. De bezwijkproeven zijn onderdeel van het gecombineerde Delft Cluster / COB project ‘Bezwijkveiligheid van Boortunnels’ (TC151). Naast de proeven zal in het kader van dit praktijkonderzoek ook modelonderzoek m.b.t. bezwijken plaatsvinden. Tevens is een literatuuronderzoek voorzien. Deze rapportage is het verslag van dit literatuuronderzoek. Voor het literatuuronderzoek zijn twee doelstellingen geformuleerd: 1) Het doen van een uitspraak over de bezwijkveiligheid van geboorde tunnels. 2) Het doen van een uitspraak over de relatie tussen grondbelasting en de belasting die voor de lining van belang is. De literatuurstudie betreft circa 50 relevante publicaties. Van de publicaties zijn aantekeningen gemaakt die in de bijlagen van deze studie zijn opgenomen. In de hoofdtekst van de literatuurstudie zijn de publicaties in verband gebracht met de praktijk van de tunnelbouw en de doelstellingen van deze studie. Bezwijkveiligheid in boortunnelprojecten (hoofdstuk 2 en bijlagen A en B) De studie beperkt zich tot het bezwijken van de tunnel onder “normale” belastingen. Er wordt geen bijzondere aandacht besteed aan het bezwijken ten gevolge van calamiteiten als brand of explosie. Informatie over calamiteiten waarbij sprake is van het bezwijken van de tunnel onder normale belastingen is zeer beperkt voorhanden. De beschikbare praktijkvoorbeelden betreffen meestal calamiteiten tijdens de uitvoering en dan met name in verband met instortingen aan het boorfront. Voorbeelden in de literatuur van het bezwijken van de lining tijdens de uitvoering of tijdens exploitatie van de tunnel zijn zeldzaam. Van een aantal boortunnelprojecten is in bijlage B een samenvatting gegeven van de gehanteerde ontwerpfilosofieën voor de lining ten aanzien van bezwijken. Het betreft de volgende tunnels: De Tweede Heinenoord Tunnel; De Betuweroutetunnels: Sophiaspoortunnel en Pannerdensch Kanaaltunnel; De boortunnel Randstadrail; De Tweede Heinenoordtunnel- staalvezelbeton; De Storebelt Spoortunnel; De Arrowhead East tunnel (California). Daarbij is speciaal gelet op de beschouwde bezwijkmechanismen en de gehanteerde factoren voor belasting en sterkte en de rol van de grond bij de beoordeling van de bezwijkveiligheid. In de praktijk wordt gebruik gemaakt van zowel overall veiligheidsfactoren als partiële factoren. De factoren worden ofwel ontleend aan algemene normen voor het ontwerpen van constructies ofwel speciaal voor het project gedefinieerd. Er zijn in de publicaties geen verwijzingen gevonden naar specifieke richtlijnen voor het ontwerpen van boortunnels. Dergelijke richtlijnen bestaan echter wel. In bijlage A worden een aantal richtlijnen voor het ontwerpen van (geboorde) tunnels besproken. Het zijn richtlijnen uit de Verenigde Staten, uit Frankrijk (AFTES), uit Japan en uit Nederland (CUR-COB) en van de internationale organisatie ITAAITES.

4(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Bezwijkveiligheid (hoofdstuk 3 en bijlagen B en C) Hoofdstuk 3 geeft een overzicht van de bezwijkmechanismen die zijn genoemd in de publicaties. De mechanismen zijn ingedeeld naar: sterktemechanismen, stabiliteitsmechanismen en vervormingsmechanismen. Bovendien is onderscheid gemaakt in mechanismen op detailniveau) en mechanismen op tunnelniveau. Het blijkt dat boortunnels in de praktijk worden ontworpen op mechanismen die plaatsvinden op detailniveau. Dat houdt in dat de tunnel wordt geacht te zijn bezweken bij bijvoorbeeld het ontstaan van het eerste plastische scharnier of bij het afschuiven van een kom-nokverbinding. Vervolgens wordt nader ingegaan op de bezwijkmechanismen die relevant zijn voor een ovaliserende tunnel. Het mechanisme met een plastisch scharnier is hiervan het eenvoudigste voorbeeld. Uit onderzoeksprojecten blijkt dat bij een horizontaal ovaliserende belasting na het ontstaan van het eerste plastische scharnier nog aanzienlijk kan worden opgevoerd. In de dissertaties van Blom en Bakker worden mechanismen met meer plastische scharnieren beschreven. Belangrijke parameters bij deze mechanismen zijn de samenwerking tussen de ringen en de ondersteunende werking van de omringende grond. Op basis van alle gevonden informatie is een schema gemaakt van oorzaken, invloedsfactoren, gevolgscenario’s en mechanismen rond het bezwijken door ovaliseren. Dit schema is in verband gebracht met de bezwijkproeven die in het kader van dit project zijn uitgevoerd. De rol van grond, grout en boorproces (hoofdstuk 4 en bijlage C) In hoofdstuk 4 wordt ingegaan op de rol van de grond, het grout en het boorproces op het bezwijken door ovaliseren. De rol van grond in het ondersteunen van de ring is afhankelijk van de stijfheidsverhouding tussen lining en grond. Onder gebruiksbelastingen kan een stijve grond al een aanzienlijk aandeel van de belasting op de tunnel naar zich toe trekken. Ook in een bezwijksituatie bij een horizontale ovalisering van de lining kan de grond een gunstige bijdrage leveren aan de bezwijkbelasting. Er zijn daarbij verschillende bezwijkmechanismen mogelijk. Deze mechanismen en de daaraan gestelde randvoorwaarden worden behandeld (kwalitatief en kwantitatief). Er wordt in Nederland maar ook internationaal veel onderzoek verricht naar de belastingsituatie van de tunnel tijdens de bouwfase (spanningsveranderingen in de grond, groutinjectie). De bezwijkveiligheid van de lining in deze fase is nog maar beperkt bestudeerd. De relevante publicaties gaan in op de invloed van groutdruk op de buigende momenten en de marge tot het bezwijkmoment van een segmentdoorsnede. In dit hoofdstuk en de bijlage wordt ook ingegaan op de maatregelen die in tunnelprojecten worden genomen in verband met een slechte grondgesteldheid en de gevolgen daarvan voor de tunnelconstructie en op de onderlinge beïnvloeding van tunnelbuizen tijdens de aanleg. Conclusies en aanbevelingen Hoofdstuk 5 bevat de conclusies en aanbevelingen van deze literatuurstudie. De conclusies betreffen de volgende aspecten: Bezwijkveiligheid in de ontwerppraktijk; Bezwijken bij horizontaal ovaliseren; Bijdrage van de grond bij bezwijken bij ovaliseren; Bezwijkveiligheid in de bouwfase; Bijdrage van grout bij bezwijken; Totaalbeeld bezwijkveiligheid boortunnels.

5(58)


Inhoudsopgave 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Inleiding en werkwijze literatuurstudie ........................................................................................... 8 1.1 Kader...................................................................................................................................... 8 1.2 Werkwijze in deze literatuurstudie ........................................................................................ 8 1.3 Leeswijzer ............................................................................................................................ 10 Bezwijkveiligheid in projecten...................................................................................................... 11 2.1 Praktijkvoorbeelden van calamiteiten .................................................................................. 11 2.2 Laboratoriumproeven........................................................................................................... 12 2.3 Risicobeheersing .................................................................................................................. 12 2.4 Richtlijnen voor ontwerp van boortunnels........................................................................... 13 2.5 Ontwerpfilosofieën in tunnelprojecten................................................................................. 13 Bezwijkveiligheid van boortunnels ............................................................................................... 15 3.1 Bezwijkmechanismen algemeen .......................................................................................... 15 3.1.1 Sterktemechanismen:....................................................................................................... 15 3.1.2 Stabiliteitsmechanismen .................................................................................................. 15 3.1.3 Vervormingsmechanismen .............................................................................................. 15 3.1.4 Veiligheidsfilosofieën in praktijkprojecten ..................................................................... 16 3.2 Bezwijkmechanismen en veiligheidsfactoren m.b.t. ovaliseren .......................................... 16 3.3 Tunnel als grondkerende constructie ................................................................................... 17 3.4 Schematische weergave van bezwijken van een tunnel door ovaliseren ............................. 17 De rol van grond, grout en boorproces.......................................................................................... 20 4.1 Traditioneel: de lining belast en gesteund door de grond .................................................... 20 4.2 Verandering van spanningstoestand in de grond door het boorproces................................. 23 Conclusie en aanbevelingen .......................................................................................................... 25 5.1 Conclusies ............................................................................................................................ 25 5.2 Aanbevelingen ..................................................................................................................... 26 Literatuur ....................................................................................................................................... 28 6.1 Publicaties verwerkt in deze literatuurstudie ....................................................................... 28 6.2 Niet bestudeerde literatuur ................................................................................................... 30 Bijlage A, Inventarisatie van richtlijnen........................................................................................ 31 7.1 Algemeen ............................................................................................................................. 31 7.2 Richtlijnen van het US Department of Transportation [29]................................................. 31 7.3 Richtlijnen van ITA-AITES; International Tunneling Association [26] ............................. 31 7.3.1 Ad 1 Guidelines for the Design of Tunnels [26-#1] ........................................................ 31 7.3.2 Ad 2, Report on damaging effects of water on tunnels during their working life ........... 33 7.4 Richtlijnen van AFTES; Association Française des Tunnels et de l’Espace Souterrain...... 34 7.5 Richtlijn van het COB; Centrum Ondergronds Bouwen...................................................... 35 7.6 Japanse richtlijnen................................................................................................................ 36 Bijlage B, Ontwerp-filosofieën voor de lining van Boortunnels................................................... 38 8.1 Nederlandse boortunnelprojecten ........................................................................................ 38 8.1.1 Tweede Heinenoordtunnel............................................................................................... 38 8.1.2 Betuweroute tunnels ........................................................................................................ 38 8.1.3 BoortunnelRandstadrail ................................................................................................... 40 8.1.4 Tweede Heinenoordtunnel- staalvezelbeton.................................................................... 42 8.2 Internationale tunnelprojecten.............................................................................................. 43 8.2.1 Storebelt Spoortunnel ...................................................................................................... 43 8.2.2 Arrowhead East tunnel (California)................................................................................. 43 Bijlage C, Bezwijkmechanismen................................................................................................... 45

6(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.7.1 9.7.2

Grenstoestanden en mechanismen ....................................................................................... 45 Laboratoriumproeven........................................................................................................... 46 Bezwijkmechanisme met één vloeischarnier ....................................................................... 48 Bezwijkmechanismen volgens Bakker [13]......................................................................... 52 Bezwijkmechanismen volgens Blom [11] ........................................................................... 54 Samenwerking tussen ringen ............................................................................................... 55 Invloed van de grondgesteldheid en gronddeformaties ....................................................... 56 Grondgesteldheid............................................................................................................. 56 Invloeden op bestaande tunnelbuis door aanleg van een nieuwe tunnelbuis................... 56

7(58)


1 Inleiding en werkwijze literatuurstudie 1.1

Kader

In 2005 zijn in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU Delft twee bezwijkproeven uitgevoerd op gesegmenteerde tunnelringen van de Botlekspoortunnel. De bezwijkproeven vormen de derde en laatste proevenserie (serie C) met deze opstelling. Eerdere proevenseries hadden betrekking op het gedrag van de tunnelringen onder montagebelastingen en gebruiksbelastingen. De opstelling is inmiddels afgebroken. De bezwijkproeven zijn onderdeel van het gecombineerde Delft Cluster / COB project ‘Bezwijkveiligheid van Boortunnels’ (TC151). Naast de proeven zal in het kader van dit praktijkonderzoek ook modelonderzoek m.b.t. bezwijken plaatsvinden (voeggedrag, ringwerking, probabilistische analyse). Tevens is een literatuuronderzoek voorzien. Deze rapportage is het verslag van dit literatuuronderzoek. Voor het literatuuronderzoek zijn twee doelstellingen geformuleerd: Doelstelling 1 Het doen van een uitspraak over de bezwijkveiligheid van geboorde tunnels. Wat wordt hiermee bedoeld, en wanneer is een lining bezweken? Verder dient in het literatuuronderzoek aandacht te worden besteed aan het belang van bezwijken door ovalisatie ten opzichte van andere bezwijkmechanismen. Doelstelling 2 Het doen van een uitspraak over de relatie tussen grondbelasting en de belasting die voor de lining van belang is. Dit is met name van belang om een uitspraak te kunnen doen over de definitie van de uiterste grenstoestand (ULS) met betrekking tot ovalisatie en de aan te houden ontwerpbelasting voor deze grenstoestand. 1.2

Werkwijze in deze literatuurstudie

Bronnen Voor de literatuurstudie zijn de volgende bronnen gebruikt: Bibliotheek Technische Universiteit; Tijdschriften en verslagen van tunnelcongressen; Internet (websites van onderzoeksinstituten, universiteiten en internationale organisaties op het gebied van tunnels en ondergronds bouwen (COB, ITA, AFTES, STUVA, RTRI etc.); Onderzoeksbibliotheek Groene Hart; Het persoonlijke archief en informatie van dr. ir. C.B.M. Blom (Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam); Documenten en informatie van de volgende personen betrokken bij boortunnelprojecten of praktijkonderzoeken: ing. J.H. Jonker en ing. E.A. Kwast (Movares), ir. M.H. Djorai (Bouwdienst Rijkswaterstaat), ir. B. Bruinsma (Gemeente Den Haag, Stadsbeheer), T. Konda (Geo Research Institute, uit Japan). Reviews De literatuurstudie is verricht door de auteur. Gedurende de zoektocht naar relevante publicaties is echter op twee momenten een review gehouden met boortunnelspecialisten van Movares (ing. E.A. Kwast, ir. F de Boer) en Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam (dr. ir. C.B.M. Blom). Het

8(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels doel van de reviews was met name om zo snel en efficiënt mogelijk tot een zo volledig mogelijk beeld van het onderwerp bezwijkveiligheid te komen. De eerste review vond binnen twee weken na aanvang van de studie plaats. Daarin is n.a.v. een snelle inventarisatie van bekende bronnen van voor 2000 en recente ontwikkelingen een zoekstrategie bepaald voor het zoeken naar onbekende en meer recente publicaties. In de tweede review, is gelet op de volledigheid van het verkregen overzicht, het in verband brengen van de resultaten met de doelstellingen en de insteek van de rapportage. Thema’s en zoektermen Rond het onderwerp bezwijkveiligheid zijn de volgende thema’s en zoektermen relevant: Belastingen en vervormingen (ovalisering); Veiligheidsfilosofieën en ontwerpmethoden (en praktijkvoorbeelden daarvan); Bezwijkmechanismen, uiterste grenstoestanden, veiligheidsfactoren en betrouwbaarheid; Ontwerpvoorschriften en ontwerprichtlijnen; Bijzondere omstandigheden in tunnelprojecten (grondgesteldheid, dwarsverbindingen, extreme belastingen, aanpassingen aan tunnels of werkzaamheden nabij bestaande tunnels); Calamiteiten in tunnels; Experimenteel onderzoek naar bezwijken. Randvoorwaarden Bij het zoeken naar publicaties voor deze literatuurstudie zijn de volgende randvoorwaarden gesteld: Er is hoofdzakelijk gezocht naar nieuwe publicaties na het jaar 2000. Dit houdt verband met het feit dat er rond 2000 door medewerkers van Movares enkele (literatuur)studies zijn verricht naar het ontwerpen van boortunnels. Verondersteld is dat in deze studies de relevante publicaties over het bezwijken van boortunnels uit de periode voor 2000 grotendeels zijn geïnventariseerd. Er zijn hoofdzakelijk publicaties gebruikt over geboorde cirkelvormige tunnels, met gesegmenteerde lining in slappe grond; dus geen NATM, geen tunnels met hoefijzervorm en geen tunnels in rots; De studie beperkt zich tot het bezwijken van de tunnel onder “normale” belastingen. Er wordt geen bijzondere aandacht besteed aan bezwijken ten gevolgen van calamiteiten als brand of explosie etc. Internet Bij het zoeken op internet met Google en Scholar Google zijn de volgende zoektermen gebruikt: Bored tunnels, Segmented lining + lining design, guidelines; + failure, structural safety; Bored tunnels, + laboratory experiments + subgrade, support + collaps + design guidelines + structural safety, + tunnel collaps; Tunnel accidents; Tunnel disasters. De volgende internetsites zijn bezocht: Centrum Ondergronds Bouwen (www.cob.nl); Geodelft (www.geodelft.nl); US Department of Transportation / Federal transit administration (www.fta.dot.gov1); Tunnels and Underground Space Technology (tijdschrift); (via catalogus bibliotheek TU-Delft); British Tunneling Society (britishtunneling.org); International Tunneling Association (ITA-AITES), (www.ita-aites.org);

1

Deze site is gebruikt als vertrekpunt om te onderzoeken of er een recentere uitgave bestaat van de richtlijnen van het US Department of Transportation uit 1983 [29].

9(58)


Association Française des Tunnels et de l’Espace Souterrain, (www.AFTES.asso.fr); Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen, (www.STUVA.de); Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (www.LCPC.fr); Japanese society of civil engineers (www.jsce.org); Railway Technical Research Institute, (www.rtri.or.jp); Geo Research Institute, (www.geor.or.jp).

De volgende verslagen van tunnelcongressen zijn bestudeerd: Geotechnical Aspect of Underground Construction in Soft Ground. Kyoto 1999. Tunnels and Underground Structures. Singapore; 2000 Modern Tunneling Science and Technology; Kyoto; 2001 North American Tunneling, Seattle; 2002 (Re)Claiming the Underground Space, ITA Amsterdam; 2003 Underground Space for Sustainable Development, ITA. Singapore; 2004 Underground Space Use: Analysis of the Past and lessons for the Future. Istanbul; 2005 Geotechnical Aspect of Underground Construction in Soft Ground (TC28-ISSMGE). Amsterdam; 2005 1.3

Leeswijzer

De literatuurstudie betreft circa 50 relevante publicaties. Het bleek binnen het kader van dit project niet haalbaar om deze publicaties tot in detail uit te werken en te bespreken. Daarom is voor de rapportage voor de volgende vorm gekozen: Van de publicaties zijn aantekeningen gemaakt die in de bijlagen van deze studie zijn opgenomen; In de hoofdtekst van de literatuurstudie zijn de publicaties in verband gebracht met de praktijk van de tunnelbouw en de doelstellingen van deze studie. Hieronder staat van de inhoud van de hoofdstukken en de bijlagen in een kort overzicht: Hoofdstuk 2 geeft een overzicht van het beeld dat is ontstaan over bezwijken en bezwijkveiligheid van tunnels in de praktijk van de tunnelbouw; Hoofdstuk 3 en 4 concentreren zich op de doelstellingen van de literatuurstudie (wat is bezwijken en wat is de rol van de grond?) Hoofdstuk 5 bevat de antwoorden bij de doelstellingen in de vorm van conclusies en aanbevelingen; Hoofdstuk 6 bevat het overzicht van de publicaties waarover is gerapporteerd en een lijst met andere relevante publicaties over dit onderwerp; In de bijlagen A, B en C is de inhoud van gebruikte bronnen puntsgewijs (kort) is beschreven. De hoofdstukken hebben de volgende thema’s: Ontwerprichtlijnen, Ontwerpfilosofieën in tunnelprojecten en Bezwijkmechanismen.

