CONDITIONERING VAN ZAND- GROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN HET GRONDDRUKBALANSSCHILD S. van der Woude 03

CONDITIONERING VAN ZANDGROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN HET GRONDDRUKBALANSSCHILD S. van der Woude 03

CONDITIONERING VAN ZANDGROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN BET GRONDDRUKBALANSSCBILD

s. van

der W oude, Augustus 1996, student Ingenieurs Geologie, Technische Universiteit Delft, interfacultaire werkgroep; "Gebruik van de Ondergrondse Ruimte",

SAMENVATTING

De verkeers- en vervoersinfrastructuur in Nederland zal de komende jaren worden uitgebreid. Door gebrek aan ruimte wordt de uitbreiding van infrastructuur bemoeilijkt. Ondergrondse constructie met behulp van schildsystemen is een technisch haalbaar altematief, voor aanleg vanafhet maaiveld. In het westelijk gedeelte van Nederland wordt de ondergrond gekenmerkt door een afwisselling van cohesieve en niet-cohesieve lagen met losse pakking en hoge grondwaterstand. In deze omstandigheden komen het vloeistofschild en het gronddrukbalansschild in aanmerking voor tunnelbouw. Grofweg is het gronddrukbalansschild inzetbaar in cohesieve grond en het vloeistofschild in niet-cohesieve grond. Een schild dat toepasbaar is in zowel cohesieve als niet-cohesieve grondsoorten is ideaal voor tunnelbouw in dit gedeelte van Nederland. Hiervoor moet de inzetbaarheid van de schildsystemen worden uitgebreid. Het gronddrukbalansschild wordt algemeen beschouwd als een eenvoudiger en goedkoper systeem. De grond in het gronddrukbalansschild moet functioneren als ondersteuningsmediurn en moet derhalve steundruk kunnen overdragen, slecht doorlatend, goed vervormbaar en gemakkelijk transporteerbaar zijn. Door toevoegingen kunnen de eigenschappen van grond veranderd worden (grondconditionering) zodat de oorspronkelijke grond voldoet aan de eisen voor een ondersteuningsmedium. Hiermee wordt de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild vergroot. Zandgrond voldoet niet als ondersteuningsmediurn en moet worden geconditioneerd zodanig dat de permeabiliteit verlaagd wordt, de vervormbaarheid verbeterd en de samendrukbaarheid en elasticiteit worden verhoogd. Toevoeging van bentoniet-suspensies met hoog volurnegewicht, schuim en polymeergel worden in de praktijk gebruikt om de eigenschappen van zand te veranderen. Uit experimenten en literatuuronderzoek is gebleken hoe deze conditioneermiddelen werken en wat de zwakke punten van de verschillende injectiesystemen zijn. Hierbij is in het bijzonder gekeken naar de conditionering van middelgrof korrelig zand, dat veel voorkomt in Pleistocene afzettingen, en dat in het verleden veel problemen heeft veroorzaakt bij tunnelconstructie met gronddrukbalansschilden. Hoge dichtheid suspensies (HDS) werken op basis van waterbinding. Vanwege de hoge zwichtspanning van dit conditioneermiddel, is het niet in staat de formatie te penetreren en daarbij het grondwater te verdringen. Al het aanwezige grondwater wordt in de grondbrij opgenomen en moet door de HDS worden gebonden zodat geen vloeibare maar een plastisch vervormende grondbrij ontstaat. HDS geconditioneerde grondbrij is daarmee gevoelig voor fluctuaties in het watergehalte van de oorspronkelijke grond. Schuim penetreert de formatie en verdringt daarbij het grondwater. De grondbrij die ontstaat is slecht doorlatend, goed vervormbaar en droog. De schuimbellen in de grondbrij zijn samendrukbaar, waardoor fluctuatie in de aangebrachte steundruk uitgedempt worden. Schuimconditionering is gevoelig voor variaties in de poriengrootte en permeabiliteit van de oorspronkelijke grond.

i

Bij conditionering met polymeergel moet een optimum worden gevonden tussen lage zwichtspanning, diepe penetratie en hoge viscositeit voor de vorming van een plastisch vervormende en laag permeabele grondbrij. Dit vereist een nauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie van de polymeren. Bij conditionering van zandgrond is het belangrijk dat de oorspronkelijke grondparameters bekend zijn en dat de eigenschappen van de grondbrij voortdurend worden gecontroleerd. Voor zandgrond moeten de wrijvingshoek, cohesie, korrelgrootte verdeling, volumegewicht, porositeit, poriengrootte en permeabiliteit nauwkeurig worden bepaald. De werking van de conditioneermiddelen is gevoelig voor variaties in deze grondparameters. Het is van belang om fluctuaties van de waarden van de verschillende grondparameters op voorhand te kennen, zodat het injectiesysteem tijdig kan worden aangepast. Hierbij kunnen instrumenten die vanuit de tunnelboormachine metingen verrichten uitkomst bieden. Op basis van het verrichte onderzoek lijkt het gronddrukbalansschild met schuimconditionering goed toepasbaar in de Nederlandse ondergrond. Experimenten waarbij de omstandigheden tijdens ontgraving en in de tunnelboormachine beter worden benaderd dan bij de experimenten die in het kader van dit onderzoek zijn uitgevoerd, moeten aantonen of dit ook daadwerkelijk het geval is. Verder onderzoek naar de optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium en het functioneren van de conditioneermiddelen moet worden uitgevoerd zodat het gronddrukbalansschild nauwkeuriger kan worden bestuurd en probleemloos kan worden toegepast in zandgrond.

ii

VOORWOORD

Dit onderzoek is uitgevoerd ter afsluiting van de studie Mijnbouwlrunde en Petroleum winning in de richting Ingenieursgeologie, aan de Technische Universiteit Delft. Het onderzoek is uitgevoerd bij de sectie Geotechniek aan de faculteit Civiele Techniek van de Technische Universiteit Delft, in het kader van de interfacultaire werkgroep; "Gebruik van de Ondergrondse Ruimte" (GOR) van de de faculteit Civiele Techniek. Het GOR wordt gecoordineerd door de leerstoel Ondergronds Bouwen van de faculteit Civiele Techniek, de leerstoel is ingesteld parallel aan de oprichting van het Centrum Ondergronds Bouwen (COB). Het onderzoek heeft plaats gevonden vanjanuari tot augustus 1996 en is afgesloten met een presentatie op 27 augustus 1996. De directe begeleiding van het onderzoek is geleverd door de leden van de afstudeercommissie. Deze bestaat uit: Prof Jr. D.D. Genske (MP, ingenieursgeologie) Prof Jr. E. Horvat (CT, ondergronds bouwen) Prof II. A.F. van Tol (CT, geotechniek) Jr.B. Polen! Ir.W. Broere (CT, geotechniek) Jr. lA. Ringers (Visser & Smit Hanab) Drs.P.N.W. Verhoef(MP, ingenieursgeologie)

Graag wi! ik de leden van de afstudeercommissie bedanken voor de bijdrage die zij hebben geleverd aan dit onderzoek. Ik heb veel geleerd van hun kennis en instructies. Verder ben ik dank verschuldigd aan de mensen en bedrijven die mij hebben voorzien van materiaal, apparatuur en kennis welke onmisbaar waren voor de uitvoering van dit onderzoek. Ad Verhagen van het laboratorium van de Koninklijke Militaire Academie in Breda voor het uitlenen van zijn schuimgenerator, Alberto lannaci van Lamberti spa. voor de levering van schuimstoffen, Jaap Groen van Cebo Holland voor het uitlenen van zijn shear-o-meter. Willen Verwaal, van de vakgroep ingenieursgeologie voor het lenen van de vintest apparatuur. Oscar Vos ben ik dankbaar voor het verstrekken van de geotechnische gegevens van de Botlekspoortunnel. Ulrich Maidl van Billfinger und Berger die mij voorzien heeft met nuttige opmerkingen en adviezen ben ik tevens dank verschuldigd. In het bijzonder wi! ik de heren Gert Klaassen, Hans Ringers, Adriaan van Seeters en Frans Verduin van Visser & Smit Hanab bedanken voor hun ondersteuning, ideeen en de prettige samenwerking. Ten slotte wi! ik Gea Datema, Jacco Haasnoot, Edwin van der Holst en Rob Zilver bedanken voor hun geduldige nakijkwerk en zinvolle opmerkingen.

Sallo van der Woude Augustus 1996.

III

INHOUDSOPGAVE

Samenvatting

1

V 0orwoord

ill

Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Algemeen 1.2 Probleemstelling 1.3 Doelstelling 1.4 Plan van aanpak 1.5 Rapportindeling

1 2 2 2 3

Hoofdstuk 2.1 2.2 2.3 2.4

5 6 9 11

2 Tunnelboormachines Inleiding Vloeistofschild Gronddrukbalansschild V 0or- en nadelen van het EPB- en vloeistofschild

Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium 3. 1 Inleiding 3.2 Permeabiliteit 3.3 Vervormbaarheid of consistentie 3.4 Samendrukbaarheid en elasticiteit 3.5 Abrasiviteit 3.6 Kleverigheid

in EPB-schild

Hoofdstuk 4 Conditioneermiddelen 4. 1 Inleiding 4.2 Conditioneermiddelen Algemeen 4.3 Bentoniet en hoge dichtheid suspensie 4.4 Schuim 4.5 Polymeergel

Hoofdstuk 5 Praktijk studie 5. 1 InIeiding 5.2 Constructie van metrolijn nr.5 inValencia, Spanje 5.3 Constructie van metrolijn nr.12, traject 2 in Tokyo, Japan 5.4 Kruising van transportleiding met ringvaart in Zevenhuizen, Zuid-Holland 5.5 Bot1ekspoortunne~ toekomstig proefproject voor grote diameter tunnel constructie. 5.6 Discussie (vergelijking van de vier praktijkprojecten) 5.7 Conc1usies

IV

15 15 16 20 21 22

25 25 28 34 45

49 49 55 62 69 76 77

Hoofdstuk 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

6 Testprogramma Inleicling Grondmonsters Conditioneermiddelen Grondbrij (mengsels van zand, water en conditioneermiddel) Conclusies

79 79 82 96 113

Hoofdstuk 7 Conclusies

115

Hoofdstuk 8 Aanbevelingen

117

Referentielijst

119

v

Hoofdstuk 1 Inleiding

HOOFDSTUK

1

INLEIDING

1.1 ALGEMEEN

1.1.1 Maatschappelijk

relevantie

Om de prominente positie van Nederland als hande1s- en transportland te behouden zal m de komende jaren de verkeers- en vervoersinfrastructuur m Nederland worden verbeterd en uitgebreid. Door het kabinet Kok zijn extra middelen beschikbaar gesteld voor uitbreidffig van de infrastructuur. In stedelijk gebied is het in veel gevallen onmogelijk om ruimte te creeren voor nieuwe infrastructuur. In rurale gebieden wordt, als gevolg van recreatie- en milieuoverwegingen, bovengrondse aanleg van nieuwe verkeerswegen steeds vaker als ongewenst beschouwd. Ondergrondse constructie met behulp van schildsystemen is een technisch haalbaaraltematiefvoor constructie aan de oppervlakte. Op dit moment zijn een aantal boortunnelprojecten in voorbereidffig. De Heinenoordtunnel en de Botlekspoortunne1 zijn proefjJIojecten met als doel ervaring op te doen met grote diameter boortunnels in de Nederlandse ondergrond. Andere boortunnelprojecten die in de toekomst hoogstwaarschijn1ijk uitgevoerd zullen worden zijn de Westerschelde-oeververbinding, de Noord-Zuidlijn voor de metro in Amsterdam en een deeltraject van de Hogesnelheidslijn door het groene hart. Naast deze grote diameter tunnels worden net als m de laatste jaren, op grote schaal transportleidingen voor olie, gas, afval- en drinkwater geboord.

1.1.2 Schild system en voor de Nederlandse ondergrond. In de Nederlandse ondergrond, die gekenmerkt wordt door jonge sediment en zonder cementatie met losse pakking en hoge grondwaterspiege~ moet om een tunnel te kunnen aanleggen, de grond worden ondersteund. Bij ondergrondse constructie gebeurt dit met behulp van een schild. Omdat ook het boorftont waar de grond afgegraven wordt instabiel is als deze niet ondersteund wordt, moet de afgraving worden gecombineerd met ondersteuning. Voor de Nederlandse ondergrond komen twee principes voor de ondersteuning van het boorftont m aanmerking: ondersteuning met vloeistof(vloeistofschild) en ondersteuning door middel van de afgegraven grond zelf (gronddrukbalansschild). Het gronddrukbalansschild wordt algemeen beschouwd als een eenvoudiger en goedkoper systeem Bij tunne1constructie met schildsystemen worden eisen geste1d aan de te ontgraven grond. Omdat de ontgraven grond bij een gronddrukbalansschild dienst doet als ondersteuningsmedium worden in vergelijking met het vloeistofschild meer en streng ere eisen gesteld aan de eigenschappen van de grond. Grond met een hoog gehalte aan fijne delen en een geschikt watergehalte voldoet aan deze eisen. Als de oorspronkelijke grond niet de gewenste eigenschappen heeft kunnen deze worden veranderd met conditioneerstoffen. Hiermee wordt het inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild uitgebreid. Het schild is op dit moment reeds economisch inzetbaar in grondsoorten die in het verleden een ander type schild vereisten.

1

Grondconditionering in het EPB-schild

1.2 PROBLEEMSTELLING

Algemeen beschouwd bestaat de Nederlandse ondergrond uit een afwisseling van cohesieve en niet cohesieve lagen. Het vloeistofschild is inzetbaar in niet cohesieve grond (zandgrond). Het gronddrukbalansschild is inzetbaar in cohesieve grond (kleigrond). A1sbij een project wordt besloten om gebruik te maken van 6en type tunnelboormachine dan kunnen problemen ontstaan als langs het traject verschillende grondsoorten ontgraven moeten worden. Aannemers die pionierswerk hebben verricht op het gebied van tunnelconstructie in Nederland hebben dit probleem aan den lijve ondervonden. Door toepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild worden uitgebreid zodat ook niet cohesieve grond met een gronddrukbalansschild ontgraven kan worden. Met de toepassing van de recent ontwikkelde schullninjectietechnologie zijn goede resultaten geboekt in niet cohesieve grond. In Nederland is echter weinig kennis aanwezig omtrent de toepassing en werking van conditioneerstoffen voor niet cohesieve grond.

1.3 DOELSTELLING

Het doe! van dit onderzoek is de kennis op het gebied van grondconditionering voor toepassing in gronddrukbalansschilden te vergroten. Hierbij wordt in het bijzonder gekeken naar conditionering van de eigenschappen van zand, werking van de verschillende conditioneerstoffen en zwakke punten van de verschillende conditioneersystemen. Dit onderzoek kan worden gezien als verkenning van de recente ontwikkelingen op het gebied van grondconditionering bij gronddrukbalansschilden. Msluitend worden een aantal aanbevelingen voor verder onderzoek gedaan.

1.4 PLAN VAN AANP AK

Als eerste is een literatuurstudie uitgevoerd. Hierbij is achterhaald wat de mogelijkheden zijn van de verschillende schildsystemen, wat de ideale eigenschappen zijn van de grondbrij in de werkkamer van een gronddrukbalansschild en hoe en met welke middelen de oorspronkelijke grondcondities veranderd kunnen worden opdat een ideale grondbrij gevormd wordt. Vervolgens zijn een aantal praktijkstudies uitgevoerd waarin conditionering van zandgrond centraal staat. Hieruit is gebleken dat het gronddrukbalansschild succesvol kan werken in zandgrond.

2

Hoofdstuk 1 Inleiding

Tenslotte is een testprogramma uitgevoerd om te begrijpen hoe de verschillende conditioneerstoffen werken en te achterhalen wat de zwakke plekken van de verschillende conditioneersystemen zijn. Zodat kan worden bepaald of middelgrofkorrelig grindhoudend zand, dat veel voorkomt in het Pleistoceen, kan worden geboord met een gronddrukbalansschild. Gedurende de verschillende stadia van het onderzoek is informatie uitgewisseld en zijn gesprekken gevoerd met deskundigen op het gebied van grondconditionering en tunnelconstructie. In deze gesprekken zijn problemen uit de praktijk, recente ontwikkelingen en beperkingen van de verschillende systemen besproken.

1.5 RAPPORTINDELING

N a een inleidend deel dat bestaat uit een voorwoord, samenvatting en dankwoord worden de bevindingen tijdens het afstudeeronderzoek gepresenteerd in acht hoofdstukken. Hieronder voIgt de hoofdstukindeling. Hoofdstuk een is een algemene inleiding. In hoofdstuk twee, drie en vier worden achtereenvolgens het principe en de inzetbaarheid van het vloeistofschild en het gronddrukbalansschild besproken, de optimale eigenschappen van de door een gronddrukbalansschild te ontgraven grond en de conditioneermiddelen die worden gebruikt om de eigenschappen van deze grond te veranderen. De informatie in deze hoofdstukken is gebaseerd op literatuurstudie. In hoofdstuk vijfworden vier praktijkstudies besproken, waarin niet cohesieve grond is ontgrayen met een gronddrukbalansschild. De informatie voor deze praktijkstudies is verkregen uit de literatuur en via de bedrijven die bij deze projecten betrokken zijn. In hoofdstuk zes worden de resultaten van de laboratorium experimenten besproken. Het verslag sluit met een aantal conc1usies en aanbevelingen in hoofdstuk zeven en acht. Hoofdstuk 1, inleiding en problematiek. Hoofdstuk 2, principe en inzetbaarheid van het vloeistof- en gronddrukbalansschild. Hoofdstuk 3, ideale eigenschappen van de grondbrij in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. Hoofdstuk 4, fimctie en werking van de drie belangrijkste conditioneerstoffen. Hoofdstuk 5, praktijkstudies van tunnelprojecten waarbij zandgrond ontgraven wordt met gronddrukbalansschilden. Hoofdstuk 6, testprogramma naar fimctioneren van de conditioneermiddelen. Hoofdstuk 7, conc1usies. Hoofdstuk 8, aanbevelingen.

3

Grondconditionering

in het EPB-schild

4

Hoofdstuk 2

HOOFDSTUK

2

Tunnelboonnachines

TUNNELBOORMACHllffiS

2.1 INLEIDING

In veel tunne1projecten heeft de ondergrond niet voldoende samenhang om zonder ondersteuning een tunnel te boren; er is een schild nodig dat de grond weerhoud in te storten en dat het grondwater buiten de tunnel houdt. Aan de voorzijde van het schild wordt de grond ontgraYen. Bij losgepakte grond moet ook dit graaffront worden ondersteund. Het graaffront kan mechanisch worden ondersteund, met behulp van luchtdruk, gronddruk of vloeistofdruk. In een tunnelboormachine met een graafwiel waarin weinig openingen zitten (gesloten graafwiel genoemd), wordt het boorfront ondersteund door een combinatie van mechanische ondersteuning en ondersteuning door het materiaal in de werkkamer. In de afgelopen decennia zijn een groot aantal Tunnelboormachines (verder aan te duiden als TBM) ontwikkeld voor verschillende typen ondergrond. Voor tunnelboringen in de Nederlandse ondergrond komen twee typen schildmachines in aanmerking; het gronddrukbalansschild en het vloeistofschild. De twee type TBM verschillen in de manier waarop steundruk aan het graaffront, ook wel boorfront genoemd, wordt overgebracht. Bij gronddrukbalansschilden wordt de steundruk overgebracht door de ontgraven grond, bij het vloeistofschild wordt de steundruk geleverd door een vloeistof Het principe, de opbouw en de inzetbaarheid van de twee verschillende TBM's zal in de volgende paragrafen behandeld worden. De inzetbaarheid geeft aan in welke grondcondities een type TBM succesvol kan worden ingezet. Bij het bepalen van de inzetbaarheid spee1t de korrelverdeling van de grond een belangrijke ro!. In de literatuur is tot nu toe voomamelijk aan de hand van de korrelgrootte verdeling bepaald welk type tunnelboormachine ingezet dient te worden. Gronddrukbalansschilden werken optimaal in cohesieve gronden met een plastische consistentie.

Grondbrij

Scheidingswand Steunvloeistof Drukwand

Drukwand Lucht -+

'loeistof ciculatie

=,'>:':'"

~

,=II

Schroefvij zel

Vloeistofschild

Gronddrukbalansschild

Figuur: 2.1 Principe van Hydro-schild en EPB-schild. Maidl, U (1995), figuur 1-2. 5

Giondconditionering in het EPB-schild

Vloeistof schilden zijn het best toepasbaar in cohesieloze gronden die bestaan uit grof materiaal zoals zand en eventueel ook grind. Beide methoden hebben echter een ontwikkeling doorgemaakt zodat een duidelijke tweedeling van inzetbaarheid niet meer reee! is, zie figuur 2.1 en 2.2. Het inzetbaarheid van beide machines is vergroot en de grenzen van de grenzen van inzetbaarheid overlappen. Grenzen van inzetbaarheid

~

90

:!

70

a.

60 50

-; III

:: N 1; "tI .. CD

.:! c

tJ

~

I

silt

100 klei :

I

i :

I

i

I

I

1/

I

I I

/

.

/'

30

.-Y

10

0 0.001

, I',

...

: ,I",

A

-. -t '!l

...'"

I. ~1"

0.01

-grens

/1/

inzetbaarheid Hydroschild - - - - - - - grens inzetbaarheid van s:'B-schild

//

-

i

Hydroschild

1/I

I......""

-1

Essen

-2

Milaan

,...."

,..." I

V i

/' 10

0.1

zeefdiameter

I

inzetbaarheid

...

-

-grens

.-

... -

I

rind

...

/

I

40 20

zand

! I

80

van EPB- en Hydroschild

100

iI

(mm)

:

1

Figuur: 2.2 Inzetbaarheid van EPB- (links van grens) en vloeistofschild (tussen de grenzen). Lijn I is de zeeflcromme van grand uit Essen die is afgegraven met een Hydroschild, lijn 2 is zeetkromme van grand die is afgegraven met een EPB-schild. Bijde schilden zijn ingezet ver buiten het optirnale inzetbaarheidsgebieden, naar Maidl, U. (1995).

2.2 VLOEISTOFSCHILDEN

De ontwikkeling van de vloeistofschilden gaat veel verder terug in de tijd dan die van de EPBschilden. AI in 1874 werd een patent verleend aan Greathead voor een tunnelboormachine die als voorloper van de huidige vloeistofschilden is te be schouwen, zie figuur 2.3. Vanaf eind jaren 60 bestaat een groeiende belangstelling voor de uitvoering van geboorde tunnels in grond. Met de toenemende groei ontwik.kelen de TBM's zich sneI, waarbij aanvankelijk de nadruk ligt op boomontondersteuning met behulp van vloeistof Het vloeistofschild heeft in Japan, Engeland en Duitsland "onafhankelijk" ontwik.kelingen doorgemaakt. Figuur: 2.3, Vloeistofschild van "Greathead". Maidl, B (1995)

6

Hoofdstuk 2

Tunnelboormachines

In Japan resulteert dit m het "slurry shield". In Duitsland zijn naast het vee1 gebruikte "hydroshield" verscheidene variant en ontwikkeld zoals het "mixshie1d", "hydrojetshield" en "thixshield" zie figuur 2.4. De eerste tunnels met een vloeistof schild worden achtereenvolgens m Japan 1970, Engeland 1971 en Duitsland m 1974 gebouwd.

2.2.1 Principe en machine opbouw Bij de vloeistofschilden wordt de steundruk geleverd door een suspensie van bentoniet of niet zwellende kleien. De suspensie wordt m de gesloten werkkamer gepompt, zodat de druk kan worden geregeld. De suspensie drIDgtm de grondformaties, die zij vervolgens bijna ondoorlatend maakt door de vormmg van een filterkoek. De filterkoek zorgt voor afsluitmg van het boorftont zodat de vloeistof in de werkkamer onder druk kan worden gezet en voor stabiliteit van de mdividuele korrels m de matrix. Er zijn ook deskundigen die beweren dat de steundruk geleverd word door het graafwiel. De vloeistofdruk Vloeistofschild draagt slechts m geringe majl:E Vloeistof te bij aan de ondersteuning graafwiel L-.J buffer van het boorftont, Mori (1995). Deze bewering is drukwand J aannemelijk voor TBM's met een gesloten graafwiel. Door Thixchild ontgraving wordt de filterkoek voortdurend afgebro.LVloeistof CF buffer ken en opnieuw opgebouwd. Cutterbagger Het ontgraven materiaal en drukwand de suspensie worden m de werkkamer vermengd en vervolgens verpompt. De Hydro schild ondersteuningsvloeistof doet lucht dan dienst als transportmedivloeistof um Aan het oppervlak worgraaiwiel den ontgraven materiaal en scheid~gswand drukwand suspensie van elkaar geschei== den met behulp van een Hydr()jetschild scheidingsmstallatie. De verschillende constructie Lucht waterJet a:. varianten van vloeistofschilden berusten op verschillen scheidingswand m ontgraving en op de drukwand --, J: aanwezigheid van luchtFiguur: 2.4 Principe opbouw van de verschillende vloeistofscbildsyste- drukbuffers.

~

--

~

--

---3.~

~

~

.

--

--

"""""

~

"'"

men. Maidl, B (1995), figuur 10-4.

7


De luchtdrukbuffer is in Duitsland ontwikkeld en dient om drukwissellingen in de werkkamer uit te vlakken, zodat de druk aan het boomont stabieler is en het ontgravingsproces beter te controleren is. Afgraving vindt plaats met behulp van een graafwiel, "Slurry shield" en "hydroshield" , door een bewegende snijkop "thixshield" of door water onder hoge druk tegen het boomont aan te spuiten "hydrojet shield", zie figuur 2.4. Ontgraving met een graafwiel verdient de voorkeur in de losgepakte Nederlandse grondsoorten omdat deze in (gedeeltelijk) gesloten vorm zorgt voor mechanische ondersteuning van het boomont. Door de aanwezigheid van een luchtbuffer in het "hydro"-schild kan de steundruk nauwkeuriger worden afgesteld dan bij het "slurry"-schild, het ''hydro''-schild verdient daarom de voorkeur in de Nederlandse ondergrond. In de volgende paragrafen wordt bij de bespreking van het vloeistofschild het ''hydro''-schild in het bijzonder bedoeld.

2.2.2 Bodemgesteldheid

en inzetbaarheid

Vloeistofschilden functioneren het best in zandgrond. Hier zijn de omstandigheden ideaal voor de vorming van een filterkoek, en de gronddeeltjes mengen goed met de transportvloeistof Omdat de scheiding van suspensie en grond duurder wordt naarmate de korreldiameter afueemt is er wat korrelgrootte betreft een economische inzetgrens voor vloeistofschilden. Technisch gezien zijn er ook grenzen aan de inzetbaarheid met betrekking tot de korrelverdeling zie figuur 2.5. Is de grond te grofkorrelig dan ontwijkt alle suspensie en wordt er geen filterkoek opgebouwd. Men verliest dan veel bentoniet maar belangrijker is dat de steundruk niet meer overgebracht kan worden. Is het materiaal fijnkorrelig en cohesief dan kunnen problemen ontstaan met de afvoer. Als de klei slap is dan kan het gemakkelijk in de werkkamer dringen en goed met de vloeistof in de werkkamer worden gemengd. De afvoer van vloeistofverloopt zonder problemen. Is de klei geconsolideerd en heeft het een hogere consistentie (samenhang) dan ontstaan problemen door verstopping in de transportleidingen en de doorgangen in het graafwiel. Inzetbaarheid klei

van vloeistofschild

volgens Krause (1987)

zand

silt

grind

100

-

gJ

N

~

~51::~ 4) ... ClIII

II

90 80

1 /

70

V

/

00

/

50

CII 40 CI::! c.. 30 c

f" ~V

2 ,I l/

III

s

f!

8.

20 10 0 0.001

/' ~/

--

-"

i/

0.01

0.1 zeefdiameter

10 (mm)

Figuur: 2.5 Inzetbaarheid van het vloeistofschild volgens Krause (1987). 8

100

Hoofdstuk 2 Tunnelboonnachines

2.3GRONDDRUKBALANSSCHILDEN

De gronddrukbalansschilden, "earth pressure balance shield" ofEPB-schild zijn voor het eerst ontwikkeld in Japan. De eerste toepassing vindt plaats in 1974 in Tokyo, Peron (1994). In Japan bestaat een voorkeur voor het EPB-schild in vergelijking met het vloeistofschild, Maidl, B.( 1995). Op dit moment zijn twee van de drie gebouwde tunnelboormachines in Japan EPB type tunnelboormachines. In Europa bestaat een lichte voorkeur voor het vloeistofschild, de keuze wordt vooral bepaald door de grondcondities, Herrenknecht (1994), Babendererde (1991), Becker (1993).

() CD

Graafwiel Grondbrij Schroefvijzel Afsluitklep Hydraulische vijzels Tunnelmantel

Figuur: 2.6 Principe van het gronddrukbalansschild. Krause (1987), figuur 39.

2.3.1 Principe

en machine

opbouw

In figuur 2.6 staat een gronddrukbalansschild afgebeeld. Als de grond wordt losgewoeld door het graafwiel van de machine wordt deze opgevangen in de direct achterliggende werkkamer. De werkkamer moet geheel zijn gevuld met grond zodat de steundruk die geleverd wordt door de hydraulische vijzels kan worden overgebracht op het boorfront. De schroefvijzel is een belangrijk onderdeel dat zorg draagt voor de afVoervan materiaal uit de werkkamer. Tussen het boorfront en de uitgang van de schroefvijzel bestaat een drukverschil dat de schroefVijzel moet overbruggen. In figuur 2.7 wordt gerdealiseerd weergegeven hoe het materiaal door de werkkamer en de schroefvijzel stroomt. In figuur 2.7 wordt uitgegaan van constante steundruk en zijn de rotatie van de afgegraven materiaal in de werkkamer en de schroefvijzel buiten beschouwing gelaten. Als hogere drukken beheerst moeten worden kunnen twee schroefvijzels met verschillende diameter en rotatiesnelheid achter elkaar opgesteld worden, Babendererde ( 1993). 9


Het graafProces wordt gestuurd door een evenwicht tussen geleverde steundruk, aangebracht via de hydraulische vijzels, en de afvoer via de schroefvijzel. Wordt teveel grond afgegraven dan worden de gaten die in de werkkamer ontstaan gevuld met grond uit de omgeving van de tunnel. Dit veroorzaakt deformaties en zettingen aan het oppervlak. Wordt te weinig grond ontgraven dan neemt de steundruk toe en kan er opheffing aan het oppervlak plaatsvinden. Transport van de afgegraven grond door de tunnel vindt plaats via transportbanden, per spoor of via leidingen na menging met water. Laatst genoemde manier van afvoer is niet wenselijk omdat het materiaal gemengd word met water (ofbentonietsuspensie), terwijl droge afvoer juist word gezien als een voordeel van het EPB-schild, Schalkwijk (1993).

I

Werkkamer

~

stator

----

--

Stromingslijn Equipotentiaallijn

geringe drukval mixer

~\)1J?\ e\,!\et

pt\\\C.o\1~

sc\\t°e

\

,,:;00!0

A,e-\ \1.\)ec\\e'Lo~ Get ------- \"" ~

\1.\)ec\\e---------

\

.