10(58)


2 Bezwijkveiligheid in projecten 2.1

Praktijkvoorbeelden van calamiteiten

Bij calamiteiten met tunnels gaat de aandacht al snel naar de tunnelbranden van de afgelopen jaren. Rond het onderwerp tunnelveiligheid zijn veel publicaties te vinden. Informatie over calamiteiten waarbij sprake is van het bezwijken van de tunnelconstructie onder “normale” belastingen is zeer beperkt. Op internet is een overzicht te vinden genaamd “chamber of horrors” [www.tunnelbuilder.com] met voorbeelden van tunnelcalamiteiten. De calamiteiten met boortunnels houden meestal verband met boorfrontinstabiliteiten en grote lekkages via de tunnelboormachine, met als bekend voorbeeldproject de aanleg van de Metro in München waar een passagiersbus verdween in een diep gat ter plaatse van het boorfront. Er zijn op deze site slechts enkele voorbeelden van ernstige schade aan of vervormingen van boortunnels: de Storebelt-tunnel (brandschade) en de tunnel voor de Blauwe Lijn van Metro Lissabon. De toedracht van de calamiteit tijdens de aanleg van de metro van Lissabon is nog in onderzoek, de resultaten zijn nog niet vrijgegeven. In Shanghai heeft zich tijdens de aanleg van metrolijn M4 in 2003 een calamiteit voorgedaan tijdens de aanleg van dwarsverbindingen [www.chinadaily.com.cn/en/doc/2003-09/22/content_266188.htm]. Op de foto in Figuur 1 zijn de gevolgen van deze calamiteit voor het maaiveld en nabijgelegen gebouwen te zien. Het gebouw op de voorgrond is een pompstation gelegen achter de dijk van de rivier Huangpu.

Figuur 1 Bovengrondse schade door calamiteit tijdens de aanleg van metro M4 in Shanghai.

In een publicatie van verzekeringsmaatschappij Swiss Re [1] worden twee tunnelprojecten beschreven met calamiteiten tijdens de uitvoering. In het eerste project gaat het om instabiliteiten rond het

11(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels boorfront resulterend in grote schade aan gebouwen in de omgeving. In het tweede project was er sprake van grote vervorming van de gesegmenteerde lining van ca. 15 m tunnel waardoor lekkage optrad waarbij ook grond werd meegevoerd. Door het wegspoelen van de grond onder de tunnel, is de tunnel over ca. 100 m verzakt. 2.2

Laboratoriumproeven

Voorbeelden van bezwijken van tunneldoorsneden of tunnelonderdelen zijn wel te vinden in het laboratorium. Het gaat dan om (grootschalige) experimenten als: Het bezwijken van drie gesegmenteerde tunnelringen door ovaliseren in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU Delft (2005); Het bezwijken van een halve cirkelvormige tunnel opgebouwd uit betonnen elementen al dan niet met vezels door lokale belasting in de kruin [3] in Japan; Het bezwijken van de langsvoeg voor een gesegmenteerde tunnel onder extreme uitwendige waterdruk [4] in de laboratoria van de universiteit van Illinois en van MDW La Verne in South Carolina. Het bezwijken van segmenten van vezelversterktbeton op buiging in het Laboratoire Central des Ponts et Chaussées in Frankrijk [www.lcpc.fr]; Voor inhoudelijke informatie over laboratoriumproeven wordt verwezen naar bijlage C par. 9.2. 2.3

Risicobeheersing

In de publicatie van Swiss Re [1] worden voor geboorde tunnels twee categorieën bezwijkvormen onderscheiden: 1) Instortingen aan het boorfront: Bodem is te zwak voor de ontgravingsmethode; De kruin is te zwak; Maaiveld instortingen; Grond en water treden in de tunnel of de schacht. 2) Bezwijken van de lining voor of na de ringbouw: Bezwijken op dwarskracht; Bezwijken door drukkrachten; Combinatie van buiging en voortstuwingskrachten; Pons; Waterdichtheid van segmenten. Voor verzekeraars is de eerste categorie bezwijkvormen met de meeste onzekerheid omgeven. Niet alleen omdat de herstelkosten van deze categorie groter zijn maar ook vanwege de frequentie van voorkomen die veel hoger is dan van de tweede categorie [1]. Die onzekerheid rond het boorproces wordt onderkend door opdrachtgevers en opdrachtnemers van tunnelbouwprojecten. Tenminste, dat valt op te maken uit de grote aantallen publicaties in congresverslagen over maatregelen die in deze projecten worden genomen om de calamiteiten te voorkomen of de gevolgen daarvan te beperken. Opvallend is dat het daarbij vrijwel uitsluitend gaat om maatregelen die: instabiliteit aan het boorfront moeten voorkomen; gronddeformaties en maaiveldzettingen moeten beperken; deformaties van (de funderingen) van constructies (gebouwen, kunstwerken) moeten beperken; het mogelijk moeten maken zeer dicht langs bestaande constructies of een bestaande (eerder gebouwde) tunnelbuis te boren.

12(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Met andere woorden maatregelen die de omgeving rond een tunnel moeten beschermen. De publicaties gaan dan met name over de gebruikte technieken en de realisatie van maatregelen. In publicaties wordt vaak vermeld dat de bodem onvoldoende sterkte en/of stijfheid heeft om de passage van tunnelboormachines zonder schade aan de omgeving mogelijk te maken. Slechts zelden wordt vermeld dat de bodemgesteldheid beperkingen oplegt aan de tunnelconstructie of dat de voorziene maatregelen voor de omgeving ook gunstig zijn voor de ondersteuning van de tunnel. Twee voorbeelden van projecten waar maatregelen zijn getroffen om de lining te beschermen in verband met de bodemgesteldheid zijn: de Botlekspoortunnel en de boortunnel Randstadrail: Nabij de ontvangstschacht van de Botlekspoortunnel (westzijde) ligt de tunnel in zeer slappe holocene lagen (o.a. een laag Holland Veen). De bodem is daarom over een lengte van ca. 150 m vanaf het Pleistoceen tot boven de kruin van de tunnel middels kalk-cementkolommen versterkt. De grondverbetering was niet alleen nodig om de tunnelboormachine te kunnen sturen, maar ook om een stabiele ligging van de tunnel te bewerkstelligen. Aan de grondverbetering zijn eisen aan sterkte en stijfheid gesteld. Bij de boortunnel Randstadrail is de toename van de grondbelastingen op de tunnel door consolidatie van de Holocene lagen aanleiding om maatregelen te nemen om de sterkte van de tunnel te garanderen. Die maatregelen bestaan uit toepassing van een grondverbetering ofwel van een stalen lining (zie ook bijlage C par. 9.7.1). 2.4

Richtlijnen voor ontwerp van boortunnels

In deze studie zijn een aantal internationale richtlijnen gevonden met betrekking tot het ontwerp van geboorde tunnels. Dat zijn richtlijnen van organisaties als ITA, AFTES en CUR-COB (zie bijlage A). Van deze richtlijnen is de richtlijn opgesteld in het kader van het CUR-COB project L500 [28] verreweg het meest gedetailleerd ten aanzien van veiligheidsfilosofie en de inzet van ontwerpmethoden. Waar andere richtlijnen zich beperken tot te beschouwen belastinggevallen en eventueel te hanteren (partiële) veiligheidsfactoren gaat richtlijn L500 expliciet in op de betrouwbaarheid van de constructie, de grenstoestanden en de aan grenstoestanden gerelateerde (bezwijk)mechanismen. Er is gekozen voor een semi-probabilistische verificatieprocedure van de betrouwbaarheid. Een ander belangrijk verschil is dat in de CUR-COB toetsingsrichtlijn [28] wordt uitgegaan van een integrale benadering van grond en constructie. De richtlijnen bieden een op NEN 6700 gebaseerde methodiek voor de beoordeling van geboorde tunnels. Hierbij zijn voor de gebruikte modellen partiele factoren vastgesteld die zijn gebaseerd op de aanwezige onzekerheden voor wat betreft deze onderdelen (i.c. grondmodellering, gedrag langs- en ringvoegen, modellering ringen liggerwerking en de modellering van de draagkracht van het beton). Uit de gegeven overzichten van de verschillende modelfactoren blijkt onder andere dat het nauwkeuriger modelleren van de situatie (1D, 2D of 3D) wordt ‘beloond’ doordat dit van invloed is op de te hanteren modelfactor. 2.5

Ontwerpfilosofieën in tunnelprojecten

Van een aantal Nederlandse en internationale tunnelprojecten is in bijlage B een samenvatting gegeven van de gehanteerde ontwerpfilosofieën voor de lining ten aanzien van bezwijken. Daarbij is speciaal gelet op de beschouwde bezwijkmechanismen en de gehanteerde factoren voor belasting en sterkte en de rol van de grond bij de beoordeling van de bezwijkveiligheid. In de publicaties worden de ontwerpfilosofie en de bezwijkmechanismen zelden expliciet benoemd. Uit de publicaties valt op te maken dat boortunnels worden ontworpen op bezwijkmechanismen die

13(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels plaatsvinden op detailniveau, bijvoorbeeld: bezwijken door de combinatie van buiging en normaalkracht, het bezwijken van een kom-nok verbinding in de ringvoeg en het afboeren van de rand van een segment ten gevolge van een te grote druk op het rubberafdichtingsprofiel. Het globale bezwijken van een tunnelring of een tunneldeel wordt niet genoemd. Het voor het project Randstadrail genoemde mechanisme van progressive collaps van meerdere kom-nok- verbindingen in een ringvoeg is het meest globale mechanisme. Er wordt gebruik gemaakt van zowel overall veiligheidsfactoren als partiële factoren. De factoren worden ofwel ontleend aan algemene normen voor het ontwerpen van constructies (bijvoorbeeld DIN 1045; NEN 6702; NEN 6720; ACI 318-95) of speciaal voor het project (bijv. vanuit praktijkervaring) gedefinieerd. Er zijn geen verwijzingen gevonden naar specifieke richtlijnen voor het ontwerp van boortunnels. Van de toepassing van (semi-)probabilistische ontwerpmethoden (zoals L500) in projecten zijn geen voorbeelden gevonden. In [8] schrijven van Zanten e.a. dat bij de voorbereidingen van het ontwerp van de Randstadrailtunnel probabilistische berekeningen zijn uitgevoerd om partiële materiaal- en belastingfactoren af te leiden. “Omdat de omringende grond zowel een dragende als een ondersteunende rol heeft bleek deze methode toch weinig praktisch en is gekozen voor een systeem met ‘overall’ veiligheidsfactoren”. In de onderszoeksfeer zijn er wel ervaringen met probabilistische ontwerpmethoden. Verwezen wordt naar de volgende publicaties van de Boer & Waarts [7] en het afstudeerverslag van Smetsers [6]. De Boer & Waarts schrijven dat bij het ontwerpen van boortunnels de insteek ligt op de toetsing van de betrouwbaarheid van de componenten, maar niet op het gehele systeem van componenten. Een probabilistische ontwerpmethode biedt hiervoor wel de mogelijkheden. Er wordt een voorbeeld gegeven waarin de betrouwbaarheid van het gehele systeem wordt bepaald en tevens op componentniveau resultaten worden gegenereerd van ontwerpparameters zoals spanningen en vervormingen ten behoeve van toetsing aan grenstoestanden middels unity checks. De betrouwbaarheid van het functioneren van de tunnelconstructie krijgt in projecten waar de tunnel waterkeringen kruist, extra aandacht. Voor de Sophiaspoortunnel en de Pannerdensch Kanaaltunnel in de Betuweroute zijn foutenbomen opgesteld voor het bepalen van bijdrage van de aanwezigheid van de tunnel aan de faalkans van de waterkering. Het bezwijken van de tunnel onder normale omstandigheden maar vooral door calamiteiten in de tunnel (explosie, brand, ontsporing) komt in de betrouwbaarheidsanalyse nadrukkelijk aan de orde (zie bijlage B par. 8.1.2). Onder normale belastingen bleek voor beide tunnels het faalmechanisme van opdrijven van de tunnel maatgevend ten opzichte van bezwijken door ovalisering. Om de faalkans van de tunnel door calamiteiten te reduceren zijn maatregelen getroffen in de vorm van sprinklers (brand) en geleideconstructies (ontsporing). In de volgende hoofdstukken (3 en 4) worden de resultaten van de literatuurstudie die verband houden met de doelstellingen van de studie beschreven. De inhoud van deze hoofdstukken is o.a. gebaseerd op de aantekeningen bij de gevonden publicaties uit de bijlage A, B en C.

14(58)


3 Bezwijkveiligheid van boortunnels 3.1

Bezwijkmechanismen algemeen

Dit overzicht is beperkt tot bezwijkmechanismen die op kunnen treden onder normale belastingsituaties met name veroorzaakt door grond en grondwater. Daaronder vallen wel belastingsituaties van overbelasting, afname van de ondersteuning of aantasting. Niet beschouwd zijn de bezwijkmechanismen ten gevolge van calamiteiten als brand of explosie in de tunnel. Uit de publicaties behandeld in bijlagen B en C zijn onderstaande bezwijkmechanismen verzameld. Ze zijn gestructureerd volgens de indeling volgens L500 [28] in: sterktemechanismen, stabiliteitsmechanismen en vervormingsmechanismen. 3.1.1

Sterktemechanismen:

Op detailniveau: Bezwijken op normaalkracht-moment in segmentdoorsnede (1e vloeischarnier); Bezwijken op dwarskracht in segmentdoorsnede; Overschrijden van druksterkte in de langsvoeg; Overschrijden van druksterkte in de ringvoeg (door vijzelkrachten); Afboeren segmentrand door grote ringdruk; Breuk van onderdelen kom-nok verbinding. Op ringniveau of tunnelniveau: Stuik van de lining door normaalkracht (bij gunstige ondersteuning door grond en uitblijven van instabiliteit); 3.1.2

Stabiliteitsmechanismen

Op detailniveau: Afschuiving in de langsvoeg (door dwarskracht) Op ringniveau of tunnelniveau: Opdrijven (en opbreken) van de tunnel; Bezwijken door plasticiteit in de langsvoegen (zonder ondersteuning van de grond); Doorslagmechanisme bij meer plastische scharnieren en met ondersteuning van de grond; Bezwijken van meerdere kom-nok verbindingen (progressive collaps); Uitknikken van de lining (door ringdrukkracht); Plooi van de lining (bijv. door langsvoorspanning en liggerwerking, afhankelijk van liningdikte en diameter); Afschuiving in de ringvoeg (bijvoorbeeld door liggerwerking). 3.1.3

Vervormingsmechanismen

Vervormingen van de tunnel veroorzaken in eerste instantie bruikbaarheidsgrenstoestanden (lekkage, scheurvorming, lining verplaatst tot binnen profiel van vrije ruimte). Vervormingsmechanismen in de grond kunnen wel aanleiding zijn tot het optreden van (lokale of globale) sterktemechanismen of stabiliteitsmechanismen van de lining. Bijvoorbeeld door de afname van de ondersteunende werking van de grond of het ontstaan van negatieve kleefbelasting.

15(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 3.1.4

Veiligheidsfilosofieën in praktijkprojecten

De bezwijkmechanismen op detailniveau zijn typisch mechanismen waarop de lining in tunnelprojecten wordt ontworpen. Van bovenstaande globale sterktemechanismen is in de beschreven tunnelprojecten alleen de progressive collaps door bezwijken van meer kom-nok verbindingen beschouwd. Toetsing op opdrijven is voor tunnelprojecten gebruikelijk. Uit de betrouwbaarheidsanalyses die voor de Sophiaspoortunnel en de Pannerdensch Kanaaltunnel zijn gemaakt, is bepaald dat de faalkans onder normale belastingen voor opdrijven beduidend groter is dan voor falen van de tunnelringen op sterkte. 3.2

Bezwijkmechanismen en veiligheidsfactoren m.b.t. ovaliseren

In relatie tot het ovaliseren van de tunnel zijn de volgende bezwijkmechanismen beschreven waarbij plastische scharnieren een rol spelen: Bezwijken op normaalkracht-moment in segmentdoorsnede (1e vloeischarnier); Bezwijken door plasticiteit in de langsvoegen (zonder ondersteuning van de grond); Doorslagmechanisme bij meer plastische scharnieren (met ondersteuning van de grond); Breuk van de lining door normaalkracht (bij gunstige ondersteuning door grond en uitblijven van instabiliteit); Het bezwijkmechanisme met één vloeischarnier is in tunnelprojecten de uiterste grenstoestand bij ringwerking. De rekenwaarde van de combinatie van moment en normaalkracht wordt getoetst aan het bezwijkmoment bij gegeven normaalkracht. De rekenwaarden worden bepaald door toepassing van overall veiligheidsfactoren of partiële belastingen materiaalfactoren. De toepassing van een veiligheidsfactor op de normaalkracht (die in de meeste gevallen gunstig werkt) wordt niet altijd expliciet genoemd. In het kader van het promotieonderzoek van Blom [11] is in vijf publicaties [14,15,16,17,18] het bezwijkmechanisme met één vloeischarnier voor met name de belastingen in de bouwfase (groutdruk) onderzocht. In die studies is gebruik gemaakt van zeer uiteenlopende rekenmodellen. Steeds is gekeken naar de verhouding tussen het bezwijkmoment en het berekende moment door de grout- of grondbelasting bij de berekende normaalkracht. De berekende veiligheidsfactoren variëren sterk (van 1 tot 13). Over het optreden van meerdere plastische scharnieren schrijven alleen Bakker [13] en Blom [11]. In die mechanismen wordt uitgegaan van een horizontale ovalisering van de lining en een ondersteunende rol van de grond. Blom geeft aan dat, voor een enkele ring, na het optreden van een eerste plastisch scharnier de ovaliserende belasting nog met een factor 3 kan toenemen totdat er drie vloeischarnieren ontstaan, de tunnel bezwijkt dan ten gevolge van een doorslagmechanisme (stabiliteit). Bakker gaat uit van een homogene ring (goede samenwerking tussen ringen) en beschrijft een stabiliteitsmechanisme op tunnelniveau met 4 plastische scharnieren. Echter, als stabiliteit geen rol speelt zal de tunnel bezwijken op een drukspanning en niet door plastische scharnieren. Dit heeft te maken met het feit dat de lining door de plastische scharnieren aan stijfheid verliest en de relatief stijve grond de ovaliserende belasting gaat compenseren. In de lining resteren dan ringdrukkrachten. Bakker schrijft dat verticale ovalisering van een tunnel in grond kan optreden wanneer de verticale grondspanningen lager zijn dan de horizontale grondspanningen. Er is dan gevaar voor opbreken. Echter, voor de Nederlandse situatie is dit niet een relevant bezwijkmechanisme. De reden daarvoor is dat voor de keuze van diepteligging het mechanisme van opdrijven maatgevend is. Een verticale ovalisering kan zich ook voordoen onder een groutbelasting [bijv. 17].