\ \ ~oo/o1

. \'!\

sc\\toe\'J\)1J?\

GtU\C.'Iet\Oo\1

Figuur: 2.7, Stroming en equipotentiaallijnen door werkkamer en schroefvijzel. Maidl, U (1995) figuur 11-2

2.3.2 Bodemgesteldheid

en inzetbaarheid

De gronddrukbalansschilden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik in homogene fijnkorrelige cohesieve grond. De eerder ontwikkelde vloeistofschilden voldoen niet in deze ondergrond omdat het scheiden van kleien siltdeeltjes van de bentoniet steunvloeistof moeilijker en kostbaarder wordt bij afllemende korreldiameter. Het schild werkt optimaal in kleiige grond met papperige tot weke consistentie. Door toepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild worden uitgebreid van cohesieve grond tot matig cohesieve grond en zelfs tot niet cohesieve zandgrond, zie figuur 2.8. Links van lijn 1 bevind zich het optimale inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild. 10

Hoofdstuk 2

Tunnelboonnachines

Conditionering van de grond is alleen nodig indien de consistentie van het materiaal niet geschikt is. Tussen lijn 1 en 2 moet de grond worden geconditioneerd om de permeabiliteit te verlag en, hierbij moet de vervormbaarheid van het materiaal plastisch blijven. Tussen lijn 2 en 3 kan het schild alleen worden ingezet als de tunnel boven het fteatisch vlak blijft. Rechts van lijn 3 is het EPB-schild slecht inzetbaar.

Verruiming

1:: III

100 90

'Gi :!I ~

80 70 60 50

&

40 30

C" Q/

20

= :3 Do

..~ .g

e III Do

klei

10 0 0.001

van het inzetbereik

van het EPB-schild

zand

silt

grind

/ ./

, 1 ./2 ...

./

!7

1/

V -'

-,, "

~I,.. 0.01

"

V j,;

rT V

V ./

V

0.1 zeefdiameter

10

100

(mm)

Figuur: 2.8 Inzetbaarbeid van bet gronddrukbalansschild, volgens Maid!, U. (1995).

2.4 VOOR- EN NADELEN VAN BET EPB- EN VLOEISTOFSCHILD

Tijdens constructie van de geboorde tunnel streeft men naar behoud van oorspronkelijke grondspanningen, zodat deformaties niet optreden. Het boorITont moet gedurende de hele operatie ondersteund worden. De besproken typen tunnelboormachines hanteren verschillende wijzen van ondersteuning en transport. Er is geen universeel toepasbare tunnelboormachine voor gebruik in zachte grond, Babendererde (1991). De machine moet worden aangepast aan de heersende geotechnische condities. In deze paragraaf zullen de voor- en nadelen van het EPB- en vloeistofschild behandeld worden. Een keuze tussen de twee systemen moet berusten op economische maar vooral ook op veiligheidstechnische aspecten.

2.4.1 Voordelen van vloeistofschild Vloeistofschilden zijn beter te sturen omdat het ontgravingsproces gej;cheiden is van het ondersteuningsproces. Beide processen befuvloeden elkaar (de filterkoek die belangrijk is voor de ondersteuning wordt continu afgegraven door het graafwiel) maar kunnen "onafhankelijk" worden geregeld. Als gevolg van het lage volumegewicht en de lage viscositeit van de bentoniet suspensie in de 11

Grondconditionering

in het EPB-schild

werkkamer ten opzichte van de grondpasta m een EPB-schild is veel mmder energie nodig om het graafwiel aan te drijven en is er minder slijtage. Een groot voordeel van de vloeistof-schilden is dat de suspensie m de werkkamer vervangen kan worden door lucht. De werkkamer is dan toegankelijk voor eventuele reparaties en onderhoudswerkzaamheden. Door de fiherkoek kan de lucht niet ontsnappen en kan voldoende druk worden opgebouwd om het boomont stabiel te houden. Bij EPB-schilden wordt geen filterkoek opgebouwd en dienen andere maatregelen genomen te worden om toegang te krijgen tot de werkkamer. Zo is het mogelijk om gedurende lange tijd extra bentoniet te mjecteren voordat de werkkamer geleegd wordt, het boomont contmu te bespuiten met schuim Maidl, U.(1995) of gebruik te maken van een graafwiel die zich kan sluiten, Wallis (1992). Grote stenen vormen zowel voor vloeistof- en EPB-schilden een probleem Echter bij een vloeistofschild is het mogelijk om een stenenbreker te mstalleren, bij EPB-schilden moeten grote stenen door diskcutters op het graafwiel voldoende klem worden "gesneden" zodat ze m stukken afgevoerd kunnen worden door de schroefvijzel. Eventueel kan ook een steenval m de schroefvijzel worden mgebouwd. Een andere mogelijkheid om grote stenen uit de werkkamer te transporteren is aanpassmg van het type schroefvijzel. Door de schroefte vervangen door een spiraal wordt de maximale opening vergroot.

2.4.2 Voordelen van gronddrukbalansschild Het ondersteuningsmedium bij EPB-schilden is het afgegraven materiaal ze]f Het is ondenkbaar dat m een volledig gevulde werkkamer ongewenst materiaaltransport plaatsvindt als gevolg van mstabiliteit aan het boomont. Algemeen geldt dat hoe hoger het volumegewicht en de viscositeit van het ondersteuningsmedium hoe stabieler het boomont. De viscositeit van de grondpasta is ongeveer 1500 maal die van de bentoniet slurry. Als zich m de werkkamer van het EPB-schild een homo gene pasta bevrndt zonder holle ruimtes dan heeft men een veel veiliger situatie dan bij een vloeistofschild, Babendererde (1995). Bij tunnelconstructie met EPB-schilden is geen dure scheidIDgsmstallatie nodig. Dit is een groot voordeel ten opzichte van vloeistofschilden waar dit wel no dig is. Dit aspect wordt belangrijker naarmate de ontgraven grond fijner wordt, en het derhalve moeilijker en duurder wordt om de gronddeeltjes van de suspensie te scheiden. Volledige scheidIDgis onmogelijk. Na een aantal keren hergebruik bezit de bentoniet, als gevolg van vervuilIDg met gronddeeltjes niet meer de gewenste eigenschappen. De bentoniet moet dan worden vervangen. De hoeveelhdeden af te voeren materiaal zijn bij het vloeistofschild veel groter. Bij vervuilde grond kan bentoniet zijn gunstige eigenschappen verliezen, hierdoor kan de vorming van de filterkoek m gevaar komen waardoor de stabiliteit van het boomont niet meer gegarandeerd is. Door toevoegffig van chemicalien kan het effect van de vervuiling verminderd worden. Een voordeel van de EPB-machIDes is dat het afgegraven materiaal droog is en dus eenvoudiger kan worden afgevoerd en verwerkt. Bij een teveel aan conditioneringsstoffen zoals schuim, polymeren en bentoniet kan het te storten materiaal niet meer beschouwd worden als schone grond ook al zijn de conditioneringsstoffen niet schadelijk. 12

Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines

EPB-schilden zijn het best te gebruiken in fijnkorrelige bodems maar zijn met toevoeging van conditioneringsmiddelen ook inzetbaar in grotkorrelige bodems. Hierdoor is dit type TBM zeer geschikt voor bodems met een afwisseling van verschillende lagen. Om een beeld te krijgen van eventueel optredende deformaties is het nuttig om te bepalen of de voortgangssnelheid in overeenstemming is met de hoeveelheid afgegraven materiaal. Bij gronddrukbalansschilden kan de hoeveelheid afgegraven grond worden gemeten aan de hand van het aantal omwentelingen van de schroefVijzelof de dikstofPomp. Bij vloeistofschilden geeft het dichtheidsverschil tussen in- en uitgevoerde bentoniet een idee over de hoeveelheid afgegraven grond. De laatst genoemde methode duurt langer en is minder nauwkeurig, Babendererde (1993). EPB-schilden kunnen worden ingezet op geringe diepte onder het maaiveld. Vloeistofschilden kunnen niet op geringe diepte worden ingezet omdat dan het gevaar bestaat voor ontsnapping van bentoniet aan het oppervlak, Becker (1993). Vanwege de lagere startkosten zijn EPB-schilden economisch aantrekkelijker op korte trajecten. Schalkwijk (1993):"bij grot ere tunneldiameters is het vloeistofchild pas economisch

te gebruiken bij grotere tunnellengtes.II Herrenknecht (1995) en Schalkwijk (1993) merken op dat het EPB-schild als tunnelboormachine eenvoudiger en gemakkelijker te hanteren is dan het vloeistofschild.

2.4.3 Deformaties Bij het boren worden de oorspronkelijke grondspanningen gewijzigd. Hiedoor treden deformaties (vervormingen) op rond de tunnel die eventueel kunnen leiden tot zettingen aan het oppervlak en verminderde draagkracht van funderingselementen. Een aantal factoren die deformaties veroorzaken zijn niet te verhelpen en kunnen worden gezien als constante factoren. Om de wrijving te verlag en is het schild van de TBM meestallicht conisch (de diameter aan de voorzijde is iets groter dan aan de achterzijde). De afuame in diameter wordt door de grond die grenst aan het schild gevolgd, dit veroorzaakt deformaties in een zone rond de tunnel. Het schild omhult de uiteindelijke tunnelmantel en heeft dan ook een grot ere buitendiameter. Om het verschil in diameter op te heffen wordt grout gefujecteerd. Compensatie van het volumeverlies door groutinjectie lukt echter maar ten dele. De bovengenoemde factoren hebben kleine deformaties tot gevolg, die van te voren bekend zijn. Instabiliteit van het boorfront, onverwachte verlaging van het :treatische vlak en andere niet voorziene gebeurtenissen hebben veel grot ere deformaties tot gevolg. Bovengenoemde factoren zijn afhankelijk van de bestuurbaarheid van het boorproces, de complexiteit van de ondergrond, het management en het vakmanschap van de boorploeg. Om instabiliteit van het boorfront en deformatie te voorkomen dient de steundruk gelijkmatig en zonder fluctuaties aangebracht te worden op het boorfront, Babendererde (1995). Bij het Duits hydro shield kunnen variaties van de steundruk in de werkkamer gedeeltelijk worden opgevangen door de luchtdrukbuffer die in contact staat met de werkkamer. De luchtdruk regeling vermindert de fluctuaties tot i: 5 % Babendererde (1991). Bij EPB- TBM's is de steundrukregeling veel moeilijker. Er dient een optimum gevonden te worden tussen afvoer van materiaal via de schroefvijzel en de aangebrachte druk. 13


Anders gezegd tussen de hoeveeJheid ontgraven grond en de voortgang van de TBM. Toch hoeven de fluctuaties niet groot te zijn. Toevoeging van conditioneringsmiddelen versoepelt het proces en verminderd de fluctuaties. Als schuim wordt toegevoegd functioneert dit tevens als luchtbuffer, Wallis (1995), Maidl,U (1995b) en Herrenknecht (1995). Schuim kan tevens gebruikt worden om de steundruk direct te rege1en, Herrenknecht (1995). Op deze manier worden de fluctuaties en deformatie sterk verminderd; zettingen lager dan 3mm worden regelmatig behaald, Wallis (1995). Bij zowel de vloeistofschilden als de gronddrukbalansschilden moet men rekening houden met zettingen. Algemeen kan worden gesteld dat met de juiste TBM en bekwaam personeel de zettingen beperkt kunnen blijven tot 10 rom, van Tol (1995).

14

Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van grondbrii

HOOFDSTUK

3

OPTIMALE EIGENSCHAPPEN VAN BET ONDERSTEUNINGSMEDIUM IN EEN EPB-SCHaD

3.1 INLEIDING De functies van het ondersteunmgsmedium in het EPB-schild zijn: 1) overbrenging van de steundruk, 2) waterkering, 3) gemakkelijk transport door graafwie~ schroefvijzel en transportbanden. Om deze fimcties goed te kunnen vervullen worden er een aantal eisen gesteld aan de eigenschappen van de grondbrij in de werkkamer. De betreffende grondparameters zijn de vervormbaarheid of consistentie, permeabiliteit, compressibiliteit of elasticiteit, abrasiviteit en kleverigheid. Niet voor al deze parameters zijn in de literatuur absolute waarden te vinden waaraan de grondbrij moet voldoen. De eigenschappen van de pasta in de werkkamer worden grotendeels bepaald door de ontgraven grondsoort. Voor het functioneren als ondersteunmgsmedium zijn vooral de volgende grondeigenschappen van belang, Mai~ U (1995): * korrelgrootte verdeling, * mineralogie, * electrische eigenschappen van het oppervlak van de gronddeeltjes, * eigenschappen van het grondwater en daarin opgeloste ionen, * interactie van de deeltjes, grondwater en opgeloste ionen. Definitie grondbrij: Grondbrij is het ondersteunmgsmedium in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. Het is een mengsel van grond, grondwater en eventueel conditioneermiddel. Dit ontstaat als de grond wordt ontgraven door het graafwiel van de tunnelboormachine en vermengd wordt met de toegevoegde conditioneerstoffen. Bij het ontgraven wordt de oorspronkelijke structuur van de grond verstoord waarbij het porienvolume wordt vergroot. De ontstane ruimte wordt opgevuld door de gebruikte conditioneersto£

3.2 PERMEABILITEIT

De waterkerende werking van de grondbrij wordt bepaald door de permeabiliteit van het mengsel in de werkkamer. Als we een grofkorrelige bodem hebben en deze zonder conditioneringsmiddelen in de werkkamer gebruiken als ondersteuningsmedium, dan gebeurt het volgende: De steundruk veroorzaakt een toename van de totaalspanning. Deze spanning werkt alleen op het korrelskelet van de bodem omdat het water ontsnapt. 15

Grondconditionerin~ in het EPB-schild

De aandrijfinomenten van graafwiel en schroefvijzel nemen toe met toenemende effectieve spanning van de grondbrij. Tegen de grondwaterdruk kan geen tegenkracht worden geboden en onder het heersende potentiaalverschil stroomt het water door het graafwiel en de schroefvijzel de tunnel in. Het grondwater uit de omgeving stroomt naar de tunnel waardoor de grondwaterspiegel daalt en deformaties optreden. De permeabiliteit dient voldoende laag te zijn om waterdoorstroming te voorkomen. De permeabiliteit van de bodem wordt bepaald door de korrelgrootteverdeling, de opbouw en structuur, de porositeit, de verzadigingsgraad en de viscositeit van de doorstromende vloeistof Door de viscositeit van de vloeistofte laten toenemen neemt de permeabiliteit af Vervanging van water door bentonietsuspensie met een hogere viscositeit heeft dus een verlaging van de permeabiliteit tot gevolg. Hebben we te maken met een sterk doorlatende bodem dan hebben vloeistoffen met hoge viscositeit geen effect meer omdat zij als gevolg van de hoge steundruk simpelweg worden uitgeperst. Verbindingen tussen vloeistof en vaste stof kunnen er voor zorgen dat de vloeistof niet tussen de porien wordt uitgeperst. Als het aandeel fijne delen (korrels < 0.06 mm) van een bodem groter is dan 30 % dan is de permeabiliteit laag genoeg. Als niet voldoende fijne delen in de grond aanwezig zijndan kan deze hoeveelheid worden verhoogd met conditioneermiddelen. Het aangeven van een grenswaarde voor de doorlatendheid van de oorspronkelijke bodem is moeilijk omdat de pemeabiliteit (k) afhangt van de steundruk in de werkkamer, Maid!, U(1995). Uit ervaring blijkt dat k=10-5m/s een maximum is voor de doorlatendheidgrondbrij in het EPB-schild met een steundruk kleiner dan 2 bar, Maid!,U(1995) en Maid!, B.(1995). In dit rapport waarbij de permeabiliteit is bepaald onder atmosferische druk is de grenswaarde gesteld op 0.5*10-5 m/s.

3.3 VERVORMBAARHEID OF CONSISTENTIE

Goede vervormbaarheid is belangrijk voor gelijkmatige overbrenging van de steundruk, Maid!, U (1995) en Maidl, B. (1995). De vervormbaarheid is tevens belangrijk voor een gemakkelijk transport door graafwiel, werkkamer en schroefvijzel, Schalkwijk (1993), Maid! U (1995) en Babendererde (1993). Voor vloeibare en vaste materialen worden verschillende parameters gebruikt om de vervormbaarheidseigenschappen uit te drukken. Voor vloeistoffen zijn het de viscositeit en zwichtspanning die een idee geven over de vervormbaarheid. De deformatie modulus (opgebouwd uit p1astische en elastische vervorming geeft de vervormbaarheid van vaste stofweer, Goodman (1989). Optimale grondbrij gedraagt zich plastisch. De vervormbaarheidsgedrag van plastische materialen houden het midden tussen die van vaste stof en vloeisto£ Deze vervormbaarheid is moeilijk te kwantificeren. Consistentie (of samenhang) is een kwalitatiefbegrip dat een idee geeft over de vervormbaarheid van plastische materialen. Het begrip is niet geschikt om de vervormbaarheidseigenschappen goed te beschrijven en is verschillend gedefinieerd voor cohesieve gronden en niet cohesieve gronden.

16

Hoofdstuk 3

Optimale eigenschappen

van grondbrii

Eventueel kan met geschikte meetapparatuur de vervormbaarheid van plastische materialen beschreven worden met viscositeit en zwichtspanning. Deze parameters worden in de literatuur over optimale grondbrij nauwelijks besproken. In het testprogramma zijn enkele viscositeits- en zwichtspanningsmetingen op grondbrij uitgevoerd.

3.3.1 Vervormbaarheid

in de werkkamer en schroefvijzel.

De werkkamer moet volle dig gevuld zijn met een homo gene pasta zodat de steundruk gelijkmatig over het boornont verdeeld wordt. De grond wordt tijdens ontgraving door het graafwiel voor de eerste keer gemengd, in de werkkamer wordt het materiaal verder gemengd door roerstaven die zich op de achterkant van het roterende graafwiel en op de drukwand bevinden. Plastische materialen worden suel gemengd waardoor de steundruk gelijkmatig wordt overgebracht. Bij te hoge vervormbaarheid wordt het materiaal vloeibaar en zal het ontwijken via de schroefvijzel, de druk in de werkkamer daalt en het boornont kan instabiel worden. Bovendien ontstaan er problemen met de verdere afvoer nadat de grondbrij de schroefvijzel is gepasseerd. Een te lage vervonnbaarheid kan verstopping veroorzaken in het graafwiel en het schroefvijzel met veranderingen in de steundruk als gevolg. Andere positieve effecten van een plastische vervormbaarheid zijn een laag aandrijfinoment en energieverbruik van de schroefvijzel en het graafwiel en een vermindering van de slijtage aan de TBM.

3.3.2 Consistentie Veel factoren zijn van invloed op de consistentie zoals: mineralogie, korrelgrootte verdeling, korrelvorm, watergehalte en chemisch milieu. In de grondmechanica wordt de consistentie index Ie gedefinieerd voor cohesieve materialen. In de betontechnologie is het begrip gedefinieerd om de vervormbaarheid en verwerkbaarheid van natte beton en mortel uit te drukken, zie tevens paragraaf 6.4.3.3. "Geotechnische consistentie" De "geotechnische consistentie" van cohesieve materialen wordt bepaald door het watergehalte en de Atterbergse grenzen met behulp van de volgende formule. I c-=

waarbij

Ie w WI Wp Ip

WI-W (3.1)

Ip

: consistentie index : het watergehalte van de bodem, : de vloeigrens, : plasticiteitsgrens, : het plasticiteitsgetal WI- wp' 17


De waarde Ie is gerelateerd aan kwantitatieve uitspraken over de consistentie,

<0

vloeibaar

0 - 0.5

half Dlastisch

0.5 - 0.75

lastisch

0.75 - 1.0

stiif

> 1.0 TabeI3.!:

I

Relatie tussen consistentiegetal

aardvochtig

zie tabel 3.1.

I

Ie en kwalitatieve begrippen van concistentie.

Bij bepaling van de plasticiteitsgrens dient het materiaal gekneed te worden, en moet het materiaal kunnen worden uitgerold tot rolletjes met een doorsnee van 3mm. Dit is onmogelijk voor een zandige grondbrij. Om toch uitspraken te kunnen doen over de vervormbaarheid en consistentie van een zandige grondbrij kunnen we gebruik maken van de betontechnische bepaling van de consistentie. "Betontechnische consistentie ". De "betontechnische consistentie" wordt meestal bepaald met behulp van de kegel van Abrams. De zetmaat in centimeter, zoals gemeten met de kege1van Abrams, kan worden gerelateerd aan een kwalitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel 3.2. li!':I:.I.II.,..!..'::i~:~"'I..I.I,I~lllllli!!/:I:'11Ili!!,:ii:I.IIIIIIIIII!IIIIII!!:IIIIIIIIIIIIIIII:!111111111111111!1:1!1!1!1!!III!I!ill!11

1!!!I!!!!il!I/II/!'II!;!!!!!!llillllllllllllllllll!://!/IIIIIIIIIIIIIIIIIII!!I!;III.II!IIIIIIIIIIII!llllilll!!:!liIIII11111!:!~il!I!IIIIIIIIIIII~llllllllllllllli..II.III!

::: 16

vloeibaar

10-15

halfplastisch

5-9

plastisch

::::4

aardvochtig

TabeI3.2: Relatie tussen zetmaat en consistentie volgens Souwerbren (1995)

Relatie "betontechnische en geotechnische consistentie". Het is niet mogelijk de consistentie van de zandige grondbrij te bepalen met behulp van de plasticiteitsgrenzen omdat de uitrolgrens van de mengsels niet bepaald kan worden. In een kort testprogramma is getracht de "betontechnische en geotechnische consistentie" termen aan elkaar te koppelen, zie hoofdstuk 6.3.3.

18


3.3.3 Viscosititeitsmetingen Het vervormingsgedrag van plastische materialen kan worden bepaald met viscositeitsmetingen. In deze meting en wordt de schuifspanning en de schuithoeksnelheid gemeten. Vit deze parameters kunnen de zwichtspanning en de viscositeit worden bepaald. De zwichtspanning ("yield stress") geeft een maat voor de kracht die nodig is om een beweging op te starten. De viscositeit geeft de kracht weer die nodig is voor een toename in de stroomsnelheid, Wallevik (1995). Afhankelijk van de ratio viscositeit/ zwichtspanning gedraagt de grondbrij zich als Binghamplastische vloeistof (ratio=hoog) of als plastische vloeistof (lage ratio, ratio=O voor een ideaal plastische vloeistof), Ammerlaan (1994). Voor het ideaal plastische materiaal geldt dat als de zwichtspanning bereikt is, de schuifspanning constant blijft en onafhankelijk is van de schuithoeksnelheid, lijn 1 in figuur 3.1. De vervormingseigenschappen van de plastische vloeistofworden vooral bepaald door de zwichtspanning. De vervormingseigenschappen van een Binghamplastische vloeistofworden bepaald door de zwichtspanning en de viscositeit, lijn 2 en 3 figuur 3.1. Bij lage ratios is de grondbrij in de schroe:fvijzelte beschouwen als een plastisch lichaam dat langs het staal wordt geduwd. Een Binghamplastische grondbrij stroomt als een spiraalvorm door de schroe:fvijzel,Ammerlaan (1994). Voor de rheologische eigenschappen van grondbrij zijn geen grenswaarden bekend. Definiering van grenswaarden voor deze eigenschappen is wenselijk. De parameters geven een vollediger beschrijving van de vervormbaarheidseigenschappen dan het begrip consistentie. De parameters zijn kwalitatief, zodat ze gebruikt kunnen worden voor berekeningen.

Schuifspanning

versus schuifhoeksnelheid

iU

a.. --

OJ c: 'cc: IV

c.. ~ ':; .c: u

CI)

0 0

schuifhoeksnelheid

y (dv/dr)

Figuur 3.1: Rheologisch diagram, Met 1) ideaal plastische vloeistof, 2) en 3) Bingham vloeistof en 4) Newtonse vloeistof Naar Janssen (1991),

19


3.3.4 Eisen aan de vervormbaarheid

van grondbrij.

In de literatuur worden bodems met een percentage fijne de1en(diameter < 0.06mm) groter dan 30% als goed verwerkbaar voor een EPB-schild genoemd. Bij een gehalte aan fijne delen van meer dan 30% kan men spreken van een cohesiefmateriaal. Hier is dus de geotechnische consistentie van toepassing. Maid!, U(1995) heeft deze grenswaarden duidelijker vastgelegd met behulp van de concistentie index Ic. Volgens Maid!, U (1995) en Maid!, B (1995) heeft grondbrij een optimale vervormbaarheid als de ~ tussen 0.4 en 0.75 ligt. Dit komt overeen met een plastische consistentie, Maid!, U (1995), Babendererde (1993). De consistentie van de oorspronkelijke cohesieve grond kan met toevoeging van water of andere conditioneerstoffen in het plastische gebied worden gebracht. Steiner (1996) stelt dat het watergehalte van de oorspronkelijke grond net onder de vloeigrens moet worden gebracht om te kunnen worden afgegraven. Dit resulteert in een grondbrij met negatieve consistentie index Ic,in dit rapport wordt dat als te vloeibaar beschouwt. Zandige grondbrij lijkt meer op nat beton. De consistentie moet worden bepaald met de zetmaat. Een zetmaat van 7.5 ! 5 em is kenmerkend voor een materiaal met goede consistentie en vervormbaarheidseigenschappen. Deze waarde is vastgeste1d in overeenstemming met gegevens uit de literatuur, Kanayasu (1995), Kawaeda (1992), Mizuno (1993), Tarnai (1995), Kuribashi (1993) en het praktijkadvies van de heer Verduin (Visser & Smit Hanab). De waarden is volgens de NEN 5956 kenmerkend voor plastisch gedrag. Babendererde (1991) stelt dat de ondersteuningspasta een zekere schuifsterkte ("non frictionless properties") moet hebben. Als er spanningsverschil heerst tussen de grond en de pasta in de werkkamer en de pasta heeft geen interne wrijving (zoals bij vloeistofschilden) dan bezwijkt het front, de grondbrij ontsnapt bij de schroefvijze1 of wordt omgewisseld door bezwijkende grond van voor het boorITont. Als de pasta we1 schuifsterkte bezit dan kan geen deformatie optreden omdat er als gevolg van die deformatie meteen een spanningsverhoging optreedt die deformatie tegenwerkt. De schuifsterkte zorgt ervoor dat de steundruk in de werkkamer kan worden behouden door de wrijvingkrachten die via de schroefvijzel worden overgebracht.

3.4 SAMENDRUKBAARHEID

EN ELASTICITEIT

Samendrukbaarheid is een belangrijke eigenschap van de zandige grondbrij. In het geval de consistentie van onsamendrukbare grondbrij (vloeistofgeconditioneerde grondbrij) verandert, dan heeft dit effect op de afvoersnelheid en daarmee ook de ondersteuningsdruk. Stel dat de grondbrij in de werkkamer te vloeibaar wordt. Er wordt per tijdseenheid te vee1 rnateriaal afgevoerd omdat het gernakkelijk door de schroefvijzel stroomt. De druk in de werkkamer daalt dan onmiddellijk omdat het rnateriaal onsamendrukbaar is en als gevolg van de drukwisseling niet uitzet. De luchtbellen die zijn toegevoegd bij schuimconditionering zullen we1 uitzetten bij deze drukverlaging waardoor de ondersteuningsdruk langer gehandhaafd blijft en er meer tijd is om in te grijpen. 20


Zandgrond waar 500 11m3schuim aan toegevoegd is heeft een E-modulus van O.4MPa, berekening op basis van gegevens Maid!, U(1995). Onder druk wordt het mengse1 van schuim en zand samengedrukt totdat de meest losse pakking van het zand is bereikt vervo1gens wordt het mengse1 nauwlijks verder samengeperst maar wordt de drukverhoging door de schuimbe11en(die zich in de porien bevinden) opgenomen zonder dat de korre1spann.mgtoeneemt. Voor cohesieve gronden met idea1e consistentie is de samendrukbaarheid van minder be1ang. In dat geva1verloopt het gecombineerde afgravings- en afvoerproces vee1 gelijdlijker a1s gevo1gvan de betere vervormbaarheidseigenschappen van de grondbrij. Wisselingen van het watergeha1te van de grond hebben een vee1kleiner effect op de vervormbaarheid van de gronbrij a1sgevo1g van de waterabsorberende werking van de klei. De drukwisselingen zijn kleiner. Babendererde (1995) ste1t dat het ondersteuningsmedium samendrukbaar moet zijn. Als dit niet het geva1 is dan kan de steundruk niet worden overgebracht op het instabie1e boomont. Hiermee wordt bedoe1d dat een bezwijkend boomont niet kan worden ondersteund doordat het ondersteuningsmedium samengeperst wordt. Zulke samenpersingen zijn echter niet reee1 in gronddrukschilden waar het ondersteuningsmedium voor het grootste gedee1te uit grond bestaat. Kleine volume veranderingen a1sgevo1gvan druk veranderingen zijn in de praktijk zelfs gewenst omdat drukwisselingen gedee1telijk gedempt worden, Maid!, U(1995b). Dit effect wordt gezien a1seen voordee1 van schuim toevoeging; het schuim functioneert a1sde 1uchtbuffer bij het "hydroshie1d" en zorgt voor een minder sterk fluctuerende steundruk, Herrenknecht (1995). Het ondersteuningsmedium moet tevens e1astisch reageren op drukwisselingen zodat het boomont continu ondersteund wordt. Als een drukverhoging p1aatsvindt gevo1gd door een drukverlaging, dan wordt een e1astisch steunmedium eerst samengedrukt. Bij drukverlaging zet het materiaa1 weer uit, zodat geen extra grond in de werkkamer komt. P1astischvervormende materia1en zullen bij de drukverlaging niet meer uitzetten zodat er een ruimte in de werkkamer ontstaat, die opgevuld za1worden met materiaa1 van buiten de tunnel. Deformaties in de grond zijn het gevo1g. In de literatuur zijn geen grenswaarden gevonden voor e1asticiteit en compressibiliteit van grondbrij. Door Maid!, U (1995) zijn we1 een aantal proeven gedaan die het effect van schuim op de compressibiliteit en de e1asticiteit illustreren.

3.5 ABRASWITEIT

Abrasiviteit geeft aan of een materiaa1 slijtage kan op1everen bij een ander materiaal. Mineralen met een hardheid die hoger of gelijk is aan die van kwarts (hardheid 2: 7 op de harheidschaa1 van Mohs) zijn abrasiefvoor staal. Abrasiviteit is geen zuivere materiaa1 eigenschap, het is afhankelijk van de hardheid van de betrokken materia1en, van de druk, van de temperatuur en de grootte van de korre1s die de slijtage veroorzaken, Deketh (1995). Het slijtage proces is zeer ingewikke1d. Een p1astisch materiaa1 zal meer slijtage in een TBM veroorzaken dan een zeer v10eibaar materiaal. De krachten die nodig zijn om het stijve materiaa1 af te voeren en te mengen zijn vee1 groter. Het materiaa1 za1met vee1 grotere krachten 1angshet staal schuren waardoor de slijtage vee1 groter is. 21


De zanden die in Nederland voorkomen bestaan vrijwel allemaal voor het grootste gedee1te uit kwarts. Slijtagegevoelige onderde1en van TBM's worden dan ook meestal uitgevoerd in Tungsten Carbide een metaal dat niet door kwarts wordt afgesleten mits de temperatuur van het metaal met te hoog oploopt. De abrasiviteit neemt af met toevoeging van met abrasieve mineralen, of door inkapseling van de abrasieve mineralen door een conditioneermiddel.

3.6 KLEVERIGHEID

Kleving van het ondersteuningsmedium aan de1envan de TBM is ongewenst omdat het aandrij:finoment en de slijtage verhoogd worden. Bovendien bestaat de mogelijkheid dat het graafwiel en schroefvijze1 vastlopen of verst opt raken als de grondbrij te stijfis. Dit heeft vertraging en extra kosten tot gevolg. Fijnkorrelige cohesieve bodems zijn vaak erg kleverig en kunnen dientengevolge problemen veroorzaken. In figuur 3.2 is een classificatiediagram weergegeven dat gebnrikt wordt in de Britse grondclassificatie systemen. Cohesieve grondsoorten met hoge plasticiteits index, boven de diagonale plasticiteits lijn, en hoge vloeigrens zijn, afhankelijk van het watergehalte, zeer plastisch en kleverig en moeten worden geconditioneerd om de kleverigheid af te laten nemen en de vloeibaarheid te verhogen. In het optimale bereik voor de consistentie-index zoals genoemd in paragraaf3.3.4 spee1t kleving een beperkte rol. De conditioneerstofis gericht op het verlagen van de consistentie (water) ofhet verminderen van de cohesie ofkleverigheid (schuim en polymeeroplossingen).