16(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 3.3

Tunnel als grondkerende constructie

In Richtlijn L500 wordt aangegeven dat bruikbaarheidsgrenstoestanden van de tunnel (vervormingen, lekkage) zodanige consequenties kunnen hebben voor de omgeving, dat daar uiterste grenstoestanden ontstaan. In NEN 6740 wordt deze situatie ook onderkend door voor de uiterste grenstoestand van een geotechnische constructie twee grenstoestanden te onderscheiden: Grenstoestand 1a voor de stabiliteit van de constructie als geheel; Grenstoestand 1b voor de stabiliteit van (de constructies in) de omgeving. De lining van een tunnel kan worden gezien als een relatief stijve grondkerende constructie (in tegenstelling tot een damwand). De bepaling van de spanningen en vervorming in de lining is relatief ongevoelig voor plasticiteit van de grond (cohesie en hoek van inwendige wrijving). De elastische parameters van de grond (elasticiteitsmodulus en dwarscontractiecoëfficiënt) daarentegen hebben een substantiële invloed op de krachten in de constructie. Daarom is het belangrijk partiële factoren te hanteren voor de elastische parameters, of de invloed van deze parameters te betrekken in de overall veiligheidsfactoren. In de bestudeerde publicaties over veiligheidsfilosofieën voor tunnelprojecten wordt de bijdrage van de grond aan de veiligheidsfactoren niet gekwantificeerd. 3.4

Schematische weergave van bezwijken van een tunnel door ovaliseren

Op basis van de informatie die is verzameld in deze literatuurstudie is een beeld verkregen van het bezwijken van een tunnel door ovaliseren. Dit beeld is schematisch weergegeven in Figuur 2. Aan de linkerzijde staan enkele oorzaken van (toenemende) ovalisering verdeeld naar belastingen, eigenschappen van de lining en eigenschappen van de grond. Deze oorzaken gecombineerd met de eigenschappen van de langsvoegen en de mate van samenwerking tussen de ringen kunnen leiden tot wezenlijke veranderingen (gevolgscenario’s) in het gedrag van het systeem van gesegmenteerde ringen die weer kunnen leiden tot uiterste grenstoestanden. Bij de uiterste grenstoestanden zijn enkele mechanismen benoemd. Hierna zal worden toegelicht hoe de bezwijkproeven die voor het project “Bezwijkveiligheid Boortunnels” zijn uitgevoerd in verband kunnen worden gebracht met het schema uit Figuur 2. Daarvoor wordt eerst een korte beschrijving van de proeven en de resultaten gegeven. In 2005 zijn in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU-Delft twee bezwijkproeven uitgevoerd op drie gesegmenteerde tunnelringen. In de proeven zijn de drie ringen belast met een combinatie van een uniforme radiale en een ovaliserende radiale belasting, waarbij de amplitude van de ovaliserende belasting geleidelijk is opgevoerd. De drie ringen zijn ook in axiale zin belast. De onderzoeksparameter in deze proevenserie is de rol van de samenwerking tussen de ringen bij bezwijken. De samenwerking tussen ringen komt tot stand via de contactvlakken tussen de ringen. Via deze contactvlakken worden normaliter de axiale vijzelkrachten van de TBM doorgegeven. Deze samenwerking berust op wrijving in de contactvlakken (dankzij de axiale krachten).

17(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Oorzaken van (toenemende) ovalisering Langsvoeg • Geometrie Ovaliserende belasting • Grondspanningen • Groutbelasting • Ophoging/ontgraving • Negatieve kleef

Sterkte en stijfheid segment • Afmetingen • Materiaaleigenschappen • Aantasting (corrosie, brand) • Scheurvorming

Gevolgscenario’s • Grote rotaties in langsvoeg • Scheurvorming in segmenten • Verschuivingen tussen ringen • Verschuiving in langsvoeg • Splijten door ringdruk • Aanspreken kom-nok verbinding • Grond (of grout) werkt mee in dragen van belasting • Lekkage • Grond of grout werkt niet mee

Ovaliseren van boortunnel

Sterkte, stijfheid en deformaties van grond en grout • Boorproces • Grondlagen • Verweking (trillingen) • Kruip / veroudering • Aanleg 2e tunnelbuis

Mechanismen (ULS) • Plastisch scharnier • Lokaal bezwijken op dwarskracht of afschuiven • Progressive collaps kom-nok verbindingen • Plastisch bezwijken op ringdruk • Plastische scharnieren en doorslag • Ondersteuning valt weg door ontgronding • Uitknikken segment / lining op ringdruk • Schade en/of bezwijken in omgeving

Samenwerking tussen ringen • Axiale kracht • Kom-nok verbinding • Wrijving in contactvlakken • Vulplaatjes

Figuur 2 Schematische weergave van oorzaken en invloedsfactoren die kunnen leiden tot ovaliseren van de tunnellining en tot bezwijkmechanismen in de uiterste grenstoestand.

Er zijn twee bezwijkproeven uitgevoerd bij twee verschillende axiale belastingniveaus. Deze niveaus waren zodanig dat de mate van samenwerking tussen de ringen wezenlijk verschilde. Uit de proefresultaten is gebleken dat bij de lage axiale belasting, het vervormingsgedrag van de ringen eerder (bij een lagere ovaliserende belasting) een niet-lineair gedrag vertoont en de bezwijklast (ovalisering neemt toe zonder noemenswaardige belastingtoename) lager is dan bij hoge axiale belasting, zie Figuur 3.

ovalisatiebelasting (kN/vijzel)

40 35 30 25 20 15

proef C01 proef C02

10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

ovalisatie tov straal (mm)

Figuur 3 Resultaten van bezwijkproeven met de tunnelproefopstelling in het Stevin laboratorium [2]. In proef C01 was de axiale belasting het hoogst. De uniforme radiale belasting bedroeg 225 kN/vijzel.

18(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels In deze proeven speelt de grond (of het grout) geen rol; wat betreft de oorzaken uit Figuur 2 (links) zijn alleen de ovaliserende belasting en de sterkte en stijfheid van de segmenten van belang. De samenwerking tussen de ringen (midden-onder) wordt gestuurd middels de axiale kracht. Voor deze situatie zijn de volgende scenario’s relevant: Scheurvorming in de segmenten (met name bij hoge axiale kracht); Grote rotaties in de langsvoegen (met name bij lage axiale kracht); Verschuivingen tussen ringen (met name bij lage axiale kracht); Verschuiving in langsvoeg; De grond werkt niet mee in het dragen van de radiale belasting. In de proefopstelling wordt actief gestuurd op de belasting; er is geen sprake van een belastende en ondersteunende werking van de grond. Dat betekent dat in het bezwijkmechanisme van de tunnelringen een eventuele gunstige bijdrage zoals die door de grond kan worden geleverd, niet zal optreden. De ovaliserende radiale belasting zal zich daarom met name manifesteren in toenemende buigende tangentiële momenten en bijbehorende dwarskrachten. Omdat de uniforme radiale belasting niet wijzigt, zal de gemiddelde ringnormaalkracht in de ringen gelijk blijven. In omtreksrichting zal variatie in de normaalkracht wel toenemen. Van de bezwijkmechanismen uit het schema in Figuur 2, zijn de volgende mechanismen relevant voor deze proeven: Lokaal bezwijken op dwarskracht (segment) of afschuiven in langsvoeg of ringvoeg (contactvlak of kom-nok); Plastische scharnieren en doorslag; Progressive collaps kom-nok verbindingen. De evaluatie van de resultaten van de bezwijkproeven en de bezwijkmechanismen is onder handen (zie [2]) en zal later in het project middels modelonderzoek nog een vervolg krijgen.

19(58)


4 De rol van grond, grout en boorproces 4.1

Traditioneel: de lining belast en gesteund door de grond

De rol van de grond in het ondersteunen van de ring (bruto-netto belasting) is afhankelijk van de stijfheidsverhouding tussen grond en lining. Naarmate de grond stijver is trekt de grond meer (ovaliserende) belasting naar zich toe en worden de buigende momenten gereduceerd. Schulze en Duddeck [48] hebben deze interactie tussen lining en grond uitgewerkt voor een verend ondersteunde ring (embedded beam model) en vertaald in ontwerpgrafieken voor normaalkracht en buigend moment als functie van de stijfheidsverhouding tussen grond en lining (Figuur 4, uit [47]). De belastingen in dit model worden afgeleid van de initiële grondspanningen.

Figuur 4 Invloed van de interactie tussen grond en lining op de normaalkracht en het buigend moment [47].

Bakker [13] stelt dat voor de Nederlandse situatie, de reductie van de buigende momenten beperkt blijft tot ca 10-30% van de berekende momenten in een ring zonder bedding. De buigende momenten in de ring worden echter ook bepaald door de spanningsveranderingen in de grond door het boorproces (steundruk aan het boorfront en het grout injectieproces). Dit effect wordt in het model van Schulze Duddeck niet beschouwd (zie verder par. 4.2). De bezwijkmechanismen met meer plastische scharnieren zoals beschreven in bijlage C par. 9.4 en 9.5 door resp. Bakker en Blom gaan uit van een horizontale ovalisering van de lining. In de flanken wordt vertrouwd op de weerstand van de grond. In de kruin en wellicht ook in de zool is er alleen nog sprake van grondbelastingen en niet meer van een ondersteunende rol van de grond. In de zone boven de tunnel is er sprake van grote deformaties in de grond en maaiveldzettingen met gevolgen voor naburige constructies. De gunstige bijdrage van de grond bij het bezwijken door ovalisering kan goed worden geïllustreerd aan de hand van twee figuren uit het proefschrift van Blom (zie Figuur 5 en Figuur 6). In deze figuren worden de resultaten gepresenteerd van de ovalisering van een (gesegmenteerde) ring onder een combinatie van een constante uniforme radiale belasting en een toenemende ovaliserende2 belasting. De amplitude van de ovaliserende belasting is uitgedrukt als een percentage van de uniforme radiale belasting. De grafieken tonen de relatie tussen de verplaatsing in de zool of de kruin en de ovaliserende belasting voor een enkele gesegmenteerde ring zonder bedding (Figuur 5) en dezelfde ring met een bedding (Figuur 6). Voor de ring zonder bedding is in de grafiek ook de invloed van de

2

Een ovaliserende radiale belasting van het type cos(2ϕ), waarin ϕ de omtrekshoek is.

20(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels wijze van modellering van langsvoegen verwerkt. Bij vergelijking3 van de onderste grafiek uit Figuur 5 met Figuur 6 blijkt dat zonder een ondersteuning van de grond, de gesegmenteerde ring bij een ovaliserende belasting met een amplitude van ca. 6% van de uniforme belasting al een sterk plastisch vervormingsgedrag vertoont, terwijl de gesteunde ring bij een amplitude van ca. 40% weliswaar sterk vervormt, maar van een plastisch gedrag nog lang geen sprake is (zie ook bijlage C par. 9.5). De ovaliserende belasting waarbij het eerste plastische scharnier in de gesteunde ring ontstaat, is dus ca. 7 keer (40% versus 6% van Sig0) groter dan voor de ongesteunde ring.

Figuur 5 Relatie tussen de ovaliserende belasting (verticale as) en de verticale verplaatsing (horizontale as) van de zool (u_bottom) van de ring, voor een enkele gesegmenteerde ring zonder ondersteuning van de grond. [11]. In de figuur is Sig0 de uniforme radiale belasting.

Figuur 6 Relatie tussen de ovaliserende belasting en de verticale verplaatsing (u_top) van de kruin van de ring, voor een enkele gesegmenteerde ring met ondersteuning van de grond [11]. In de figuur is Sig0 de uniforme radiale belasting.

De resultaten van de bezwijkproeven die zijn uitgevoerd in het Stevin-laboratorium passen goed in bovenstaande beschouwing. Uit de grafiek getoond in par. 3.4 bedroeg de amplitude van de ovaliserende bezwijkbelasting in de twee proeven circa 24 en 36 kN/vijzel bij een uniforme radiale 3

De resultaten in Figuur 6 zijn afkomstig van een model met niet-lineair voeggedrag en met fysisch en geometrisch niet-lineair gedrag van de ring. Deze resultaten zijn vergeleken met onderste grafiek uit Figuur 5.

21(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels belasting van 225 kN/vijzel (sig0). Dat betekent: een relatieve ovaliserende bezwijkbelasting van circa 11% en 16% voor tunnelringen zonder een ondersteuning van grond maar met een (beperkte) onderlinge samenwerking. Voor een verticale ovalisering door een grondbelasting zijn geen bezwijkmechanismen gevonden. Bakker meldt hierover alleen dat deze ovalisering kan optreden bij een zeer ondiepe ligging van de tunnel [13]. Aan de kruin, waar de lining bij een toenemende verticale ovalisering omhoog beweegt zal de weerstand (ondersteunende werking) van de grond beperkt zijn en zullen de buigende momenten snel toenemen. Verwacht wordt daarom dat een bezwijkmechanisme met meerdere plastische scharnieren bij verticale ovalisering bij een geringere ovaliserende belasting zal plaatsvinden dan bij een horizontale ovalisering. De toenemende ovalisering bij bezwijken veroorzaakt spanningsveranderingen en deformaties in de grond naast en boven de tunnel. Door plastisch gedrag van de grond zou de samenhang van de grond verloren kunnen gaan en is het wellicht mogelijk dat ander bezwijkmechanismen van de tunnel worden geactiveerd die afhankelijk zijn van de samenhang, stijfheid of sterkte van de grond. Gedacht wordt hierbij aan opbreken of de gevolgen van een toename van de liggerwerking. Door liggerwerking kan lokaal de samenwerking tussen ringen worden gereduceerd en kunnen zowel door het liggermoment als de toename van de dwarskracht verschuivingen tussen de ringen optreden. Bij bezwijken door ovalisering worden grote voegopenstanden en verschuivingen tussen segmenten en ringen verwacht. Daarbij kan de waterdichtheid van de voegen lokaal afnemen en kan water de tunnel in gaan stromen. In eerste instantie is er dan sprake van een bruikbaarheidsgrenstoestand van de tunnel. Wanneer ook gronddeeltjes met het water gaan meestromen, of de waterdruk in de grond verandert ontstaat er gevaar voor verlies van ondersteuning van de tunnel en is er sprake van een uiterste grenstoestand. De groutschil kan hierbij als intermediair (als filter of als drukvereffenaar) een positieve rol spelen. De groutschil moet dan wel voldoende vervormingscapaciteit hebben, immers het gaat om verplaatsingen van decimeters. Dat de ondergrond ook een negatieve invloed kan hebben op de krachtswerking in de lining blijkt uit de lokale maatregelen die zijn genomen in de tunnelprojecten Botlekspoortunnel en Randstadrail (zie par. 2.3). Door de slechte grondgesteldheid is gekozen voor grondverbeteringen en de toepassingen van een stalen lining. Voor een toelichting op de keuze voor de maatregelen bij de boortunnel randstadrail wordt verwezen naar bijlage C par. 9.7.1. Er zijn in de literatuur geen voorbeelden gevonden van de toepassing van de hierboven beschreven globale bezwijkmechanismen in tunnelprojecten. Typische mechanismen waarop de lining in tunnelprojecten wordt ontworpen zijn de mechanismen op detailniveau zoals beschreven in par. 3.1 (bijvoorbeeld: het eerste plastische scharnier of het bezwijken van een kom-nok verbinding). Deze mechanismen op detailniveau zijn geen aanleiding voor het instorten van de tunnel maar eerder aanleiding tot ernstige scheurvorming en/of lekkage van de tunnel. De gevolgen van deze mechanismen mogen misschien wel worden gezien als een overschrijding van een bruikbaarheidsgrenstoestand. Daarbij geldt wel dat de gevolgen van het lokale bezwijken beperkt blijven. Met andere woorden, mits er voldoende herverdeling van belastingen kan plaats vinden naar segmenten en ringen in de nabijheid van de bezwijklocatie.

22(58)


Verandering van spanningstoestand in de grond door het boorproces

De relevantie van de bouwfase van een boortunnel voor de krachtsverdeling is al in het COB-K100 onderzoek onderkend en heeft in verschillende onderzoeksprojecten een centrale rol gekregen. Hier volgen een aantal van deze Nederlandse projecten: COB-F300 Praktijkonderzoek Botlekspoortunnel (met name F340 Montagespanningen) [40]; Het promotieonderzoek van Blom (de definitie van de “uplift load case” [11] en de daaruit voortvloeiende de ontwikkeling van het model SPARTA Grout [36] en het Plaxis-model van Nakken [17]); Delft Cluster onderzoek DC-Grout [bijv. 37]; COB F510 Praktijkonderzoek Groene Hart Tunnel (F512-Liggerwerking); COB-F200 Praktijkonderzoek Sophiaspoortunnel (met name F220 met het 4D-grout model, zie [5]); En internationaal: Het model van Kasper en Meschke van de universiteit van Bochum [35]; Het “confinement efficiency concept” van aannemer Bouygues [34], als uitbreiding op de Convergence-Confinement methode [27-#4]. Vonden de onderzoeken aanvankelijk nog binnen een discipline plaats, de recente projecten laten zien dat de modellen interdisciplinair zijn geworden (geotechniek, boortechnologie, groutinjectie en tunnelconstructie) en geven aan wat de effecten zijn van het boorproces op zowel de omgeving als op de tunnelconstructie. In verschillende onderzoeken is gebleken dat de groutdrukverdeling achter de TBM tot ovalisering (horizontaal en verticaal) van de ring kan leiden. In het verleden is in modellen veelal uitgegaan van een groutdrukverdeling over de hoogte met een constante gradiënt (hydrostatische belasting). Bij zo’n drukverdeling worden in een ring met een verende ondersteuning geen ovalisering verwacht. Uit metingen en berekeningen blijkt dat de groutdrukverdeling over de omtrek sterk kan fluctueren en (eventueel lokaal) zeker geen constante gradiënt hoeft te vertonen. Groutdrukken kunnen dus een ovaliserende belastingsituatie veroorzaken die grotere buigende momenten in de lining kan veroorzaken dan de traditionele grondbelastingen. Het verschil kan nog eens vergroot worden wanneer aan het grout geen ondersteunende rol mag worden toegekend en de groutdrukverdeling als netto belasting op de lining werkt. Behalve de ringwerking is ook de liggerwerking relevant. De individuele tunnelringen direct achter de TBM hebben meestal de neiging om op te drijven in de vloeibare grout. Omdat het grout slechts een beperkte weerstand kan bieden tegen een verticale beweging, wordt tevens de weerstand van de verder weg gelegen tunnelringen en de TBM geactiveerd. Op deze manier wordt de liggerwerking van de tunnel geactiveerd. Ook hier speelt dat de belastende en ondersteunende rol van het grout een significante invloed heeft op de krachtwerking. Het boorproces, onder te verdelen in de boorfrontondersteuning, de coniciteit van het schild en de groutinjectie, zorgt ervoor dat de initiële spanningen in de grond worden verstoord. Vervolgens bepaalt de groutinjectiestrategie (druk, volume, verdeling injectiepunten en groutsamenstelling) welke interactie (belasting en ondersteuning) tussen lining en grond gaat plaatsvinden. Dit geldt voor zowel de ringwerking als de liggerwerking. Deze belastingsituaties zijn veel complexer en in veel gevallen maatgevender dan de grondbelastingen op de tunnel zoals door Schulze-Duddeck zijn gedefinieerd uitgaande van de initiële grondspanningen. Uit de technische bepalingen voor de Hubertustunnel [49] valt op te maken dat er in dit project voor de belastingsituatie in de bouwfase al een veiligheidsfilosofie wordt gehanteerd.

23(58)


Een bijzonder aspect van het boorproces is de onderlinge beïnvloeding van tunnelbuizen bij geringe tussenafstanden (met name afstanden kleiner dan een tunneldiameter). In bijlage C par. 9.7.2. komen enkele publicaties over dit thema aan de orde. Deze publicaties gaan uit van de effecten op de lining bij een gecontroleerd boorproces. Het thema (bezwijk)veiligheid wordt expliciet genoemd. Het gaat hierbij om het aanspreken van de reservecapaciteit van een doorsnede van de ring. Er wordt geen beroep gedaan op de reservecapaciteit die er is voorbij het punt waarbij het eerste plastische scharnier is ontstaan. De gevolgen van een boorfront-instabiliteit bij kleine tussenafstanden komen niet aan de orde, maar kunnen zeer relevant zijn voor de bezwijkveiligheid van de bestaande tunnelbuis.

24(58)


5 Conclusie en aanbevelingen In de opdracht voor de literatuurstudie zijn twee doelstellingen geformuleerd. De resultaten van de literatuurstudie zijn in de hoofdstukken 3en 4 op deze doelstellingen toegespitst. Onderstaande conclusies zijn ook opgesteld vanuit de doelstellingen. Hieronder volgen nogmaals de doelstellingen: Doelstelling 1 Het doen van een uitspraak over de bezwijkveiligheid van geboorde tunnels. Wat wordt hiermee bedoeld, en wanneer is een lining bezweken? Verder dient in het literatuuronderzoek aandacht te worden besteed aan het belang van bezwijken door ovalisatie ten opzichte van andere bezwijkmechanismen Doelstelling 2 Het doen van een uitspraak over de relatie tussen grondbelasting en de belasting die voor de lining van belang is. Dit is met name van belang om een uitspraak te kunnen doen over de definitie van de uiterste grenstoestand (ULS) met betrekking tot ovalisatie en de aan te houden ontwerpbelasting voor deze grenstoestand. 5.1

Conclusies

Bezwijkveiligheid in de ontwerppraktijk In de ontwerppraktijk voor tunnels wordt de tunnelconstructie beoordeeld op uiterste grenstoestanden veroorzaakt door lokale bezwijkmechanismen (detailniveau). De tunnel wordt geacht te zijn bezweken bij het optreden van bezwijkmechanismen in of tussen segmenten zoals het ontstaan van het eerste plastische scharnier, het bezwijken op dwarskracht, verschuivingen in voegen of het bezwijken van een kom-nok verbinding. Er wordt geen gebruik gemaakt van de beschikbare herverdelingscapaciteit (bijv. door de samenwerking tussen de ringen dankzij de axiale voorspanning). Door de veiligheid als geheel (grond- en constructie) te beoordelen en door gebruik te maken van partiele factoren voor de sterkte, de belasting en de gebruikte modellen, kan de integrale systeemveiligheid worden bepaald. Binnen L500 [28] is hiertoe een semi-probabilistische methode ontwikkeld, gebaseerd op de veiligheidsfilosofie volgens NEN 6700, waarbij de verschillende onderdelen expliciet worden benoemd en gemodelleerd. Het voordeel van deze methode is de compleetheid en algemene toepasbaarheid ervan. Een nadeel lijkt de bruikbaarheid te zijn (ogenschijnlijk moeilijk toepasbaar voor de ingenieurspraktijk). Een aanscherping van de toetsingsrichtlijn in de vorm van een (Nederlandse) ontwerpnorm kan dit mogelijk verbeteren. Bezwijken bij horizontaal ovaliseren Uit onderzoek blijkt dat bij een horizontaal ovaliserende lining de ovaliserende belasting na het ontstaan van het eerste plastische scharnier nog aanzienlijk kan worden opgevoerd. Onder een toenemende ovaliserende belasting zal de ring in theorie uiteindelijk bezwijken op een drukspanning veroorzaakt door de ringnormaalkrachten en niet op buiging. Wordt ook de stabiliteit beschouwd, dan bezwijkt de tunnel bij meer plastische scharnieren door een doorslagmechanisme of door uitknikken bij een grote ringdrukkracht. In een homogene ring (de gesegmenteerde ringen werken goed samen), vindt een doorslag van de gehele tunnel plaats [13]. In een enkele gesegmenteerde ring (de ringen werken niet goed samen) vindt de doorslag lokaal plaats [11]. In deze mechanismen wordt wel uitgegaan van een horizontale ovalisering en wordt vertrouwd op een ondersteunende rol van de grond.

25(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels In [11] heeft Blom de bezwijkbelasting van een enkele gesegmenteerde ring zonder en met een ondersteuning door grond gekwantificeerd. Daaruit blijkt dat bij een horizontale ovalisering dankzij de ondersteuning van de grond de belasting waarbij het eerste plastische scharnier ontstaat, ca. 7 keer zo groot is als voor een ongesteunde ring en dat deze belasting nog eens met een factor 3 kan groeien tot een doorslag optreedt (zie par. 4.1). Bijdrage van de grond bij bezwijken bij ovaliseren In een bezwijkmechanismen bij een horizontale ovalisering, kan de grond een zeer gunstige bijdrage leveren aan de bezwijkbelasting. Bij een goede ondersteunende werking van de grond in de flanken van de tunnel wordt door de grond een zodanige re-actie gegenereerd dat er een geringe (of zelfs geen) netto ovaliserende belasting op de lining resteert. Deze re-actie wordt in sterke mate bepaald door de afnemende stijfheid van de ring (scheurvorming of niet lineaire langsvoegrotaties). Ondanks de gunstige werkende re-actie van de grond gaat de ovalisering van de tunnel gepaard met grote vervormingen en verplaatsingen. Daardoor is het mogelijk dat andere bezwijkmechanismen worden geactiveerd nog voordat het beschreven bezwijkmechanisme bij horizontaal ovaliseren daadwerkelijk zal optreden. De ovalisering kan bijvoorbeeld aanleiding zijn voor ernstige lekkage en een daaruit voortvloeiende uitspoeling van de bedding van de tunnel. Bezwijkveiligheid in de bouwfase De bezwijkveiligheid van de lining in de bouwfase (ontspanning grond, groutinjectie) is nog maar beperkt bestudeerd. De relevante publicaties gaan in op de invloed van groutdruk op de buigende momenten en de marge tot bezwijkmoment van een segmentdoorsnede. Er moet rekening worden gehouden met zowel horizontale als verticale ovalisering. Bijdrage van grout bij bezwijken Tijdens het boorproces is er achter de TBM een zone waar de tunnelringen worden belast door het geïnjecteerde grout. Uit verschillende (COB-)onderzoeksprojecten is gebleken dat de tunnel door de groutbelasting kan ovaliseren (horizontaal of verticaal). Zolang het grout nog niet is verhard of geconsolideerd kan er (bij het bezwijken van de lining) niet worden vertrouwd op de ondersteuning van de lining door de achterliggende grond. Totaalbeeld bezwijkveiligheid boortunnels Uit de gevonden publicaties is nog geen volledig beeld ontstaan over de bezwijkmechanismen of de bezwijkveiligheid van geboorde gesegmenteerde tunnels. Dat heeft de volgende oorzaken: -De literatuurstudie is beperkt tot bezwijken van boortunnels ten gevolge van “normale” belastinggevallen; er is niet ingegaan op bezwijken door calamiteiten in de tunnel; -Er zijn geen publicaties gevonden over globale bezwijkmechanismen bij een verticale ovalisering van de tunnel in grond. 5.2

Aanbevelingen

Modelonderzoek TC151 In de bezwijkproeven die zijn uitgevoerd in het kader van dit COB-project is er sprake van een netto ovaliserende belasting op de ringen. Immers er wordt alleen actief op belasting gestuurd en er is in de proef-opstelling geen component aanwezig die de re-actie van de omringende grond simuleert. In het project zal middels modelonderzoek het bezwijkgedrag van de tunnelringen uit de proefopstelling worden geanalyseerd. Wanneer betrouwbare simulatie van het niet-lineaire vervormingsgedrag uit de proeven is verkregen, wordt aanbevolen ook het gedrag van de grond in dit

26(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels model te introduceren en na te gaan hoe de samenwerking tussen de ringen het bezwijken van de tunnel in grond beïnvloedt. Door gebruik te maken van nieuwe beschikbare (probabilistische) methoden kan beter invulling worden gegeven aan nieuwe, beter gevalideerde, modelfactoren zoals die binnen L500 zijn geïntroduceerd en kunnen de waarden van de diverse parameters in de gebruikte modellen, beter worden ingeschat. Randvoorwaarden voor bezwijken bij ovaliseren Het wordt aanbevolen te onderzoeken wat de randvoorwaarden zijn om bezwijken middels horizontale ovalisering te realiseren, ofwel te onderzoeken welke bezwijkmechanismen van de tunnel worden geactiveerd door de gevolgen van extreme ovalisering en verschuivingen tussen segmenten (zoals uitspoeling door ernstige lekkage).

Ontwerpfilosofie bouwfase Er is en wordt in verschillende (COB-)praktijkonderzoeken gewerkt aan metingen en modelvorming rond het boorproces en de gevolgen voor de lining en de omgeving. Het wordt aanbevolen om, naast het valideren van deze modellen met praktijkmetingen, de belastinggevallen tijdens de bouwfase die worden gemeten en/of voorspeld met deze modellen, te vergelijken met de belastinggevallen door de grond die traditioneel worden gebruikt voor het ontwerp van de lining. Daarnaast is het van belang te definiëren op welke wijze deze belastingen in een ontwerpfilosofie voor de lining moeten worden opgenomen (veiligheidsfactoren, ondersteunende rol van grout) Tangentiële belastingen Uitgaande van de initiële spanningssituatie in de grond kunnen de horizontale en verticale grondbelastingen voor een tunnellining worden getransformeerd in een radiale en een tangentiële belasting. In deze literatuurstudie is geen informatie gevonden over de bijdrage van tangentiele belastingen aan bezwijkmechanismen. Het wordt aanbevolen te onderzoeken of, en zo ja wanneer, rekening moet worden gehouden met tangentiele grondbelastingen en zo ja hoe deze belastingen moeten worden bepaald.

27(58)


6 Literatuur 6.1 1. 2.

3. 4. 5. 6. 7.

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

15.

16.

17.

18. 19.

Publicaties verwerkt in deze literatuurstudie Wassmer, L. e.a; Tunnel Boring Machine (TBM) applications in soft ground conditions; IMIA Meeting 2001, Sydney Vervuurt, A.H.J.M.; den Uijl, J.A.; Bezwijkveiligheid boortunnels; Meetrapport en evaluatie proevenserie C; (deelrapport COB commissie TC151) TNO-rapport 2005-CI-R0232 werkversie 3 dd 12 april 2006. Mashimo, H. e.a; Experimental investigation on load carrying capacity of concrete tunnel lining (internet) Lum, H. e.a.; Behaviour of single gasket system for a precast concrete segmental liner subject to high external hydrostatic pressure. In proc. North American Tunneling; Swets & Zeitlinger; 2002 Van Empel, N., Haring, F. Visschedijk, M. 4D Groutdrukmodel DIANA, Eindrapport; werkrapport 05-09; COB Commissie F220; 2006 Smetsers, W. Betrouwbaarheid van Boortunnels; Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft, Faculteit CITG; 2004 De Boer, A.; Waarts, P.H.; Comparison of various structural safety tunnel calculations in soft soil; in proc. of Geotechnical aspects of Underground Constructions in Soft Ground; pp. 93-98; Taylor & Francis Group London; 2006. Zanten, D.C.; e.a. Constructief ontwerp en dimensionering tunnellining; Cement nr 1; 2005 Jansen, J.A.G.; Tunnel Pannerdensch Kanaal; betrouwbaarheidsanalyse coupurekeringen; Eindrapportage NS Railinfrabeheer, Managementgroep Betuweroute; 1999. Grontmij – De Weger VoF; Betuweroute, Kunstwerk Sophia, Faalkansanalyse Hoofdwaterkeringen; 1998 Blom, C.B.M.; Design Philosophy of Concrete Linings for Tunnels in Soft Soils; Proefschrift, Technische Universiteit Delft. 2002 Silman, N; Validation of risk control strategy; Lining Thickness of the Green Heart Tunnel; Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft, Faculteit CITG; 2004. Bakker, K.J.; Soil retaining structures; development of models for structural analysis; Proefschrift, Technische Universiteit Delft. 2000 Haring, F.; Spanningen in de bouwfase en de gebruiksfase van boortunnels; 3 delen: Voorstudie, Eindverslag, Bijlagen. Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft, Faculteit CITG; [ook opgenomen in 30]; 2002. Lokhorst, S.J., Schillings, J.J.M, Span, L.; Lining thickness of the Green Heart Tunnel; a parameter study with BorTAS;; GP-SJL-020045213-versie 1.0, Holland Railconsult, [ook opgenomen in 30], 2002 Lokhorst S.J., Schillings, J.J.M., Span, L. Performance of the GHT lining in the first instrumented plot; BorTAS Calculations; GP-SJL-020068270-versie 1.0, Holland Railconsult, [ook opgenomen in 30], 2002 Nakken, D.; Veiligheid van de Lining van boortunnels bij extreme groutdrukken; plastische zones in de grond rondom boortunnels ten gevolge van groutdrukken; Afstudeerverslag Technische Universiteit Delft, Faculteit CITG, [ook opgenomen in 30]; 2003. Lokhorst S.J., Slenders, B.M.A.; Weakening of soil and structural safety of the Green Heart Tunnel; Risk Evaluation; Projectorganisatie HSL-Zuid, [ook opgenomen in 30]; 2004 Schwartz, S. e.a; Structural design and testing of a bolted and gasketed pre-cast concrete segmental lining for high external hydrostatic pressure. In proc. North American Tunneling; Swets & Zeitlinger; 2002

28(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 20. Curtis, D.J.; Bennick, K.; Lining design for the Great Belt Eastern Railway Tunnel. Bron en jaartal onbekend. 21. Van der Put, J.L.; Samenvatting berekeningen boortunnel 2e Heinenoord; Rijkswaterstaat, document 1933-T-962150; 1996. 22. Van der Put, J.L., Langhout, M.S.; Pruijssers, A.F. Ontwerp lining geboorde tunnels. Cement nr 10, 1996 23. Gemeentewerken – gemeente Rotterdam; Ontwerpeisen lining, dwarsverbindingen, boorfronstabiliteit; Behorend bij bestek 1-064-032003 Randstadrail; 2003 24. Kooiman, A.G.; Djorai, M.H.; Put, J.L. van der Put; Staalvezelbeton in de Tweede Heinenoordtunnel! Cement nr.10, 1998. 25. Kooiman, A.G.; Staalvezelbeton in de Tweede Heinenoord Tunnel, het definitieve ontwerp. Rapport 25.5-97-12. Technische Universiteit Delft; Faculteit Civiele Techniek; Sectie Betonconstructies; 1997. 26. Richtlijnen van ITA-AITES, International Tunneling Association: 1) Guidelines for the Design of Tunnels; 1988 (ITA Working group on general approaches tot the design of tunnels); gepubliceerd in Tunnels and Underground Structures 2) Report on damaging effects of water on tunnels during their working life-1991 (ITA Working group om maintenance and repair of underground structures) 27. Richtlijnen van AFTES, Association Française des Tunnels et de l’Espace Souterrain: #1) Working group no. 7 temporary supports and permanent lining; 1976 #2) Recommendations for The design, sizing and construction of precast concrete segments installed at the rear of a tunnelboring machine (TBM)- 1999 #3) recommendations on The choice of geotechnical parameters and test useful to the design, dimensioning and construction of underground structures- 1999 #4) Recommendations on the Convergence – Confinement method 28. CUR-COB; L500 Toetsingrichtlijn voor het ontwerp van boortunnels voor weg- en railinfrastructuur; Eindrapport; 2000. 29. US Department of Transportation (Urban Mass Transportation Administration (UMTA))1983; Design recommendations for concrete tunnel lining (Volum e II; summary of research and proposed recommendations). 30. Onderzoeksbibliotheek Groene Hart Tunnel van Bouwdienst Rijkswaterstaat; Vertaling Japanse norm #3.34, bron etc. onbekend 31. Koyama, Y. e.a.; Design standard for railway shield tunnels in Japan; in proc. ITA congres (Re)Claiming the Underground Space, pp 1089-1095; Swets & Zeitlinger; 2003 32. Stive, R.J.H.; Design features of the Sophia Rail Tunnel in the Betuweroute; Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.14, No.2, pp. 141-150; 1999. 33. Heijmans, R.W.M.G, Jansen, J.A.G.; Design features of the Pannerdensch Kanaal Tunnel in the Betuweroute; Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.14, No.2, pp. 151-160; 1999. 34. Aristaghes, P., Autori, P. Confinement efficiency concept in soft ground bored tunnels; in in proc. ITA congres (Re)Claiming the Underground Space, pp 909-913; Swets & Zeitlinger; 2003. 35. Kasper, T., Meschke, G. Parametric studies for shield tunnelling in soft soils, in proc. of Geotechnical aspects of Underground Constructions in Soft Ground; pp. 543-549; Taylor & Francis Group London; 2006 36. Lokhorst, S.J. e.a. Influences of physical grout flow around bored tunnels; in proc. of Geotechnical aspects of Underground Constructions in Soft Ground; pp. 253-258; Taylor & Francis Group London; 2006. 37. Bezuijen, A.; Talmon, A.M.; Grout properties and their influence on back fill grouting; in proc. of Geotechnical aspects of Underground Constructions in Soft Ground; pp. 187-194, Amsterdam; Taylor & Francis Group London; 2006.