Plasticiteiisdiagram voor de classlficatie van cohesieve grond Verwaal (1988) 70

Kh

?f!. ~50 III -g

!

40 30

i;

20

'(j

KI

./

V

...V Se

,/

Sz

,.

/'

I'CI

Q.

l/

Kg

]!

K~ V

Kz

60

10

... SI

0 0

10

20

30

Sh Sg

40

50

60

vloeigrens

70

80

90

100

110

120

(%)

Figuur 3.2: Plasticiteitsdiagram voor de classificatie van cohesieve grondsoorten. K=k1ei, S=silt, l=lage, g=gemiddelde, h=hoge, z=zeer, e=extreem hoge plasticiteit.

22


Als maat van de kleverigheid van geconditioneerde zandgronden (zand zonder fijne de1enheeft geen cohesie en is niet kleverig) lrunnen de cohesie of de Atterbergse grenzen niet gebruikt worden. Atterbergse grenzen van zandige grondbrijmengse1s kunnen niet worden bepaa1d, zie paragraaf3.3.2. Tijdens dit onderzoek is een test ontwikke1d die een idee geeft van de kleverigheid van zandige grondbrij, zie paragraaf6.4.3.5. Cohesie en wrijvingshoek van de grond enerzijds en het sooft staal en de ruwheid anderzijds bepa1en de wrijvingseigenschappen van het grensv1aktussen grond en TBM onderde1en. In schuifbak pro even kunnen de wrijvingshoek en cohesie van deze grensvlakken bepaa1d worden, Potyondy (1966). Kleverigheid is slechts een beperkte beschrijving van deze wrijvingseigenschappen.

23


24

Hoofdstuk 4

HOOFDSTUK 4

Conditioneenniddelen

CONDITIONEERMIDDELEN

4.1 INLEIDING

In figuur 4. 1 is een cohesieve grond te zien dat van nature voldoet als ondersteuningsmedium, zie Hoofdstuk 3. In de meeste gevallen zijn conditioneerstofIen nodig om de eigenschappen van grond te veranderen zodat het gecombineerde ontgravings- en afvoerproces soepel verloopt. Eerst worden de meest gebruikte conditioneerstofIen kort besproken. Vervolgens zal in paragraaf 4.3,4.4 en 4.5 dieper worden ingegaan op de conditioneermidde1en die gebruikt kunnen worden voor de conditionering van zandgrond.

Figuur: 4.1 Natuurlijke grond met optimale consistentie. Maidl,B (1995), figuur 11-3

4.2 CONDITIONEERMIDDELEN

ALGEMEEN

4.2.1 Water

Water wordt toegevoegd om de vervormbaarheid van stijve materialen, zoals sterk geconsolideerde klei, te vergroten. Materialen zoals kleiige silt en siltig zand hebben vaak niet de gewenste vervormbaarheid. De vervormbaarheid kan eenvoudig in het plastische bereik worden gebracht door toevoeging van water, zodat het materiaal een plastische consistentie krijgt. Echter bij grond met een laag percentage fijne delen is toevoeging van water nutteloos. Er treedt dan geen verlaging meer op van de consistentie. Het gevaar bestaat dat het zand/watermengsel ontmengt, (uitzakking van het zand) Maid!, B. (1995).

25


4.2.2 Bentonietsuspensies Bentoniet kent veel toepassingen die bijna allemaal gebaseerd zijn op het water absorberend vermogen van dit materiaal. De naam bentoniet is a:fkomstigvan de oorspronkelijke vindplaats Fort Benton in Wyoming, (U.S.A.). Het is kleiig materiaal dat ontstaat door de chemische ornzetting van vulkanische gesteenten en assen. Het materiaal bestaat grotendee1s uit kleimineralen die behoren tot de hoofdgroep van smectieten. Het hoofdbestanddee1 van bentoniet wordt gevormd door het smectietmineraal montmorilloniet. Bentonietsuspensies worden allange tijd als boorspoeling gebruikt in de diepboringindustrie. Bij vloeistofschilden worden bentonietsuspensies gebruikt als steunvloeistof Bij gronddrukbalansschilden wordt het gebruikt als conditioneerstof om de eigenschappen van grond te veranderen. Bentoniet wordt toegepast om de viscositeit van de porieenvloeistofte verlag en zodat de permeabiliteit afueemt. Tevens wordt het gebruikt om de consistentie van cohesieve grond te bemvloeden. Bij doorpersingen worden vaak bentonietsuspensies met lage concentratie gebruikt als smeermidde1 om de mantelwrijving te verminderen. Op vaste afstanden zijn een aantal smeernippels (injectiepunten) opgesteld waar bentoniet door de lining kan worden gemjecteerd.

4.2.3 Hoge dichtheid suspensie (HDS) In de literatuur wordt regelmatig gesproken over "high density slurries" ofhoge dichtheid suspensies (verder aan te duiden als HDS). Dit zijn bentonietsuspensies waar silt, zand en niet zwellende klei aan toegevoegd is. Deze "hoge dichtheids vloeistoffen" zijn ontwikkeld voor de conditionering van zandige grond in het gronddrukbalansschild. Bentoniet is het hoofdbestanddee1van HDS maar voor conditionering van grindformaties wordt HDS gebruikt die voor het merendeel uit zand bestaan, 54 % zand, 41 % water en 4 % bentoniet. Het volumegewicht is 1,4 kgf1,Kawaeda (1992). HDS conditionering wordt toegepast in niet cohesieve grond om de permeabiliteit te verminderen en de consistentie van de grondbrij te regelen. In paragraaf 4.3 wordt dieper ingegaan op de eigenschappen en de werking van HDS en bentonietsuspensies.

4.2.4 Schuim In de diepboringindustrie wordt schuim sinds de jaren 60 toegepast als verdringingsmedium om de achtergebleven waardevolle olieresten alsnog uit de formaties te krijgen, McDermott (1973). Schuim wordt eveneens als transportmedium van water gebruikt. In boringen waarbij lucht als transportmedium voor gesteenteftagmenten wordt gebruikt, kan hinderlijk water niet met lucht, maar wel met schuim aan het oppervlak worden gebracht, Gray (1980). Bij de tunne1bouw in gesteente worden soms uithardende schuimen gebruikt als opvulling en waterafdichting achter de liningse1ementenvan de tunnel, Rippl (1987). In beginjaren tachtig werd in Japan schuim als conditioneerstofvoor gronddrukbalansschilden ontwikkeld. 26

Hoofdstuk 4


In 1986 werd door een dertigtal grote aannemers de "Association of chemical foam injected EPB shield tunnelling method" opgericht, Naito (1989). De organisatie heet nu "the rheological foam shield tunnelling method association" en heeft 50 leden, allernaal Japanse bedrijven. In de loop der tijd zijn in Japan meer dan 250 projecten met deze techniek uitgevoerd, Obayashi (1995). In Europa zijn inmiddels tientallen tunnelprojecten uitgevoerd waarbij schuimistoegepa~. In Europa zijn drie producenten van bodemconditioneringsschuim; Condat (Frankrijk), Sika (Frankrijk) en Lamberti (Italie). De fabrikanten geven geen details over de chemische opbouw van de gebruikte stoffen. De geproduceerde schuimen hebben verschillende samen~elling (concentratie van sch~offen en stabilisatoren) afhankelijk van het beoogde doel. Bij Condat en Sika is de bodemconditionering vooral gericht op het reduceren van kleverigheid en verlaging van de consi~entie Ie van overgeconsolideerde klei, zodat het aandrijfinoment van de TBM gereduceerd worden. Bij het gebruik van Lamberti schuim(o.a. door Herrenknecht) wordt het schuim toegepa~ om de permeabiliteit en consi~entie zoals bepaald met de zetrnaat, te bemvloeden. Het schuim wordt ook gebruikt als in~rument om de druk in de werkamer te ~en. Als de druk temgloopt wordt onder dmk schuim gemjecteerd om de druk op het oorspronkelijke niveau te brengen. Groot voordeel van schuimconditionering is dat de grondbrij een hog ere compressibiliteit krijgt als gevolg van de aan de grond toegevoegde luchtbellen. Als de afvoer niet parallelloopt met de voortgang zal de ~eundruk fluctueren, deze fluctuaties worden door volumeverandering van de luchtbellen uitgevlakt. De algemene fysische chemie van schuim en de werking van schuim voor conditionering zandgrond zal in paragraaf 4.4 behandeld worden. Conditionering van cohesieve grond valt buiten het bereik van dit onderzoek.

4.2.5 Polymeergel Polymeren zijn in de olie-indu~rie als eer~e in 1944 door de Phillips Aardolie Maatschappij gebmikt. Het was in eerste in~antie een toevoeging aan de bentonietspoeling. Later zijn zuivere polymeergels als bOOlvloei~ofgebmikt, Gray (1980). In Japan zijn praktijk~dies bekend waarbij uitsluitend polymeren zijn gebmikt als conditioneermiddel in gronddrukbalansschilden, Tarnai (1995). In het artikel van Tarnai wordt gesproken over een super absorberend polymeer dat enkele honderden rnalen zijn gewicht in water absorbeert. Het polymeer wordt gemengd met water, vormt een gel, en wordt vervolgens gemjecteerd. Net als bij bentoniet suspensies bem~ de waterkerende werking en de verhoging van de vervormbaarheid op het ~erk absorberend vermogen van het rnateriaal. In hoofd~ 4.5 wordt polymeergel voor de conditionering van zandgrond uitgebreider besproken.

27


4.2.6 Combinaties van conditioneermiddelen Als een tunnel verschillende grondsoorten doorsnijdt moeten soms verschillende conditioneermidde1entijdens een project gebruikt worden. Het effect van verschillende conditioneermiddelen is anders. Het komt dan ook voor dat twee conditioneermiddelen tegelijkertijd worden toegevoegd. Met het tegelijkertijd toevoegen van hoge dichtheid suspensie en schuim is al veel ervaring opgedaan, Kawaeda (1992), Herrenknecht (1995), Maidl,D. (1995). Omdat de stromingseigenschappen van de verschillende conditioneerstoffen anders zijn, kunnen ze niet via dezelfde systemen worden gemjecteerd. TBM's worden bij toepassing van meer dan een conditioneerstof uitgerust met meerdere injectiesystemen. In een experiment is getracht bentoniet "droog" te transporteren met schuim. De effectiviteit van de waterbinding van de bentoniet is vee1hoger omdat het van te voren niet met water reageert. Het schuim is echter niet stabiel genoeg gebleken om bentoniet te transporteren. Als bentoniet aan schuim wordt toegevoegd springen direct aile luchtbeilen als gevolg van de waterabsorptie van de bentoniet.

4.3 BENTONIET EN HOGE DICHTHEID SUSPENSIES

De conditionerende werking van bentonietsuspensies en hoge dichtheidsvloeistoffen in gronddrukbalansschilden is gebaseerd op de zweilende eigenschappen van het kleimineraal montmorilloniet. Om de eigenschappen van verschillende kleimineralen te begrijpen voIgt eerst een korte behandeling van de voor dit onderwerp belangrijke onderdelen van de kleimineralogie. Het onderwerp wordt besproken aan de hand van: Olphen (1963), Reynders (1985) en Bailey ( 1980). In de grondmechanica wordt klei gedefinieerd als de grondfractie met een korreldiameter die kleiner is dan 2 /-lID.De kleiftactie bestaat voornamelijk uit kleimineralen maar ook uit andere mineralen zoals kwarts, veldspaat en ca1ciet.

4.3.1 Belangrijke begrippen 4.3.1.1 Structuur kleimineralen Kleimineralen zijn aluminiumsilicaten, behorende tot de groep van phyilosilicaten (gelaagde silicaten) Verhoef(1992). De verschillende kleimineralen ontstaan door opeenstapelingen van octaederlagen (0) en tetraederlagen (T). De tetraederlaag heeft als elementaire bouwsteen de Si04-tetraeder (figuur 4.2a), de octaederlaag heeft als bouwstenen Al(O/OHkoctaeders figuur 4.3a. In de tetraederlaag zijn drie van de vier oxyde atomen gebonden zodat een tweedimensionale tetraederlaag ontstaat, figuur 4.2b en 4.2d. 28

Hoofdstuk 4


De deling van oxyde en/ofhydroxylgroepen van de verschillende A1(0/OH)6-octaeders resulteert ill een laag zoals weergegeven m figuur 4.3b en 4.3d. De gelijkvormigheid en de identieke dimensies van de twee lagen zorgt ervoor dat de ongedeelde oxyde-atomen van de tetraederlaag (in figuur 4.2b aan de onderzijde) zich aan de octaederlaag kunnen binden. De bmding van de tetraederlaag aan 1 of 2 kanten van de octaederlaag resulteert m twee perfect neutrale hoofdstructuren van de kleimineralen: I) de T-0 structuur (Kaolinietgroep ) IT)de T-0- T structuur (Smectiet- en Illietgroep)

/

",-""

\

~

' .....

(

'-

'(11)

I

\

I

......

(e)

LEGEND

~

0

OXYGEN

0

SILICON

(II)

(d)

Figuur: 4.2 Strnctuur van de tetraederlaag. (a) tetraeder geometrie van Si04, (b) perspectiefschets van afzonderlijke tetraeder zesring, (c) projectie van tetraeder, (d) bovenaanzicht van tetraeder. Olphen (1963).

De twee hoofdstructuren kunnen beide worden onderverdeeld op basis van de mvulling van de octaederplaatsen, als twee van de drie plaatsen zijn bezet: dioctaedraal, als alle drie de plaatsen zijn mgenomen trioctahedraal De T-0 en T-0- T structuurmineralen worden respectievelijk ook wel de 1 : 1 en de 2 : 1 mineralen genoemd, duidend op de verhouding tussen tetraederen octaederlagen. De stapeling levert respectievelijk -T-0- T-0- en -T-0- T-T-0- T-T-. De electrostatischekrachten (valentiekrachten) in de gedeelde OH- of 0- groep van de tetraederen octaederslaag billding zorgen voor een sterke binding. De van der Waals krachten die de tetraederlagen bij elkaar houden zijn veel zwakker. De hartafstand tussen de opeenvolgende gelaagde structuren is typerend voor het type kleimineraal Met rontgendiffiactie kunnen hartafstanden worden gemeten zodat de kleimineralen kunnen worden herkend. 29


I /

(e) (a)

~

(b)

LEGEND

0 ~ .

OxYGEN

NYOROXYL

AI OR Mg

°oQ ~o~ CD. CD . I '@;;.. I. ~

Q (\ O 1..-

:

-.I

(d)

Figuur: 4.3 Structuur van de octaederlaag. (a) octaeder geometrie van Al(O\OH)6 , (b) perspectiefschets van octaeder in de octaerderlaag, (c ) projectie van het octaeder, (d) bovenaanzicht van de octaederlaag. Olphen (1963).

4.3.1.2 Isomorfe vervanging

Een mechanisme dat leidt tot de vorming van verschillende kleimineralen is isomorfe vervanging. Door isomorfe vervanging worden de Si en Al atomen in respectievelijk de tetraeders en octaeders vervangen door ongeveer even grote gelijkvormige atomen die meestallagere positieve lading hebben. Silicium (Si) kan alleen worden vervangen door Aluminium (Al). Al kan worden vervangen door ijzer (Fe), magnesium (Mg), chroom (Cr), zink (Zn) en in mindere mate ook door andere atomen. Doordat de atomen die Si en Al vervangen een lagere valentie hebben krijgen de tetraeder en octaederlagen een overschot aan negatieve lading. Dit overschot wordt gecompenseerd door absorptie van grote positief geladen ionen, compensatie kationen genaamd. De compensatie kationen drijven de tetraeder en octaederlagen uit elkaar. In het geval van montmorilloniet is de afstand tussen de tetraeder en octaederlagen zo groot geworden dat er water kan indringen. De water moleculen absorberen aan de compensatie kationen en hebben een redelijk stabiele positie in het kristal rooster. De hoeveelheid compensatie kationen is een maat voor het vermogen van kleien om water te absorberen.

30

Hoofdstuk 4

Conditioneermiddelen

4.3.1.3 CEC

In aanwezigheid van water kunnen compensatie kationen vervangen worden door in water opgeloste kationen. Dit proces wordt vooral gestuurd door concentratie verschillen en de affiniteit van de verschillende kationen met klei. Het totaal aantal vervangbare kationen kan analytisch worden gemeten. Het aantal van deze kationen uitgedrukt in milli equivalent per 100 gram droge klei wordt de kationen uitwisselingscapaciteit of de "CEC" genoemd.

4.3.1.4 I
31

Grondconditionering

in het EPB-schild

4.3.1.5 Colloid chemie en ladingseigenschappen

Als men kleien met isomorfe vervanging in water suspendeert dan vormt zich een dubbellaag, zie figuur 4.4. De compensatie kationen die de negatieve lading van het kleideeltje, als gevolg van de isomorfe vervangmg, opvangen ... gaan gedeeltelijk in oplossing als het kleideeltje in contact komt met water. Door de negatieve lading + worden kationen aangetrokken en anionen afgestoten. Als nu twee kleideeltjes elkaar naderen dan stoten zij elkaar af als gevolg van de afstoBolvormige electrische potentiaal tende werking van de twee dubbellagen, Kationen Permien (1995). De concentratie vorming van de dubbellaag is zeer gevoeAnion concentratie lig voor het chemisch milieu met name de Figuur: 4.4 Schematische voorstelling van de electrische dubbellaag. pH.

.

4.3.2 Bentonietsuspensies

als conditioneermiddel

Het hoofdbestanddeel van bentoniet, het kleimineraal montmorilloniet heeft een hoog waterabsorberend vermogen. Hoe hoger het gehalte aan montmorilloniet hoe hoger het absorberend vermogen en hoe hoger de viscositeit van de bentonietsuspensie. Dit is belangrijk omdat de permeabiliteit van een materiaal afhankelijk is van de viscositeit van de vloeistof in de porien. De permeabiliteit van grond voor een zekere vloeistof is uit de intrinsieke permeabiliteit ofuit de permeabiliteit voor water te berekenen met: k.

p"

llb

Pw llb

k g,b-P1P~=~~k

(4.1)

g,w

32

Hoofdstuk 4


waarbij: ~g ~,b ~w g

: intrinsieke permeabiliteit (materiaalconstante) : permeabiliteit voor boorvloeistof : permeabiliteit grondmateriaal voor water : gravitatie constante

l1b l1w Pb Pw

: viscositeit van : viscositeit van : volumegewicht : volumegewicht

boorvloeistof water van boorvloeistof van water

(m2) (m/s) (m/s) (m/s2) (Pa s) (Pa s) (kN/m3) (kN/m3)

Een bentonietspoeling met een volumegewicht van 10.35 kN/m3, heeft al snel een viscositeit van ca. 0,05 Pa s, terwijl water bij 20 graden en een druk van 1 bar een viscositeit van 1,002 10-3Pa s heeft. Dit betekent dat de permeabiliteit voor bentonietsuspensie een factor 50 lager is dan voor water. Bij vloeistofschilden dringt de bentonietsuspensie in de formatie als gevolg van het drukverschil tussen de grondwaterdruk en de vloeistofdruk in de werkkamer. Aan het boomont vormt zich een filterkoek van kleideeltjes. De filterkoek heeft als functie de steundruk over te brengen op het grondmassie£ Bisschop (1995). Tegelijkertijd wordt verder verlies van bentoniet voorkomen en instroom van grondwater in de werkkamer onmogelijk gemaakt. Bij gronddrukbalansschilden wordt door toevoeging van bentonietsuspensie de viscositeit van de porieenvloeistofvergroot waardoor de permeabiliteit afueemt en het materiaal als het ware verstopt en ondoorlatend wordt voor water.

4.3.3 Hoge dichtheid suspensie als conditioneermiddel In formaties met een hoge permeabiliteit is toevoeging van bentoniet niet geschikt omdat te veel materiaal ontsnapt en de consistentie van de grondbrij na menging met de bentonietsuspensie niet in het plastische bereik komt. Bij lIDS conditionering word een grote hoeveelheid fijne korrels aan de grond toegevoegd. De korrelgrootte van de vaste stof is afgesteld op de poriengrootte van de grond zodat wel een filterkoek gevormd word. De consistentie van de grondbrij komt als gevolg van de extra hoeveelheid fijne delen in het plastische bereik. De permeabiliteit wordt op twee manieren verlaagd, als eerste doordat de viscositeit van de porienvloeistofverhoogd wordt en ten tweede omdat het percentage aan fijne delen wordt verhoogd. Bij normale bentonietsuspensies kan het aandeel aan bentoniet niet sterk verhoogd worden omdat het materiaal dan niet meer te verp ompen is, Maid!, U.(1995). Om toch voldoende fijne ilactie in de werkkamer te krijgen worden de toe te voegen hoeveelheden suspensie al snel te groot. Een oplossing voor dit probleem is toevoeging van minder sterk waterabsorberende kleien zoals illiet en kaoliniet. Zwellende kleimineralen binden water, ongebonden water in een suspensie noemt men vrij water. Dit vrije water is bepalend voor de viscositeit, hoe meer vrij water hoe lager de viscositeit, Mastenberg (1995). Toevoeging van silt en niet zwellende kleien verhogen het volumegewicht terwijl voldoende vrij water in de suspensie aanwezig blijft. 33

Grondconditionering

in het EPB-schild

Het materiaal heeft een hoger volume gewicht (p > 12 kN/m3) en viscositeit dan normale bentoniet suspensies. Een nadeel ten opzichte van de bentoniet suspensies is dat het moeilijker is om een homogeen mengse1 in de werkkamer te krijgen. Er dient meer arbeid verricht te worden om de vloeistof met de grond te mengen, waardoor er meer slijtage optreedt, Cadeau (1992). Bij oplopende zwichtspanning en viscositeit penetreert de conditione erst of steeds minder ver in de formatie. Het grondwater dat in de formatie zit wordt opgenomen in de grondbrij waardoor deze vloeibaar dreigt te worden. De HDS moet voldoende waterbindende capaciteit hebben om de grondbrij in het plastische bereik te houden. Zie paragraaf6.4.

4.4 SCHUIM

Onder schuim wordt verstaan een dispersie van gas in vloeistof Er kan onderscheid worden gemaakt tussen chemische en fysische schuimen. Een chemisch schuim ontstaat als gevolg van een chemische reactie waarbij gas vrijkomt, het gas blijft vervolgens in suspensie. Men kan hierbij denken aan "pur-schuim" zoals dat gebruikt wordt in de bouw. Fysisch schuim wordt verkregen door menging van lucht en vloeistof Het schuim ontleent zijn "stabiliteit"aan het Maragoni effect (zie paragraaf 4.4.1.2) en indirect aan de verlagingvan oppervlakte spanningen door schuimstoffen. Het verschil tussen de fysische- en chemische schuimen is het ontbreken van een permanent stabiele bellen structuur, zie figuur 4.5. De luchtbelletjes in het fysische schuim van gronddrukbalans schilden ontsnappen naar verloop van tijd. Bij fysische schuimen kan onderscheid worden gemaakt tussen twee hoofdtypes, zie figuur 4.6. Het eerste type (verdund schuim) is opgebouwd uit bijna bolvormige belletjes die worden gescheiden door een dikke laag vloeistof Het tweede type schuim (ge12 concentreerd schuim) bestaat voor10 namelijk uit de gasfase, zie figuur " ~ 4.6. De gasbelletjes zijn veelhoeken EtJ 8 " '" ... J! die worden gescheiden door dunne E 6 .:i films van vloeistof De gasbellen .c 4 iii vormen als het ware een bellenske2 let. Voor conditionering van grond .. - I 0 in EPB-machines wordt geconcen0.1 10 100 treerd fysisch schuim met een bellog tijd (min) lenskelet gebruikt. Voordat de werking van het schuim wordt uitgelegd zullen eerst fysische en chemische Figuur: 4.5 Schuimstabiliteit van fYsische schuim m. 2 en begrippen worden besproken. chemisch schuim m. 1. Maidl, U. (1995) figuur 5-1. I

ld

34

Hoofdstuk 4


rrYW ucoC2 '!

,,"

:.O.-"'.O:,~"::

",""

".-.'~~

~

,.DO~OAO,

Figuur: 4.6 Verschillende schuim typen, a) verdund schuim, b) geconcentreerd schuim. Wilson (1989).

4.4.1 Belangrijke

begrippen

4.4.1.1 Oppervlaktespanning

Oppervlaktespanning, ook wel oppervlakte-energie genoemd, speelt een centrale rol in de fysische oppervlaktechemie van schuimvorming. Het is een stofeigenschap die weergeeft hoeveel energie nodig is om het vloeistofi'gas-grensvlak (L/G-grensvlak) met een eenheid te vergroten. De eenheden van oppervlaktespanning en energie zijn respectievelijk N/m en J/m2. Op moleculaire schaal gezien, ontstaat de oppervlaktespanning door de aantrekkingskrachten van moleculen onderling. Een molekuul midden in de vloeistof ondervindt aantrekkende van der Waals krachten veroorzaakt door de omliggende moleculen. In polaire vloeistoffen, zoals water komen daar 'nog dipoolkrachten bij. De resulterende kracht op een enkel molekuul is nul. Bevindt een molekuul zich aan het oppervlak Lucht dan ondervindt het molekuul een netto kracht inwaarts, zie figuur 4.7. De oppervlaktespanning kan op --verschillende manieren worden gemeten mb.v. de capillaire stijghoogte of met de tensiometer van du N0uy figuur 4.8 en 4.9. In de onder- - staande tabel staan enkele oppervlaktespanningen van zuivere stoffen geFiguur: 4.7 Aantrekkingskrachten vanmoleculenaanhetoppergeven, H eerema (1990) . vlak en middenin een vloeistof. Shaw (1980),figuur 4.1.

--*=*~*---*= r- - - -*

* * Vloeistof ~* -- *

--

35


1111:111111111111111:"1111'1:11'1111':11111:.111:1'1'1:':1'1:111.:111,:'1:111:,,:1..1:111111.11:111111111:1:1:111::1'111:1::1111"::':1':::::"::::"1111:111'::1::':'::':,'IIIIIIII'II!I:

:',.::II'I'I'I:'I::::I"::I:'IIII.IIII!III::.~I~I~~:111~1~11'::::I:::II:I:I:!lllli:11

water

72,75

aZlJnzuur

27,6

aceton

23,7

ethanol

22,3

kwik

485

hoogovenslak (bij smeltpunt)

400

Tabel 4.1: Oppervlaktespanning van verschillende vloeistoffen, Heerema (1990).

Oppervlakte actieve stoffen nestelen zich aan het grensoppervlak van vloeistof en lucht en veranderen de eigenschappen daarvan. Ze vormen een :fi1m1aagaan het L\G-grensvlak en venninderen hierdoor de oppervlaktespanning. Deze vennindering veroorzaakt een streven naar vergroting van het L\G-grensvlak. Vaste stoffen worden beter benat en schuim kan worden gevormd.

-2r

1

I 1

- -'~-iJ9

.: -[:=j --1--. .

..i-f- -.

-

- ---- - -- - - - -- -~---- -- -- -- - - - -- --- --. --- - -- - Water -

--

- -

-

-.-

- - -

- -

-

Figuur: 4.8 Capilaire stijghoogte. Shaw (1980), fi- Figuur: 4.9 Meting van oppervlaktespanning van twee gum 4.3 vloeistoffen. Shaw (1980), figuur 4.6.

Kijken we naar een vloeistofdruppel op een vast oppervlak in evenwicht, dan geldt de vergelijking van Young, zie figuur 4.10 van Shaw (1980):

(4.2)

YS1G-YS1L -Y GILcos6=O

36

Hoofdstuk 4

Conditioneermiddelen

YGIL

Lucht Vloeistof

~

YS/G

~

YSIL

Vaste stof

Figuur: 4.10 Krachtenevenwicht aan vloeistofdruppel. Naar Sandwijk (1991)

Beschouwen we in deze situatie de adhesiearbeid W SIL, vergelijking 4.3:

WS1L =YSIG+YGIL

(4.3)

-YS1L

Omschrijven van 4.2 en 4.3 levert:

(4.4)

WS1L =Y GIL (1 +cos6)

Als 6 = 0 Als 0 < 6 < 180 Als 6 = 180

Met:

WSIL YS/G YSIL YGIL

6

dan is W SIL = 2y GIL dan is W SIL = YGIL (1 +cos6) dan is WSIL = 0

Volledige bevochtiging Gedeeltelijke bevochtiging Geen bevochtiging

: adhesiearbeid (arbeid om twee niet te mengen stoffen te scheiden) (N/m) : oppervlaktespanning vast-gas (N/m) : oppervlaktespanning vast-vloeistof (N/m) : oppervlaktespanning gas-vloeistof (N/m) : contacthoek.

Als de oppervlaktespanning van het L/G-oppervlak afueemt dan daalt de grote van de contacthoek en wordt het oppervlak beter benat.

37


4.4.1.2 Schuimstoffen,

Tensiden

Schuimstoffen zijn oppervlakteactieve stoffen die de oppervlaktespanning van het L/Ggrensvlak verlagen. Ret zijn stoffen met zowel een hydrofiel als een hydrofoob karakter. Dit dubbele karakter zorgt ervoor dat zij aan het L/G-grensvalk absorberen zie figuur 4.11 Maidl, U (1995). Ret hydrofobe gedeelte wordt gevormd door een lange koolstofketen. De hydrofiele kant die gemakkelijk oplost in water, wordt gevormd door een polaire kop. Stoffen zoals bijvoorbeeld vetzuren ofzepen (RCOOR-), aminen (RNlf), sulfonaten (RS03+) en bepaalde biomoleculen zoals protefuen zijn oppervlakteactieve stoffen (R staat voor de lange koolstofketen). De synthetisch bereide zepen worden tensiden genoemd. De oudst bekende bereiding van tensiden is het koken van dierlijke vetten met zouten tot zeep. Tegenwoordig worden oppervlakteactieve stoffen gemaakt door hydrolyse CH) I Hydrofobe groep van glyceriden (vetten), waarbij zout van de (CH2) 7 carbonzuren en glycerol ontstaan. Ret glyCH ceried bouwt de lange koolstotketen, waaril aan de polairecarboxyl-groep COO- is geCH bonden, figuur 4.11. (CH2)7 ..n,,,,,,,,,,~,,,",,"""

n

co

n"'''.''.''.

Ret grensvlak met de tensidenfilm heeft een lagere oppervlaktespanning omdat de van '+ Na der Waals aantrekkingskrachten tussen de apolaire koolwaterstotketens kleiner is dan de dipoolkrachten tussen de polaire water Figuur: 4.11 Chemische opbouw en symbolische weer- moleculen, Maid!, U(1995). Ret proces gave van een tensid molekuul. Staart is Hydrofoob de van de verlaagde oppervlaktespanning kop is hydrofiel. Maidl, U (1995) figuur 5-3. wordt ook wel eens anders beschreven, Reerema (1990), Shaw (1980); doordat de zeepmoleculen naar het grensvlak trekken, ontstaat de neiging om het oppervlak te vergroten. De resulterende kracht werkt tegen de thermodynamische kracht die het oppervlak wi! verkleinen. Als resultaat wordt de oppervlaktespanning verlaagd. Met de oppervlakte spanning neemt ook de schuifweerstand tussen vloeistof en vaste stof af Hydrofiele groep

0

4.4.1.3 Oppervlaktefilm

en micellen

De sterke absorptie van tensiden aan het L/G-grensvlak zorgt voor de vorming van een oppervlakte film of monomoleculaire laag en wordt oppervlakteactiviteit genoemd. Oppervlakte activiteit is een dynamisch fenomeen waarbij de uiteindelijke grenslaag de balans weergeeft tussen de drang tot absorptie aan het grensvlak en de drang tot complete menging als gevolg van thermische beweging van de moleculen in een vloeisto£ Shaw (1980).

38

Hoofdstuk 4


Bij hoge concentraties van tensiden ontstaan er naast de oppervlaktelaag ook micellen. Dit zijn kogelvormige agglomeraten van zeepmoleculen die kunnen bestaan door de lichte aantrekkingskracht van de hydrofobe delen van de zeepmoleculen. De hydrofiele kop blijft in gehydrateerde toestand en wijst naar buiten zie figuur 4.12. De micellen zijn evenals als de oppervlakte laag van het zeep niet stabiel, ze zijn in dynamisch evenwicht met de omgeving.

Oppervlaktefilm i

I

I (

''-~-..J "

, .

1)

+ "--'

c.~,

' +'-'J

I ('.

I

"""'-1-,,,,",

' I' I~.-

/"~

",",.,..'

,.

, / .,

.

I (.;

--

.+

,~ U( \'

+ '--+r;

")

,r, ,

~

r~ , ~

ty

7""'''-'

+

+ )-1 +

U

+

-

.,+

,

+

\.

.''\'-.'--:

~_

--

Micelle

'

I

'.

J

.

,'~~

+..."

Vloeistof

/'

,

.

".,

+(~r; '-\..)'--' +

-:- /'

+ ~:=;'~+ /

.

::::r-~, /

~

I

T /~ . . \..,..

I

-;C'-: '--~~

\

I

'"

'

-

q

I I

'-"+

'

Tensidmolekuul

Figuur: 4.12 Schematische weergave van oppervlaktefilm en micelle vonning. Maidl, U (1995), figuur 5-4.

4.4.1.4 Schuimstabiliteit

Met gas en een pure vloeistofkunnen luchtbellen worden gecreeerd die niet stabiel zijn. Om een redelijk stabiel schuim te krijgen is toevoeging van een oppervlakte actieve stofvereist. De stabiliteit van schuim wordt verminderd door twee factoren: de tendens van de vloeistoffilm om te draineren en dunner te worden en het knapp en van bellen door verstoringen van buiten. Andere factoren die een rol spelen bij de stabiliteit van schuim zijn verdamping en diffusie van gas door vloeistof Thermodynamisch gezien zijn alle fYsischeschuimen instabiel als gevolg van het grote interne oppervlak en vrije energie. Toch kan onderscheid worden gemaakt tussen onstabiel en metastabiel schuim. Onstabiel schuim kan worden gevormd met licht oppervlakte actieve stoffen zoals kort geketende vetzuren en alcoholen. De beperkte oppervlakte activiteit zorgt voor een vertraging van drainage en het knappen van de bellen. Metastabiele schuimen zijn schuimen die worden gevormd met schuimstoffen zoals zepen, synthetische wasmiddelen, sulfonaten, proteme, etc. Na verloop van tijd ontstaat er een krachtenevenwicht die verdere drainage en verdunning van de filmlaag voorkomt. Wanneer er geen verstorende factoren zijn dan kunnen deze schuimen oneindig lang bestaan. 39

Grondconditionering:

in het EPB-schild

Het krachtenevenwicht dat zorgt voor de stabiliteit van schuim bestaat uit tenminste vier factoren. Verdunning van de filmlaag tussen twee gasbellen wordt veroorzaakt door de aantrekkende van der Waals krachten en capilair krachten. Beschouw figuur 4.13. De druk in de aangrenzende luchtbellen is gelijk, dit heeft tot gevolg dat de vloeistofdruk in punt A, waar de gasbellen op II grotere afstand liggen lager is. De vloeistofdruk in punt B is hoger, waardoor vloeistoftransport van B naar A optreedt en verdunning wordt veroorzaakt. Overlapping van twee gelijk geladen electrische dubbellagen van de in vloeistof opgeloste stoffen zorgen voor een afstotende kracht die verdunning Figuur: 4.13 Grens tossen drie luchtbellen. Als tegengaat. Het belangrijkste proces dat verdunning gevolg van de kromming in het gas/vloeistof van de vloeistoffihn tegen gaat wordt het Gibbsgrensvlak is de druk in punt A lager. Maragoni effect genoemd. Het Gibbs-Maragoni effect kan men zien als elasticiteit van de filmlaag.

~

lnterlamelaire vloeistof Lucht

\

Lucht

Figuur: 4.14 Gibbs-Maragoni-effect. Maidl, U (1995), figuur 5-19.

Stel dat ergens in de vloeistoffihn rond een gasbel een verstoring optreedt die een verdunning teweeg brengt. Deze verdunning noemen we de hals. In de hals wordt het oppervlak vergroot waardoor de concentratie van oppervlakteactieve stoffen afueemt, zie figuur 4.14. Oppervlakte actieve stoffen verlag en de oppervlakte energie. Omdat de concentratie van oppervlakte actieve moleculen plaatselijk afueemt neemt de oppervlakte activiteit toe (Gibbs effect). Omdat het enige tijd kost om de oppervlakte actieve moleculen via diffusie naar het gebogen oppervlak te transporteren blijft de verhoogde oppervlakte spanning lang genoeg bestaan om voldoende vloeistof naar de hals te trekken, (Maragoni effect).

40

Hoofdstuk 4


De afwezigheid van het Gibbs-Maragoni effect in zuivere vloeistoffen zorgt er voor dat daar geen schuim gevormd kan worden. Het is opvallend dat iets sterkere oplossingen van schuimstoffen juist instabie1er schuim leveren. Dit is het gevolg van een sneller verlopende diffusie proces bij verhoogde concentratie, Shaw (1980).

4.4.2 Schuim als conditioneerstof Het schuim dat wordt gebruikt als conditioneermiddel voor grofkorrelige grond is een metastabie1 £ysisch schuim dat voor het grootste gedee1te uit lucht en een klein dee1water bestaat. Als schuimstoffen worden tensiden gebruikt. Polymeren worden gebruikt als stabilisator.

4.4.2.1 Schuimstoffen gebruikt voor bodemconditionering Tensiden In de dissertatie van Maidl,U (1995) worden aanbevelingen gedaan over de te gebruiken tensiden en polymeren. Maid1: "half synthetische anionactieve tensiden, die uit de sulfatisering of sulfonatisering van olefinen gewonnen worden, hebben bewezen zeer goed geschikt te zijn voor schuimbereiding voor bodemconditionering". Onderscheid tussen de twee eindprodukten op basis van sulfonatisering of sulfatisering kan gemaakt worden door te letten op de hydrofiele groep: sulfonatisering: sulfatisering:

Sulfonaat Sulfaat

R-S03Na R-O-S03Na

Tensiden zijn eenvoudig te produceren en er is een enorme verscheidenheid aan produkten op de markt waarvan de samenstelling slechts licht verschilt, en de eigenschappen nagenoeg gelijk zijn, Porter (1991). Polymeren Polymeren worden gebruikt als stabilisator van schuim om de levensduur en de sterkte te verhogen. Zeer geschikt voor deze toepassing zijn de synthetische polymeren uit de acrylamide groep en de half synthetische polymeren uit de polysacchariden groep Maidl,U(1995). Het is belangrijk dat de schuimstoffen en de eventueel te gebruiken stabilisatoren op elkaar worden afgestemd. Maidl,U.(1995) stelt dat anionactieve tensiden in combinatie met anionactieve polymeren met middelgrote polimerisatiegraad zeer goed geschikt zijn. Hij gebruikt dan ook een tensid uit de groep van Natrium Alkylsulfatenen en als stabilisator halfsynthetische Carboxymethy1cellu1ose(CMC).

41

Grondconditionering

4.4.2.2 Biologische

in het EPB-schild

afbreekbaarheid

en verwerking

In de brochures van verschillende producenten van schuim wordt gewezen op de biologische afbreekbaarheid van het product. Zowel de schuimstoffen als tensiden zijn onschadelijk organische stoffen die oxideren tot de natuurlijke producten CO2 en H2O. De stoffen mogen dan biologisch afbreekbaar, en in verdunde oplossing onschadelijk zijn toch zijn er een aantal beperkingen aan het gebruik. De biologische afbraak van halfsynthetische polymeren inc1usiefCMC duurt vaak zeer lang. In veellanden worden limieten gesteld aan de zuurstof opname van te storten grond. Als te veel schuim wordt toegevoegd dan kan de voor afbraak benodigde hoeveeJheid zuurstof de limiet overschrijden. Het materiaal is dan niet meer te beschouwen als schone grond en moet dan in speciale afvaldepots opgeslagen worden. In Duitsland bestaat een ontwerprichtlijn die ste1tdat de maximaal op te nemen hoeveeJheid O2de waarde van 20 mg/l niet mag overschreiden, Maidl,U(1995). Door het IPO (Inter Provenciaal Overleg) worden in Nederland geen eisen gesteld aan maximaal toelaatbare percentages tensiden en polymeren. Het IPO is verantwoordelijk voor de regelgeving totdat het bouwstoffenbesluit in 1998 in werking treedt, IPO (1994). Voor bentoniet bestaan vergelijkbare problemen. Ondanks het feit dat het een natuurprodukt betreft, wordt grond vermengd met bentoniet in Japan als chemisch afval beschouwd, Mizuno (1993 ). Een groot voordeel van schuim toevoeging is dat de afgegraven grond zijn oorspronkelijke eigenschappen temgkrijgt. Bij zandgrond is dit van groot belang omdat "schoon" zand opnieuw gebruikt kan worden en economische waarde heeft. Zodra het schuim-grondmengsel in de open lucht komt, ontsnappen de luchtbellen en krijgt het materiaal zijn vaste vorm. Bij toevoeging van bentoniet in grote hoeveeJheden is en blijft het materiaallange tijd zeer plastisch. Komt het materiaal na uitdroging opnieuw in contact met water dan wordt het opnieuw zeer plastisch. Het materiaal moet dan ook in speciale afvaldepots worden opgeslagen.

4.4.3 Werkingswijze in de grond De werking van schuim in het korrelskelet staat duidelijk beschreven in de dissertatie van de heer Maidl, U (1995) . Aan de hand van deze dissertatie wordt de werking van schuim behandeld. In originele toestand is de bodem te beschouwen als een tweefasen systeem van vloeistof en vaste korrels. Door toevoeging van schuim komt daar lucht als derde fase bij. De eigenschappen van het systeem zijn afhankelijk van de volumeftacties van de verschillende fasen. Het volumegewicht van het driefasen systeem kan worden berekend met behulp van de volumefracties van de drie fasen.

42

Hoofdstuk 4

Gesprog en Luchtbel + ,""",..., -<~

if +

W:w//.

0-

/

>«;+ ' 21-""",.'f;'.~ +0';>~. .~ l~' '--5 + rI ">I....

~ ~'

~/

'-'

.

Luchtbel

Micelle

--t};~~

:I:. + ,z'~~;;~.;;; .,,~ ~~"'fr:f.""":~:. ~ + /""',~~, ..

,.,

,.,

--~ c

' r"-+

"'-1%},; ,.


,

'~'~;';~~~

:I:.

.7,S'l/.." +':: '"

'~, '-'-,

Hydrofobe mantel

b)

a)

Figuur: 4.15 Absorptie van tensidmoleculen aan het vloeistof/vast grensvlak, bij (a) geringe concentratie en (b) geschikte concentratie. Maidl, U (1995), figuur 5.14.

4.4.3.1 Chemische processen tijdens menging Als eerste wordt een zuiver ten sid schuim behandeld zonder toevoeging van stabilisator. Vervolgens wordt ook de werking van een polymeerschuim toegelicht. Tensidschuimen. Bij aanvang van schuiminjectie klappen de eerste luchtbellen als zij in contact komen met gronddeeltjes. De hydrofiele kop van het zeepmolekuul absorbeert namelijk beter aan het L\Sgrensvlak dan aan het L\G-grensvlak. Na verloop van tijd, bij geringe ten sid concentratie is de absorptielaag van de korrels compleet (figuur 4.15a). De korrels zijn hydrofoob geworden omdat de hydrofobe staart van de zeepmolekulen naar de vloeistof is gekeerd. Door deze apolarisatie van de korrels wordt de aanhechting van korrels aan elkaar versterkt. Ook in deze absorptiefase zijn de luchtbellen niet stabiel. Bij contact tussen luchtbel en gronddeeltje (met enkelvoudige adsorptielaag) treedt onmiddellijk verstoring op. Dit proces gaat door totdat de gronddeeltjes voorzien zijn van een dikke adsorptielaag zoals is aangegeven in figuur 4.15b. Pas dan heerst er een stabiele situatie. Tussen de korrels bevindt zich nu een stabiel kussen van schuimbellen. Tevens zorgt het negatieve karakter van de ten sid molekulen voor een negatieve oppervlaktelading van de korrels zodat de afstoting van korrels versterkt wordt. Als gevolg van de absorptie laag en het luchtkussen neemt de hoek van inwendige wrijving af

43


Polymeerschuimen. In figuur 4.16 is weergegeven hoe een schuimoplossing met polymeer toevoeging werkt. De sterk hydrofiele eigenschappen van de polymeren zorgen voor een snelle en krachtige absorptie aan het eveneens hydrofiele korreloppervlak. De gronddeeltjes worden omringd door een diffuse laag die opgebouwd is uit ten sid- en polymeermolekulen. De dynamische wisselwerking tussen de tensidmolekulen in de schuimbellen en de tensidmolekulen in de adsorptie film van de korrels is veel minder dan bij zuiver tensidschuim. Hierdoor is het schuim stabie1er. De polymeer-tensidlaag is als het ware een beschermings colloid, zij schermt de korrels af van elektrische invloeden. Kationen die de negatieve oppervlaktelading kunnen verminderen worden voortijdig geneutraliseerd en kunnen niet tot het korrelopervlak doordringen. Het geheel heeft een grotere negatieve lading waardoor de stabiliteit van de interlamelaire vloeistofverhoogd wordt. Tevens wordt de korrel-korrel wrijving verminderd door het gelaagde karakter van de beschermingskolloid. De algehele verkleving zorgt voor een toenemende ondoorlatendheid voor water.

Bodemdeeltjes

Figuur: 4.16 Absorptie van polymeershuim aan het vast/vloeistof grensvlak. Maidl, U (1995), figuur 5-15

4.4.3.2 Veranderde fysische eigenschappen van de grond In het bodem-schuimmengsel zijn de drie aanwezige fasen tot een samenhangend gehee1 verbonden. Op basis van de hogere adhesie- en capillairkrachten en de hogere viscositeit van het schuim wordt het ontwijken van een fase voorkomen. Dit heeft positieve gevolgen voor de waterdoorlatendheid, de kompressibiliteit en de spanningsverdeling.

44

Hoofdstuk 4


4.5 POL YMEERGEL

De werking van polymeergel als conditioneermiddel voor zandgrond berust op de waterbindende capaciteit van de polymeren. De gel wordt toegevoegd om de concistentie van de grondbrij te beinvloeden. Hierbij dient het grondwater door de polymeren te worden gebonden opdat er geen vloeistof ontstaat. Er zijn veel soorten polymeren op de markt waaronder pure natuurprodukten, synthethische- en halfsynthethische stoffen. In paragraaf 4.5.1 en 2 zal eerst de chemie van deze stoffen worden behandeld, vervolgens zal de werking van de polymeren aan de hand van Babendererde (1993) en Maid!, U. (1995) worden besproken in paragraaf 4.5.3.

4.5.1 Chemie en bereiding

Polymeren zijn organische verbindingen die opgebouwd zijn uit een groot aantal gelijke basis moleculen die monomeren worden genoemd. De bindingen in deze lange makromolukulen die opgebouwd zijn uit soms wel honderdduizenden atomen zijn koolstofbindingen. Copolymeren zijn makromolekulen die opgebouwd zijn uit minstens 2 verschillende monomeren. Polymeren komen veel voor in organismen. Protefue bijvoorbeeld zijn polymeren en vormen het leeuwendeel van het lichaam van dieren, maar ook cellulose de bouwstof van planten is een polymeer. Synthetisch kunnen polymeren worden bereid uit stoffen met dubbele koolstofbindingen via polymerisatie, polycondensatie ofpolyadditie. Plastics zijn synthetische polymeren. De mogelijkheden en variaties binnen de synthetische polymeren zijn onbeperkt. Een belangrijk begrip bij de bereiding van de polymeren is de polimerisatiegraad, welke wordt bepaald door het aantal monomeren in een makromolekuul. Korte ketens van monomeren hebben een lagere polimerisatiegraad dan lange ketens. De eigenschappen van de polymeren worden naast de polimerisatiegraad bepaald door de bouwstenen van het makromolekuul en de structuur van het kettingmolekuul.

4.5.2 CarboxylMethylcellulose

(CMC)

Carboxylmethylcellulose (CMC) wordt veel gebruikt in diepboringen en als conditioneermiddel van grond. CMC is een polymeer uit de groep van halfsynthetische polymeren, ook wel natuurlijk gemodificeerde polymeren genoemd. CMC is een chemische modificatie van cellulose. De structuur formule van cellulose is weergegeven in figuur 4.17. Ondanks het feit dat de stof opgebouwd is uit repeterende anhydroglucozeringen met ieder drie hydroxyl groepen, is de stofzeer complex en amorfvan structuur. Cellulose is onoplosbaar. Als de hydroxyl groepen (-OH) vervangen worden door alcohol groepen dan ontstaat het in water oplosbare CMC. In figuur 4.18 is de structuur formule van CMC weergegeven.

45

Grondconditionering

in bet EPB-schild

OH

OH

0 --- "'" HO

I

C H 20 H

~O--

\

()

I

CH20H

' CH20H

OH

OH

Figuur: 4.17 Structuurformule cellulose, Gray (1980) figure, 11-11.

In de figuur is te zien dat twee -OH groepen vervangen zijn door primair alcohol (links) en secundair alkohol (rechts). Als men deze substitutie over het hele molelruul doorzet dan spreekt men van een substitutiegraad van een. De substitutiegraad van industrieel vervaardigd CMC is in werkelijkheid zeer onregelmatig en loopt uiteen van 0.5 tot 1.5. De oplosbaarheid in water neemt toe met de substitutie graad. Het gewicht van het molelruul is afhankelijk van de polimerisatiegraad van de anhydroglucose ringen. H2 C

OH

,

\

HC

CH

/!H.

\

CH

\

HC

I

0

I

/

CH

/\/ 0

HC

CH

\?H HC

0

\H/\ / CH ,

CH

~

0

c~o

'"

CH2

/

~/c==o Na+.O

OH

O==C"-

"

/"

O-Na

Figuur: 4.18 Structuurformule van carboxylmetylcellulose. Gray (1980), figuur 11-12.

46

+

Hoofdstuk 4


Voor de bereidIDg worden als grondstoffen natuurlijke celsto£ natronloog, monoclorisch zuur en natrium zout gebruikt. CMC heeft een anionisch karakter en is sterk waterabsorberend. Opgelost in water vormt het stabiele colloid oplossingen die bij hogere concentraties gelachtig worden. CMC is hydrofiel en absorbeert aan de hydrofiele oppervlakken van gronddeeltjes,

4.5.3 Werking in de grond De werking van polymeren is sterk afhankelijk van de elektrische aantrekkingskrachten en de polimerisatiegraad. In figuur 4.19. zijn vier basissystemen voor de wisselwerking van het korrelskelet met polymeren te zien. Niet ionogene polymeren kunnen aan het oppervlak van gronddeeltjes absorberen figuur a), zonder dat er electrostatische krachten werkzaam zijn. Elektrische aantrekkingskrachten kunnen ontstaan als de gronddeeltjes geladen zijn, figuur b) of als de polymeeroplossing een geladen karakter heeft, figuur d). Met verschillende polymeren kunnen de eigenschappen van grond worden gemanipuleerd, Maidl,D.(1995), Babendererde (1993): Als het polymeer een hoge polimerisatiegraad heeft dan kunnen de gronddeeltjes in * hUllgeheel worden opgenomen in de gel structuur. Het korrelskelet wordt ingepakt door de polymeren, de korrels worden met elkaar verbonden en in een grofkorrelige niet cohesieve bodem ontstaat een cohesieve matrix. Door de glijwerking van de oplossing wordt de wrijving tussen korrels verminderd en daalt de hoek van inwendige wrijving.

a)

b)

c)

d)

~

Figuur: 4.19 Wisselwerking van grondkorrels met verschillende polymeeroplossingen. Maidl, U (1995) figuur 4-1. 47


Permeabiliteitsvermindering kan ook worden bereikt door toevoeging van niet * absorberende, niet elektrisch geladen polymeren, figuur c). Als de concentratie hoog genoeg is dan verstrengelen de polymeren met elkaar. De polymeren vormen met de gronddeeltjes en het porienwater een samenhangend geheel. Korte polymeerketens met ionogeen karakter kunnen zorgen voor een toename van de * negatieve lading aan het oppervlak van de gronddeel1jes. Door de toegenomen afstotende werking tussen dee1tjes onderling, neemt de neiging tot samenklontering a£ In de ondersteuningsvloeistof van vloeistofschilden wordt hier vaak gebruik van gemaakt. Door omhulling van de kleidee1tjes met polymeren wordt absorptie van water * voorkomen waardoor de kleverigheid van de klei afueemt. Door dit effect kan de benodigde arbeid voor rotatie van het graafwiel en andere bewegende delen verminderd worden. Door vervuilde grond kunnen kleideeltjes in suspensie uitvlokken, doordat zij in * contact komen met extra kationen. De kationen absorberen aan de kleidee1tjes waardoor de negatieve lading aan het platte oppervlak venninderd wordt. De afstotende werking tussen de kleiplaatjes neemt af en de suspensie kan uitvlokken. Bij vloeistofschilden kan dit fatale gevolgen hebben. Polymeersuspenties zijn bestand tegen verontreinigingen en neutraliseren de ionen in oplossing. Als toevoeging aan bentonietsuspensies zorgen ze dan ook voor behoud van de eigenschappen. Door omhulling van de korrels met polymeren neemt de wrijving tussen korre1s af *

48

Hoofdstuk 5 Praktiikstudies

HOOFDSTUK 5

PRAKTIJKSTUDIES

5.1 INLEIDING

In dit hoofdstuk worden praktijkstudies beschreven om te achterhalen ofboortunnels zijn uitgevoerd in zandgrond met vergelijkbare eigenschappen als Nederlands Pleistoceen zand. De praktijkstudies zijn; -Metrotunnel in Valencia -Metrotunnel in Tokyo -Doorpersing in Zevenhuizen -Botlekspoortunnel in Rotterdam De eerste drie praktijkstudies behandelen projecten waarin gronddrukbalansschilden zijn toegepast in niet cohesieve grond. Conditionering van de grond is in aile gevallen nodig en staat centraal in deze praktijkstudies. Het laatste project is een Nederlands tunnelproject dat momenteel in voorbereiding is. In deze praktijkstudie wordt besproken ofhet mogelijk is om de tunnel aan te leggen met een gronddrukbalansschild en hoe en met welke middelen de grond geconditioneerd kan worden.

5.2 CONSTRUCTIE

VAN METROLIJN

NR. 5 IN VALENCIA, SP ANJE.

5.2.1 Project omschrijving Deze praktijkstudie is gebaseerd op informatie uit de literatuur. De informatie is afkomsig uit artikelen van Wallis (1995) en Herrenknecht (1995). In oktober 1994 is begonnen met de constructie van lijn 5 van het metronetwerk van Valencia in Spanje. Het traject is in totaal3. 750 m lang, inc1usief de vijf stations Alameda, Colon, Xativa, Angel Guimera en Avinguda. Over een lengte van 2.100 m wordt het traject gegraven met een gronddrukbalansschild TBM. De resterende 1.650 m van de tunnel wordt geconstrueerd met de cut en cover methode. Het geboorde traject bevind zich onder de historische binnenstad van en bestaat uit twee tunnels met een uitwendige diameter van 6.35m. De vijf stations en twee tunnelsecties van 800 m en 140 m vormen het gedeelte dat is gemaakt met de "cut and cover" methode. Het tunneltraject start in de, 15jaar geleden drooggelegde, rivierbedding van de rivier de Rio Turia ongeveer 380 m ten oosten van het Alameda station en loopt tot station Avinguida. Het traject loopt dwars onder het historische centrum van Valencia door. Er is gekozen voor een sleufloze techniek om het centrum en het drukke verkeer aldaar niet extra te belasten. Het diepste punt van het traject bevindt zich tussen de stations Colon en Xativa; hier liggen de twee tunnels boven elkaar. De as van de onderste tunnel bevindt zich 26m onder het maaiveld. Het project is in 1991 uitbesteed aan de joint venture EOVAL. 49


Dit consortium bestaat uit twee Spaanse aannemers, Entrecana1es en OCP en een adviseur, het .. Spaanse Iberinsa. Het contract inc1usief ontwerp, constructie, verbindingsbrug (tussen de historische oevers van de Rio Turia) en andere geassocieerde werkzaamheden is vergeven voor 320 miljoen US. dollar. De kosten voor de geboorde tunnel bedragen ca. f113.950,- per meter (inc1usiefTBM en mante1e1ementen). Ter vergelijking: de cut-en-cover tunnel van 0.8 km gaat f131.200,- per meter kosten (deze tunnel wordt uitgevoerd a1sstation). Bij de omrekening is uitgegaan van: US$l = f12-. De contractperiode 100pt afin mei 1997. Men verwacht dat de eerste metro eind 1997 door de tunnel za1rijden.

5.2.2 Geologie en Geotechniek 5.2.2.1 Geologie

De geologie in het gebied is complex en wordt sterk bepaa1d door het sedimentatieproces van de Rio Turia. de stroombedding van de RioTuria vindt men een afwisseling van kleien, zanden en grinden. Het freatische vlak bevindt zich op een diepte van 3 tot 7 m onder het maaiveld. De tunnels bevinden zich op een diepte van ongeveer 15 m onder het maaiveld. In figuur 5.1 is een deel van het geotechnische profiel van het traject weergegeven. De eerste 120 m van het traject gaat door grindhoudend zand (laag 3). In laag 3 bevindt zich een lens van kleiige silt met een maximale dikte van 4m en een breedte van ongeveer 60 m (laag 4). Beide lagen zullen over een behoorlijke lengte gelijktijdig worden afgegraven door de TBM.

~

D 0 .

D

Klei en zand, laag 1 Klei en silt, laag 2 Zand en silt, laag 4 en 5

Silt en grindhoudendzand laag, 3 en 6

Figuur: 5.1, Geotechnisch profiel. Herrenknecht (1995).

50

Hoofdstuk 5

Praktiikstudies

Vervolgens wordt over een lengte van 890 m uitsluitend geboord in de cohesieve lagen van laag 4. Voordat station Angel Guimera is bereikt gaat men over in siltig zand (laag 5). Het traject loopt 200 m in laag 5, de resterende 850 m tot aan het laatste station Avinguda bevindt zich in laag 6. Laag 6 bestaat uit zanden en grinden.

5.2.2.2 Geotechnische gegevens In figuur 5.2, 5.3 en 5.4 zijn de grenzen van de zeefkrommen van de grondsoorten uit laag 3 en 6, laag 4 en laag 5 weergegeven. De fijne ftactie van de gronden uit laag 3 en 6 varieert tussen 5 en 50 %. Als gemiddelde kan een fijne ftactie van 15 tot 20 % worden genomen. De

permeabiliteitvan de grond uit laag 3 en 6ligt rond de 10-4mis, met uitschieters naar

10-3 mls

en kan dus worden beschouwd als permeabel tot zeer permeabel. De maximale diameter van de stenen die in deze lagen zijn gevonden is 15 tot 20 cm Grenzen van de zeefkrommen van laag 3 en 6 Grond uit laag 4 heeft een percentage fijne korrels uiteenlo100 90 pend van 30 % tot 100 %. Als I ';CII 80 gemiddelde waarde kan 80 % / J N ~ 70 I worden genomen. De permea~ =- 6050 / biliteit is zeer laag. De cohesie, &~ / ~ a.= 3040 bepaald met een ongedraineer/ 2J 1/ :u 20 de triaxiaal test, bedraagt 100 ...... Q. 10 kN/m2. De gronden in niveau 5 0 hebben een gemiddeld percen0.01 0.1 1 10 100 0.001 zeefdiameter (mm) tage fijne delen van 40 %. De NSTP (standaard penetraFiguur: 5.2 tie test) waarde zoals bepaa1d met een standaard penetratie test is groter dan 30. De Grenzen van de zeefkrommen van laag 4 consistentie op basis van de NS TP waarde wordt "semi so100 / 90 lid" genoemd. Het tunneltra/ '; 80 ject bevindt zich gemiddeld 8 Ii :!I ~ 70 1i ~ 60 10m onder het fteatische vlak. ~C> -;OIl 50 I ,/ '" De dekking bedraagt 1.4 D .:!:: 40 51 a. 30 (D=diameter ). ~ 20 Q. De waterdrukken in het tunnel....~ 10 0 traject van laag 6 lopen op tot 0.01 0.1 0.001 10 100 boven de 2 bar.

-

()

zeefdiameter

Figuur:

(mm)

5.3

51

Grondconditionering

in het EPB-schild

Grenzen

...

... :!:!

~

.. ~ ~;; tII ...

,:!::: :J a.

!

van de zeefkrommen

100 90 80 70

van laag 5 ~/

-

1---

/

60

/

50 40

I-

30 20 10 0 0.001

0.01

0.1 zeefdiameter

10

100

(mm)

Figuur: 5.4

5.2.3 Tunnelboormachine

5.2.3.1 Keuze van de TBM In dit projectzijn voor het sleufloze traject het "hydro shield" en het gronddrukbalansschild bestudeerd als mogelijke ontgravingsmethoden. Volgens de hee R. Justa, werken beide systemen even goed in dit terrein; bij constructie met een EPB- of "hydro shield" zouden de zettingen binnen de gewenste specificaties < 3 mm kunnen blijven. De uiteindelijke keuze voor het EPB-type is genomen op basis van een kostenoverweging. Bepaalde delen van het traject liggen boven het fteatisch vlak. In het geval een "hydro shield" gekozen zou zijn, dan zou het ontgravingsproces gepaard zijn gegaan met een hoge bentoniet consumptie. Doordat tijdens ontgraving het percentage fijne delen sterk varieert en over een lange periode erg hoog is kunnen er verstoppingen optreden in de transport leidingen. Bovendien is scheiding van fijne deeltjes en bentonietsuspensie moeilijk en kostbaar. EOV AL veronderstelde dat de ontgraving van niet cohesieve lagen beter zijn te controleren door een EPB-schild met conditioneermiddelinjectie. Een nadeel van het EPB-schild is dat meer eisen aan de ondergrond gesteld dienen te worden, omdat de grond dienst doet als ondersteuningsmedium. Met name de cohesieve lagen hebben een te hoge wrijvingshoek en cohesie en de grove lagen hebben een veel te hoge permeabiliteit. De grondconditionering moet worden aangepast op het type grond dat op dat moment ontgraven wordt.

5.2.3.2 TBM-specificaties. Tijdens de TBM aankoopprocedure van EOV AL zijn negen voorstellen gedaan door verschillende tunnelbouwers. Drie daarvan zijn uitvoeriger bekeken, te weten twee Japanse in Frankrijk te bouwen TBM's en een Duitse TBM van de firma Herrenknecht. 52


Uiteindelijk is gekozen voor het EPB-schild van Herrenknecht. Aan de hand van de geotechnische gegevens is de TBM met de benodigde kracht voor de voortstuwing en de draaimomenten voor schroefvijzel en snijkop ontworpen. Verdere technische gegevens van de TBM zijn: Buiten diameter Schild Schild lengte

6,35 m 6,80 m

Totale lengte TBM Totaal gewicht

74m 550 t

Lengte schroefvijzel Diameter schroefvijzel

12m 700 mm

Maximale voortstuwing Maximale uitschuiving van hydraulische stempels Graafwiel vermogen Graafwiel moment Rotatiesnelheid van graafwiel Maximale "manlock" druk Totaal gemstaleerd vermogen

4.300 t 1,7m 800 kW 5.000 kNm 0-30mw/OO 3 bar 1.600 kVa

De TBM is voorzien van drie aparte injectiesystemen voor bentoniet, schuim en "high density slurry" (hoge dichtheid suspensies). De schuimvloeistofwordt aan het oppervlak gemengd en in een buffer opgeslagen. De vloeistofwordt vervolgens naar het graafwiel gepompt. Het schuim wordt in de TBM met behulp van perslucht (druk: 6bar) gegenereerd. Injectie vindt plaats in zes computer gestuurde schuim injectie-eenheden met een capaciteit van 700 1/00. Het schuim wordt onder een druk van 2,5 bar gefujecteerd aan het boornont, aan de buitenzijde van de TBM, in de werkkamer en in de schroefvijzel.