29(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 38. Pachen, H.M.A., Zanten, D.C., Gerritsen, J. Ontwerpfilosofie en principeoplossingen. Cement nr.1; 2005. 39. Zanten, D.C. e.a.; Invloed van boortunnels op de omgeving; Cement nr.1; 2005 40. Lokhorst, S.J.; Montagespanningen en dwarsverbindingen, Eindrapportage deelprojectcommissie COB-F340; rapport F300-W-046 versie 2.0; 2003. 41. Konda, T.; Ichida, M.; Comprehensive safety inspections of Sanyo Shinkansen Tunnels; in proc. Modern Tunnel Science and Technology, pp. 333-336; Kyoto; 2001 42. Koek, A.J.; Bakker, K.J.; Blom, C.B.M.; Axial pre-stresses in the lining of a bored tunnel; in proc. of Geotechnical aspects of Underground Constructions in Soft Ground; pp.559-564, Amsterdam; Taylor & Francis Group London; 2006 43. Hielkema, J.M.; Kwast, E.A.; Praktijkonderzoek Pannerdensch Kanaal, Literatuurstudie onderlinge tunnelbuisbeïnvloeding; COB F502 Tunnelgedrag; rapport F502-O-02-074; 2002. 44. Wen D., Poh. J., Ng, Y.W.; Design considerations for bored tunnels at close proximity, in Proc. of 30th ITA-AITES World Tunnel Congress,Undergrond space for sustainable urban development, pp. 1008-1015; Singapore; 2004 45. Hefny, A.M., Chua, H.C., Zhao, J.; Parametric studies on the interaction between existing new bored tunnels, in Proc. of 30th ITA-AITES World Tunnel Congress,Undergrond space for sustainable urban development, pp. 1024-1031; Singapore; 2004 46. Doran, S.R. e.a.; The assesment of limits for the movement of subway tunnels and trackwork duet o adjacent construction. In proc. Tunnels and Underground Structures pp 495-500, Singapore; 2000. 47. Erdmann, J., Duddeck, H.; Statik der Tunnel im Lockergestein – vergleich der Berechnungsmodelle; Bauingenieur nr. 58, pp.407-414; 1983. 48. Schulze, H., Duddeck H.; Spannungen in schildvorgetriebenen Tunneln, Beton- und Stahlbetonbau nr. 59 pp. 169-175, 1964. 49. Gemeente Den Haag; technische bepalingen tunnelconstructie en dwarsverbindingen; behorend bij het aanbestedingsdossier voor de Hubertustunnel; 2004 6.2

Niet bestudeerde literatuur

Tijdens de uitvoering van de literatuurstudie zijn enkele publicaties gevonden die verband houden met het onderwerp bezwijkveiligheid, maar die niet zijn bestudeerd en besproken. Deze publicaties zijn in onderstaand overzicht opgenomen. British Tunneling Society (BTS); Lining Design Guide. [www.britishtunneling.org]. Strack, O.E.; Analytic Solutions of Elastic Tunneling Problems; Proefschrift, Technische Universiteit Delft. Delft University Press 2002. CUR-COB L500; Ringwerking modelfactoren L530-21b; TEC 999.25.00A/FK/F991377; 1999.

30(58)


7 Bijlage A, Inventarisatie van richtlijnen 7.1

Algemeen

In deze bijlage worden een aantal richtlijnen voor het ontwerpen van (geboorde) tunnels besproken. Het zijn richtlijnen uit de Verenigde Staten, uit Frankrijk (AFTES), uit Japan en uit Nederland (CURCOB) en van de internationale organisatie ITA-AITES. 7.2

Richtlijnen van het US Department of Transportation [29]

US Department of Transportation; Urban Mass Transportation Administration (UMTA)1983; Design recommendations for concrete tunnel lining (Volume II; summary of research and proposed recommendations). Heel globaal van inhoud. De aanbeveling is voor tunnel linings in het algemeen; dus niet specifiek voor gesegmenteerde linings. Hieronder enkele relevante en/of opmerkelijke teksten: In a majority of cases, the material and dimensions of a tunnel lining are determined by functional and construction considerations. The influence of permanent ground loads on lining is usually of secondary importance. Linings that have been selected on the basis of other criteria may be analyzed for their behavior under certain assumed ground load; they are rarely designed for such loads. The most important loads are construction loads. Unsatisfactorily lining performance is usually related to water leakage, rarely to structural failure. Design for watertightness is more important (and generally more difficult) than design for load capacity. The process of construction greatly disturb pre-existing ground and ground water conditions before the lining is installed. After installation, linings are frequently subjected to large unpredictable loads by grouting or other sealing systems. Only then does the lining start to interact with the (distorted) ground. Theoretical soil-structure analyses that ignore these processes do not model actual lining behavior. The greatest structural danger to a lining is not high pressure or even non-uniform loading, but absence of support. Cases of crushing of tunnel linings are so exceptional as to be newsworthy. Lining failures due to inadequate support are not uncommon. Fortunaltely, they almost always occur during construction and are remedied by restoration of the support, so little harm results. Except for the most unusual cases of very soft, swelling or squeezing ground, all tunnel linings are relatively flexible compared to the stiffness of the surrounding ground. [….] The calculation of bending stresses in tunnel linings is largely a waste of time, because the assumptions on which the calculations are based usually bear no relation to the actual conditions that exist in the tunnel. 7.3

Richtlijnen van ITA-AITES; International Tunneling Association [26]

#1) Guidelines for the Design of Tunnels; 1988 (ITA Working group on general approaches to the design of tunnels); [26] #2) Report on damaging effects of water on tunnels during their working life-1991 (ITA Working group om maintenance and repair of underground structures) Beide richtlijnen zijn voor opgesteld voor tunnels, dus niet specifiek voor (gesegmenteerde) boortunnels. 7.3.1

Ad 1 Guidelines for the Design of Tunnels [26-#1]

Inhoudsopgave:

31(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 1 Scope of guidelines 2 Outline of general approaches 2.2 Elements of the structural design model for tunnels 2.5 Design criteria and evaluating structural safety 3 Site investigations and site probings Tunnels in soil and tunnels in rock 4 On structural design models for tunneling 4.2 Continuum or Discontinuum model 4.3 Bedded-beam Model 4.4 Empirical Approach 4.5 Observational method 4.6 Special design features (ground improvement & unusual ground behaviour) 5 In situ monitoring 6 Guidelines for the structural detailing of the lining 7 Examples of presentation of tunnel design data

Figuur 7 Flow-chart van het ontwerpproces voor een tunnel zoals beschreven in de richtlijnen van ITA-AITES, International Tunneling Association [26].

Met betrekking tot het onderwerp bezwijken en bezwijkveiligheid, worden hieronder uit de paragrafen 2.2 en 2.5 enkele aandachtspunten en richtlijnen kort samengevat: Ad 2.2 Elements of the structural design model for tunnels In deze paragraaf wordt het te volgen ontwerpproces beschreven, in Figuur 7 "Design proces for tunnelling” staat de flow-chart daarvan.

32(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels In stap 5 wordt een veiligheidsconcept m.b.t. bezwijken opgesteld op basis van rekken, spanningen, verplaatsingen en bezwijkmechanismen. In de figuur staat echter een “bypass” aangegeven. Die is bedoeld om aan te geven dat voor veel ondergrondse constructies (mijnbouw, tunnels in rots) geen ontwerpmodellen worden gehanteerd en wordt vertrouwd op ervaring. De risico’s moeten door aannemer en opdrachtgever worden geïnventariseerd. Het gaat dan om “possible structural failures of the tunnel support and lining, functional failures after completion of the work …”. Alle elementen uit het ontwerpproces (flow chart) vormen een “interacting unity”. Dat betekent dat alle elementen tot een zelfde niveau moeten worden uitgewerkt tot: “the same degree of simplicity or refinement”. Ad 2.5 Design criteria and evaluating structural safety De volgende bruikbaarheidsgrenstoestanden of uiterste grenstoestanden worden onderscheiden: verlies van waterdichtheid; grote vervormingen; onvoldoende duurzaamheid voor gestelde levensduur; sterkte van constructiedelen is ontoereikend; de technieken voor ondersteuning falen of veroorzaken schade (bijv. bij opbouw van een gesegmenteerde lining); “exhaustion of the material strength of the system causes structural failure although the corresponding deformations develop a restrained manner over time”; de tunnel stort plotseling in door instabiliteit. In het “structural design model” (par 2.2 ) moeten criteria worden geformuleerd voor deze grenstoestanden om een veilig tunnel ontwerp te maken. De volgende type criteria worden genoemd: vervormingen; spanningen en gebruik van plasticiteit; bezwijken van een doorsnede; bezwijken van grond of rots; “limit analysis failure modes”. Voor de genoemde bezwijkmechanismen kunnen veiligheidsmarges worden gekozen. Echter het kiezen van deze marges is zeer complex en wordt sterk bepaald door de variatie van de relevante eigenschappen van grond en constructie, en bovendien door de “interacting probabilistic characteristics” van de eigenschappen. Voorschriften voor beton- en staalconstructies zijn niet altijd geschikt voor het ontwerpen van tunnels. Berekening moeten altijd worden aangevuld met “overall” veiligheidsbeschouwingen en risicoanalyses gebruikmakend van ‘engineering judgement’. 7.3.2

Ad 2, Report on damaging effects of water on tunnels during their working life

Dit rapport van ITA [26-#2]geeft een beschrijving van schade aan verschillende type tunnels onder invloed van water. Onderscheid wordt gemaakt in drie classificaties van schade: A Externe effecten op de omgeving van tunnels, maar die geen invloed hebben op de tunnel constructie B Constructieve effecten (op de tunnelconstructie) C Functionele effecten (functionaliteit van de tunnel)

33(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Aan deze beschrijving (van enkele pagina’s) is een inventarisatie toegevoegd van internationale tunnels (ca 60) met waterschade en een beschrijving van deze schade. Voor tunnels met een gesegmenteerde lining worden de volgende schadebeelden genoemd: Wapeningscorrosie (i.v.m. lekkage van water waarin eventueel zouten zijn opgelost, zwerfstromen door geëlektrificeerd spoor) Stijging van het grondwaterniveau (schade aan tunnels die oorspronkelijk boven grondwater zijn aangelegd en niet op waterdichtheid zijn ontworpen Zettingen en ovalisering van tunnel door afname van ondersteuning van tunnel door omliggende grond veroorzaakt door het meestromen van fijne gronddeeltjes via lekwater. Explosie in tunnelgebouw door instromen van grondwater waarin methaan was opgelost. 7.4

Richtlijnen van AFTES; Association Française des Tunnels et de l’Espace Souterrain

De richtlijnen van de Franse organisatie AFTES [27] zijn ook in het engels beschikbaar (www.aftes.asso.fr). Voor deze literatuurstudie zijn er vier geselecteerd: #1) Working group no. 7 temporary supports and permanent lining 1976; #2) Recommendations for the design, sizing and construction of precast concrete segments installed at the rear of a tunnelboring machine (TBM)- 1999; #3) recommendations on The choice of geotechnical parameters and test useful to the design, dimensioning and construction of underground structures- 1999; #4) Recommendations on the Convergence – Confinement method. De meest relevante informatie omtrent “bezwijkveiligheid” is te vinden in #2 met als insteek het detailleren van segmenten. De richtlijn #1, uit 1976 is globaler van aard, en vergelijkbaar met de ITA richtlijn uit de vorige paragraaf. In hoofdstuk 4 van #2 bevatten de volgende paragrafen met richtlijnen voor ontwerp en detaillering: 4.2 Design assumptions 4.2.2 Material properties Voor beton en wapeningstaal; niet voor grond 4.2.3 Nature of actions and loadings 4.2.4 Combined actions Toepassing van belastingcombinaties met gebruik van partiële belastingfactoren voor ULS gebaseerd op verschillende voorschriften: a) Basis-belastingcombinaties volgens BAEL91 en Eurocode 2 b) Basis-belastingcombinaties volgens “common directives 1979” voor ontwerp van funderingen waarin onderscheid wordt gemaakt tussen: . 1) coëfficiënten voor de belastingcombinatie als geheel i.v.m. de onzekerheid rond berekeningsmethoden en vereenvoudigingen die het gevolg zijn van de modelleringmodel 2) coëfficiënten waarmee de kans op overschrijding van een karakteristieke waarde van een belastinggeval wordt meegenomen. c) Bijzondere belastingcombinaties volgens BAEL91 en Eurocode 2 4.2.5 Sizing criteria 4.2.5.1 Strength ultimate limit state Spanningen in de lining afgeleid uit de belastingcombinaties mogen de capaciteit van beton en staal en rekcriteria niet overschrijden. Er wordt gebruik gemaakt van partiële materiaalfactoren voor beton en wapeningstaal; met waarden die variëren per belastingcombinatie 4.2.5.2 Shape stability ultimate limit state

34(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Toetsing op tweede orde effecten (buckling, bulging etc); alleen voor dunne linings in grond met lage stijfheid. 4.2.5.3 Static equilibrium limit state Bedoeld voor toetsing van veiligheid tegen opdrijven van de tunnel (permanente lasten > 1,05 opdrijfbelasting) 4.2.5.4 Serviceability limit states with respect to structural durability a) Scheurwijdte , betondekking, staalspanningen; b) drukspanning 4.2.5.5 Fire resistance project specifieke eisen t.a.v. stabiliteit van de lining 4.3 Determination of stresses in the tunnel lining Er worden twee rekenmethoden genoemd 4.3.2 Hyperstatic reaction method 4.3.3 Composite solid method De laatste methode heeft o.a. als voordeel dat: “the deformability of the ground and, in particular, its behaviour after failure and with respect to time” kunnen worden meegenomen. Deze AFTES richtlijn [#2] is specifiek bedoelt voor de dimensionering, detaillering en toetsing van de segmenten van een lining. Voor de krachtwerking in de tunnel en de interactie met de omgeving biedt het document geen richtlijnen voor toetsing van de bezwijkveiligheid van de tunnel of van een tunneldoorsnede als geheel. Ook de andere AFTES-richtlijnen bieden deze niet. 7.5

Richtlijn van het COB; Centrum Ondergronds Bouwen

CUR-COB L500 Toetsingrichtlijn voor het ontwerp van boortunnels voor weg- en railinfrastructuur; Eindrapport; 2000. Aan deze richtlijn liggen circa 50 werkrapporten ten grondslag. Inhoud: 1) Inleiding 2) Grenstoestanden en toelaatbare overschrijdingskansen -2.2 algemene veiligheidsfilosofie -2.3 grenstoestanden voor boortunnels, toelaatbare faalkansen, mechanismen en criteria Waarin ook aandacht voor de lengte van de tunnel en de invloedslengte (lengte- of volumeeffect) van mechanismen. -2.4 nadere uitwerking grenstoestanden en criteria voor de omgeving van de tunnel -2.5 nadere uitwerking constructieve grenstoestanden -2.6 montagebelastingen 3) Belastingen en sterkte 4) Rekenmodellen -4.3 Gronddeformaties -4.5 Tunnelconstructie 5) -4.6 Modelonzekerheden en modelfactoren 6) Samenvatting semi-probabilistische verificatieprocedure en rekenvoorbeelden -5.1 Samenvatting -5.2.3 Liningberekening: ringberekening ULS met een EEM-dubbelringsmodel “Deze richtlijn geeft een aanzet tot een algemene beoordelingsystematiek voor de constructieve betrouwbaarheid van boortunnels in de bouwen eindfase, voor tunnel en omgeving. Deze beoordelingsystematiek dient volledig te zijn en aan te sluiten op de Nederlandse normenserie NEN 6700. In deze richtlijn wordt aangegeven: • Welke grenstoestanden worden beschouwd;

35(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels • Welke rekenmodellen worden gehanteerd, mede in verband met duurzaamheid; • Welke belastingen in rekening worden gebracht en hoe deze zijn bepaald; • Welke materiaaleigenschappen worden gehanteerd. De richtlijn concentreert zich op rekenmodellen voor de tunnelwand (lining), voor de stabiliteit van de grond aan het boorfront en voor de grond-constructie interactie.” Om het ontwerp van een tunnel te beoordelen moet een betrouwbaarheidanalyse worden uitgevoerd. De betrouwbaarheidsanalyse bestaat uit 5 stappen: 1 Bepaal het gewenste betrouwbaarheidsniveau 2 Kwantificeer de onzekerheden 3 Stel de mogelijke rekenwaarden vast voor alle onzekere variabelen 4 Voor een gevoeligheidsanalyse uit via het rekenmodel 5 Doe de uiteindelijke beoordeling Voor de stappen 3 t/m 5 is gekozen voor een semi-probabilistische verificatieprocedure van de betrouwbaarheid. Daarbinnen zijn er twee methoden uitgewerkt: 1) rechtstreeks afleiden van de rekenwaarden of 2) bepaling van de rekenwaarden via partiële factoren. Voor een samenvatting van de grenstoestanden en bijbehorende (bezwijk)mechanismen uit L500, zie bijlage C par. 9.1. 7.6

Japanse richtlijnen

In Japan zijn er meerdere ontwerprichtlijnen voor geboorde tunnels. In deze literatuurstudie zijn in publicaties verwijzingen naar twee richtlijnen gevonden: Railway Technical Research Institute; Design standard and commentary of railway structure shield tunnels in urban areas; Tokyo (in japanese) 1997; Genoemd in [31]. Japanese Society for Civil Engineers (JSCE), Japanese Standard for Shield Tunneling (thrd edition); 19964. In de onderzoeksbibliotheek Groene Hart Tunnel is een vertaling van een Japanse richtlijn (of norm) opgenomen [30]. Op basis van de vertaling van de inhoudsopgave is een selectie gemaakt van hoofdstukken en bijlagen waarvan het zinvol werd geacht deze te vertalen. Helaas is dit vertaalproject niet afgerond en zijn alleen de platte Nederlandse teksten beschikbaar via de onderzoeksbibliotheek. Bovendien is de bron onbekend. Uit de teksten blijkt dat het een richtlijn is voor geboorde spoortunnels met een gesegmenteerde lining van staal of beton. In de beschikbare teksten is geen informatie over bezwijkmechanismen of een ontwerpfilosofie te vinden. Er wordt wel aandacht gevestigd op risicovolle belastinggevallen, bijv. tijdens de bouwfase: afwijkingen bij het injecteren van de staartspleet (te weinig volume of te weinig druk of juist te veel volume of druk) met gevolgen voor constructie en omgeving de onderlinge beïnvloeding van tunnelbuizen bij geringe tussenafstand leidend tot een toename van het buigend moment in de bestaande tunnelbuis en op welke manier deze belastinggevallen te modelleren. In [31] schrijven Koyama e.a. over de “nieuwe” Japanse design standard voor spoortunnels uit 1997. Het is goed mogelijk, dat dit hierboven genoemde vertaalde richtlijn is. In het artikel wordt een vergelijking gemaakt tussen een oud en een nieuw ontwerpmodel voor de ringwerking van de lining. 4

Van deze richtlijn zal in de zomer van 2006 zal een nieuwe uitgave verschijnen [bron: T. Konda van Geo Research Institute uit Japan].