5.2.4 Ervaring en vorderingen tijdens constructie. Het tijdschema voor de te boren tunnel gaat uit van een voortgangssnelheid van 15 m per dag van 24 uur. Het schema van de eerste tunnel is aangepast omdat constructie van de tussenliggende stations vertraging heeft opgelopen. Er hoeft slechts 12 uur per dag gewerkt te worden. Momenteel is men bezig met de tweede tunnel, en is men weer overgestapt op de 24-urige werkdag. De tunnelconstructie is gestart in november 1994. Zonder problemen is injuni 1995 station Xativa bereikt. Over deze eerste 85 Omis tijdens de beste dag 12 m tunnel, per 12 uur geconstrueerd. 12 m tunnel bestaat uit 10 tunnelringen van elk 7 betonnen elementen. De constructie van het tweede stuk tunnel naar station Guimera duurde van juni 1995 tot oktober 1995. De hoogste voortgangssnelheid is verbeterd tot 11 ringen per 12 uur. Tot nu toe hebben zich tijdens het project geen problemen voor gedaan. Het schuim voldoet goed als conditioneermiddel. De steundruk wordt goed overgebracht. 53


De afvoer via de schroefvijzel en werkkamer verloopt soepel. De elasticiteit van het ondersteuningsmedium is toegenomen en ze1fsde grindige formaties kunnen afdoende in permeabiliteit worden verlaagd met schuim. Ook tijdens de ontgraving van de grindhoudende zanden zijn geen problemen opgetreden. Het succes van dit werk wordt door de uitvoerende personen grotendeels toegeschreven aan de schuimconditionering. De maximaal toelaatbare zettingen voor dit project zijn vastgeste1d op 10-15 mm. De opgetreden zettingen zijn tot nu toe altijd onder de 3mm gebleven. Conditioneermiddelen. Ondanks het feit dat door machinebouwer Herrenknecht schuim is aanbevolen, is door EOV AL HDS als conditioneermiddel gekozen. Het schuiminjectiesysteem is oorspronkelijk als testapparatuur ingebouwd. In het eerste traject is de grond niet geheel verzadigd, de fijne ftactie bedraagt tussen de 10 % en 25 %. De bentonietconsumptie ligt op 400 liter/min of220 liter/ m3 ontgraven grond. De schuimconsumptie in deze1fde laag bedraagt 500 liter/m3 ontgraven grond, voor 500 liter schuim is 18 liter schuimvloeistof no dig. Dit is een aanzienlijke vooruitgang; er hoeft veel minder materiaal afgevoerd te worden en het materiaal behoudt zijn samenhang (wordt niet vloeibaar). Als gevolg van de hoge wrijvingshoek en slechte veIVormbaarheid van de grond, tijdens HDSconditionering, is de drukverdeling, zoals gemeten met de drukopnemers in de werkkamer zeer variabel. De drukverdeling blijft variabel ondanks verhogingen in de hoeveelheden toegevoegd HDS. Als gevolg van de inhomogene drukverdeling blijkt de TBM zeer moeilijk bestuurbaar en wordt de steundruk met gelijkmatig aan het boomont overgebracht. De minimale steundruk van 1.8 bar aan de top van het boomont wordt niet altijd gehaald terwijl de drukopnemers van de hydraulische vijzels asdrukken van 3 bar registreren. De overstap naar schuim, resulteert in een veel gelijkmatiger drukverdeling. Het drukverschil tussen de top en de as van de TBM neemt afvan 1,5 bar tot 0,5 bar. Door schuiminjectie vermindert de benodigde hydraulische druk voor de schroefvijzel met 42 %, van 120 bar tot 70 bar. Na het experiment met HDS- en schuimconditionering is definitief overgestapt op schuimconditionenng. In dit project wordt het schuim injectiesysteem gebruikt om de steundruk direct te befuvloeden. Tijdens werking blijkt dat de schuimdruk vlak na menging zeer goed overeenkomt met de druk van de gronddrukopnemers in de achterwand van de werkkamer. De steundruk stijgt met toenemende injectiedruk. De drukverdeling in de werkkamer is als gevolg van de schuiminjectie veel stabieler. De grondbrij is homogener en de luchtbellen vlakken drukwisselingen als gevolg van de wisselingen in voortgangssnelheden uit. De verhouding tussen gefujecteerd schuimvolume en het ontgravingsvolume schommelt tussen de 25 % en 30 %.

54

Hoofdstuk 5

5.3 CONSTRUCTIE TOKYO, JAPAN.

VAN METROLIJN

., Praktiikstudies

NR. 12, TRAJECT 2 IN

5.3.1 Projectomschrijving De infonnatie voor deze praktijkstudie is verkregen uit twee artikelen Kawaeda (1992) en Kanayasu (1995) en via correspondentie met de auteurs. Deze praktijkstudie betreft de uitbreiding van het metronetwerk in Japan. Het traject van de geboorde tunnel is kort, slechts 617 m De diameter van de tunnel is 8,5 m Dit project is interessant omdat er is geexperimenteerd met toevoeging van verschillende conditioneermiddelen. Omdat het controle- en meetsysteem redelijk compleet is, is goed te zien wat het effect is van schuimtoevoeging. In het Noordoostelijk deel van de stad Tokyo wordt het metronetwerk uitgebreid met lijn 12. Deze praktijkstudie betreft het tweede deeltraject van de metrolijn. De eigenaar van de metrolijn is de gemeente Tokyo: "Bureau of Transportation, under the Tokyo Metropolitan Government" . Het ontwerp en de uitvoering zijn verzorgd door "shield tunnel technology department" van Kumagai-Gumi Co. Ltd. Kumagai-Gumi is onderdeel van "The rheological foam shield tunneling method association", zie hoofdstuk 4.2.4. Het project is gelegen in de wijk Nerimaku van Tokyo en loopt van het station Toshimaen tot station Nerima. In het traject van de tunnel bevindt zich een grote bocht met een radius van 165 m De bocht vormt 44 % van het tunneltraject.

I::

E

Tosimean station

vertre:unt 11

Eindpunt

Nerima station Figuur:

5.5 Locatie kaartje. Kawaeda (1992).

55


De metro loopt door zeer dicht bebouwd gebied, kruist een tweetal spoorwegen en loopt gedeehelijk onder wegen en gebouwen, zie figuur 5.5. Er wordt geboord vanuit een vertrekput naar een aankomstput, de vertrekput is 48 m lang. De tunneltop ligt op een diepte van 10 tot 14 m onder het maaiveld en heeft derhalve een geringe dekking van 1,15 D.

5.3.2 Geologie en geotechnische gegevens Het gebied ligt 40 m boven zeeniveau en wordt gekenmerkt door sedimentaire afzettingen van Kwartaire ouderdom De ondergrond is zeer complex en is opgebouwd uit klei-, zanden grindlagen van verschillende oorsprong. Het 1Teatischevlak bevindt zich op 5 a 10m bene den het maaiveld. Op een diepte van 10 m bevindt zich een 5 m dikke vulkanische tu:ffkleilaag. AIle andere afzettingen in het gebied hebben een fluviatiele of marine oorsprong. De ontgraven grond in dit project behoort voomamelijk tot de Musashino- en Tokyo-formatie en in mindere mate tot de Edo-gawa formatie. De Edo-gawa-formatie is een cohesive grondsoort. Zowel de Musashino- en Tokyo-formatie zijn grindlagen, met een grindftactie van 60-70 %. De fijne korrelftactie (in Japan is
5.3.3 Tunnelboormachine 5.3.3.1 Keuze van de TBM. In Japan wordt op basis van de diepte van het traject, de diameter van de TBM en geologie een keuze gemaakt tussen een vloeistofschild of een gronddrukbalansschild. Als deze factoren geen beperkingen opleggen dan kiest men altijd voor een gronddrukbalansschild. De EPBschilden hebben namelijk het grote voordeel dat er weinig bentoniet hoeft te worden gebruikt, en geen scheidingsinstallatie nodig is. Japan kent strenge regels voor het gebruik en de afvoer van bentoniet. Het materiaal mag niet worden gestort maar moet worden opgeslagen in dure afval depots. Ondanks het feit dat deze tunnel een grote diameter heeft en het materiaal dat ontgraven wordt grof is, is toch gekozen voor een gronddrukbalansschid. Omdat de grond niet de juiste eigenschappen bezit om als ondersteuningsmedium te dienen, moet er gebruik gemaakt worden van conditioneermiddelen. In dit project zijn schuim hoge dichtheid suspensie tegelijk gebruikt.

56

...


5.3.3.2 TBM-specificaties

In figuur 5.6 is de TBM weergegeven. Opvallend is de dubbele schroefvijzel. Deze is aangebracht om de waterafsluitende werking te verbeteren en in het bijzonder om wateruitbarstingen en instabiliteit van het boomont te voorkomen. De openingen in het graafwiel zijn zo gekozen dat alleen stenen met een diameter kleiner dan 450 mm worden doorgelaten. 35 % van het graafwiel is open. Het graafwiel van de TBM is voorzien van 8 rijen "cutter bits", zie figuur 5.6. Omdat deze "cutter bits" snel breken door de aanwezigheid van zware stenen met hoge sterkte zijn ook 16 "disc cutters" in het graafwiel opgenomen. De schroefvijzel heeft een diameter van 850 mm en is ontworpen om stenen met een maximum diameter van 450 mm afte kunnen voeren. De lengte van de schroefvijzel is 17.5 m In de TBM zijn zeven gronddrukmeters geplaatst, twee in het graafwiel en vijf op verschillende plaatsen in de werkkamer. Hieronder zijn enkele technische gegevens van de tunnelboormachine weergegeven. 12

15

:id § ~ ...:. .lot IS U

5

~... :lot

-~0 -a ...

:I~

,<1::::'

.

~v

1-4) snijtanden 5-7) snijcutters 8) sIurryinjectiepunt 9) drukopnemer 10) schuiminjectie 1eiding 11) snijcutter 12) zettingsmeter

,

\ 23

19) 20) 21) 22) 23) 24)

_.~~ I

24

egalisator schroefvijze12 sIuis erector schroefvijze1 1 afsIuiting

13) 14) 15) 16) 17) 18)

sIuis snijcutter overcut injectie e1ectromotor hydrualische vijzel Schild

Figuur: 5.6 TBM. Kawaeda (1992).

Buiten diameter schild Binnen diameter schild staart Schild lengte

8,66m 8,56m 7,71 m

Lengte schroefvijzel Diameter schroefvijzel Schroefvijzel moment Afvoer snelheid

17,5 m 850 mm 80 kNm 3,12 m3/min 57

Grondconditionering

in het EPB-schild

7800 t 855 kW 15290 kNm 0,9-8,5 omvv/min

Max:imale voortstuwing GraaVwielvennogen GraaVwiel moment RotatiesneJheid van graaVwiel

De TBM is voorzien van tvvee aparte injectiesystemen voor schuim en "high density slurry" zodat de tvvee conditioneermiddelen gelijktijdig kunnen vvorden geii:1jecteerd.In het graaVwiel zitten vijf injectiepunten. In de vverkkamer bevinden zich extra injectiepunten.

5.3.4 Conditioneermiddelen In dit project zijn schuim en hoge dichtheid suspensie tegelijkertijd toegepast. Vit vooronderzoek is gebleken dat met gebnrik van een van beide conditioneermiddelen niet het gevvenste effect bereikt zou kunnen vvorden. Omdat de ponen tussen de korrels erg groot zijn kan het schuim snel naar de omgeving ontsnappen. Bovendien kan het schuim niet zorgen voor een goede samenhang, omdat de ruimte tussen de korrels daar te groot voor is.

-~.lYU.. Ring llI.

1-50

51-162

163-337

338-438

439-608

609-680

Voortstuwing (ton)

12.280

12.520

I 2.480

12.550

13.860

13.090

Snijmoment (kNm)

16.278

17.063

17.161

17.745

17.358

17.745

SneJheid (mm/min)

19

118

I 18

I 17

I 15

I 15

gronddruk (kPa)

~1107,9

I 98,1

I 78,5

I 88,3

168,7

168,7

Conditioneerstof(% van hoeveeJheid afgegraven grond)

I

I

I

midden

157,0

157,0

147,2

147,2

137,3

127,5

bodem

176,6

176,6

166,8

166,8

176,6

176,6

lIDS

18

16,7

16,3

16,8

13,6

12,4

Schuim 115,4

115,8

116,5

115,1

120,6

121,5

Totaal

133,4

132,5

132,8

I 31,9

134,2

133,9

1,5

11,75

11,75

I

1,5

11,85

I

Slurry viscositeit (Pa s) I

Tabel5.1

Technische gegevens en conditioneerstofinjectie

tijdens voortgang.

58

~1


Het is moeilijk om met behulp van lIDS een homogene grondbrij te krijgen. Tevens zal het aandrijfinoment van het graafwiel te hoog worden als alleen lIDS wordt toegevoegd. Tijdens eerdere projecten is geexperimenteerd met een combinatie van conditioneermiddelen. Bij deze projecten lag de nadruk echter op de schuimtoevoeging. In deze projecten is twee tot vier keer zoveel schuim als lIDS toegevoegd. In Tokyo is dit omgedraaid. Gemiddeld genomen ligt de totale injectie ratio (volume conditioneerstoffen/ volume grond) rond de 35 %, hiervan is ongeveer 55 % lIDS en 45 % schuim, zie ook tabel 5.1. In tabel5.2 valt vooral het hoge percentage vaste stofin de lIDS spoeling op. De vaste stoflvloeistof ratio ( D ) ligt op 140 %. De viscositeit is laag omdat relatief veel zand en heel weinig zwellend bentoniet is gebruikt. Het hoge percentage zand is nodig omdat de porien in de grond zeer groot zijn. De permeabiliteit zal door toevoeging van alleen schuim niet voldoende afuemen en de stenen zullen uit de grondbrij zakken. Als alleen lIDS wordt gefujecteerd zal de HDS met het aanwezige grondwater worden verdund. Het gevaar bestaat dat de vloeistof wordt uitgeperst en dat wateruitbarstingen in de tunnel plaats vinden. Bovendien kan onvoldoende fijn materiaal aan het boomont worden gebracht om de permeabiliteit afdoende te verlagen.

Standaard Samenstelling

schuimer (OK1)

10 1

stabilisator (OK2)

20 kg

water

970 1

Foaming Ratio (schuim volume /schuimvloeistof) Eigenschappen schuimvloeistof

6 pH

7.3

viscositeit

0.2 Pa s

volumegewicht

1 kg/l

zand

ca. 1.310 kg

bentoniet

ca. 100 kg

water

1000 1

volumegewicht

1,42 kg/l

viscositeit

1 it 2 Pa s

Samenstelling DDS (1,4 m3) standaard samenstelling

Eigenschappen

Tabel 5.2 Samenstelling

en eigenschappen

van conditioneerstoffen.

59

Grondconditionering

in het EPB-schild

5.3.5 Ervaringen en vorderingen tij dens constructie. De tunnel is aangelegd zonder noemenswaardige problemen. De combinatie van twee conditioneermiddelen heeft goed gewerkt. Omdat de voortgang in het begin laag is, een gemiddelde snelheid van 9 mm/min, is besloten om de steundruk te verlagen. De vooraf vastgestelde gronddruk is bepaald door de actieve gronddruk + grondwaterdruk + 0.2 kg per m2. De gronddruk in de werkkamer is tot 90 % van de vooraf vastgestelde druk verlaagd. Deze verlaging zorgt voor een verhoging van de voortgangssnelheid. De vervormingen in de grond nemen niet toe. De aangebrachte druk door de hydraulische stempels die de TBM voortdrijven is echter hoger dan de steundruk in de werkkamer. Men veronderstelt dat dit het gevolg is van de steunende werking van het graafwiel.

~:;'

'1200

:§'

m_~

1000

Q..= Q) Q ~e

800

Q

e

V)

S

--'~u

schuimefIect

1-~..._-A --~-~-_.=--\,:,=--h---,

1

600 J

~

3200

j

:800

~i

...... ~

\_--~ " ~ .

~

~400

:-:::U.-schuimefIect

v '. t ~~. -- ------- ~-'

J

f'CO

~..~---

--i' - \,? ~

I

t\S~

~ ~ .. ~~._-_._--

.

~l ::] i~ ~

=' schuimeffect

14

Q)

Q

;> Ii! 10 J :.0 ,-..

~

~ rj

:g ~U

~

1.6""; ,

'-'

-----------. /'

i

m-

s:I c:;;:. . ,~ Q ~

Q ,:.G

I ,

i

"" .

/ w__uu '\

/ \ ,. "

;

"'.

\ ~

.

lIDS injectie

A;:,u_-- 0 Schuiminjectie u ,r:::::: ---~u:::lu-'r:JC. .c..----c:::: -----\ _:= A

~

~

ji schuimefIect :z

o.s J 40

....jj

3D

1

;a:g 8 's:I

U

1:1

1

10 C

-x-",_x...;t

~ '\..~ .

Q)~

20

7-;:

1

Yo-x 'r-X, If,""~"""'" ~->e:

'~ x

"

~,~~ ~ , '\..

,/I.-X

,

.

%

Figuur: 5.7 Schuim HDS injectie effect. Kawaeda (1992).

60

rn

'

r

:'39 RiD. gDO.


Conditioneermiddelen In het interval tussen ring Dr. 70 en 100 is alleen lIDS geinjecteerd. In het resterende traject zijn zowel schuim als lIDS geinjecteerd. Tijdens boring worden het graafwielmoment, de ontgravingssnelheid, gronddruk, voorstuwingsdruk en de injectie hoeveelheden continu gemeten. Dit maakt het mogelijk om het effect van schuim te achterhalen, zie figuur 5.8. Op basis van deze gegevens kan worden gesteld dat schuim de werking van het gronddrukbalansschild verbetert. De benodigde mechanische voortgangskrachten nemen af Het aandrijfmoment van het graafwiel neemt af met 300 t m tot 700 t m en de voorstuwingskracht neemt afmet 300 ton tot 2600 ton. De ontgravingssnelheid neemt toe, en de variaties in de gemeten gronddruk nemen af De gronddruk in de werkkamer kan op een hoger niveau worden gehouden. Problemen met de stabiliteit van het boomont doen zich tijdens schuimconditionering niet voor. Deze positieve effecten worden verklaard door de verbeterde homogeniteit; het schuim zorgt voor een betere menging van grond met de conditioneermiddelen. Het schuim verhoogt de vervormbaarheid. Deformaties en zettingen In het gebied langs het tunneltraject zijn eenmalig zettingsmetingen verricht. In figuur 5.8 zijn de geregistreerde deformaties weergegeven. Met het naderende boomont op 10m afstand worden de eerste deformaties waargenomen. Voordat het boomont is gepasseerd vindt 34 % van de totale zetting plaats. Met het passeren van de staart van het schild is 38 % van de tot ale zetting voltooid. Na zeven dagen en het boomont op een afstand van 50m wordt geen zetting meer waargenomen. De maximale totale zetting die aan het oppervlak is gemeten bedraagt, 6 rom. De maximale deformatie vlak boven het schild bedraagt 9,2 mm. Deze waarden worden gezien de geringe diepte onder het maaiveld en de grote diameter van de tunnel als zeer acceptabelbeschouwd.

I G.L

NoI

6.Om , 6.Om ,.5.5111 15.5111 I 6.Om 1 6.tin I 6.1Jrn I

'

No2

NoJ

I

No'S

No.

No6

~

I

NoT

I

I

No!

No9

I,

t

'..

I~

81

I

-Itin

G.L

1-2.36

5.6rm

~

-9. 06 ~I;':; -11.11

r

C'-"I d

-18. 1.

r-

.

N

-21 56 I....

Figuur: 5.8 Defonnaties en zettingen en plaatsing van defonnatiemeetinstrumenten. Kawaeda (1992).

61


5.4 KRUISING

ZEVENHUIZEN,

VAN TRANSPORTLEIDING MET RINGV AART IN ZUID- HOLLAND

5.4.1 Projectomschrijving Deze praktijkstudie betreft een tunnelboorproject met een gronddrukbalansschild door Pleistoceen zand in Nederland. Het geboorde traject is onderdeel van de Bergambachtleiding. De gegevens voor deze praktijkstudie zijn verstrekt door de aannemer van dit project; Visser & Smit Hanab. Voor dit verslag zijn het boorplan, logboek van de boring, geotechnisch onderzoek en technische gegevens van de TBM gebruikt. Aanvullende informatie is verstrekt door de boormeester van dit project, de heer F. Verduyn. De Bergambachtleiding is een rivierwatertransportleiding van 55 km lang, die loopt van Bergambacht aan de Lek naar de duinen in Wassenaar. De leiding voorziet in water voor dieptefufiltratie en is uitgevoerd in opdracht van DuinwaterbedrijfZuid Holland. De transportleiding heeft een diameter van 1870 mm en wordt voor het grootste gedeelte met de "cut and cover methode" aangelegd. De kruising van de Bergambachtleiding met de ringvaart Hennipsloot in Zevenhuizen is geconstrueerd met een doorpersing van 290 m De Hennipsloot vormt de scheiding tussen de Eendrachtspolder aan de zuidzijde en de Tweemanspolder aan de noordzijde. Aan weerszijden van de Hennipsloot zijn bouwputten gegraven. Het schild is gestart in de vertrek- of persput in de Eendrachtspolder. In de persput staan hydraulische persen opgesteld die het schild samen met de mantelelementen naar de ontvangstput duwen. De boring verloopt vanaf de persput onder een hoek van 7.4° met de horizontaal, tot een afstand van 95 m Daarna verloopt de boring langs een vertic ale bocht met als diepste punt -24 m NAP of21 m onder het maaiveld tot aan de ontvangstput en komt daar onder een hoek van 24.5° in uit, zie figuur 5.9. Het schild zorgt voor de ondersteuning en ontgraving van het boomont.

5.4.2 Geologie en geotechnische gegevens. 5.4.2.1 Geologie De opbouw van de ondergrond is typisch voor West Nederland, zie figuur 5.9. Het maaiveld bevindt zich iets onder NAP. De bovenste lagen bestaan uit een afwisseling van kleien veenlagen uit het Holoceen. Onder het Holoceen ligt het Pleistoceen dat vooral bestaat uit zand en grind.Het maaiveld bevindt zich in de polder op een diepte van -4.5 m NAP. De kade van de ringvaart bevindt zich -1. 5 m NAP. Tot een diepte van -9 m NAP wordt zandige klei aangetroffen. Hieronder bevindt zich respectievelijk een ca. 0.4 m dikke veenlaag, een ca. 7 m dikke zandige en siltige kleilaag (lokaal ook uitsluitend zand) en tot slot een ca. 0.6 m dikke laag basisveen.

62

~ ~. ~ !JI 'C en (")

~ ~.

\

tI'J (")

::r ~ C1> 0

n

z

\

\

(")

[ tI'J (")

~

::r "1:1 0"'1

290111 --'~.

\. \

\. \,

0\ W

=,

U

Persput

-

1+

\.

--

\

\~

\

::n ~

\,

\

\

\

\~

'\'\,\, ~\

~ j

/

/

r

11

~

b:1

Ontvangstput

::r:

8

~ I/]

f"""tc:

:;0;VI '"t1 '"1

~ 0-.

:;0;I/] 2 0n; VI


De onderkant van het basisveen vormt de grens tussen Holoceen en Pleistoceen en bevindt zich op ca. 12.0 m onder NAP. De bovenste meter van het Pleistoceen bestaat soms uit zeer kleiig en siltig zand. De rest van het Pleistoceen bestaat uit licht siltig en grindig, middel tot grofkorrelig zand. Kleine lenzen met fijn- of grofkorreliger materiaal komen regelmatig voor. De Hennipsloot is een boezemkanaal dat water uit de polders afvoert. Het grondwater wordt in de Eendrachtspolder op ca. -6 m NAP gehouden (het illveau in de Tweemanspolder ligt iets lager). De stijghoogte in het Pleistoceen is -6 it -5.7 m NAP. De top van de leiding ligt ter plaatse van de persen ontvangstput op 1.8 m onder het maaiveld. De eerste 40 m van de tunnel is gegraven in het Holoceen. VeIVolgens komt de TBM langzaam in het Pleistocene zand. Van 50 m tot 250 m bevindt de TBM zich geheel in het zand. De laatste 50 m wordt wederom in het Holoceen geboord.

5.4.2.2 Geotechnische gegevens. Om de bodemgesteldheid nauwkeurig in kaart te brengen is terrein- en laboratoriumonderzoek verricht. In totaal zijn er vijf sonderingen, twee Ackermannboringen, drle Begemannboringen (1 met 0 29 mm en 2 met 0 66 mm) en twee terreinvinproeven uitgevoerd. In het laboratorium zijn de verkregen monsters beschreven en gefotografeerd. Vande cohesieve monsters is de plasticiteitsindex, de volumieke massa en de schuifsterkte bepaald. Vande niet cohesieve monsters is enkele malen de volumieke massa bepaald en zijn verschillende zeefanalyses uitgevoerd. In figuur 5.10, 5.11 zijn twee zeetkrommen weergegeven. Enkele grondparameters van verschillende formaties zijn als voIgt:

klei: 13 - 17.5

volumieke massa uitrolgrens vloeigrens plasticitetsindex Ie(op basis van geschat watergehalte)

25 - 45 100 - 160 60 - II 0 0.35-0.65

volumieke massa

11.5 - 12.5

volumieke massa

18 20

(kN/m3) (%) (%) (%)

veen:

zand:

-

64

(kN/m3)

(kN/m3) (tot -13m NAP)


Zeefkromme van Monster nr.64, diepte 10.7m 100

i 3! [

...

~~

90

i-"

80 70

60 50

IJ

iG~40 "CI

~

30

~

20

~

10 0 0.001

~

-f--f-0.01

1 ./ 0.1

10

100

zeefdiam eter (m m)

Figuur: 5.10

Zeefkromme van monster nr. 63, diepte 9.7m

1:: 41

3! tit

[ ~

~ ~ ~~

100 90 80 70 60

50 40 30

~

20

~

10

4U

41 Q.

I

I

0 0.001

0.01

I J J 10

0.1

zeefdiameter

100

(mm)

Figuur: 5.11

5.4.3 Tunnelboormachine

Ondanks het feit dat het Pleistoceen plaatselijk zeer grof is, is toch gekozen voor het EPBschild. Het gebruikte schild is namelijk voor een groot aantal uit te voeren boringen aangeschaft. De aannemer was dan ook voorbereid op de nodige problem en tijdens dit project. De TBM is gemaakt door Westfalia Becorit GmbH. onder licentie van Daiho. De standaard machine is weergegeven in figuur 5.12. AI naar gelang de grondcondities, worden kleine veranderingen aangebracht in de opbouw van de TBM. Voor dit project is een diksto:q>omp gefustalleerd. De dikstofj;>ompvoert de grondbrij van de uitgang van de schroefvijzel naar het oppervlak. Het apparaat is ontworpen voor de verpomping van beton. Enkele technische gegevens van de TBM worden hieronder gegeven:

65

Grondconditionering

in het EPB-schild

Gewicht van TBM Schild lengte schild diameter

23600 kg (zwaarste uitvoering) 6260 mm 1880 mm

graa~eldiauaeter vermogen graa~el draaisnelheid graa~el Graa~e1uaouaent

1890 mm 60kW 4rpua 146 kNua

Schroe~jzeldiameter vermogen schroe~jzel draaisnelheid schroetVijzel maxlinale capaciteit

370 mm 30kW 2 tot 20 rpm 20 ua3/h

Injectie overdruk aantal infectie punten

0.5 bar 3

werkkamer

schild

Electromotor

electromotor

/'

--r1$t:i:.,~.

snijtand

rotor

schroefvijzel

afsluitklep transportband

.

lining

Figuur: 5.12 TBM standaard uivoering.

In de werkkauaer zitten twee grondrukm.eters, links en rechts boven het uaidden van de TBM. Deze zijn nodig voor de uaonitoring van de steundruk in de werkkauaer. De TBM heeft 3 injectiepunten voor bentonietconditionering. Twee injectiepunten Jiggen achter in de werkkauaer en een zit voorop het graa~el (op de fishtail- bit). AIleen het voorste punt wordt gebruikt. Vit ervaring is gebleken dat de injectievloeistof die via de achterste punten is gei"njecteerdslecht uaet de grond uaengt en vrijwel direct langs de wand via de schroe~jzel ontsnapt.

66


5.4.4 Conditionering

van de grond

Het Daiho systeem wordt ge1everd inc1usiefHDSinjectietechnologie. Volgens de formules van Daiho moet men aan het Pleistoceen zand 480 11m3HDS met D van 80 % toegevoegd. (D is de verhouding tussen de aan water toegevoegde vaste stof en water {vast/water} * 100 %). Het is echter niet mogelijk gebleken de concentratie van de vaste stoftot D80 % op te voeren. Bij een concentratie D van 40 % ontstonden problemen met de menging van bentoniet met water en de verpomping van HDS naar de werkkamer. De HDS kan niet meer met centrifugaalpompen worden gemengd omdat er te veel bentoniet tegelijk aan het water moet worden toegevoegd. In het verloop van het project ontstaan als gevolg van de stijve HDS ook problemen met de injectie van de HDS en de menging van HDS met grond in de werkkamer. (HDS met een D van 80 % zal dan helemaal slecht met de grond mengen). Om het tekort aan vaste stof in de HDS op te vangen en de menging met de grond te verbeteren voegt men polymeren toe. De polymeren hebben echter niet het gewenste resultaat. De grondbrij die met de toegevoegde HDS in de werkkamer ontstaat blijft te dun, waardoor de ondersteuning en het ontgravingsproces niet optimaal functioneerden. De problemen die ontstaan worden vooral veroorzaakt door de problematische afvoer van de te vloeibare grondbrij.