36(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Het oude model gaat uit van een homogene ring (zonder voegen) met netto verticale en horizontale (grond)belastingen. Het model wordt te simplistisch geacht waardoor: “calculation results differ from the actual behaviour, and quantitiative confirmation of safety turns out to be insufficient”. Het oude model is afgestemd op tunnels met bouwverbindingen in de langsvoegen. Het nieuwe model is een 2D-model van gesegmenteerde gekoppelde ringen en radiale en tangentiele veren. Het nieuwe model is toegepast op bestaande tunnels en er is nagegaan wat de verschillen zijn in het berekend maximale buigend moment in de lining. Voor tunnels in slappe kleiige bodem is het berekende moment met het nieuwe model beduidend lager (tot 50%). Voor een bodem met pleistocene lagen nemen de momenten met enkele procenten (max. 3%) toe. Op basis van deze resultaten (momenten) wordt gemeld dat de veiligheid is verzekerd. Hoe deze veiligheid is gedefinieerd, wordt echter niet vermeld.

37(58)


8 Bijlage B, Ontwerp-filosofieën voor de lining van Boortunnels 8.1

Nederlandse boortunnelprojecten

Van een aantal Nederlandse boortunnelprojecten zijn (ontwerp)documenten bestudeerd met als insteek de ontwerpfilosofie en de beschouwde bezwijkmechanismen. Het betreft de volgende tunnelprojecten: De Tweede Heinenoord Tunnel De Betuweroutetunnels: Sophiaspoortunnel en Pannerdenschkanaaltunnel De boortunnel Randstadrail De Tweede Heinenoordtunnel- staalvezelbeton 8.1.1

Tweede Heinenoordtunnel

Onderstaande samenvatting van de ontwerpfilosofie voor de Tweede Heinenoord Tunnel is gebaseerd op [21] en [22]. Rekenmodel 2,5D-Ringmodel (polygoon) gesteund door radiale veren (geen tangentiele veren); Ringen met scharnieren ter plaatse van langsvoegen; Twee polygoon ringen met verschillende z-coordinaat koppelveren ter plaatse van kom-nok verbinding; De koppelveren worden direct belast Geen wrijving in de ringvoegen Veiligheidsbeschouwing Voor de betonberekening wordt een totaalveiligheid van 1,75 genomen overeenkomstig DIN 1045. “Vervolgens bevatten de aannamen ten aanzien van de belasting, de beddingschematisatie en het vaststellen van de grondparameters nog veiligheden die nauwelijks afzonderlijk zijn te bepalen. De ontwerpen neemt deze veiligheden impliciet mee bij de beoordeling van de constructie.” Enkele genoemde reserves: Uitgangspunt van beschouwing is elastische vervorming. “De breukzekerheid is echter veel groter want de tunnelmantel stort zelfs na het optreden van plastische scharnieren niet in omdat scharnierverbindingen voor uitvlakking van de gronddruk leiden met als gevolg verkleining van de moment”. Geen wrijving in de ringvoegen Geen verdeelde introductie van koppelkrachten Ondergrenswaarde van grondstijfheden Geen momenten in langsvoegen 8.1.2

Betuweroute tunnels

De betrouwbaarheid van het functioneren van de tunnelconstructie krijgt in projecten waar de tunnel waterkeringen kruist, extra aandacht. In [32] en [33] worden foutenbomen getoond voor het bepalen van de faalkans van de waterkering voor respectievelijk de Sophiaspoortunnel en de Pannerdensch Kanaaltunnel. Dat betekent dat voor deze tunnels bezwijkmechanismen zijn gedefinieerd en de bijbehorende betrouwbaarheid is berekend. In betrouwbaarheidsanalyse voor de Pannerdensch Kanaal Tunnel [9] zijn in relatie tot het bezwijken van de lining de volgende gebeurtenissen onderscheiden: 38(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels H2 ‘Belasting tunnel’: een te geringe sterkte van de tunnel in combinatie met te hoge belastingen. Met daaronder de gebeurtenissen H3 en H4: H3 ‘Grote lekkage’: het optreden van grote lekkages in de tunnel door (grote) openingen in de constructie ten gevolge van bezwijken, door scheurvormingen of door voegopeningen tussen de constructiedelen H4 ‘Opdrijven’: het opdrijven van tunneldelen te gevolge van een te grote opwaartse kracht in combinatie met een te geringe gronddekking, al dan niet ten gevolge van ontgravingen. Onder de gebeurtenis ‘grote lekkage’ wordt o.a. de (meest relevante) gebeurtenis H5 ‘betonconstructie’: te geringe sterkte van de tunnel in combinatie met te hoge belastingen, onderscheiden. Voor de betonconstructie is weer een onderverdeling naar constructiedeel gemaakt: boortunnel en toerit. De boortunnel kan falen onder ‘normale omstandigheden’ en door ‘brand’. Wat betreft de normale omstandigheden (grond- en waterdruk, eigengewicht en mobiele belastingen), wordt het volgende gesteld: “De gezochte faalkans is in principe met behulp van een probabilistische berekening te bepalen, dit is echter zeer complex en streeft zijn doel voorbij”. “[….] Opdrijven is toch al maatgevend”. [….] “Er bestaat grote consensus over het feit dat een boortunnel gewoonweg niet kan bezwijken. Dit komt doordat de cirkelvorm zich in stand houdt middels gewelfwerking, en altijd evenwicht vindt met de omringende grond”. Er wordt nog aangegeven wat wordt bedoeld met bezwijken: “het verlies aan macro-stabiliteit”. “…het lokaal bezwijken van segmenten komt wel veelvuldig voor […] maar is alleen aanleiding tot lekkages. De faalkans is gesteld op 10-6, (en zodoende kleiner dan de faalkans voor opdrijven en bezwijken door brand) met als toevoeging: “maar in werkelijkheid veel kleiner”. Voor de gebeurtenis ‘opdrijven’ is een betrouwbaarheidsfunctie opgesteld en is per sectie van 100 m tunnel (toerit en boortunnel) de faalkans bepaald. De faalkans voor de gebeurtenis ‘Opdrijven’ blijkt dominant ten opzichte van gebeurtenis ‘Grote lekkage’ In de betrouwbaarheidsanalyse voor de Sophiaspoortunnel [10] wordt voor de gebeurtenissen ‘inundatie ten gevolge van water door de tunnel’ of ínundatie via de dijk ten gevolge van de tunnel’ onderscheid gemaakt tussen het bezwijken van de lining bij normale belasting en het bezwijken van de lining door ongevallen met treinverkeer (explosie, brand en ontsporing). Hier wordt alleen het falen onder normale belasting behandeld. Voor het bezwijken onder normale belasting zijn er twee faalmechanismen beschouwd: bezwijken op moment en opdrijven. Voor beide mechanismen zijn er betrouwbaarheidsfuncties opgesteld en is de faalkans berekend met het programma Super-risk5. Genoemd wordt nog het mechanisme van bezwijken op dwarskracht, maar dat wordt als niet maatgevend beschouwd. De betrouwbaarheidsfunctie voor bezwijken op moment betreft het bezwijken van de lining op een combinatie van moment en normaalkracht door ringwerking. In deze functie komen sterkteparameters voor gewapend beton en de snedekrachten voor. De gevoeligheid van de snedekrachten voor variaties in belasting en bedding is met een raamwerkmodel onderzocht. De faalkans is voor twee doorsneden bepaald, de grootste faalkans bedraagt 10-17 per jaar. De betrouwbaarheidsfunctie voor opdrijven betreft het verticale evenwicht voor dezelfde twee doorsneden. De faalkans is het grootste voor de doorsnede met de kleinste bovenbelasting, namelijk 5

Super-Risk versie 1.0 van Super Software (L. v/d Leijdenlaan 3 /2102 AZ Heemstede)

39(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels 10-10 per jaar. Ook voor deze tunnel is bezwijken door opdrijven (onder normale belastingen) maatgevend. Wat betreft het bezwijken van de lining door ongevallen met treinverkeer worden hier nog een bijzondere maatregel genoemd. In verband met de gevolgen van een ontsporing van een trein leidend tot het kantelen van de trein of het vastlopen van containers, is ter hoogte van een dijk, een versterking aangebracht in de boortunnel. De versterking bestaat uit verticale wanden (zie foto in Figuur 8) aan weerszijden van het spoor en moet de belasting op de lining bij ontsporing beperken en daardoor het falen door lokaal bezwijken van de lining, uitspoeling van de bodem en uitknikken van de lining voorkomen.

Figuur 8 Geleideconstructie in de Sophiaspoortunnel om de gevolgen van ontsporing en het vastlopen van containers te beperken.

8.1.3

BoortunnelRandstadrail

In het bestek [23] van de boortunnel Randstadrail zijn voor ontwerp van de betonnen lining de volgende eisen ten aanzien van modellering, sterkte en stijfheid en veiligheidsbeschouwing opgenomen: Modellering en belastingen: 2D-Ringmodel gesteund door radiale veren (geen tangentiele veren); Gesegmenteerde ringen met rotatieveren ter plaatse van langsvoegen; Twee ringen met koppelveren ter plaatse van kom-nok verbinding; De koppelveren worden direct belast; De negatieve kleef op de lining door consolidatie van holocene lagen wordt expliciet als belastinggeval beschouwd (zie ook, Figuur 9 en bijlage C par. 9.7.1).

40(58)


Figuur 9 Belastingschema voor de boortunnel Randstadrail met daarin de toename van horizontale en verticale belasting door negatieve kleef op het deel van de ring gelegen in het holoceen [8].

Figuur 10 Kom-nokverbinding in de ringvoeg zoals voorzien in het bestek [8].

Veiligheidsbeschouwing Er wordt uitgegaan van overall veiligheidscoëfficiënten (belastingfactor * materiaalfactor). Voor de betonnen lining worden de volgende situaties onderscheiden: Een veiligheidscoëfficiënt van 1,7 voor de dimensionering van de segmenten voor de maatgevend belastingcombinaties Een veiligheidscoëfficiënt van 1,15 voor het draagvermogen van de lining voor de bijzondere belastingcombinatie (calamiteit = vollopen van tunnel) Een veiligheidscoëfficiënt van 1,15 voor het mechanisme progressive collaps waarbij moet worden uitgegaan van de uitval van de zwaarst belaste kom-nok verbinding(en). Een veiligheidsfactor van 2,0 op de maximale wrijvingsweerstand voor normale belastingcombinaties en 1,0 voor de bijzondere combinatie Tabel 1 Sterkte en stijfheid voor UGT (Boortunnel Randstadrail)

Onderdeel Lining Bedding

Sterkte VBC (moment, dwarskracht) -

Stijfheid VBC (Ongescheurd)

Opmerkingen

Elastische veren (op

-Reductie

41(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels basis van Eoed en effectieve verticale spanningsniveau in grond) Langsvoeg

-

Langsvoeg

Schuifkracht (wrijvingsweerstand EDIN 1045)

Kom-Nok verbinding

Op basis van proeven; 5% onderschrijdingswaarde

8.1.4

beddingstijfheid i.v.m. kruip -Veren met trekkracht moeten worden verwijderd

-begrensde moment capaciteit of -Janszen-voeg Bij calamiteit is herverdeling bij max verschuiving van 12mm toelaatbaar Op basis van proeven; 5% overschrijdingswaarde

Tweede Heinenoordtunnel- staalvezelbeton

In de Tweede Heinenoordtunnel zijn in het kader van een pilotproject in de tweede tunnelbuis 16 ringen ingebouwd, gemaakt van staalvezelbeton [24]. Er is eerst, als proef, één ring ingebouwd; en enkele dagen daarna nog eens 15 ringen. Er is gekozen voor het plaatsen van meerdere aaneengesloten ringen (15 stuks = 22,5 m) van staalvezelbeton, zodat er sprake is van een (korte) tunnel van staalvezelbeton. De ringen zijn ingebouwd in een tracédeel waar de belastingen op de tunnel slecht een geringe buiging (ovalisering) in de lining zullen veroorzaken, zodanig dat over de gehele dikte een drukspanning zal heersen. Tijdens de uitvoering heeft een intensieve monitoring plaatsgevonden. In de rapportage van het definitief ontwerp [25] worden de resultaten van controleberekeningen getoond waarbij de segmenten op o.a. sterkte worden getoetst. Het gaat om controleberekeningen voor de Moment-Normaalkrachtbelasting, splijtbelasting, afschuifbelasting koppelkracht etc. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de DIN 1045 (die ook is gebruikt voor de gewapende segmenten van de tunnel) en van veiligheidsfactoren op basis van onderzoek van de TU Delft. In navolging van de DIN is gewerkt met overall veiligheidsfactoren. Tabel 2 Veiligheidsfactoren voor segmenten van staalvezelbeton voor de Tweede Heinenoordtunnel

Overall veiligheidsfactor voor: Belasting op druk Belasting op trek, buigtrek, splijttrek en afschuiving

DIN (ongewapend beton) 1,8 (1,2 x 1,5) 2,1 (1,4x1,5)

TU Delft 1,65 (1,1x1,5) 1,9 (1,25x1,5)

In de controleberekeningen is steeds op beide “normen”getoetst. Er is daarvoor gebruik gemaakt van de snedekrachten die zijn bepaald voor de tunnel van gewapend beton. De snedekrachten zijn vermenigvuldigd met de overall veiligheidsfactoren. Bij de toetsing op de DIN is de belasting niet voor alle toetsten kleiner dan de sterkte; bij toetsing volgens de ‘veiligheidsfilosofie’ van de TU Delft wel. Uit het definitief ontwerp kunnen de volgende beschouwde bezwijkmechanismen voor de tunnel worden afgeleid:

42(58)


Bezwijken van een doorsnede van een segment door een combinatie van buiging en normaalkracht (ovalisering); Verbrijzelen van beton door overschrijden van druksterkte; Splijten van beton door overschrijden van de splijttreksterkte; Bezwijken op dwarskracht; Bezwijken van een kom-nok verbinding. Al deze bezwijkmechanismen hebben betrekking op segment-niveau en ring-niveau. De combinaties van moment en normaalkracht (beide met veiligheidsfactor vermenigvuldigd) zijn getoetst aan bezwijkcontouren ongewapend beton (brosse trekbreuk) en voor staalvezelbeton (taaie trekbreuk). De contouren verschillen overigens minimaal. Deze toetsing houdt in dat de rekenwaarden van de M-N-combinaties binnen deze contouren moeten vallen. Er wordt in het definitief ontwerp geen aandacht besteed aan krachtswerking in de ring de situatie dat zich daadwerkelijk bezwijken voordoet. Van een plastisch scharnier zoals bij gewapend betonnen segmenten is dan geen sprake, de gescheurde doorsnede moet eerder beschouwd worden als een extra langsvoeg. 8.2 8.2.1

Internationale tunnelprojecten Storebelt Spoortunnel

In [20] schrijft Curtis dat het ontwerp van de lining van de Storebelt tunnel is gemaakt “on the basis of acknowledged conservative calculations confirmed by experience, and according to the latest international and national codes for concrete and steel”. Er is gebruik gemaakt van partiële veiligheidsfactoren voor belastingen (zie tabel) en voor materialen (beton 1,4 en staal 1,15). Tabel 3 Partiële veiligheidsfactoren gebruikt bij ontwerp van Storebelt tunnel

Belastinggeval Eigen gewicht Grond- en waterdruk Veranderlijke belasting Trein Bijzondere belasting

SLS 1,0 1,0 1,2 1,1

Belastingcombinaties ULS 1,4 1,35 1,6 1,6

Accidental load case 1,0 1,0

1,0

De tunnel is aangelegd in soft soil tot een maximale diepte van 68 m. Er is uitgegaan van een waterdruk op de tunnel in overeenstemming met de aanwezige waterstand. De lining en met name de langsvoegen ondervinden daarom grote ringdrukkrachten (lining dikte 400 mm). Met behulp van EEM berekeningen is de grond-lining interactie geanalyseerd. Daarbij is verondersteld dat de elastische grondvervorming als waren opgetreden voordat de lining actief werd en deze grondvervormingen kon tegengaan (geen elastische bedding). Voor de daarna optredende vervormingen is uitgegaan van visco-plastisch grondgedrag. In de berekeningen is gebruikt gemaakt van parameters waarvan de waarden variëren van “best estimates” tot “worst credible”. 8.2.2

Arrowhead East tunnel (California)

De artikelen van Schwartz e.a. [19] en Lum e.a. [4] beschrijven het constructief ontwerp en experimenten voor een tunnel voor watertransport blootgesteld aan zeer hoge externe waterdrukken (tot 275 m waterdruk). De boortunnel krijgt een dubbele tunnelwand. De buitenste tunnelwand is een gesegmenteerde lining met een binnendiameter van 4,9 m.