5.4.5 Vorderingen en problemen tijdens constructie Het project loopt gehee1 op schema totdat de TBM 10m in het Pleistoceen is gevorderd en de laatste resten fijn materiaal in de grondbrij zijn afgevoerd. De grondbrij wordt dan te vloeibaar waardoor de grondbrij te snel via de schroefvijzel wordt afgevoerd. Hierdoor daalt de gronddruk in de werkkamer en dreigt het boomont instabiel te worden. Om de dating van de druk in de werkkamer tegen te gaan heeft men maar een optie; de afsluitklep van de schroefvijze1gedeeltelijk dichtdraaien. Verhogen van de injectiedruk en het injectievolume om de druk in de werkkamer op peil te houden, zal alleen de vloeibaarheid van de grondbrij vergroten waardoor de problemen verergeren. Doordat de afsluitklep van de schroefvijzel gedeeltelijk wordt dicht gedraaid loopt de steundruk in de werkkamer weer op. Door de oplopende druk in de werkkamer wordt de porienvloeistof uitgeperst. De druk in de werkkamer wordt nu gehee1 overgebracht op het korrelskelet dat hierdoor wordt samengeperst. De korrelspanning stijgt totdat de schroefvijzel vast loopt en het afvoer proces staakt. Om de schroefvijzel te ontstoppen moet deze aan weerskanten worden afgesloten. De druk wordt verlaagd en men kan de schroefvijzelleeg halen. Als de ontgraving wordt opgestart herhaalt het proces zich. De voortgangssneJheid is als gevolg erg laag. Een ander probleem wordt gevormd door de haperende afvoer van de dikstofj:>omp.De menger waar de grondbrij inkomt en de afvoerleidingen raken regelmatig verstopt doordat het vloeibare mengsel gemakkelijk ontmengd. Op een afstand van ca. 100 m komen tijdens het opstarten van de TBM de schroefvijzel en het graafwiel opnieuw vast te zitten. Ook de slang tussen de schroefvijze1 en de diksto:q>ompraakt ditmaal verstopt. 67


Op het moment dat de slang van de schroe:fvijzelwordt losgekoppeld om schoon te maken, begillt de grondbij opnieuw te stromen. Ditmaal kan de afsluitklep van de schroe:fvijzel als gevolg van storing niet verder dan 13 % worden gedieht. De inlaat van de schroe:fvijzelkan niet geheel gedicht worden door de continue stroom van vloeibare grondbrij. Om de boorkop toch afte kunnen sluiten en waterdicht te krijgen wordt de TBM in snel tempo opgeperst. De druk loopt op en het materiaal wordt verdicht zodat de toevoer van vloeistof stopt. Vervolgens kunnen de afsluitkleppen dicht gedraaid worden. Het gevolg van deze storing is dat de tunnel gedeeltelijk blank is komen te staan. Na dit voorval is de TBM aangepast, de grondbrij wordt vanaf dit moment afgevoerd met een vloeistofsysteem De druk in de werkkamer wordt op peil gehouden doordat de afvoerleidingen onder druk staan. Tijdens de verdere uitvoering van het project zijn de schroe:fvijzelen graafwiel nog enkele keren vast komen te zitten, echter zonder gevolgen. Zettingen Om te achterhalen of de problemen tijdens de uitvoering ook tot uitdrukking zijn gekomen in zettingen, zijn langs het traject zettingsmetingen verrieht. Langs het trajeet zijn geen zettingen waameembaar als gevolg van de vastgelopen schroe:fvijzelen graafwiel. Op het punt waar de TBM is ondergelopen zijn wel zakkingen opgetreden. Op 100 m van het vertrekpunt waar de calamiteit zich heeft voorgedaan was de maximaal gemeten zetting 16 em De weg die zich op dit punt bevind heeft daar schade door opgelopen.

68


5.5 BOTLEKSPOORTUNNEL, TOEKOMSTIG DIAMETER TUNNEL CONSTRUCTIE.

PROEFPROJECT

VOOR GROTE

5.5.1 Projectomschrijving De Botlekspoortunnel is een proefj)foject in voorbereiding. Het project is bedoeld om in Nederland ervaring op te bouwen met het boren van grote diameter tunnels in zeer slappe grond. De informatie voor deze praktijkstudie is verkregen van de BTC (Botlek Tunnel Combinatie, een van de aanbesteders voor dit project). In deze praktijkstudie zal eerst algemene informatie worden gegeven over het project. Vervolgens wordt aandacht besteed aan de geologie en de geotechnische gegevens van de ondergrond. Hoewel de tunnel naar aile waarschijnlijkheid met een vloeistofschild geboord zal gaan worden, is in deze praktijkstudie bestudeerd ofhet project met een gronddrukbalansschild uitgevoerd kan worden. De tunnel is onderdeel van de havenspoorlijn, het eerste gedeelte van de Betuwelijn. De Betuwelijn wordt aangelegd om het transport van goederen uit de Rotterdamse haven naar Duitsland via spoor te verbeteren. De opdrachtgever voor dit project zijn de Nederlandse Spoorwegen. Volgens planning moeten de werkzaamheden beginnen in zomer 1997 en moet het project in het jaar 2001 afgeleverd worden. De Botlekspoortunnel kruist de Oude Maas ten noorden van de bestaande enkelsporige spoorbrug, die gehandhaafd blijft. De kruising met de Oude Maas wordt uitgevoerd met twee enkelsporige geboorde tunnels met een diameter van 9.8 m De diameter van de tunnel is ontworpen zodat in de toekomst treinen kunnen rijden met dubbele beladingshoogte, de zogenaamde "double stack" treinen met gestapelde containers. De totale lengte van de Botlektunnel bedraagt 3.150 m. Het traject bestaat uit twee open toeritten aan weerskanten met een totale lengte van 680 m twee gesloten niet geboorde secties van samen 730 men een geboord deel van 1.740 m. Het traject van de tunnelloopt via een vertic ale bocht met als diepste punt -30 m NAP, onder de Oude Maas. In de nabijheid van het tunneltraject bevinden zich een groot aantal kabels en pijpleidingen die van groot belang zijn voor de omliggende industrie. Derhalve worden strenge eisen gesteld ten aanzien van de toelaatbare zettingen als gevolg van tunnelconstructie. Onder de Oude Maas is de natuurlijke dekking van de tunnel gering, gemiddeld 7.5 m en plaatselijk zelfs 5 m respectievelijk 0.75 D en 0.5 D. De sedimenten op de bodem van de Oude Maas zijn jong en hebben een laag volumegewicht, waardoor het risico van opdrijven van de tunnel hoog is. Tevens bestaat de kans dat de ondersteuningsvloeistofIen van het vloeistofschild aan de bodem van de Oude Maas zullen ontsnappen. In de Oude Maas zal tijdelijk een drempel worden gelegd om de dekking te vergroten.

69

~ t:!

Po0 t:!

~

~

~

o' t:! 0 ""1 s.

~.

......

U1 ;.... ~ (I) ()

Jt1

s. ::r 0......

g ~

t'I1 ""C

to

~. CI'.:I () t:r' <J<:i ~

~

0

()

0

[

~

Ophoogmatcriaal code OA Klei met dunne zandlaagjes, siltige klei code 12 en 17 lIumeuse klei 15 en 16

-

D

Zand met dunne kleilaagjes, silt met kleilaagjes Basisveen, zandige klei code 9 en 31

C=:

Pleistoceenzand

code

code 14 en 18

32

CI'.:I ()

t:r'

-..J 0

,.. ,r

"'0 .-; 0 ::Ii

/'//,

./ ."

~

Oost

, ./

. '

,,'

. .

~. .'

I

West

I 00 0 [ P-


5.5.2 Geologie en geotechnische gegevens 5.5.2.1 Geologie

In figuur 5.13 is een profie1 weergegeven van het te boren trace van de Botlekspoortunnel. Het maaiveld bevindt zich ca. 5 m boven NAP. In het gebied zijn drie geologische eenheden te onderscheiden: Kunstmatig aangebrachte grond voor de ophoging van het maaiveld ca. 5 m dik. Het Holoceen tot een diepte van -18 m NAP. Het Pleistoceen vanaf -18 m NAP. De kunstmatige grondlaag is in de jaren vijftig aangebracht aan de oostzijde van de Dude Maas (Pernis). Het materiaal is opgespoten en bestaat voomamelijk uit sterk siltig zand. Soms bestaat het ophoogmateriaal uit klei. In de jaren zestig is ook het terrein aan de westkant van de Dude Maas (Maasvlakte) opgehoogd, met overeenkomstige materialen als aan de oostzijde. De Holocene lagen bestaan uit een afwisseling van kle~ klei'igzand, zandige klei en veen en behoren inclusiefBasisveen tot de Westlandformatie. Op veel plaatsen zijn de slappe lagen geerodeerd door getijdegeulen die later zijn opgevuld met een sterk gelaagd pakket van dunne kleien zandlaagjes. Aan de westzijde van de Dude Maas bestaat het Holoceen hoofdzakelijk uit fijn zand afgewisseld met kleilaagjes. De onderkant van het Holoceen wordt gevormd door het Basisveen dat een dikte heeft van 0,3 tot 1,0 m De getijdegeulen hebben ook het Basisveen op verschillende plaatsen geerodeerd. De diepste geulen lopen tot enke1emeters in het Pleistoceen. Het Pleistoceen wordt gevormd door de Formatie van Kreftenheye aan de top en de Formatie van Kedichem en Tegelen daaronder. De top van de formatie van Kreftenheye bestaat uit zandige leem of zandige zware klei. Deze lagen zijn met het terrein onderzoek moeilijk te onderscheiden van het Basisveen en worden daarom op het profiel samen als een laag weergegeven. Op een diepte van -18.5 NAP bevindt zich een 6 tot 12 m dikke midde1 groftot grofkorrelig, zwak tot matig grindig zand. Het zand is gesedimenteerd door vlechtende rivieren en is dientengevolge zeer inhomogeen.Lokaal komen grindige lagen voor met een dikte van 70 em Ten oosten van het te boren traject bevinden zich onder het trace op een diepte van -24 m NAP de Formatie van Kedichem en Tegelen. Deze Formatie bestaat uit overgeconsolideerde klei en veenlagen met een dikte van 4 tot 6 m Deze lagen zijn onder het tunneltrace volledig geerodeerd en komen niet op het verkorte profiel voor. Onder de geconsolideerde klei komt licht siltig middel fijn- tot grofkorrelig zand voor. Het zand van de Kedichem en de Kreftenheye formatie is in het profiel als een laag weergegeven omdat de lagen geotechnisch moeilijk te onderscheiden zijn. De grondwaterspiegel fluctueert als gevolg van de getijdenwerking, nabij de Dude Maas ligt het fTeatischevlak op een diepte van -0.5 tot +3 m NAP. Naarmate de afstand tot de Dude Maas groter wordt stijgt het fTeatischevlak. Op een afstand van 2.5 kIDbevindt het fTeatischevlak zich op 0.2 m onder het maaiveld, of +4.8 m NAP. Fluctuaties zijn hier niet meer aanweZlg. 71


5.5.2.2 Geotechnische

gegevens

Langs het trace is uitvoerig grondonderzoek verricht. Het grondonderzoek omvat 192 sonderingen met registratie van conusweerstand en plaatselijke kleef, 18 boringen waarbij monsters zijn gestoken. Op de Monsters is laboratoriumonderzoek verricht bestaande uit de volgende tests: * zeefanalyse * bepaling korre1vorm * bepaling van Atterbergse grenzen * permeabiliteitsbepalingen * triaxiaalproeven samendrukkingsproeven * bepaling van consolidatiecoefficient * bepaling chloride gehalte * bepaling pH-waarde Verder zijn een aantal in-situ pro even uitgevoerd: 54 vinproeven langs 6 verticalen, 34 conuspressiometerproeven langs 4 verticalen, 14 in-situ doorlatendheidsproeven langs 4 verticalen.

I

Hollandveen

-

-

-

100-400

15 I

humueze klei

80-200

50-140

20- 70

100-200

16 I

klei

45-90

25-60

20-40

40-100

17 I

zandige klei

25-55

20-30

5-25

30-65

4

~Basisveen/zandigeklei

40-80 I

20-45 I

I

20-35

I

40-150

Tabel 5. 3. Atterbergse grenzen en watergehalte van de verschillende kleilagen.

In tabel5.3 staan de Atterbergse grenzen van de verschillende kleilagen weergegeven. In tabe1 5.4 en staan enke1evan de grondparameters weergegeven.

72


II_;:

OA siltig zand (ophoogmateriaal) I

19

M_~I

30

I

0

I

5

45-70

I

0

35-40

12 I

siltige klei met zandlaagjes

I

17

I 27.5

14 I

siltig zand met kleilaagjes

I

19

I

4

Hollandveen

I

11

I 17.5 I

7.5

10-8 10-9

15

humeuze klei

I

13

I

20

I

2.5

10-8 10-9

16

klei

I

17

I

25

I

7.5

50-70

10-9 10-10

17

zandige klei

I

19

I 27.5

I

0

50-65

10-6 10-8

kleiig zand

I

19

I 27.5

I

0

35-45

10-5 10-7

18

Holoceen zand

I

19

I

30

I

0

35-40

10-4 10-6

9/31

Basisveen/zandige klei

I

15

I

25

I

10

50-70

20

I 32-35 I

0

35-40

18A I

~I Tabe15.4.

Pleistoceenzand

Grondparameters

I

van de verschillende

30

grondsoorten.

Grenzen van de zeefkrommen van Holoceen en Pleistoceen zand, figuur 5.14 en 5.15:

Grenzen van de zeefkrommen van het Holoceen 100

/

90

t::

~

80 70

'Qj

60

cu

50

:c CII

~J

c..

N

~

~ -

cu

~ 1:

40 30 20

cu

~ c..

10

../

0 0.001

I

...0.01

Figuur:

10

0.1 zeefdiam

eter (m m )

5.14

73

100

10-3

10-4

Grondconditionering

in het EPB-schild

Grenzen van de zeefkrommen

1::

,

100 90

::!

V

/

III 8:

van het Pleistoceen

80

I

70

/

c..

~

00

I!! ~ 0

50

ra"'C

~ I'G

C

III

~ III c..

40 30 20 10 0 0.001

I 0.01

I I

10

0.1 zeefdiam

eter

100

(mm)

Figuur: 5.15

5.5.4 Grondconditionering

In deze paragraafwordt besproken hoe de grond geconditioneerd moet worden indien de tunnel geboord wordt met een EPB-schild. Hierbij is de grond zoals deze voorkomt langs het trace, zoals dat is weergegeven in figuur 5.13 het uitgangspunt. Vande TBM worden geen details gegeven, in dit rapport wordt gesteld dat geen technische belemmeringen bestaan voor de injectie van de verschillende conditione erstoffen.

5.5.3.1 Holoceen

Het tunneldeel dat door het Holoceen geboord wordt gaat voornamelijk door de geotechnische lagen 17, 18A, 9/31 en voor kleinere stukken in de lagen 16, 18 en 15, zie geotechnisch profiel figuur 5.14. Mgezien van de 100m trace die uitsluitend door laag 18A loopt, worden de verschillende lagen uit het Holoceen tegelijkertijd ontgraven. Dit heeft een gunstig effect op de korrelverdeling van de grondbrij. Die is namelijk samengesteld uit een optelsom van de verschillende lagen die tegelijkertijd door het graafwiel ontgraven worden. Algemeen gesproken betekent dit, dat de afte graven grond is opgebouwd uit silt, zand en klei. Dit is een goede uitgangspositie voor de vorming van grondbrij. De permeabiliteit van de lagen 16, 17, 18A, 9/31 blijft onder de limiet van 5* 10-5m/s . De permeabiliteit van laag 18 is te hoog, echter de laag wordt altijd tegelijkertijd met klei en silt ontgraven zodat de permeabiliteit van de grondbrij toch laag genoeg is. Een probleem bij ontgraving in het Holoceen is eventueel de lage consistentie. Zoals vermeld in paragraaf3.3 is de optimale consistentie van grondbrij plastisch, Ie = 0,4-0,75. De consistentie-index wordt bepaald uit de Atterbergse grenzen en het watergehalte. In tabel 5.4 staan de Atterbergse grenzen en het watergehalte van de Holocene lagen weergegeven. 74


Het valt op dat de watergehalten hoog zijn en dicht bij de vloeigrens liggen. Dit betekent dat de consistentie van de Holocene kleilagen laag is. De Atterbergse grenzen en met name de watergehalten moeten nauwkeuriger worden vastgeste1d om conc1usies te kunnen trekken over de consistentie van de materialen. Menging van de verschillende soorten grond levert een nieuw materiaal met eigen watergehalte vloeien uitrolgrens. Om te achterhalen of ook dit materiaal optimale consistentie heeft kan een monster worden samengesteld van de verschillende eenheden. In het Holoceen zal over een lengte van 100m uitsluitend geboord worden in laag 18A. Volgens de beschrijving een kleiig

zand met een sterk gelaagde structuur en een permeabiliteitvan 10-5 tot 10-7mls. In figuur 5.16 staat de groep van zeefkrommen van de Holocene zanden. Laag 18 bezit minder fijn materiaal en vormt de onderkant van de groep zeefkrommen, laag 18A bezit relatiefveel fijn materiaal en vormt de bovenkant van de groep zeefkrommen. Laag 18A ligt op de grens van tenminste 30 % fijn materiaal. Als het gehalte aan fijne delen onverhoopt lager wordt dan 30 % dan moet de grondbrij geconditioneerd worden om de permeabiliteit afte laten nemen. Conditionering van Holocene lagen Op het eerste gezicht zijn de Holocene grondlagen geschikt voor de vorming van een ondersteuningsmedium De ervaring met kleine diameter boringen in Nederland is echter, dat de Holocene zandige kleilagen eerder te kleverig en te stijf dan te vloeibaar zijn. Bentonietsuspensies met lage concentratie kunnen dan worden gebruikt als smeermiddel. Conditionering van laag 18A zal gericht zijn op verhoging van het gehalte aan fijne de1en. HDS-suspensies met een hoog gehalte aan vaste stofliggen het meest voor de hand. Schuim conditionering waarbij het grondwater moet worden verdrongen opdat de permeabiliteit afueemt en de grondbrij toch een goede consistentie heeft is moeilijk vanwege de lage permeabiliteit van de laag. Het schuim zal de formatie slechts ondiep penetreren waardoor het effect gering is.

5.5.3.2 Pleistoceen

Het tunne1deel in het Pleistoceen gaat door grindhoudend middel- tot grofkorrelig zand (code 32). Het Pleistocene zand is verzadigd en heeft een hoge grondwaterdruk oplopend tot 3 bar. De permeabiliteit is hoog 10-3-10-4mis, de fijne ftactie is lager dan 8 % en de vervormbaarheid is slecht. In het Pleistoceen bevinden zich 1 a 2 kleilaagjes die niet op het profiel staan weergegeven maar wel op de sonderingen zijn te herkennen. Deze kleilaagjes hebben een gunstig effect op de korrelverdeling van de afte graven grond. De bijdrage die zij leveren is afhankelijk van de dikte van de lagen, deze is waarschijn1ijk kleiner dan 1m. De kleilaagjes zijn sterk geconsolideerd en zullen afbrokkelen waardoor ze slecht met het zand mengen. Het gunstige effect op de korrelverdeling is als gevolg gering. De grond is niet geschikt als grondbrij en moet worden geconditioneerd. Aan weerszijden van de Oude Maas zal over een afstand van 200 m tegelijkertijd Holoceen en Pleistoceen in ongeveer gelijke verhouding ontgraven worden. Dit zorgt ervoor dat de fijne ftactie in de grondbrij toeneemt. Aan de oostkant is dit effect sterker dan aan de westkant van de Oude

75


Maas omdat de laag die boven op het Pleistoceen aan de oostkant een kleilaag is en aan de westkant een kleiig zand. Direct onder de Dude Maas worden het Pleistoceen en Holoceen ook tegelijkertijd ontgraven. Het Holoceen word op deze plaats echter gevormd door een fijn zand zonder fijne delen. Conditionering van Pleistoceen Langs het trace waar Holoceen en Pleistoceen tegelijkertijd worden ontgraven kan indien nodig het gehalte aan fijne delen worden verhoogd door toevoeging van HDS. De resterende 650m die in puur zand wordt ontgraven kan niet met HDS worden geconditioneerd. De fijne ftactie kan niet hoog genoeg worden opgeschroefd zonder dat men problemen krijgt met de verpompbaarheid en aanmaak van de HDS en met menging van HDS met grond in de werkkamer. Bovendien zijn grote hoeveelheden vaste stof no dig wat de conditionering onnodig duur maakt. In dit deel zal schuimconditionering goed tot zijn recht komen. Vanwege de hoge permeabiliteit kan het schuim goed de formatie binnendringen waardoor het grondwater verdrongen wordt en een droge grondbrij ontstaat die goede vervormingseigenschappen heeft en slecht doorlatend is. Eventueel kan naast schuim HDS worden gebnrikt om te voorkomen dat het schuim te snel ontwijkt.

5.6 DISCUSSIE (vergelijking van de 4 praktijkstudies)

In Valencia wordt over grote lengte geboord in grindig zand met een permeabiliteit van 10-4 mis, de laag bevindt zich onder het grondwater en de waterdruk loopt op tot 2bar. Het percentage fijne delen varieert tussen de 5 en 50 %. Het project in Tokyo wordt gekenmerkt door nog ongunstiger omstandigheden. De tunnel wordt geboord in zandig grind waarin zich keien bevinden met een diameter van 45 cm De fijne fractie (korrels kleiner dan 0.06mm) is minder dan 5 %. De permeabiliteit is hoog 10-4mls en de waterdruk bedraagt 2bar. Deze omstandigheden zijn zeer ongunstig voor EPB-tunnel constructie. Het succes van deze projecten is te danken aan het gebruik van schuimconditionering. Als we de gegevens van de 4 projecten vergelijken dan lijken de omstandigheden in het Pleistoceen iets ongunstiger. De permeabiliteit van het pleistoceen is gemiddeld 10 -4mls maar is lokaal hoger. De fijne fractie ligt rond de 5 % en het zand is uniform gegradeerd. Als gevolg van marine kleilagen in het Pleistoceen kan de korrelverdeling lokaal wat gunstiger zijn. De waterdruk bij het laatste project loopt op tot 3 bar. De hoge waterdrukken in combinatie met lokaal hoge permeabiliteit kan voor problemen zorgen. Wat het effect is van deze omstandigheden op het functioneren van de conditioneermiddelen en met name het samendrukbare schuim moet onderzocht worden. Interessant bij het Zevenhuizenproject is het uitpersen van porienvloeistof(mengsel van HDS en water) aan het uiteinde van de schroefvijzel. In dit geval word er geen weerstand geboden aan de waterspanning in de formatie en moet de steundruk worden geleverd door de effectieve spannmg. 76


De vijzeldruk wordt nu geheel via het korrelskelet omgezet of overgebracht in steundruk. De effectieve spanningen (korrelspanning) neemt hierdoor toe en er treedt boogwerking op in de schroefvijzel zodat deze kan vastlopen. Ondersteuning door middel van effectieve spanning heeft meer nadelen, Anagnostou (1995); hoge slijtage, ongelijkmatige overbrenging van steundruk, hoog aandrijfinoment en trage voortgang. Schuim wordt niet tussen de korrels uitgeperst. Maid!, U (1995); "door toevoeging van schuim ontstaat een drie fasesysteem waarvan onder een begrensd drukbereik geen van de fasen kan worden uitgeperst". Uitpersing is niet volledig te kwantificeren met meting van de permeabiliteit. Om het fenomeen volledig te kunnen kwantificeren is een proefopstelling, waarin het proces wordt gesimuleerd, onmisbaar.

5.7 CONCLUSIES Oorspronkelijk zijn gronddrukbalansschilden ontworpen voor tunnelconstructie in cohesieve grond. Door gebruik te maken van conditioneerstoffen kan het gronddrukbalansschild ook worden ingezet in niet cohesieve grofkorrelige bodems. De eerste twee praktijkstudies illustreren dit. Het injectiesysteem van de TBM moet worden aangepast op de te gebruiken conditioneerstoffen opdat de conditioneerstoffen optimaal functioneren. Een goede keuze van conditioneerstoffen en toepassing van een goed doordacht injectiesysteem is essentieel voor het slagen van een boring in niet cohesieve grond. In het verleden zijn problemen opgetreden met de ontgraving van Pleistoceen zand met een gronddrukbalansschild. Met de recentelijk ontwikkelde schuiminjectietechnologie lijkt het goed mogelijk om Pleistoceen zand wel zonder problemen te ontgraven. Hiervoor is echter meer onderzoek vereist.

77


78

Hoofdstuk 6

HOOFDSTUK

6

Testprogramma

TESTPROGRAMMA

6.1INLEIDING

Voor de processen die zich aan het boomont en in de mengkamer van een gronddrukbalansschild afspelen zijn een groot aantal grondparameters van belang. Om de gesclriktheid van de grondbrij, een mengsel van grond, grondwater en conditioneermiddel, als ondersteuningsmedium te bepalen, zijn een aantal pro even uitgevoerd met de conditioneeringsmiddelen lIDS, schuim en polymeergel. Het doe1van dit testprogramma is te achterhalen wat het effect is van conditioneerstoffen op de eigenschappen van zand. In het testprogramma is met name gekeken naar de permeabiliteit en de vervormbaarheid of consistentie van de grondbrij. Het testprogramma kan worden gezien als een verkennend onderzoek naar het functioneren van verschillende conditioneerstoffen. De ervaringen die zijn opgedaan met dit testprogramma hebben onder andere ge1eidtot aanbevelingen voor verder onderzoek en adviezen voor verbeteringen van de conditioneersystemen.

6.2 GRONDMONSTERS 6.2.1 Selectie Zand moet zodanig worden geconditioneerd dat de permeabiliteit afueemt, het deformatiegedrag verbetert, de e1asticiteit toeneemt en steundruk via korrels en porievloeistofkan worden overgebracht. Het beproefde zand, het zogenaamde Maaszand, is geselecteerd op basis van zijn korreldistributie. Maaszand is gekozen vanwege drie redenen: * het zand komt overeen met zand van het project in Zevenhuizen, zie paragraaf 5.4.2, * Maaszand ligt op de grens van het inzetbereik van het gronddrukbalansschild, * het zand is typisch voor zand uit het Pleistoceen. Het Pleistoceen komt in de Nederlandse ondergrond veel voor. Het is dan ook belangrijk om te weten of dit zand voor een gronddrukbalansschild kan worden geconditioneerd. Maaszand heeft vergelijkbare eigenschappen als zand uit Zevenhuizen. Het kan worden gebruikt om te achterhalen waardoor de problemen in het project in Zevenhuizen ontstonden en hoe deze voorkomen hadden kunnen worden. In figuur 6.3 is te zien dat Maaszand op de rand ofzelfs buiten het maximale inzetbereik (Maid!, U. 1995) van het gronddrukbalans ligt. Van te voren staat vast dat Maaszand erg moeilijk te conditioneren is.In het testprogramma is eveneens gebruik gemaakt van een cohesief materiaal. Met dit zelf samengeste1de materiaal is geprobeerd een re1atie te vinden tussen geotechnische en betontechnische consistentie, zie paragraaf 3.3.2. In tweede instantie zijn de gemeten parameters bij 6en bepaalde consistentie gebruikt als referentie voor de metingen op de zandige grondbrij. 79


6.2.2 Classificatie

van het geteste zand.

Als richtlijn voor de classmcatie van het zand is de NEN-norm 5140 gebruikt. De korrelgrootteanalyse en overige kenmerken die met het oog zijn waar te nemen, vormen de basis van deze classmcatie. De grondparameters die van belang zijn voor het functioneren als grondbrij, zoals de permeabiliteit, de wrijvingshoek en cohesie zijn gemeten met respectievelijk de "constant head permeability test" en vrije prismaproe£ De theorie en uitvoering van de constant head permeability test word behandeld in paragraaf6.4.3.1. De vrije prismaproefis een gebruike1ijke test die ontworpen is om de wrijvingshoek en "cohesie" van zand te bepalen. Deze opstelling is alleen gebruikt om te achterhalen of de eigenschappen van Maaszand en Zevenhuizenzand vergelijkbaar zijn. Voor een volledige beschrijving van de proef wordt verwezen naar, Allersma (1990). Het volumegewicht van het zand is een belangrijke parameter. Omdat het volumegewicht van het Zevenhuizenzand onbekend is, is van het zand het volumegewicht bij losse en dichte pakking bepaald. De volumegewichten zijn bepaald met een volume en gewichtsmeting, zie paragraaf6.4.3.2.

6.2.3 Resultaten Cohesief referentie materiaal: Samenstelling: Ca-bentoniet: 33.3 % Zilverzand (fijn zand): 33.3 % Midde1 tot grofkorrelig gezeefd zand 33.3 % "Grond"parameters: WI : 30% wp : 18 % : 12 ~

p

d= 0.06-0.2 rom d= 0.2-2.0 rom

: variabelmet watergehalteWn

Naam: Zeer zandige klei met lage plasticiteit. Zand monsters: Maaszand Naam: Korre1s: Zevenhuizenzand N aam Korrels:

Uniform gegradeerd, fijn grind houdend, middel tot grofkorrelig, gee1grijszand. "Subrounded" en "rounded", matig bolvormig voornamelijk kwarts Uniform gegradeerd, fijn tot grof grind houdend, middel tot grofkorrelig, lichtgrijs zand. "Sub angular" en "subrounded", matig bolvormig voornamelijk kwarts. 80

Hoofdstuk

6

Testprogramma

zeefkrommen: zeefkromme

Maaszand

100

-'~

~90 1:: In ('II Co

IJ .., ""'"' N ... ('II

80 ~70 60 50 40

."GI

30

S'"

20

J: IJ t) .... IJ Q,

10

0 0.001

./

I

0.1 1 zeefdiam eter (m m)

0.01

100

10

Figuur: 6.1 Zeefkromme

Zevenhuizenzand

100

~

90

1::

80

1/1 ca Co

60

3j

50

~ N

70

1G

40

"IV D'I

30

S c:: GI ~ II a..

.-'"

I

J J

20

II

10 0 0.001

0.1 1 zeef diam eter (m m)

0.01

10

100

Figuur: 6.2 Zeefkromme maaszand in gronddrukbalansinzetbereik Maidl, U. (1995) 100 90 "E GI 51

~ c.. 't ~ ~ 10."GI

E iu

~

80

,/

60 50 40

4

-1

V

-2

--

V

./

1/

/ II J

-

3 .--.-

.-1

-4

~../

0 0.001

2./

,/

30

10

/ /

1 /1-'

70

20

,.;'"

r

figuur

0.01

0.1 zeefdiameter

10 (m m)

Figuur: 6.3

81

100

cond~ioneerrriddelen bentoniet- en polyrreersuspens ies,

water,

tensidschuim cond~ioneerrriddelen bentoniet- en polyrreersuspens ies ,polyrreer schuim 3 cond~ioneerrriddelen polyrreerschuimen hoge concentratie I-[JS en polyrreersuspensies

maaszand


j'" ,',',

volumegewicht (kN/m3) losgepakt vastgevakt Porositeit (volume%) vastgepakt losgeuakt

ermeabiliteit (m/S wn cohesie

",':j'I"III:

18 16

18 16

31 38.5

30 39

20.8

20.3

3.14* 10-04

3.13*10-04

34.75

34.5

0

0

::":"""'1 ~~:. 1:11~,:I,'II ~':I:, I, ~~~~i ...,'~

Tabel 6.1. Relevante grondparameters van Maaszand en Zevenhuizenzand, weergegeven waarden zijn gemiddelden van drie of meer metingen.

6.2.4 Discussie en conc1usie Op basis van de resultaten kan geconcludeerd worden dat eigenschappen van Maaszand en Zevenhuizenzand overeenkomen. De testresultaten van de grondbrij waar Maaszand als uitgangspunt dient gelden ook voor Zevenhuizenzand. Maaszand ligt op de grens van het inzetbereik van het gronddrukbalansschild en eigenlijk iets daarbuiten. Maaszand heeft namelijk geen fijne ftactie en deze is juist van belang voor de vorming van een goede grondbrij, zie paragraaf3.2. Maaszand zal derhalve moeilijk te conditioneren zijn.

6.3 CONDITIONEERMIDDELEN 6.3.1 InIeiding In het testprogramma zijn proeven uitgevoerd met hoge dichtheid suspensie, schuim en polymeergel. De samenstellingen en de dosering van schuim en hoge dichtheid suspensie zijn atkomstig uit literatuur en praktijk en worden hieronder weergegeven. De samenstelling en de toe te voegen hoeveelheid polymeergel is naar eigen inzicht vastgesteld. In dit hoofdstuk worden naast samenstelling en toegevoegde hoeveelheden ook de eigenschappen van de conditioneerstoffen en de indringdiepte in verzadigd zand beschreven.

82

Hoofdstuk 6 Testorogramma

Figuur: 6.4 Schuim, HDS c::npolymc::c::rgd.

6.3.2 Hoge dichtheid suspensie 6.3.2. I Samenstelling en dosering

Hoge dichtheid suspensie ('11ighdensity sluny"ofHDS) is een suspensie van zwellende klei waaraan eA1:razand en niet zwellende klei is toegevoegd. De hoofdbestanddelen van HDS zijn water (aIs drager van vaste stof), natliumbentoniet (als zwellende klei), calciumbentoniet (als niet zwellende klei) en zilverzand. De samenstelling van de HDS is afhallkelijk van de te conditioneren grond. Machinebouwer Daiho, leverallcier van het EPB-schild van Visser & Smit Hanab, stelt de samenstelling en de hoeveelheid toe te voegen hoge dichtheid suspensie vast aan de hand van de zeefkronune van de te conditioneren grond. Ais eerste wordt de vaste stof7vloeistof verhouding D bepaald, met de volgende formule: D(%) =a(30 - X)2 +(40 - Y)0.5 +(60 - Z)0.2

waarbij:

Ais

.

x Y Z

(6.3)

: het gewichtspercentage dat de 0.074 mm zeefpassee11 : het gewichtspercentage dat de 0.25 mm zeefpasseert : het gewichtspercentage dat de 2 mm zeefpasseert

(30 - X) < 0 (40 - Y) < 0 (60 - Z) < 0

dan is deze term 0 dan is deze term 0 dan is deze term 0

Uniformiteit: wanlleer I < Uc < 3

dan is a = 1.2

83

Grondconditionerinf1: in het EPB-schild

Als we deze formule toepassen op de zeefkromme van Maaszand, zie figuur 6.1 met X = 1 %, Y=15 % en Z=95 %, vinden we voor D = 80 % (naar beneden afgerond). Vervolgens kan met D ook de samenstelling van de HDS worden bepaald en de dosering met respectievelijk tabel 6.3 en formule 6.4. (6.4)

Dosering(l/m 3)=D *6

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

4.8 7.1 9.3 11.4 9.0 10.2 11.5 12.7 14.0 15.0 16.1 17.2 18.2 19.2 20.2

4.8 7.1 9.3 11.4 9.0 10.2 11.5 12.7 14.0 15.0 16.1 17.2 18.2 19.2 20.2

9.0 10.2 11.5 12.7 14.0 15.0 16.1 17.2 18.2 19.2 20.2

96.2 94.3 92.6 90.9 89.2 87.7 86.2 84.7 83.3 82.0 80.6 79.4 78.1 76.9 75.8

Tabel 6.3. Samenstelling met bijbehorende D-ratio, afkomstig uit Daiho manual.

Volgens het voorgaande moet aan maaszand HDS met een vaste stof/vloeistof ratio D van 80 % worden toegevoegd, in de praktijk is echter gebleken dat HDS met D groter dan 50 % niet meer verpompbaar is. Hierbij horen doseringen van respectivelijk 480 en 300 11m3grond. In eerste instantie zijn de proeven uitgevoerd met 320 11m3HDS met D = 50 %, Deze samenstelling is gebruikt in het project in Zevenhuizen. HDS met D=50% is nog net verpompbaar. Vervolgens is de D verhoogd om te achterhalen of er dan een verbetering optreedt in de consistentie van de grondbrij. De hoeveelheid toe te voegen materiaal is hierbij constant op 320 11m3gehouden. Dit omhet effect van de concentratieverhoging beter te kunnen waamemen. Later zijn ook experimenten uitgevoerd waarbij de toe te voegen hoeveelheid is gevarieerd. Formule 6.4 is daarbij niet gehanteerd.

84

Hoofdstuk 6

Test;programma

6.3.2.2 Bereiding

De drie HDS bestanddelen worden in vaste vorm met elkaar gemengd en vervolgens aan water toegevoegd. Het materiaal wordt gemengd met een spatel aangedreven door een boormachine. De klonten die zich in het begin vormen verdwijnen door intensieve menging.

6.3.2.3 Kwaliteitscontrole

De chemische samenstelling en mineraalinhoud van de verschillende bestanddelen van de HDS zijn van belang voor de eigenschappen van de suspensie, zie paragraaf 4.3.1. De belangrijkste parameters die de eigenschappen van de HDS het beste weergeven zijn het volumegewicht, de viscositeit en zwichtspanning. De productie van HDS is eenvoudig en als de hoeveelheden vaste stof nauwkeurig worden afgewogen dan is de variatie van de boven genoemde grootheden verwaarloosbaar. Het volumegewicht, de viscositeit en zwichtspanning zijn dan ook maar enkele keren bepaald, en werden vervolgens voor constant en aangenomen.

6.3.3 Schuim 6.3.3.1 Samenstelling en dosering

Schuim is een suspensie van lucht in vloeisto£ Er zijn verschillende schuimprodukten op de markt voor de conditionering van grond in gronddrukbalansschilden. De gebruikte schuimprodukten zijn beschikbaar gesteld door het Italiaanse bedrijfLamberti spa. (chemical specialties). De produkten zijn speciaal geproduceerd voor de conditionering van zandgrond. De hoofdbestanddelen van het schuim zijn water, schuimstof en schuimstabilisator. De schuimstof is een tensid, de stabilisator is een polymeer. Beide stoffen hebben een anionisch karakter. Lamberti spa. geeft dezelfde aanbevelingen voor de schuimsamenstelling als Obayashi, het bedrijf dat het schuimsysteem ontwikkelt. De mengverhoudingen en dosering van het schuim worden bepaald aan de hand van de zeefkrommen van het te conditioneren zand. De injectie ratio, het volume van de gedoseerde hoeveelheid schuim ten opzichte van het volume ontgraven grond, wordt bepaald aan de hand van de volgende formule, Obayashi (1993) en Lamberti (1995):

a Q(O/O)= (60-4 2

waarbij

*XO.8) +(80-3.3

*

yO.8) +(90-2.7*ZO.8)

(6.5)

X: het gewichtspercentage dat de O.074mm zeefpasseert Y : het gewichtspercentage dat de O.42mm zeefpasseert Z : het gewichtspercentage dat de 2.0 mm zeef passeert

85


4.0 * 3.3 * 2.7 * DJriformiteit:

Als:

Xo.s> 60 neem dan 60 yo.s > 80 neem dan 80 Zo.s> 90 neem dan 90 wanneer

Dc < 4 4 :SDc.2: 15 15 :SDc

dan is a = 1. 6

dan is a = 1.2 dan is a = 1.0

Als dezeformule wordt toegepastop de zeefkrommevan Maaszand,zie figuur 6.1 met X = 1 %, Y=52 % en Z=95 %, vinden we voor Q=47 % V oor niet cohesieve grond wordt de volgende samenstelling aanbevolen: tensid 10% stabilisator 12 %. De foaming ratio, de hoeveelheid lucht ten opzichte van de hoeveelheid vloeistof moet voor niet cohesive grond 6 zijn. Dit komt overeen met een volumegewicht van 140 grit

Maid!, D (1995) heeft in zijn dissertatie geexperimenteerd met verschillende schuimsamenstellingen en conc1udeert dat de beste resultaten worden behaald met een tensid concentratie van 1.6 % en een polymeerconcentratievan 7 grll, het bijbehorendevolumegewicht is 88 grit Deze samenstelling is in dit onderzoek gebruikt als uitgangspunt voor de schuimconditionering. In de dissertatie worden ook richtlijnen gegeven voor de ideale hoeveelheid toe te voegen schuim. Het schuim volume moet in theorie gelijk zijn aan de porositeit bij de meest losse pakking van het zand, verminderd met de hoeveelheid fijne delen en de hoeveelheid water, zie formule 6.6. Maid! gaat uit van volledige verdringing van grondwater als gevolg van schuiminjectie.Dit betekent dat V w = o. Vsch =n Max *V-V-V f w Vsc h( % ) =

V Vsch Vf Vw ~ax

Vsch V-V

sch

*

(6.6)

100

(6.7)

: totaal volume : volume schuim : volume van fijne delen : volume van water : maximale porositeit

Met een maximale porositeit van 43 %, 100 % verdringing van grondwater en een percentage fijne delen van 1% vinden we voor Vsch 42 %. Als we aannemen dat het grondwater niet verdrongen wordt door schuim dan is Vsch23 %. In eerste instantie zijn experimenten uitgevoerd met Vsch=45 % en is gekeken wat het effect is van grondwater dat niet door het schuim wordt verdrongen. Vervolgens zijn de toegevoegde schuimhoeveelheid en de samenstelling van de schuimvloeistof veranderd om te achterhalen of dan een betere grondbrij kan worden verkregen. Als laatste is onderzocht ofverschillende mengprocedures effect hebben op schuimconditionering. 86

Hoofdstuk 6 Testproln"amma

6.3.3.2 Bereiding

De productie van schuim is ingewikkeld. Als eerste wordt een polymeeroplossing gemaakt. De tensidvloeistofword in de juiste hoeveelheid aan de polymeeroplossing toegevoegd en voorzichtig gemengd. De verkregen oplossing kan met behulp van een schuimgenerator en perslucht worden opgeschuimd. Het schuim wordt gevormd in de schuimlans die gevuld is met kleine glasknikkers. De schuimvloeistof en perslucht worden onder druk door de schuimlans geperst waarbij turbulentie ontstaat en schuim geproduceerd wordt. De gebruikte schuimgenerator heeft een aantal beperkingen. De schuimvloeistofkan niet te dik worden gemaakt omdat de schuimgenerator dan verst opt raakt. Hierbij is een polymeer concentratie van 11.5 grll het maximum. De "foamingratio" (de verhouding tussen schuimvloeistof- en lucht) kan niet nauwkeurig worden afgesteld en wisselt sterk. Hierdoor varieren alle eigenschappen van het schuim

6.3.3.3 Kwaliteitscontrole De eigenschappen van schuim worden bepaald door de chemische eigenschappen van de schuimprodukten, de concentraties waarin zij aan water worden toegevoegd en de schuimgenerator. De chemische samenstelling van de schuimprodukten is behandeld in paragraaf 4.4.2.1. De schuimgenerator voegt de vloeistof en lucht samen en maakt er schuim van. Het apparaat is in hoge mate bepalend voor de schuimfactor, volumegewicht en bellengrootte van het schuim De gemeten eigenschappen van schuim zijn: volumegewicht (als maat voor de schuimfactor), stabiliteit, viscositeit en schuifsterkte. Omdat de eigenschappen van het schuim niet constant zijn is continu gecontroleerd ofhet volumegewicht en de schuifsterkte van het schuim binnen bepaalde grenzen blijven. Deze parameters zijn namelijk suel te bepalen in tegenstelling tot de viscositeit, bellengrootte en stabiliteit. Schuimstabiliteit Schuimstabiliteit is een belangrijke parameter die vooral bepaald wordt door de gebruikte chemicalien. Hoe langer het schuim stabiel is hoe langer het functioneert. Als het schuim ontmengt krijgt de grond zijn oorspronkelijke eigenschappen weer terug. De permeabiliteit van de grondbrij neemt toe en de vervormbaarheid en compressibiliteitseigenschappen verslechteren. Ter vergelijking zijn de stabiliteit van een aantal schuimsoorten bepaald. De schuimstabiliteit is te achterhalen door de ontmenging (hoeveelheid ontmengde schuimvloeistof) van de schuimvloeistofin de tijd te meten, zie figuur 6.5. Omdat ook polymeerschuimen ontmengen, moeten alle proeven binnen 45 minuten worden uitgevoerd. Dan is ongeveer 5 % van het polymeerschuim ontmengd, zie figuur 6.5. Bij de permeabiliteitsmetingen is deze grens overschreden om het effect van schuimdegradatie op de permeabiliteit te achterhalen. Schuim dat met zand is gemengd lijkt langer stabiel te zijn dan schuim op zich zelf

87


Schuimslabiliteit

voor diverse soorten schuim

100 00 80

~

60

.~

50

c

proteine

70

C)

tensid T=1.6%

QI

Sc 0

40

~

30

polymeer T=1.6"k, P=7grll

20 10 0 0

50

100

150

tijd (m inuten)

Figuur: 6.5

Schuifsterkte (of zwichtspanning) De schuifsterkte is bepaald met de shear-o-meter. Dit meetinstrument is afkomstig uit de boorindustrie. Waar het wordt gebruikt om de schuifsterkte van dunne bentonietsuspensie te bepalen. Het apparaat bestaat uit 2 delen; een beker met een diameter van 9 cm met in het

centrum een verticale staafwaarop een schaalverdelingin Ibs/l00ft 2 (wordt omgerekendin Pa) is aangebracht en een cilinder met een dikte van 0.3 mm, een diameter van 36 mm, een hoogte van 89 mIDen een gewicht van 4.95 gr die omhet T-profiel past.

6.3.4 Polymeergel 6.3.4.1 Samenstelling en dosering De polymeren die als schuimstabilisator dienen zijn gebruikt als basismateriaal voor de polymeergel. De werking van polymeergel berust, evenals bij lIDS, op waterabsorptie van de zwellende deeltjes. Polymeren zijn sterker waterabsorberend dan Na-bentoniet, er hoeft dan ook veel minder vaste stof gebruikt te worden. Naar eigen inzicht zijn een aantal gels met verschillende concentraties toegepast. De toegevoegde hoeveelheid polymeergel is gelijkgesteld aan die van lIDS, 320 11m3.In eerste instantie werd een concentratie van 15 grll gebruikt. De gel is dan nog vloeibaar. Vervolgens is de concentratie verhoogd om te achterhalen of een grondbrij met een betere consistentie verkregen kan worden.

88

Hoofdstuk 6

Testprogramma

6.3.4.2 Bereiding en kwaliteitscontrole De polymeergel wordt net als de lIDS gemengd met een boonnixer. Het is daarbij belangrijk de polymeren gelijkmatig en in kleine hoeveelheden aan het water toe te voegen, zodat geen klonten worden gevormd. De eigenschappen van polymeergel worden bepaald door de chemische eigenschappen van de gebruikte stoffen en de concentratie waarin zij aan water worden toegevoegd. De belangrijkste eigenschappen van de polymeergel zijn het volumegewicht, de viscositeit en zwichtspanning. Net als bij de lIDS geldt dat als de concentraties nauwkeurig worden opgelegd dat de eigenschappen van de polymeergel constant zijn. De viscositeit en zwichtspanning van de polymeergel met hoge concentratie zijn geschat.

--

6.3.5 Resultaten

lIDS

1.25

I

0.1

75

1.40

I

13

330

I

1.0

I

1

7

I

1.0

I

15*

300*

0.2

12

I

D= 50% lIDS

I

D= 80% Polymeergel 15.5 grll polymeergel 120 grll Schuim

T=1.6% P=7 Il Schuim T=1.6% P=15.5grll

50- 70

I

Il 140-155 (grll)

Tabel 6.4, Stofeigenschappen van de gebruikte conditioneerstoffen. met BML-vicocorder. *= geschatte waarde.

89

Viscositeit en zwichtspanning

zijn gemeten

-

Grondconditionering in bet EPB-schild

-

schuim T=1.6% P= 7gr/1

schuim T=1.6% P=7gr/1

..

-

50-70

3.6 - 4.6

45

140-155

5.3

45

TabeI6.5, Parameters die alleen voor scbuim bepaald zijn van scbuim

6.3.6 Waterverdringing

of waterbinding

6.3.6.1 Algemeen

Voor de conditionering van zand is het belangrijk om te weten ofhet gebruikte conditioneermiddel de porienruimte penetreert tijdens injectie. Bij indringing van de conditioneerstof in de formatie wordt namelijk het grondwater verdrongen. Het grondwater wordt dan niet opgenomen in de grondbrij en dit resulteert in een drogere grondbrij. De diepte tot waar de conditioneerstof indringt (de indringdiepte) of de indringsnelheid is een maat voor de verdringing van grondwater. Wordt door de conditione erst of geen water verdrongen dan moet het water door de conditioneerstofworden gebonden opdat een goed vervormende en ondoorlatende grondbij ontstaat. Boorfront Vloelstof in Werkkamer

P .2

Prl

I:

Figuur: 6.6 Indringdiepte van vloeistoffen, Jancsecz (1994), figuur 14.

90

Hoofdstuk 6

Testpro~amma

6.3.6.2 Theoretische indringdiepte

De indringdiepte wordt bepaald door de zwichtspanning van de conditioneerstof de grootte van de porien en de druk waarmee de v1oeistof gefujecteerd wordt. De penetratie van v1oeistof in de formatie stagneert als de wrijvingskrachten tussen de korre1s en v1oeistof groter wordt dan de kracht die wordt ge1everd door de overdruk bij injectie. Het evenwicht bij de uiteindelijke indringdiepte is weergegeven in figuur 6.6. Het evenwicht is voor een geidealiseerd porienkanaa1 als voIgt uit te drukken, Krause (1987): 2 2rr.r*i:/*Ie =rr.r *D..p

(6.8)

De indringdiepte van v1oeistofkan hieruit worden berekend met: 1= e-

met:

r i:f D..p Ie

D..p*r 2*i: /

(6.9)

: straalvan porienkanaa1 (m) : zwichtspanning (Pa) : overdruk (Pa) : indringdiepte in (m)

Aan de hand van deze theoretische benadering zijn empirische formules opgeste1d die in de lieratuur vee1 gebruikt worden, Anagnostou (1996) en Jancsecz (1994). De empirische formules zien er a1svoIgt uit: 1= e

Met

dlO a

D..p*d1O

(6.10)

a *i:/

: diameter van de zeef waar 10 gewichtsprocent van de grond doorheen va1t, : factor (2 of3,5).

In formule 6.10 is de straal van het porienkanaal vervangen door de dlOkorre1groote ftactie van de grond. Voor het geteste Maaszand is de dlO0.21 mm. De constante a wordt vaak verschillend gekozen, Jancsecz gebruikt 3.5, Anagnostou gebruikt 2. In dit rapport za1 overeenkomstig met het theoretische model van Krause (1987) 2 worden gebruikt voor a. In tabe16.6 zijn de theoretische indringdiepten voor de gebruikte conditioneerstoffen berekend. De zwichtspanningen zijn gemeten met de BML-viscometer, zie paragraaf6.4.3.6. De zwichtspanning van de po1ymeerge1met hoge concentratie is geschat.

91


De overdruk die voor de berekeningen is gebruikt bedraagt 0.5 bar, dit is een redelijke waarde waar in praktijk mee gewerkt wordt. Overdrukken van 1 bar komen in praktijk ook voor. Bij oplopende zwichtspanning neemt de indringdiepte af Voor lIDS geldt zowel voor lage als hoge concentratie dat de conditioneerstof nauwlijks in de formatie penetreert. Bovendien geldt dat als de diameter van de aan het lIDS toegevoegde zilverzand groter is dan de dlOvan de grond in het geheel geen indringing mogelijk is. De gemiddelde diameter van het zilverzand ligt tussen de 0.15 en 0.3 mm en heeft ongeveer dezelfde grote als de dlOvan de grond. lIDS penetreert niet in de formatie en zal dus ook geen grondwater verdringen. AI het grondwater wordt opgenomen in de grondbrij.

water

I

0

lIDS (D=50%)

I

75

I

7

lIDS (D= 80%)

I

327

I

1.6

7

I

75

300 *

I

1.7

Polymeergel (15.5grll) Polymeergel (120 grll)

I

Schuim (ten sid =1.6%) (polymeer 7 grll) Tabel 6.6. Indringdiepte

voor de verschillende

44

12 conditioneerstoffen

van zand. De zwichtspanning

van polymeergel

met hoge concentratie is geschat. * = geschatte waarde.

Het principe van schuimconditionering is gebaseerd op de verdringing van grondwater door schuim. Doordat het gefujecteerde schuim het grondwater verdringd ontstaat een droge grondbrij die plastisch vervormt. De bepaling van de stromingseigenschappen van schuim is moeilijk. Doordat sprake is van een compressibel twee fasesysteem, zijn het volumegewicht de bellen-grootte, viscositeit en zwichtspanning niet constant. Schuim zal zich onder druk in leidingen of in wisselwerking met grond anders gedragen dan in de meetopstelling. De zwichtspanning van schuim kan het best worden bepaald met een fannviscosimeter waarbij een schuifcilinder wordt gevormd, Maid!, U (1995). Ook dan zijn de gemeten zwichtspaning en viscositeit niet meer dan een indicatie van de stromingseigenschappen van schuim in zand. Maid! stelt dat penetratie van schuim in zand beter kan worden bestudeerd met modelexperimenten, zie paragraaf6.3.6.3. Op basis van van de gemeten zwichtspanning kan worden geconcludeerd dat het schuim in het zand penetreert en daarbij grondwater verdringt. Polymeergel met lage concentratie penetreert bijna een meter in de formatie. Het lijkt zeer goed mogelijk om op deze manier grondwater te verdringen. Na toevoeging van extra polymeergel met lage concentratie in de werkkamer (om de gevormde porienruimte op te vullen) ontstaat bij lage concentraties polymeergel een vloeibare grondbrij. Door concentratieverhoging van de toe te voegen polymeergel neemt de consistentie toe maar neemt de indringing af door de toegenomen zwichtspanning van de gel 92

Hoofdstuk 6

Testprowamma

Polymeerconditionering vereist een nauwkeurige afstelling van de samenstelling van de polymeergel. In praktijk is dit moeilijk. (eventueel zou met toevoeging van polymeergel in 2 verschillende concentraties wel een plastisch vervormende grondbrij leveren). Het nadeel ten opzichte van schuim is dat veel meer chemicalien nodig zijn, de grondbrij niet compressibel is en nat moet worden afgevoerd. In het testprogramma is verder geen aandacht besteed aan de conditionering van zand door middel van polymeergels met lage zwichtspanning.

Schuim

. Afs\uiting \ Manometer

<:=

~

Schuim Afs\uiting 2

Lucht water overstromings Perslucht ventiel

overstromings ventiel n,

Cylinder 1

~~\~I !t:::

ll

Pers\ucht

Cylinder 2

!i i

Water

=---==--,; =ii.. ,.,It=-: ~I-- -==- -=i

Figuur: 6.7 Proef opstelling voor de indringing van vloeistoffen in zand. Maidl, U. (1995), figuur 6-27.

6.3.6.3 Gemeten indringing met de proefopstelling van Krause en Maidl De indringing van conditioneerstof in de formatie kost tijd. De indringdiepte zal in praktijk ook afhangen van de snelheid waarmee de TBM grond ontgraaft. De indringsnelheid moet in ieder geval groter zijn dan de voortgangssnelheid van de TBM om water uit de grondbrij te houden. Krause en Maid! hebben een proefopstelling gebruikt waarmee de injectie van conditioneerstof in de formatie kan worden gemodelleerd, zie figuur 6.7. De proefopstelling is ontwikkeld om de vorming van de filterkoek in een vloeistofschild te kunnen simuleren, Krause (1987). 93


De opstelling is door Maidl, U (1995) gebruikt om de penetratie van conditioneermiddelen in zand bij het gronddrukbalansschild na te bootsen. In de opstelling wordt conditioneermiddel van boven af in een met water verzadigd zand gefujecteerd. Het conditioneermiddel penetreert in het zand als gevolg van het drukverschil dat wordt opgelegd. De doorzichtbare perspex cilinders maakt observatie van de penetratie mogelijk. In figuur 6.8 is de indringing voor verschillende conditioneerstoffen gegeven. De proeven met schuimen polymeerinjectie zijn uitgevoerd door Maidl, de proeven met bentonietinjectie door Krause. Het opgelegde drukverschil is 0.5 bar. Het gebruikte zand dat bij de schuimen polymeerinjectie hoort heeft een dlOvan 0.19 mm, k=3.74*10-4 mis, ~=37 % en een uniformiteitscoefficient van 2.1. De eigenschappen komen overeen met het geteste Maaszand. Voor Bentoniet injectie (geen HDS!) is zand gebruikt met een dlOvan 0.48 mm, k=1.9*10-3 mis, ~= 44 % en een uniformiteitscoefficient is 1.95. Dit zand is grover dan Maaszand. Bentoniet zal als gevolg van kleinere porien veellangzamer en minder diep penetreren als in figuur 6.8 staat Indringing voor de verschillende

conditioneerstoffen

400 350 300

1 :!

II .1:1 GI C

8.

250

-+-

Fblyrreer

7 grll lVIaidl

_schuimten=1.6%,

200

bentoniet ~

150

pol=7grlllVlaidl 60 grll Krause

voortgangssnelheid

i

30rrm'rrin

100

50 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

tijd (min)

Figuur:

6.8

weergegeven. De zwichtspanning van schuim is gemeten in het testprogramma en is 12 Pa. Voor polymeergel met een concentratie van 7 grll is een zwichtspanning van 6 Pa een aannemelijke waarde. In het testprogramma werd een zwichtspanning van 7 Pa gemeten voor een concentratie van 15.5 grit De zwichtspanning van de gebruikte bentoniet is 30 Pa (meting Krause). Ter vergelijking; HDS met d=80 % heeft een zwichtspanning van 327 Pa. HDS zal ten gevolge van zijn veel hogere zwichtspanning nauwlijks penetreren. Schuim en vooral polymeergel penetreren gemakkelijk in het zand. . Voor de drie krommen geldt dat de indringing de eerste seconden zeer snel verloopt en vervolgens afueemt. 94

Hoofdstuk 6

Test.prowamma

In het geval van schuimen polymeerinjectie wordt geen stabiele situatie verkregen. De maximale indringdiepte is niet bereikt aan het einde van de test. Voor schuim penetratie is de penetratiesnelheid 38 mm in de eerste minuut en loopt terug tot onder de 1 mm/min na 10 minuten. Polymeergel penetreert 70 mm in de eerste minuut en loopt terug tot onder de 10 mm/min na 10 minuten. Ontgravingssnelheden van gronddrukbalansschilden liggen tussen de 25 tot 40 mm/min. De indringing van schuim is klein en kan nooit meer dan enkele centimeters zijn. De indringdiepte is groot genoeg om de ontgravingssnelheid bij te houden. Desnoods kan door de injectiedruk te verhogen de indringsnelheid in de eerste minuut worden verhoogd. Het injectiesysteem lijkt kwetsbaar vanwege de kleine indringdiepte. De indringdiepte zal varieren met de variaties in de korreldistibutie van de verschillende grondlagen aan het boornont. Het kan dan voorkomen dat in de lagen met fijnere korrels niet al het water verdrongen wordt. Tijdens een gesprek met de heer Maidl werd de waterverdringing door schuim besproken. Hij stelt dat water voor 100% zal worden verdrongen door schuim. Maidl:" AIs de druk in de werkkamer en voor het graafwiel als gevolg van schuiminjectie groter is dan de poriendruk in de formatie, dan zal het schuim als een ftont het water voor zich uit duwen". AIs onverhoopt een punt met lagere druk voor het graafwiel ontstaat dan zal het schuim daar naartoe stromen, en het grondwater als gevolg van zijn veel hogere viscositeit volledig verdringen. Het schuim wordt hierbij niet verdund met water. Heel belangrijk is dat de gehele werkkamer een overdruk heeft ten opzichte van de formatie anders stroomt het schuim direct de werkkamer in. Waardoor de verdringing van water niet volledig is en de grondbrij als gevolg van het opgenomen water te vloeibaar wordt. De verschillende conditioneermiddelen stellen eisen aan het gebruikte injectiesysteem Voor HDS-conditionering is menging met de grond belanrijk, hoe groter het aantal injectiepunten hoe beter. Schuim en polymeergel moeten de grond indringen. De conditioneerstoffen moeten dan zo dicht als mogelijk aan het boornont gefujecteerd worden, liefst op verschillende punten aan het boornont. De druk in de werkkamer moet op peil gehouden worden met behulp van conditioneermiddelinjectiepunten. Eventueel als de verblijftijd van de grondbrij in de werkkamer en schroefvijzellanger is dan de tijd dat het schuim stabiel is moeten ook injectiepunten in de schroefvijzel worden geplaatst.

6.3.7 Conclusies HDS dringt niet in de formatie en verdringt geen grondwater. AI het grondwater in de ontgraven grond moet worden gebonden door de in de HDS aanwezige waterabsorberende stoffen. Schuim penetreert in de formatie en verdringt grondwater. De penetratiediepte en snelheid hangen afvan de poriengrootte en permeabiliteit. Polymeergel dringt in de porienruimte. Bij conditionering met polymeergel moet een optimum worden gevonden tussen lage zwichtspanning voor diepe indringing en hoge viscositeit om de grondbrij plastisch te laten vervormen.

95


6.4 GRONDBRIJ (mengsels van zand water en conditioneerstof) 6.4.1 InIeiding Het testprogramma is gericht op het effect van de verschillende conditioneermiddelen op zand. Doordat de werking van de verschillende conditioneermidde1en, naarmate de experimenten vorderen, duidelijk werd, zijn de doelstellingen van de pro even gaandeweg veranderd. Het testprogramma op grondbrijmengsels valt uiteen in vier onderdelen: 1) permeabiliteits metingen, 2) meting van het effect van grondwater op de grondbrij, 3) samenstellingsverbetering van de conditioneermidde1en zodat een plastisch vervormende grondbrij verkregen wordt, 4) meting van de eigenschappen van de onder 3 gevonden grondbrijmengse1s. Tijdens het gehele testprogramma zijn een beperkt aantal tests gebruikt, deze zulen afzonderlijk besproken worden. De toegepaste meetprocedures worden niet in dit rapport besproken. Voor meer informatie omtrendt de verschillende test- en meetopstellingen kan worden verwezen naar van der Woude (1996). In de onderstaande p aragraaf zal eerst de mengmethode van grond met conditioneermiddel worden besproken. Vervolgens worden de gebruikte test- en meetopstellingen behandeld.

6.4.2 Menging van de grondbrij Basismateriaal van de grondbrij is Maaszand. De grondbrij is verkregen door toevoeging van water en conditione erstof en is vervolgens getest. Het verzadigde zand wordt verondersteld een oorspronkelijk volumegewicht van 20 kN/m3 en een natuurlijk watergehalte van 17.5 gewichts procent te hebben. Zand en conditioneermiddel zijn in de open lucht gemengd met de boormixer. Dit proces wordt "open menging" genoemd. Deze situatie is niet overeenkomstig met de praktijk. In een gronddrukbalansschild wordt de grondbrij onder druk gemengd. Hierbij wordt veel minder mengenergie aan de grondbrij toegevoegd dan bij de experimenten het geval is. In de werkkamer en de schroefvijze1 zal derhalve een veel inhomogener mengse1 worden gevormd. Tevens kan bij open menging extra lucht worden ingesloten. Schuimstoffen nemen lucht op. Bij open menging wordt naast de hoeveelheid lucht in het toegevoegde schuim extra lucht vanuit de omgeving in de grondbrij opgenomen als gevolgvan het mengproces. Hierdoor worden de eigenschappen van de grondbrij veranderd, de grondbrij is te vloeibaar in vergelijking met de grondbrij in de werkkamer van het EPB-schild. Het effect van de mengtijd op de meting en van de grondbrij is getest, zie paragraaf 6.4.6.3. Het feit dat lucht uit de omgeving in de grondbrij wordt opgenomen is pas laat in het testprogramma onderkend. Dit betekent dat de meting en op schuim geconditioneerde gronbrij in paragraaf6.4.4 en 6.4.5 en niet geheel representatiefzijn. Tijdens de viscositeitsmetingen in paragraaf 6.4.6 is de schuim geconditioneerde grond anders bereid. De schuimvloeistofwordt aan het zand toegevoegd en vervolgens met de boormachine gemengd. 96

Hoofdstuk 6

Testprowamma

Het schuim wordt :inhet zand gevormd. De gemeten parameters zijn sterk afhankelijk van de mengtijd en varieren sterker dan die van polymeergel ofHDS geconditioneerde grondbrij.