43(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Het constructief ontwerp van de buitenste wand gaat uit van drie vormen van bezwijken: Het bezwijken van de langsvoegen door splijtkrachten ten gevolge van de ringkrachten door de hoge waterdruk (tensile splitting & low-angle shear). N.B. in de langsvoegen zijn triplexplaatjes toegepast Het ontstaan van plastische scharnieren in de segmenten door de ringkrachten (hoge normaalkracht, gematigd moment, zie Figuur 11) Het afboeren van de segmentrand ten gevolge van de grote druk op de rubberprofielen benodigd voor de waterdichtheid. In verband met deze bezwijkvorm zijn laboratoriumproeven verricht, zie Figuur 12. Voor de eerste en tweede bezwijkvorm wordt gerekend met belastingfactoren (1,7 in algemeen en 1,0 voor de belasting door grondwater) en met sterkte reductiefactoren voor beton (0,7) en staal (0,95). De factoren zijn gebaseerd op ACI 318-1995 en op ervaringen bij projecten als de Kanaaltunnel en de Storebelt-tunnel. Voor de derde bezwijkvorm is een overall veiligheidsfactor bepaald op basis van de resultaten van de proeven. Deze factor varieert tussen 1,2 en 2,1 afhankelijk van het gekozen voegmaterialen en geometrie van de inkassing.

Figuur 11 Bezwijkcontour voor lining belast op normaalkracht en buigend moment in [19]

Figuur 12 Afboeren van segmentrand ten gevolge van de grote druk op de rubberprofielen [4].

44(58)


9 Bijlage C, Bezwijkmechanismen 9.1

Grenstoestanden en mechanismen

De grenstoestanden van een boortunnel tijdens uitvoering en voor de gebruikssituatie die in CURCOB L500 worden onderscheiden zijn in Tabel 4 weergegeven. Aan deze grenstoestanden zijn vervolgens constructieve mechanismen gekoppeld. Er zijn drie categorieën mechanismen: 1 Sterktemechanismen; 2 Vervormingsmechanismen; 3 Stabiliteitsmechanismen. Tabel 5 geeft een samenvatting van de geïnventariseerde (bezwijk)mechanismen en voorbeelden van bijbehorende criteria voor het ontwerp. Tabel 4 grenstoestanden volgens CUR-COB richtlijn L500

Uiterste grenstoestanden -Boorfrontinstabiliteit (actief/passief bezwijken) -Bezwijken van de lining (globaal, lokaal) -Opdrijven van de gehele tunnelbuis -Uitknikken van de tunnelwand

Bruikbaarheidsgrenstoestanden -Verplaatsingen en vervormingen (globaal/lokaal) -Lekkage -Scheurvorming -Schade aan de omgeving

Tabel 5 Koppeling van mechanismen aan grenstoestanden

Grenstoestanden Sterkte Bezwijken van de lining op: -globaal bezwijken, tunnelniveau; -lokaal bezwijken, ringniveau; -lokaal bezwijken, detailniveau.

Vervormingen -te grote globale vervormingen van de tunnelas -te grote ovalisatie van de tunneldoorsnede - te grote onderlinge verschuivingen van segmenten

Mechanismen Sterkte -scheurvorming, -vloeischarnier of breuk van de lining, -scheurvorming in of afschuiving van kom-nok, -splijtscheuren, -overschrijden druksterkte Bijzonder - brand, explosie en botsing Grondgedrag -elasto-plastische vervormingen van de grond -kruip en relaxatie van de grond -zwelgedrag van klei dichtheidsveranderingen in losgepakt zand Geometrisch gedrag -Ovalisatie van de lining -Zettingen (opdrijven) van de lining -Voegverplaatsingen -Elasto-plastische vervormingen van voegmaterialen -Uitzetting en krimp door

45(58)

Criteria Bijvoorbeeld: -Wapening voor splijtspanning -Beperken van spanning in beton -Beperken van spanningen in wapeningstaal -Sterktecapaciteit van kom-nok verbinding

-Profiel van vrije ruimte -Toleranties in het alignement -Waterdichtheid -Gronddichtheid

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Grenstoestanden

Stabiliteit (doorgaande vervorming zonder toename van belasting)

Sterkte en Vervormingen

9.2

Mechanismen temperatuur -Voegspeling en maattolerantie Bijzonder Brand, explosie, botsing a) Opdrijven b) Uitknikken -Plooi (liggerwerking) -Doorslag (driescharnierspant) -Afschuiven in langsvoeg (uitknikken door dwarskracht) Aantasting -van voegafdichting (veroudering, chemisch, mechanisch, brand) -van betonsegmenten (chemisch, corrosie, veroudering, brand, mechanisch) -van de grond (sterkteafname, dichtheidsveranderingen tgv trillingen)

Criteria

a) verticaal evenwicht b) betrouwbaarheidsniveau bepaald door eisen gesteld aan voorkomen van schade aan omgeving Criteria t.a.v: -de levensduur -calamiteiten tijdens de levensduur -beschadigingen tijden de bouw

Laboratoriumproeven

Voorbeelden van bezwijken van tunneldoorsneden of tunnelonderdelen zijn te vinden in het laboratorium. Het gaat dan om (grootschalige) experimenten als: Het bezwijken van drie gesegmenteerde tunnelringen door ovaliseren zoals in proevenserie C met de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU Delft [2]; Het bezwijken van een halve cirkelvormige tunnel opgebouwd uit betonnen elementen al dan niet met vezels door lokale belasting in de kruin [28]; Bezwijken van de langsvoeg voor een gesegmenteerde tunnel onder extreme uitwendige waterdruk [4], zie ook bijlage B par. 8.2.2; Bezwijken van segmenten van vezelversterkt beton op buiging [www.lcpc.fr], zie Figuur 13.

Figuur 13 Opstelling in het Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (www.LCPC.fr) voor de beproeving van segmenten van vezelversterkt beton.

46(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels In 2005 zijn in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TU-Delft twee bezwijkproeven uitgevoerd op gesegmenteerde tunnelringen van de Botlekspoortunnel. De bezwijkproeven vormen de derde en laatste proevenserie (serie C) met deze opstelling. Eerdere proevenseries hadden betrekking op het gedrag van de tunnelringen onder montagebelastingen en gebruiksbelastingen. In de proeven zijn de drie ringen belast met een combinatie van een uniforme radiale en een ovaliserende radiale belasting, waarbij de amplitude van de ovaliserende belasting geleidelijk is opgevoerd. De drie ringen zijn ook in axiale zin belast. Er zijn twee bezwijkproeven uitgevoerd bij twee verschillende axiale belastingniveaus. Deze niveaus waren zodanig dat de mate van samenwerking tussen de ringen wezenlijk verschilde. Uit de proefresultaten is gebleken dat bij de lage axiale belasting, het vervormingsgedrag van de ringen eerder (bij een lagere ovaliserende belasting) een niet-lineair gedrag vertoont en de bezwijklast (ovalisering neemt toe zonder noemenswaardige belastingtoename) lager is dan bij hoge axiale belasting, zie Figuur 14.

ovalisatiebelasting (kN/vijzel)

40 35 30 25 20 15

proef C01 proef C02

10 5 0 0

10

20

30

40

50

60

70

ovalisatie tov straal (mm)

Figuur 14 Resultaten van bezwijkproeven met de tunnelproefopstelling in het Stevin laboratorium [2]. In proef C01 was de axiale belasting 800 kN/vijzel; in proef C02 100 kN/vijzel. De uniforme radiale belasting bedroeg 225 kN/vijzel

In [3] beschrijft Mashimo de resultaten van experimenten op een tunnel lining in de vorm van een halve cirkel (Figuur 15). Het betreft een lining opgebouwd uit betonnen elementen van ongewapend beton ofwel van staalvezelbeton. De uitwendige diameter is 9,7 m en de dikte en de breedte van elementen bedragen resp. 300mm en 1000mm. De proeven houden verband met een tweetal ongelukken met de Shinkansen in tunnels door vallende brokstukken uit de lining [41]. Het gaat hier om hoefijzervormige tunnels met een ongewapend betonnen lining. Figuur 16 toont het resultaat van 1 van de 3 belastinggevallen in deze proeven serie. In de kruin werken drie lokale lasten (gegenereerd door 3 x 2 vijzels) die in grootte variëren. Over de rest van de omtrek zijn vijzels (14 x 2 ) aanwezig die een minimale kracht van 10 kN/vijzel vasthouden. Deze pref is uitgevoerd met ongewapend beton (A-1) en met staalvezelbeton. Hoewel de bezwijklast voor vezelbeton iets lager was, was er voor dit beton geen sprake van afgevallen brokstukken.

47(58)


Figuur 15 Proefopstelling voor halve cirkelvormige tunnels uit [3].

Figuur 16 Last-verplaatsingdiagram tot bezwijken van de opstelling bij een toenemende lokale belasting in de kruin. De lokale belasting wordt gegenereerd door 3 van de 17 vijzelparen die gelijkmatig over de halve omtrek zijn verdeeld [3].

Op www.stuvatec.de is informatie te vinden over de tunnelproefopstelling die is gebruikt voor de het project Elbetunnel (4e buis). De opstelling is vergelijkbaar met de tunnelproefopstelling uit Delft. Er zijn met deze opstelling verschillende ovaliseringsproeven gedaan. Een van de proeven wordt op de website nader toegelicht. In deze proef is onderzocht hoe de ovalisering zich ontwikkeld bij een afname van de beddingsstijfheid in de flanken. De belastingvijzels zijn niet krachtgestuurd, maar fungeren als een veer (met afnemende stijfheid). Bij deze belastingsomstandigheden zijn geen uiterste grenstoestanden bereikt. Er zijn geen andere publicaties gevonden van grootschalige bezwijkproeven op een gesegmenteerde boortunnellining zoals die in het kader van dit COB-project zijn uitgevoerd. Deze bezwijkproeven zijn misschien wel uniek. 9.3

Bezwijkmechanisme met één vloeischarnier

In veel praktijkprojecten (zie bijlage B) wordt bij de beoordeling van het bezwijken op ringwerking volstaan met de toetsing van het buigend moment aan het moment in de uiterste grenstoestand. De rekenwaarde van het buigend moment en de bijbehorende normaalkracht zijn dan vaak bepaald voor een belastingcombinatie in de eindsituatie van de tunnel. De tunnel wordt geacht te zijn bezweken als het eerste plastische scharnier optreedt. Er zijn diverse publicatie [12,14,15,16,17,18] gevonden over de kwantificering van veiligheidsfactoren voor het bezwijkmechanisme met één vloeischarnier voor de bouwfase. In deze publicaties worden resultaten gepresenteerd van berekeningen van de ringwerking in de lining met verschillende modellen, waarbij de tunnelringen door groutdrukken worden belast. De gebruikte modellen en hun eigenschappen zijn samengevat in Tabel 6. Tabel 6 Overzicht van gebruikte modellen en hun karakteristieken

Bron Model [14, BorTAS 15, 16]

Beschrijving 3D-model (ANSYS) Gesegmenteerde lining (janszen voeg); meerdere

48(58)

Belastingen en bedding -Axiale vijzelbelastingen (boren en stilstand) -Radiale belasting achter

Resultaten 3D-spanningssituatie in segmenten;

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Bron Model

Beschrijving ringen; bedding van radiale veren (grout, grond); gefaseerde opbouw model en belastingen

[17]

PLAXIS

[18]

SPARTA Grout

2D-model. Lining, grout en grond. Monoliete lining met gereduceerde buigstijfheid (30%), lineair elastisch; Hardening Soil model voor grond; Mohr-Coulomb voor grout 2D-model; Lining, grout en grond. Gesegmenteerde lining (enkele ring, Janszen voeg); groutlaag (ViscoPlastisch) en grond (Drucker-Prager)

[12]

LDesign

2D-raamwerkmodel; gesegmenteerde lining; enkele of gekoppelde ring; bedding van radiale veren; langsvoegen (niet)-lineair voeggedrag.

Belastingen en bedding TBM verandert van hydrostatische groutdruk in een Duddeck grondbelasting (ovalisering) -Radiale veerstijfheid varieert -Belasting op lining en grond wordt gegenereerd via groutlaag; -middels 2 methoden: vervorming- of belastinggestuurd)

Model zoekt bij verschillende vullingsgraden van de staartspleet een evenwichtssituatie tussen lining, grout en grond geïnitieerd door opdrijven van de tunnel Radiale en tangentiele belastingen;

Resultaten Snedekrachten door ringwerking en liggerwerking

- Spanningen en vervormingen van grond en zettingen; -Ringwerking (N en M); -Groutdrukken

- Spanningen en vervormingen van grond en zettingen; -Ringwerking (N en M); -Groutdrukken en groutverplaatsing -Ringwerking, -Ovalisering -Voeggedrag

De berekende combinaties van normaalkracht en buigend moment zijn vergeleken met de bezwijkcontour van de lining. De bezwijkcontour is het diagram met het maximale buigende moment in de uiterste grenstoestand (Mu) bij een variërende normaalkracht. De bezwijkcontour is berekend op basis van de VBC (NEN 6720) en de geometrie en materiaaleigenschappen van de lining. In de meeste publicaties zijn de berekende combinaties van normaalkracht en moment ook vergeleken met het buigend moment waarbij de scheurvorming optreedt (ontstaan van eerste scheur). In de (meeste) publicaties is een veiligheidsfactor γ gedefinieerd volgens: γ = Mu / Mmodel (bij de berekende Normaalkracht Nmodel) Het uitgangspunt hierbij is dat de grootte van de buigende momenten door de ovaliserende belasting veel gevoeliger is voor variaties in de grondbelastingen dan de normaalkracht in de ring en dat de normaalkracht (Nmodel) die wordt gebruikt voor de beoordeling van de bezwijkveiligheid daarom wordt gewijzigd.

49(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels De aard van veiligheidsfactor kan verschillen en is afhankelijk van de waarde van de sterkteparameters gebruikt bij de bepaling van Mu: de representatieve waarden (overall factor) of de rekenwaarden van betonsterkte en vloeispanning van het wapeningsstaal (partiële factor op de belastingcombinatie). In onderstaande tabel wordt per publicatie aangegeven welke situaties zijn bekeken en welke minimale veiligheidsfactor γmin is verkregen. Ter illustratie, zijn hieronder in Figuur 17, Figuur 18 en Figuur 19 enkele resultaten voor de Botlekspoortunnel opgenomen, die zijn verkregen met het Plaxismodel zoals beschreven [17]. Tabel 7 Resultaten van berekeningen van de veiligheidsfactor op het buigende moment met diverse rekenmodellen

Bron Rekenmodel Tunnelproject

Gevarieerde parameter

[15]

BorTAS

Groene Hart Tunnel

A Liningdikte 500 mm / gescheurd B Liningdikte 500 / ongescheurd C Liningdikte 600 mm / gescheurd D Liningdikte 600 /ongescheurd

[16]

BorTAS

Groene Hart Tunnel

E Radiale veerstijfheid en groutbelasting (variatie op C);

[14]

BorTAS

Groene Hart Tunnel

[14]

BorTAS

Botlekspoortunnel

[18]

SPARTA Grout

Groene Hart Tunnel, tpv COB meetveld

F Gefaseerde berekening voor bouwfase G Belasting eindsituatie (niet gefaseerd) H Gefaseerde berekening voor bouwfase I Belasting eindsituatie (niet gefaseerd) J: Vulgraad van de staartspleet tot 90, 100 en 110% van theoretische dikte.

[12]

LDesign

Groene Hart Tunnel, tpv COB meetveld

[17]

PLAXIS

Botlekspoortunnel (BST); Groene hart tunnel; (GHT) Pannerdensch

-Lining dikte 500 mm: K Ondersteuning van de ring door de grond L Geen ondersteuning van de ring -Liningdikte 600 mm M Ondersteuning van de ring door de grond N Geen ondersteuning van de ring -Afhankelijk van gekozen initiële groutdruk stelt zich een evenwicht in; -Berekende veiligheidsfactor hoort bij beste fit van gemeten drukverdeling en vervorming van lining. -Tussen [] staat de range bij variatie

50(58)

Veiligheidsfactor (minimaal) A: γmin = 2,8 B: γmin = 2,5 C: γmin = 2,5 D: γmin = 2,4 [rekenwaarde voor sterkte] E: γmin =2,7 [rekenwaarde voor sterkte] F: γmin = 1,7 G: γmin = 1,35 [rekenwaarde voor sterkte] F: γmin = 1,61 G: γmin = 1,13 [rekenwaarde voor sterkte] J-90 : γmin = 1,6 J-100: γmin = 4 J-110: γmin = 1,7 [rekenwaarde voor sterkte] K: γmin = 4,10 L: γmin = 0,99 M: γmin = 3,60 N: γmin 1,26 [rekenwaarde voor sterkte]

BST: γmin =5,5 [3-8] GHT: γmin = 7,0 [3-11] PKT: γmin =13 [6-13]

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Bron Rekenmodel Tunnelproject

Veiligheidsfactor (minimaal) Kanaal tunnel van de groutdruk [repr. waarde voor (PKT) sterkte] N.B. de veiligheidsfactoren uit de berekeningen met SPARTA Grout zijn verkregen door opmeting uit figuren uit het rapport, omdat in het rapport een andere berekening van de factoren is gehanteerd.

Figuur 17 Groutdrukverdeling bij de Botlekspoortunnel [17]

Gevarieerde parameter

Figuur 18 Berekende horizontale ovalisering van de tunnelring voor de Botlekspoortunnel onder groutbelasting volgens [17]

Figuur 19 De invloed van de groutdruk op de variatie van de veiligheidsfactor op het buigend moment in de uiterste en bruikbaarheids-grenstoestand (uitgaande van representatieve waarden voor de sterkte van de lining) [17].

51(58)


Bezwijkmechanismen volgens Bakker [13]

Hoofdstuk 7 van het proefschrift van Bakker [13] gaat over boortunnels. Met name paragraaf 7.3 gaat over bezwijkmechanismen van de lining vanuit het perspectief van geotechniek. De paragraaf begint met: “In general a tunnel without artificial support, might fail either due tot an inability to sustain stresses in the roof of the tunnel, [….] or by overloading of the soil at the sides of the tunnel [….]”. [….]. “In order to avoid these types of failure, for situations where the soil is insufficiently strong tot maintain an underground opening, a lining is added to the tunnel surface. If the lining is designed adequately, soil failure can be avoided”. Voor het bezwijken van de grond rondom de tunnel worden de volgende mechanismen genoemd: Bezwijken van grond in de kruin door schuifspanningen (uitgaande van liggende ovalisering, Figuur 20-a); Bezwijken van de grond t.p.v. de flanken door drukspanningen (uitgaande van liggende ovalisering, Figuur 20-b) ; Bezwijken door opdrijven van de gehele tunnel bij ligging onder de grondwaterstand; (maatregel: voldoende dekking realiseren); Bezwijken door opbreken van ondiepe tunnels (boven grondwater), wanneer grondspanningen boven tunnel kleiner zijn dan horizontale spanningen t.p.v. de flanken van de tunnel; => verticale ovalisering; als opdrijven wordt voorkomen, is meestal geen gevaar voor opbreken.

Figuur 20 Bezwijkmechanismen voor een diepe tunnel, zonder lining in homogene grond door afschuiving in de grond (a), op overbelasting op druk (b) of een combinatie van beide (c) [13].

Wanneer voldoende maatregelen worden getroffen om opdrijven en opbreken te voorkomen blijven de volgende drie bezwijkmechanismen voor de lining over. Mechanisme 1: Bezwijken van de lining op druk Als de tunnel voldoende diep ligt, zal de tunnel in het algemeen horizontaal ovaliseren. Daardoor treedt een ontspanning op in de grond bij de kruin en de zool van de tunnel en een opspanning van de grond bij de flanken. Door de samendrukking zal het verschil tussen de horizontale en de verticale grondspanning reduceren. Voor een flexibele tunnel in een stijve grond betekent dit dat de spanningen in de lining hoofdzakelijk ontstaan door ringdrukkrachten. Het bezwijkmechanisme voor de lining is dan bezwijken op drukspanningen. Mechanisme 2: Bezwijken door vloeischarnieren In bovenstaande beschouwing is geen rekening gehouden met de 2e orde momenten die kunnen ontstaan door de grote vervormingen van de lining en die de effecten van vereffening van de verschillen in grondspanningen in de grond kunnen overtreffen. In appendix B is een eenvoudig bezwijkmechanisme met vier plastische scharnieren uitgewerkt (Figuur 21). In formule vorm: 52(58)


M pl =

Eg ⋅ u ⋅ r 1− K0 ' 2 σ v + σ h σv ⋅r + r ⋅u − 4 2 4

Figuur 21 Bezwijkmechanisme met 4 plastische scharnieren uit [13]

De eerste term betreft het aandeel van de ovaliserende deel van de grondspanningen rond de tunnel. De tweede term betreft de tweede orde momenten door de ringdrukkrachten bij grote verplaatsingen. De derde term betreft de invloed van de grondveren ter plaatse van de flanken. Door de indrukking van de veren ontstaat een reductie van de buigende momenten in de lining. De derde term geeft dus ook inzicht in de rol van de grond bij bezwijken van de tunnel. Bakker geeft aan dat voor de bodemgesteldheid in Nederland, en een tunneldiameter tot 15 meter de weerstand van de grond in het algemeen de effecten van 2e orde momenten zal beperken. Met andere woorden, in de bezwijksituatie door horizontale ovalisering mag uit worden gegaan van een gunstige bijdrage (weerstand) van de grond. Mechanisme 3: Lokaal bezwijken op dwarskracht / afschuiving Dit mechanisme gaat uit van verschuiving in de langsvoeg of ringvoeg als de verhouding tussen schuifkracht Q en normaalkracht N te groot is: bijvoorbeeld Q > f N . Voor de langsvoeg is dit uitgewerkt met behulp van de analytische oplossing van de snedekrachten in een radiaal belaste ring tot:

1− K0 ' ⎛1+ K0 ' ⎞ σv + u⎟ f ≥ σv ⎜ 2 ⎝ 2 ⎠ met: σ’ = korrelspanning; f = wrijvingscoëfficiënt; u = waterdruk

53(58)


Bezwijkmechanismen volgens Blom [11]

Blom beschrijft in [11] drie bezwijkmechanismen voor het bezwijken van een ring onder een ovaliserende belasting waarbij de grond een ondersteunende rol speelt. Mechanisme 1: ovalisering met veel plastische scharnieren en bezwijken op druk Ook Blom beschrijft de gunstige rol van de grond bij bezwijken bij ovalisering. Na het ontstaan van het eerste plastische scharnier in de lining (Md = Mu) zullen bij toenemende ovaliserende belasting er nieuwe plastische scharnieren ontstaan en zal de extra belasting worden gecompenseerd door de grondreactie. De ring blijft echter stabiel. De uiterste grenstoestand wordt niet bepaald door de buiegnde momenten maar door de normaaldrukkracht. Omdat de normaaldrukkracht maar weinig varieert over de omtrek van de ring zal het bezwijken op druk vrijwel gelijktijdig in de gehele ring plaatsvinden. Mechanisme 2: Bezwijken door lokale instabiliteit (knik) Als bezwijken op drukspanning relevant wordt, moet de lokale stabiliteit van de lining worden onderzocht. Blom leidt voor de kniksituatie van de ring met een kniklengte van een kwart van de omtrek de volgende maximale toelaatbare drukspanning σ0 af: σ0= Ec * d3 / 3 r3 met d = dikte lining; r = straal van tunnel; E= E-modulus beton Mechanisme 3: Bezwijken door een doorslagmechanisme Blom gaat voor dit mechanisme uit van een horizontale ovalisering van een enkele gesegmenteerde tunnelring en een ondersteuning van de lining door de grond ter plaatse van de flanken (zie Figuur 22). Met het raamwerkmodel LDesign is de ovalisering onder invloed van een toenemende amplitude van de ovaliserende belasting bepaald. Bij een ovaliserende belasting met een amplitude van 40% van de uniforme radiale belasting ontstaat het eerste plastische scharnier in de zool van de ring en bij 3 keer zo hoge belasting ontstaan nog twee plastische scharnieren nabij de kruin (Figuur 23). Op dat moment moet rekening worden gehouden met een doorslagmechanisme aangezien in de kruin een langsvoeg is gekozen. Er bevinden zich nu drie scharnieren vlak bij elkaar; de grondbelasting duwt de lining naar binnen en de ondersteunende effecten van de ringvorm nemen af door de ovalisering.

Figuur 22 Model (links) van een enkele gesegmenteerde ring in de flanken gesteund door radiale (grond)veren en het bezwijken van deze ring ten gevolge van een doorslagmechanisme in de kruin na het ontstaan van het 2e en 3e plastische scharnier [11].

54(58)


Figuur 23 Relatie tussen de ovaliserende belasting en de verticale verplaatsing van de kruin van de ring, voor een enkele gesegmenteerde ring met ondersteuning van de grond, behorende bij het model uit Figuur 22 [11].

9.6

Samenwerking tussen ringen

De samenwerking tussen ringen vindt in eerste instantie plaats via de contactvlakken tussen de ringen. Via deze contactvlakken worden de axiale vijzelkrachten van de TBM doorgegeven. Deze samenwerking berust op wrijving in de contactvlakken (dankzij de axiale krachten). Via de contactvlakken worden dwarskrachten en momenten die ontstaan bij ringwerking overgedragen. In veel tunnels worden ook zogenaamde kom-nok verbindingen tussen ringen toegepast. Deze verbindingen, moeten bij afwezigheid van een axiale kracht de ringen van de tunnel bij elkaar houden. Bij een ovalisering worden via deze kom-nok verbinding dwarskrachten ten gevolge van de ringwerking uitgewisseld. In [38] wordt de keuze van een kom-nok verbinding in de boortunnel Randstadrail gemotiveerd. Er mag niet worden gerekend op een gehele of gedeeltelijke krachtsoverdracht door wrijving tussen de ringen. Dit houd verband met het alignement van de tunnel: de tunnel ligt in grote delen ondiep in slappe Holocene lagen en er is sprake van krappe boogstralen. Door relaxatie in de Holocene lagen kan de voorspankracht verloren gaan. “Zodra de kruin van de tunnel boven het Pleistocene zand uitkomt, is een constructieve verbinding van de ringen onderling absoluut noodzakelijk vanwege de vervorming en daardoor de waterdichtheid”. In de modelberekeningen moet de interactie middels koppelstaven ter plaatste van de kom-nok-verbindingen worden meegenomen [8]. De sterkte van de verbindingen, en de invloed van het bezwijken van één of meerdere verbindingen moet worden beschouwd (progressive collaps). Een andere reden voor het (gedeeltelijk) verdwijnen van de axiale voorspankracht is het vergaan van triplexplaatjes die in een aantal Nederlandse tunnels zijn toegepast in de ringvoeg. De plaatjes zijn bedoeld om de axiale vijzelkrachten gelijkmatiger in de segmenten in te leiden. Uit [42] blijkt dat, met de Sophiaspoortunnel als voorbeeld, door het vergaan van de triplexplaatjes over de gehele lengtetunnel, de axiale voorspankracht in de ondiepere delen van de tunnel volledig kan verdwijnen. Bij een lokale uitval van de plaatjes (bijv. door inwerking van stoffen uit lokale grondlagen) zijn de gevolgen minder groot, met name in kleiige grond. Een lokale afname van de axiale voorspankracht doet zich voor bij liggerwerking in de tunnel. De liggerwerking ontstaat wanneer individuele ringen niet in evenwicht zijn met de omgeving en de resultante van de netto belasting via naburige ringen (dwarskracht) moet worden afgedragen. Door de overdracht van dwarskracht ontstaan ook liggermomenten in de tunnel die worden geleverd door de verdeling van axiale krachten. Aan de “trekzijde”van het moment nemen de axiale krachten af en kunnen (lokaal) verschuiving tussen de segmenten optreden ten gevolgen van de radiale belasting op

55(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels de segmenten. Aan de drukzijde nemen de axiale krachten toe, wat aanleiding kan geven tot uitknikken (plooi) van de lining. Het bezwijkmechanisme met vier plastische scharnieren van Bakker [13] gaat uit van een starplastisch gedrag van de lining. De aanwezigheid van segmenten en de bijbehorende samenwerking tussen ringen is hierbij niet aan de orde. Het doorslagmechanisme van Blom [11] daarentegen, betreft het gedrag van een individuele ring. De rol van de samenwerking tussen de ringen via de contactvlakken is de onderzoeksparameter in de derde proevenserie met de tunnelproef opstelling in het Stevin laboratorium. Ook in de proeven die in het kader van de Elbetunnel zijn gedaan, is specifiek gekeken naar de samenwerking tussen ringen. Deze proeven hebben echter betrekking op de gebruiksituatie van de tunnel. 9.7

Invloed van de grondgesteldheid en gronddeformaties

Er volgen hier enkele voorbeelden uit de praktijk waarbij de grondgesteldheid of vervormingen in de ondergrond de sterkte van de lining beïnvloed. 9.7.1

Grondgesteldheid

Twee voorbeelden van projecten waar maatregelen zijn getroffen om de lining te beschermen in verband met de bodemgesteldheid zijn: de Botlekspoortunnel en de boortunnel Randstadrail. Nabij de ontvangstschacht van de Botlekspoortunnel (westzijde) ligt de tunnel in zeer slappe holocene lagen (o.a. een laag Holland Veen). De bodem is daarom over een lengte van ca. 150 m vanaf het Pleistoceen tot boven de kruin van de tunnel middels kalk-cementkolommen versterkt. De grondverbetering was niet alleen nodig om de tunnelboormachine te kunnen sturen, maar ook om een stabiele ligging van de tunnel te bewerkstelligen. Aan de grondverbetering zijn eisen aan sterkte en stijfheid gesteld. De artikelen in cement nr.1 van 2005 over het project Randstadrail geven een goed beeld van de gevolgen van “slechte” grondgesteldheid voor het ontwerp van de lining. Wanneer de tunnel minder dan 180 graden is ingebed in het Pleistoceen, wordt de betonnen lining te zwaar belast en zijn aanvullende maatregelen nodig om de sterkte van de tunnel te garanderen. Deze maatregelen bestaan uit ofwel een grondverbetering, ofwel de toepassing van een stalen lining [38, 39]. De te zware belasting op de lining is het gevolg van de consolidatie van de slappe Holocene lagen [8]. Omdat de tunnel zelf niet zakt, door de gedeeltelijke ligging in het Pleistoceen, resulteert de consolidatie in een negatieve kleefbelasting op de lining. Deze belasting bestaat uit een verticale en een horizontale component en laat de lining extra ovaliseren. Een stalen lining is voorgeschreven ter plaatse van het emplacement bij Rotterdam Centraal Station. De stalen lining heeft een momentvaste verbinding tussen de segmenten van een ring en een verbinding tussen de ringen onderling. Ter plaatse van de Sint Fransiscus Driehoek is gekozen voor een grondverbetering (verdichting en mixed in place methode), waarbij eisen zijn gesteld aan de sterkte van de grondverbetering. 9.7.2

Invloeden op bestaande tunnelbuis door aanleg van een nieuwe tunnelbuis

Het thema onderlinge beïnvloeding is voor de het onderwerp bezwijkveiligheid interessant omdat door de aanleg van een 2e tunnelbuis de spanningssituatie rondom en in de 1e tunnelbuis kan veranderen. Dat kan aanleiding zijn voor het verbruiken van een deel van de reservecapaciteit van de lining. Voor het praktijkonderzoek Pannerdensch Kanaal COB-F502 is in 2002 een literatuurstudie [43] verricht

56(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels naar de onderlinge beïnvloeding van tunnelbuizen bij beperkte tussenafstand (< ½ D). Daarbij is gekeken naar de veranderingen in de grond- en waterspanningen en naar de toename in ovalisering van de lining. Uit de gepresenteerde resultaten uit 3 publicaties kan worden opgemaakt dat de toename in ovalisering zeer beperkt is (<1%). Voor de literatuurstudie bezwijkveiligheid zijn in de verslagen van tunnelcongessen meerdere publicaties gevonden over het thema onderlinge beïnvloeding. In drie van deze publicaties komt de toename in ovalisering en de constructieve veiligheid aan de orde. In [44] schrijft Wen dat in het algemeen wordt aangenomen dat er geen sprake is van beïnvloeding bij een tussenafstand groter dan één diameter. In Japan vindt men bij kleinere tussenafstanden (dan 1xD) een uitgebreid onderzoek noodzakelijk [43]. De nieuwe Circle Line van de metro in Singapore loopt door dichtbebouwde stadsdelen. Om de bebouwing te ontzien is ervoor gekozen de beide tunnelbuizen dicht bij elkaar te leggen [44]. Het gaat om tussenafstanden van minder dan één tunneldiameter, met een minimum van 2,3 meter. De inwendige diameter bedraagt 5,8 m. Vanwege de geringe tussenafstand is er speciale aandacht besteed aan de ovalisering van de eerste tunnelbuis ten gevolge van de aanleg van de tweede tunnelbuis. Op basis van het verwacht volumeverlies is een inschatting gemaakt van de gronddeformaties rond de 2e tunnelbuis. Deze deformaties zijn vertaald naar een gemiddelde toename van de ovalisering van de 1e tunnelbuis en bijbehorende toename van het buigende moment. Figuur 24 geeft een indruk van het moment onder ‘ground loading’ en de toename van het moment door de aanleg van de 2e buis (een toename van ca. 25%). Voor de opname van het buigende moment wordt de reserve die er is tussen het berekende moment zonder beïnvloeding en het moment in de uiterste grenstoestand (de contourlijn). [Verondersteld wordt dat de getoonde momenten, rekenwaarden zijn.]

Figuur 24 Benutten van de reservecapaciteit van de lining om de toename van het buigende moment in de bestaande tunnelbuis ten gevolge van de aanleg van een nieuwe tunnelbuis op te kunnen nemen [44]

57(58)

Literatuurstudie naar de bezwijkveiligheid van boortunnels Verwacht wordt dat op de lange termijn de ovalisering nog kan toenemen. Daarom is voor het lange termijn belastinggeval (ULS), bij een gereduceerde stijfheid van de lining als opgelegde vervorming een ovalisering van 15 mm op de diameter toegepast. In [45] beschrijven Hefny e.a. de resultaten van een parameterstudie naar de onderlinge beïnvloeding voor een andere metrolijn (diameter = 6m) in Singapore (the North-East Line). Met behulp van PLAXIS zijn berekeningen gemaakt van onder andere de toename van het buigend moment in de 1e tunnelbuis bij tussenafstanden (hart-op-hart) variërend van 2,5 tot 10 keer de straal [tussenafstanden van 0,25D-4,5D] en verschillend volumeverlies. Enkele resultaten staan in Figuur 25. Daaruit blijkt dat bij een volumeverlies van 2% het moment bij een hart-op-hart afstand van 4R (dit is een tussenafstand van 1D) met ca. 10% toeneemt en bij een afstand van 3R (tussenafstand 0,5D) met ruim 20%. Bij een volume verlies van 0% is er sprake van een afname.

Figuur 25 Toename van het buigende moment in de lining van een bestaande tunnelbuis ten gevolge van de aanleg van een tweede (naastgelegen) tunnelbuis als functie van de hart-op-hart afstand tussen de buizen en het volumeverlies door het boorproces [45].

De tunnelbuizen van de North East Line gaan nabij het station Outram park onder twee bestaande metrotunnels door (haakse kruising). In [46] wordt beschreven hoe is onderzocht of de veiligheid en duurzaamheid van de bestaande tunnels en de veiligheid tijdens exploitatie van het spoor worden aangetast door aanleg van de nieuwe tunnels. Daartoe zijn een aantal grenstoestanden voor de lining geïnventariseerd: ovalisering (horizontaal en verticaal), zettingen, verschuivingen, voegrotaties. Omdat er lokaal sprake was van corrosie van de wapening is ook de momentcapaciteit gereduceerd. De publicatie gaat vooral in op de aanpak van het onderzoek en de uitgevoerde monitoring. Bovenstaande publicaties gaan uit van de effecten op de lining bij een gecontroleerd boorproces. Het thema (bezwijk)veiligheid wordt expliciet genoemd. Het gaat hierbij om het aanspreken van de reservecapaciteit van een doorsnede van de ring. Er wordt geen beroep gedaan op de reservecapaciteit die er is voorbij het punt waarbij het eerste plastische scharnier is ontstaan. De gevolgen van een boorfront-instabiliteit bij kleine tussenafstanden komen niet aan de orde, maar kunnen zeer relevant zijn voor de bezwijkveiligheid van de bestaande tunnelbuis

58(58)

Bezwijkveiligheid van boortunnels Literatuurstudie

Recommend Documents