6.4.3 Gebruikte tests en verrichte metingen 6.4.3.1 Permeabiliteits met:ingen De permeabiliteit van grondbrij moet laag zijn (k < 5*10-05m/s) zie paragraaf3.2. Om te achterhalen of de verkregen grondbrijmengsels aan deze eis voldoen is de permeabiliteit van deze materialen bepaald. De verlag:ingvan de permeabiliteit van het zand als gevolg van toevoeg:ing van conditioneermiddel kan eenvoudig worden gemeten met simpele apparatuur. In het laboratorium voor geotechniek is een opstell:ingbeschikbaar die de permeabiliteit meet onder een constant verschil :inwaterhoogte. Het apparaat bestaat uit een perspex cil:inder waar:inzowel een opwaartse als benedenwaartse stroom aangebracht kan worden. Op verschillende hoogten van de buis wordt de stijghoogte met manometerbuisjes gemeten, waarmee de hydraulische gradient i bepaald kan worden. De opstell:ingis ook wel bekend als de "constant head permeability test". Het zand dat als uitgangspunt diende heeft een opgelegd watergehalte van 17.5 gewichts %. Voor ieder conditioneermiddel zijn drie mengsels gemaakt waarop voor elk mengsel drie permeabiliteitsmetingen zijn verricht. Discussie De waterdruk die is toegepast bij de permeabiliteitsmet:ingen is laag; een waterkolom van 0.2 m kan maximaal:in deze proefworden opgelegd. In praktijk zal de waterdruk veel hoger liggen, de hydrostatische druk loopt op met de diepte onder het fteatische vlak. Mogelijke effecten van verhoogde waterdrukken op de permeabiliteit zijn niet onderzocht. Het is dan ook onbekend of de grondbrij ondoorlatend is onder hogere waterdrukken. Bij hoge druk dreigt de porienvloeistoftussen de korrels vandaan geperst te worden waardoor de permeabiliteit toeneemt en de consistentie verslechtert. De permeabiliteit zou dan zelfs hoger kunnen worden dan oorspronkelijk het geval is omdat het volumegewicht van de grondbrij lager is dan die van de oorspronkelijke grond. In de literatuur zijn pro even bekend die de permeabiliteit van de grondbrij onder hogere druk kunnen meten. Deze pro even tonen aan dat schuim en bentoniet dat zich tussen de korrels bev:indtwaterdrukken van 3 bar en een drukverschil van 0.4 bar kunnen weerstaan, zonder dat de permeabiliteit boven de 1*10-05m/s komt, Maid!, U. (1995) en Krause (1987).

6.4.3.2 Volumegewichtsmet:ingen Volumegewicht is een belangrijke parameter van zowel grond, grondbrij als conditioneermiddelen. Het volumegewicht van de grondbrij wordt bepaald door het olumegewicht van de conditioneerstof en het volumegewicht en het watergehalte van het oorspronkelijke zand. In de praktijk zal het volumegewicht van de grondbrij worden gebruikt om het evenwicht tussen voortgangssnelheid en hoeveelheid afgevoerd materiaal te controleren. 97


Voor controle op dit evenwicht dient men de voorgangssnelheid, hoeveelheid afgevoerd materiaal, en volumegewichten van de grond, conditioneerstof en grondbrij te weten. Het volumegewicht van een materiaal is eenvoudig bepaald met behulp van een weegschaal en volumebepaling. Het volume van het gemeten monster is constant op 3.3 liter gehouden. Discussie Het volume bij de volumegewichtsbepaling is groot genomen om aftondmgsfouten klein te houden. Insluiting van lucht veroorzaakt een meetfout, zie ook paragraaf 6.4.3.2.

6.4.3.3 Consistentie

Het begrip consistentie is een kwalitatiefbegrip dat een beeld geeft van de vervormbaarheid van een materiaal. In de grondmechanica is het begrip gedefinieerd voor cohesieve materialen. In de betontechnologie is het begrip een maat voor de vervormbaarheid van natte betonmortel. De mengsels van zand en conditioneerstofhebben een zeer beperkt cohesiefkarakter en lijken meer op nat beton dan op klei zie paragraaf3.2.1. De "geotechnische consistentie" I.,wordt bepaald door het watergehalte en de Atterbergse grenzen met behulp van formule 3.1. De waarde Ie is gerelateerd aan kwantitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel3.1. De "geotechnische consistentie" is bepaald voor het cohesieve referentiemateriaal.De ''betontechnische'' consistentie wordt bepaald met behulp van de kegel van Abrams. De zetmaat in centimeter zoals bepaald met de kegel van Abrams is gerelateerd aan een kwalitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel3.2. Discussie Het is niet mogelijk de consistentie van de grondbrij te bepalen met behulp van de plasticiteitsgrenzen omdat de uitrolgrens van de mengsels niet bepaald kan worden. In een kort testprogramma is getracht de betontechnische en geotechnische consistentie termen aan elkaar te koppelen via een tussenstap. Van het cohesieve referentiemateriaal zijn de plasticiteitsgrenzen bepaald en is met behulp van het watergehalte de consistentie opgelegd. Vervolgens is de zetmaat van dit mengsel bepaald. De kegel van Abrams is echter niet ontworpen voor cohesieve materialen. De klei blijft in de kegel hangen als deze van de grond word opgetild.

Als de wanden zijn geolied is wel een zetmaat te bepalen. De zetmaat van een klei met Ie tussen 0,4 en 0,75 is nul. De zetmaat wordt verwacht tussen de 2.5 en 12.5 te liggen omdat deze waarden in de literatuur worden gezien als zetmaat voor een materiaal met een goede consistentie. Het gedrag van cohesieve en niet cohesieve grondbrij is duidelijk anders en niet direct met elkaar te vergelijken.

6.4.3.4 Vinproef Met de vinproefkan men eenvoudig de schuifsterkte van cohesieve grond bepalen. Ondanks het feit dat de proef uitsluitend is te gebruiken voor cohesive grond is de test in dit onderzoek gebruikt om de schuifsterkte van de zandige grondbrij te bepalen. 98

Hoofdstuk 6

TestproJ;P"amma

Handmatig wordt een draaimoment via een veer op een vinvorm in de grond aangebracht. Het draaimoment neemt toe totdat de grond volgens een cilindervorm bezwijkt. De maximale vervorming van de veer geeft het maximale draaimoment weer. Het draaimoment is te relateren aan de schuifsterkte van de grond met de volgende formule, Verwaal (1988): Cu=

T 2 1t *D

2 Waarin:

Cu T D L

(6.2)

*(L+D/3)

: ongedraineerde schuifsterkte (kPa) : het draaimoment (N m) : diameter van de vane (m) : hoogte van de vane (m)

In de reeks proeven is gebruik gemaakt van de laboratoriumvin, en een handvin. De handvin is ontworpen voor gebruik in het veld zodat aan het oppervlak en in de bodem van een boorgat de schuifsterkte gemeten kan worden. De handvin meet direct de schuifsterkte in ton/m2. Deze waarde moet gecorrigeerd worden voor de grootte van de vin. In het testprogramma is tevens gebruik gemaakt van een zelfgemaakte grote vin, om ook zeer lage schuifsterkten te kunnen meten Discusssie De vinproef is bedoeld voor de cohesieve materialen. De aanname dat het gevormde schuifvlak cirkelvormig is, is waar voor fijnkorrelige cohesieve materialen. De vinproef wordt niet toegepast op niet cohesieve materialen omdat het gevormde schuifvlak niet cirkelvormig is. Er is dan sprake van een bezwijkzone. In dit afstudeerwerk is de meting wel toegepast op zandige grondbrij met zeer lage cohesie. De meetwaarde van de vinproef mag dan ook niet worden gezien als ongedraineerde schuifsterkte maar als een indicatie voor deze grondparameter. Voor de handvinproef geldt dat als wordt overgestapt op een een grotere vin er een sprong in de gemeten schuifsterkte optreedt. De overstap naar een grot ere vin levert in alle gevallen een hoger gemeten schuifsterkte. Dit is het gevolg van de groter wordende schuifzone. De veer in de handvin is gecalibreerd voor een bezwijk cirkel. Als wordt overgestapt op een grotere vin dan wordt de afgelezen waarde gecorrigeerd voor de grot ere schuifcirkel. Het monster bezwijkt echter langs een grot ere schuifzone en de berekende schuifsterkte is daardoor te groot.

6.4.3.5 "Trekliniaaltest"

Om een idee te krijgen van de kleverigheid van het materiaal is de "trekliniaal test" bedacht in samenwerking met ir. W. Broere. In deze test wordt de wrijvings- ofklee:fkracht tussen staal en grondbrij gemeten. Een roestvrij stalen lineaal wordt in de grondbrij geduwd en langzaam los getrokken. De maximaIe kracht die nodig is wordt afgelezen met een unster. 99

Grondconditionering

in het EPB-schild

De proeflevert een maat voor de kleverigheid, m N/mm2. De kleverigheid is van belang voor het functioneren van de grondbrij. Een lage kleverigheid is gewenst omdat de aandrijvende moment en van de TBM dan laag bIijven, zie paragraaf3.6. Discussie De gemeten schuifspannmg met de treklIDiaaltest staat op zichzelf en mag niet worden gezien als cohesie of andere parameter die m de grondmechanica wordt gebruikt om cohesief karakter van grond uit te drukken. Het is een mdicatieve test die alleen een onderlinge vergeIijkIDgvan de kleverigheid van grondbrij geeft. De test is heel eenvoudig en kan gemakkeIijk op de werkvloer worden uitgevoerd. Uit correlatie onderzoek is gebleken dat maximale klevrng optreedt bij plastisch vervormende grondbrij. De kleeflineaa test geeft een maat voor de kleverigheid van zandige grondbrij en is tevens te gebruiken om de consistentie van een grondbrijmengsel te bepalen, zie van der Woude (1996).

6.4.3.6 Viscositeitsmetmgen Viscositeitsmetmgen worden uitgevoerd om de strommgseigenschappen van materialen te bepalen.Voor de conditioneerstoffen is het van belang de zwichtspannmg te weten. Dit is de stofeigenschap die bepalend is voor de mdringdiepte m het grondmassief Van grondbrij is het belangrijk om de Drukcel strommgseigenschappen " Hydraulischelift---,... te weten. De viscositeit en zwichtspannmg zijn de binncn cylinder enige twee parameters die bepalen ofhet materiaal goed door werkkamer en ruw oppervlak schroefvijzel stroomt. De buitencylinder viscositeit en zwichtspannmg kunnen worden gebruikt om de vervormbaarheid van grondbrij te fJ karakteriseren, zodat het begrip consistentie ver-

7

FIguur: '

. . . 6 9 Sch ematlsc h e tek emng van de BML-vlscometer,

.

(1995),figuur1

Wa11evik '

vangen

kan worden.

In d e Iite~atuur wor d en

geen optnnale viscositeits- en zwichtspannmgswaarde voor grondbrij gegeven. De viscosteitsmetmgen zijn uitgevoerd met een BML-Viscometer, zie figuur 6.9. Dit apparaat is ontworpen om de viscositeit van verse mortel en beton te meten en dient als vervangffig van de kegel van Abrams. Metmg van de zetmaat geeft alleen een idee van de zwichtspannmg en niet van de viscositeit, Wallevik (1995).

100

Hoofdstuk 6 Testprograrnma

Normale viscositeitsmeters kunnen niet worden gebruikt om de viscositeit van grondbrij te bepalen omdat deze zijn ontworpen voor vloeistofIen. De grinden zandkorre1s die zich in de grondbrij bevinden verstoren de metingen met traditionelen viscositeitsmeters en maken een nauwkeurige meting van zwichtspanning en viscositeit onmogelijk, Ammerlaan (1994). De BML-viscometer staat opgesteld in het Betonlaboratorium van faculteit Civiele Techniek van de Technische Universiteit Delft. Discussie De BML-viscometer is nieuw in Nederland. Het apparaat staat sinds juni 1996 opgeste1d en er is tot nu toe nog maar weinig ervaring mee opgedaan. Een probleem bij de metingen op grondbrij is de uiteen10pende consistentie. Met zeer vloeibare mengsels verloopt de meting probleemloos. Met stijvere mengse1s ontstaan problemen. Hoewel de leverancier van het apparaat stelt dat de viscositeit en zwichtspanning van beton met een zetmaat van groter dan 8 cm gemeten kunnen worden met het apparaat, blijkt dit voor grondbrij niet te kunnen. Aile grondbrijmengsels met een zetmaat van rond de 8 cm en ook daarboven bezwijken via een schuifcirke1 en stromen niet. De grondbrijmengse1s hebben een hoge zwichtspanning in vergelijking tot de resterende schuifspanning (viscositeit\zwichtspanning's ratio is laag). De grondbij gedraagt zich als vaste massa en stroomt niet. Tijdens de meting wordt dan niet de viscositeit gemeten. Aanpassing van de viscometer zodat ook de viscositeit van stijvere mengsels gemeten kunnen worden is mogelijk door installatie van een ander type binnencilinder. De benodigde onderde1en zijn nog niet in het betonlaborato. . num aanweZlg. "Geotechnische-" en "betontechnische consistentie" kunnen niet met elkaar gere1ateerd worden. Een kleiig materiaal dat plastisch vervormt heeft een zetmaat die karakteristiek is voor een aardvochtig (stijf) materiaal. Dit komt omdat de zwichtspanning van een kleiig materiaal hoog is. Als het materiaal eenmaal vervormt dan wordt nog maar weinig weerstand ge1everd tegen deze vervorming en gedraagt het materiaal zich wel plastisch. Dit plastische gedrag wordt aangeduid met de waarde van de consistentie index 1.:.Beschrijving van de vervormbaarheid door de parameters viscositeit en zwichtspanning is vollediger dan karakterisering met de term consistentie. Het vervormingsgedrag van kleiig materiaal en geconditioneerd zand kan in viscositeit en zwichtspanning worden uitgedrukt. De rheologische parameters worden kwantitatiefbepaald en verdienen de voorkeur boven de kwalitatieve term consistentie.

6.4.3.7 Conc1usies

De experimenten op de mengsels van zand en conditioneermiddel zijn verricht onder atmosferische druk. Dit komt niet overeen met de omstandigheden in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. Vooral voor het samendrukbare schuim zal dit grote verschillen veroorzaken tussen de gemeten en werkelijke eigenschappen in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. De vervormbaarheidseigenschappen van grondbrij zijn gemeten met de zetmaat, vinproet: treklineaahest en BML-viscometer. 101


De laatste opstelling geeft de zwichtspanning en viscositeit van grondbrij. Met deze parameters kan de vervormbaarheid van grondbrij voiledige beschreven worden. De test is relatief nieuw en er is weinig ervaring met de uitvoering. Het apparaat moet worden uitgebreid om ook de viscositeit van stijvere grondbrijmengsels te kunnen meten. Het kwalitatieve begrip consistentie wordt moment eel veel gebruilct in de praktijk. Het beschrijft de vervormbaarheidseigenschappen van grondbrij slechts gedeeltelijk.

6.4.4 Permeabiliteit grondbrij Resultaten

Geen (Maaszand)

3.2 *10-04

HDS (50%) Schuim (T=1.6%, P=7grll)

Polymeergel (15.5 grll)

I

3.4 *10-04

I

2.8 *10-04

3.4 *10-06

1. I * 10-06

I

< 1 *10-08

2.1 *10-06

1.3 *10-05

I

1.4 *10-06

3.4 *10-06

I

I

1.4 *10-06

I

5.4 *10-06

TabeI6.7. Gemiddelde, minimum en maximum permeabiliteits waarden in m/s van de grondbrij gevormd met verschillende conditioneerstoffen.

Discussie Uit tabel 6.7 is af te leiden dat zand waaraan HDS, schuim of polymeergel is toegevoegd, in aile gevailen sterk in doorlatendheid afueemt. De streefwaarde van k :S5 * 10.05m/s wordt door toevoeging van de drie conditioneermiddelen in aile gevailen gehaald. De variaties tussen de afzonderlijke metingen op een monster of tussen twee monsters zijn groot, zo is voor HDS enkele malen geen debiet gemeten, de permeabiliteit is dan theoretisch nul, terwijl op ditzelfde monster in eerste instantie een permeabiliteit van 9.0*10-07m/s is gemeten. Voor schuim geconditioneerde grondbrij is een interessant fenomeen gesignaleerd. Het schuim is slechts beperkt stabiel en verliest na verloop van tijd zijn functie. Uit het verloop van de stijghoogte is te zien dat de weerstand in de onderkant van het monster daalt, de hydraulische gradient stijgt. Dit is het gevolg van de drainage van porienvloeistofvan het monster, zie figuur 6.10. Omdat de grondbrij met de boormachine is gemengd zijn luchtbeilen in het monster opgenomen. De luchtbeilen hebben invloed op de gemeten permeabiliteit. Omdat grondbrij niet zonder luchtinsluitsels gemengd kan worden is het effect van deze luchtbeilen op de grondbrij niet te kwantificeren. Een controle meting op Maaszand gaf aan dat een monster waar erg veellucht in zit, een iets hogere permeabiliteit heeft dan een monster zonder lucht. Het effect is gering, de permeabiliteit blijft onder het maximum van de meting en van verzadigd zand. Als hetzelfde geldt voor de geteste grondbrij betekent dit dat nog steeds is voldaan aan de permeabiliteitseis.

102

Hoofdstuk 6

be paling van de hydraulische stijghoogte maaszand

Testprogramma

meting 4 schuiml

-10 -15 10

20

30

-20

E

-30

~

-35

C> 0

-

-25

~ ~

40

-+-

rneting1 tijd 1 rneting2 tijd 2

--IJr- rneting3 tijd 3

-40 -45 -50 stijghoogte

(em)

Figuur: 6.10 Hydraulische gradienten in de tijd.

Conclusies Op basis van de uitgevoerde pro even kan worden geconcludeerd dat de permeabiliteit niet cruciaal is voor het functioneren van de grondbrij. De permeabiliteit blijkt door aile conditioneermiddelen afdoende te worden verlaagd.

6.4.5 Effect van het watergehalte. Het volumegewicht, de consistentie, schuifsterkte, kleverigheid, en viscositeit zijn met oplopend watergehalte van de grondbrij gemeten. De resultaten van de verschillende metingen worden per test behandeld. Het watergehalte is uitgedrukt in gewichtsprocenten van het zand. Er is aangenomen dat een gewichtspercentage van 17.5 % representatief is voor het project in Zevenhuizen en de Nederlandse ondergrond. De porositeit is 35 % en het volumegewicht 20 kN/m3. In de werkkamer bevindt zich grondbrij met een veellossere pakking. De porositeit wordt verhoogd naar 45 % en het volumegewicht daalt tot 19 kN/m3. De toegevoegde conditioneerstoffen hebben de volgende samenstelling: HDS:

Schuim:

D-waarde: samenstelling vaste stof

50% Na-bentoniet, 33 % Ca-bentoniet, 33 % Zilverzand, 33 % 320 11m3 50-70 grll 1.6 % tensiden 7 grll polymeren 450 11m3

hoeveelheid: schuimvolumegewicht: samenstelling schuimvloeistof

hoeveelheid: 103


15.5 grll 320 11m3

concentratie: hoeveellieid:

Polymeren:

6.4.5.1 Volumegewicht

Bij HDS-conditionering is een stijgende trend zichtbaar bij oplopend watergehalte. Het volumegewicht bij een laag watergehalte is ongeveer 17 kN/m3 en loopt op tot ca. 19 kN/m3 voor een watergehalte van de grond van 17.5 gewichtsprocent. Voor polymeerconditionering is eveneens een stijgende trend te achterhalen maar deze is minder groot. Voor schuimconditionering geldt het omgekeerde. Het volumegewicht daalt met toenemend watergehalte. Voor bentoniet en polymeerconditionering geldt dat bij lage watergehalten de porienruimte niet gehee1 gevuld is met vloeistof Het volumegewicht stijgt naarmate er meer water wordt toegevoegd dat de open porienruimte tussen de korrels opvult. Bij schuimconditionering is het volumegewicht van het materiaal vee1lager omdat de porien gevuld zijn met luchtbellen. De dalende trend in volumegewicht is te verklaren uit de grotere hoeveellieid schuim die in eerste instantie aan het zand wordt toegevoegd. De pakkllg is los en alle porien zijn gevuld. Extra water dat aan de grondbrij wordt toegevoegd verlaagt alleen de pakking en het volumegewicht van de grondbrij.

6.4.5.2 Consistentie Ze1maat versuswatergehalte voor verschillende grondbrijme ngse Is 30 25 20

-+-zand ---ll-I-DS

E ~ 1G 15 CII

.5 QJ N

---I's- schuim -+- polyrreergel

10 5

.

0 0

+'

+-+-+-+---1 5

10

15

20

watergehalte (gewichts %) Figuur: 6.11

104

25

Hoofdstuk 6

Testprowamma

Uit de resultaten in figuur 6.11 is afte 1eiden dat de eonsistentie van de drie grondbrijmengse1s sterk afhankelijk is van het watergeha1te. De optima1e eonsistentie voor een grondbrij is het p1astisehe gebied, dat overeenkomt met een zetmaat tussen 2.5 en 12.5 em Als geen grondwater wordt verdrongen, ge1dt voor alle eonditioneermidde1en dat indien zij aan zand met een natuurlijk watergehalte van 17.5 gewiehtsproeent worden toegevoegd een v10eibaar mengse1 ontstaat. Voor bentonietinjeetie za1een goede grondbrij worden gevormd wanneer meer dan 30 % van het grondwater wordt verdrongen. Voor de gebruikte po1ymeerge1is dit 60 % en voor sehuim moet meer dan 90 % van het grondwater worden verdrongen om een p1astisehe grondbrij te verkrijgen. Het watergehalte van het zand kan bij sehuimtoevoeging niet verder worden verlaagd dan 2.5 % omdat de sehuimbellen klappen a1sze aan droogzand worden toegevoegd.

6.4.5.3 sehuifsterkte Schu Ifsterkte

versus watergehalte grondbrQmengae'a

voor versch mende

10 9 8

-"

IL ~

7 -+-

6

.s ~ 5 .s ~::I 4 .J::.

~

zand HDS

&-

-

3

2

schulm

polymeerge

+

0 0

5

10 watergehalte

Figuur:

15 (gewlchts

20

25

%)

6.12

In figuur 6.12 is de sehuifsterkte van de versehillende soorten grondbrij uitgezet tegen het watergeha1te. De sehuifsterkte voor nat zand is sterk afhankelijk van het vo1umegewieht en de pakking van het zand. Op een zandmonster met gelijk watergeha1te lopen de gemeten waarden sterk uiteen a1sgevo1g van versehillen in pakking en vo1umegewieht. Met het toenemend watergeha1te worden de versehillen kleiner. De sehuifsterkte neemt sterk af met toenemende v10eibaarheid van de drie typen grondbrij. Een 1age sehuifsterkte is wenselijk, maar de grondbrij mag niet v10eibaar zijn, zie ook paragraaf3.2 .

105


6.4.5.4 Kleverigheid

Kleving versuswatergehalte

voor diverse grondbrijmengsels

0.5 0.45 0.4 N 0.35 E

.e z

0.3

polyrreergel

:!2 cu 0.25 .s:. 0.2 .2' ... cu ~ 0.15

--lir- schuim -+-I-DS

::s;:

0.1 0.05

0 0

10

5 watergehalte

Figuur:

15

20

(gewichts %)

6.13

De kleverigheid is gerelateerd aan de consistentie, zie paragraaf 6.4.3.5. Met toenemende vloeibaarheid neemt de kleverigheid af Als gevolg van deze relatie is de kleving van de met schuim gekregen grondbrij dan ook veellager. In figuur 6.13 is te zien dat HDS en polymeergeconditioneerde grondbij een piek in kleverigheid vertonen bij een watergehalte van 7.5 gewichtsprocent. In figuur 6.11 is te zien dat dit overeenkomt met een plastische grondbrij. De kleverigheid is het hoogst voor een grondbrijmengsel met een optimale consistentie.

6.4.5.5 Discussie en conclusie Kleine veranderingen in watergehalte hebben een groot effect op de gemeten eigenschappen van de grondbrij. Zo verandert de consistentie van HDS- en polymeergeconditioneerde grondbrij van plastisch in vloeibaar door een toevoeging van 5 gewichtsprocent water. HDSconditionering werkt op basis van ''waterbinding'': hierbij wordt geen grondwater verdrongen. Alhet grondwater dat in de grond zit wordt opgenomen in de grondbrij, zie paragraaf6.3.6.3. Toevoeging van HDS met een concentratie van D=50 % resulteert in een vloeibare grondbrij. Schuim geconditioneerde grondbrij is ook gevoelig voor grondwater. Schuimconditionering werkt echter op basis van verdringing van het grondwater. De gevoeligheid voor het watergehalte is met relevant als het water met wordt verdrongen; dan voldoet het conditioneersysteem met. Bij volledige verdringing is de met schuim geconditioneerde grondbrij te vloeibaar. Polymeergel toevoeging van 15.5 grll geeft vloeibare grondbrij als het grondwater in de 106

Hoofdstuk 6

Testprogramma

grondbrij wordt opgenomen. Als we de porienruimte van de grondbrij (porositeit is 40 %) vullen met polymeergel met een concentratie van 15.5 grll dan is de grondbrij ook te vloeibaar. De gebruikte conditioneermiddelen voldoen niet. In de volgende paragraafwordt onderzocht wat hiervoor de oorzaken zijn en hoe de grondbrij tot een plastisch vervormend materiaal kan worden geconditioneerd.

6.4.6 Samenstelling van beter conditioneermiddel De conditioneermidde1en uit paragraaf6.4.5 voldoen niet. In het volgende testprogramma is getracht de samenstelling van conditioneermiddelen te verbeteren opdat een grondbrij ontstaat die plastisch vervormt. Leidraad bij deze proeven is de consistentie van de grondbrij zoals deze is bepaald met de kegel van Abrams. De grondbrij moet, om goed te kunnen functioneren, een zetmaat hebben die ligt tussen de 2.5 en 12.5 em, zie paragraaf3.2.3. Voor de lIDS en polymeerconditionering is het uitgangspunt dat geen grondwater wordt verdrongen. In aile proeven is dan ook gewerkt met zand dat een watergehalte heeft van 17.5 gewichtsprocent. Voor schuimconditionering geldt dat grondwater wel kan worden verdrongen. Omdat moeilijk is te bepalen hoeveel grondwater wordt vervangen door schuim is het watergehalte van het zand opnieuw gevarieerd. Door de samenstelling van de schuimvloeistof en de hoeveelheid toe te voegen schuim te veranderen is getracht de juiste zetmaat te verkrijgen. De lage consistentie van de schuimgeconditioneerde grondbrij blijkt echter het resultaat te zijn van de mengmethode, zie paragraaf 6.4.2. Tenslotte wordt dan ook gekeken naar het effect van menging op de eigenschappen van grondbrij.

6.4.6.1 Hoge dichtheid suspensie De consistentie van de grondbrij kan worden verbeterd door minder lIDS aan de zandgrond toe te voegen. Hierbij dreigt het gevaar dat de permeabiliteit niet voldoende verlaagd wordt en de vloeistof tussen de zandkorrels eenZetmaat bij oplopende bentoniet concentratie voudig kan worden uitgeperst. Een andere optie is concentratieverho30 ging van de waterbindende deeltjes. Dit 25 kan door meer lIDS toe te voegen, hierdE 20 oor neemt het vloeistofgehalte in de ~ l-+-zetl11lat(Cni 'i 15 II grondbrij opnieuw toe waardoor het efE fect minimaal of zelfs negatief is. Een ~ 10 5 tweede mogelijkheid is de concentratie 0 van vaste stof in de lIDS te verhogen. 60 70 80 90 100 40 50 Voor de laatste optie is gekozen. Concentratie

D (%)

Figuur: 6.14

107


In figuur 6.14 staat de zetmaat weergegeven als functie van de concentratie van de hoeveelheid vaste stofin de lIDS. Het watergehalte van het zand ligt vast op 17.5 gewichts %. Vit de figuur is op te maken dat verzadigd zand wel tot een plastich mengsel kan worden gemaakt door concentratieverhoging van de lIDS. Bij een vaste stof/waterverhouding van 70 tot 80 % is de grondbrij goed vervormbaar. Discussie Door concentratie verhoging neemt de viscositeit van de porienvloeistof en daarmee de consistentie toe. Het systeem blijft echter heel gevoelig voor variaties in het watergehalte. Een kleine verhoging ofverlaging van het watergehalte heeft opnieuw een grote verandering in de consistentie tot gevolg. Begrenzing aan deze aanpak is de verpompbaarheid en menging van de lIDS. Ten eerste is het materiaal moeilijk te mengen. De mengmethoden die in praktijk gebruikelijk zijn lopen vast. Het materiaal wordt zo stijf dat het niet meer te verpompen is met normale pompinstallaties. Dit blijkt uit de praktijkstudie van het project in Zevenhuizen. Eventueel kunnen pompsystemen worden aangepast of ontwikkeld die wel geschikt zijn voor de verpomping van deze dikke vloeistof In praktijk zal het watergehalte van de doorboorde grond en de bijbehorende grondbrij veranderen als gevolg van grondwaterstromingen van en naar de werkkamer en variaties in porositeit. De consistentie van de grondbrij zal sterk wisselen als gevolg van het veranderende grondwatergehalte. Met de consistentie veranderen de transporteigenschappen, waardoor het gecombineerde afgravings- en afvoerproces moeilijk te besturen is. De steundruk zal sterk wisselen wat de stabiliteit van het boorfront verslechtert.

6.4.6.2 Polymeergel Voor polymeergel is dezelfde aanpak gekozen als voor lIDS. De juiste consistentie is verkregen door de concentratie van waterbindende vaste sto£ in dit geval de polymeren, te verhogen, zie ook paragraaf6.3.6.2. Figuur 6.15 geeft de zetmaat als functie van oplopende concentratie van polymeren weer. Als uitgangspunt voor de grondbrij is zand met een Wn= 17.5 gewichts % genomen. Er is telkens 1.85 1polymeervloeistoftoegevoegd aan 10 kg zand en 1.75 1water. Bij een concentratie van 120 grll is een goede consistentie verkregen.

Zetmaat versus watergehalte voor oplopende polymeer concentratie 30 25

E

20

~ 15 m

~ 10 hi

5 0 0

40 concentratie

Figuur:

80

120 (gr/l)

6.15

108

Hoofdstuk 6

Testprogramma

Discussie Ook bier ge1dt a1sbegrenzing de verpompbaarheid en menging van het materiaal. Conditionering met behulp van sterk geconcentreerde po1ymeerge1sis zeer onvoordelig omdat de po1ymeren duur zijn. De bestandde1en van HDS kosten ca.fl350,-/ton en die van po1ymeerge1ca. fl 7000,-/ton. Conditionering met po1ymeerge1kan beter worden gericht op waterverdringing dan op waterbindllg. De benodigde concentratie is dan vee11ager, zie paragraaf6.3.6. Prob1eem bierbij is de nauwkeurige afstelling en de snelle veranderingen in de concentratie van de po1ymeerge1die biervoor noodzakelijk zijn.

6.4.6.3 Schuim

ill eerste instantie is getracht de consistentie van de met schuim verkregen grondbrij te verbeteren door de concentratie van schuimstabilisator te verhogen van 7 tot 11.5 gr/l. Hogere po1ymeerconcentraties kunnen met worden verkregen zonder dat schuimgenerator verst opt raakt. Het effect is marginaa1; er treedt nauwlijks verbetering op. Vervo1gens is Zetmaat van s:huim/zand mengsel waarbij s:huim + water = 100% de hoeveelheid schuim gecorrigeerd 25 voor de hoeveelheid met verdrongen 20 water. Dit 1everde we1 een consistentie verhoging. E ~ 15 Figuur 6.16 geeft de zetmaat a1sfunctie m m .s 10 van de samenstelling van de pori~ 5 env10eistof ill deze reeks proeven is de toegevoegde hoeveelheid schuim gecor0 20 0 40 60 80 100 rigeerd voor het percentage water dat watergei1ate (% van porienruimte) niet door het schuim wordt verdrongen. Het schuim en water vormen samen 100 Figuur: 6.16 % van het volume van de porienv10eistof Ondanks de geringe verbetering is de Zetmaat versus mengtijd consistentie van de grondbrij nog steeds 25 te 1aag. Dit is het gevo1g van de manier 20 waarop zand en schuim gemengd zijn. E Doordat schuim en zand open zijn ge.!:. 15 1; mengd wordt extra 1ucht door de I'll 10 E grondbrij opgenomen. Hierdoor daa1t 1> N de consistentie aanzienlijk. ill figuur 5 6.17 is aangegeven wat het effect is van 0 de mengtijd op de consistentie van de 0 5 10 grondbrij. De schuimv10eistof is aan het mengtijd (min) zand toegevoegd zonder dat het opgeFiguur: 6.17 schuimd is. 109


Vervolgens is er een aantal seconden gemengd en wordt het schuim in het zand gecreeerd. De mengtijd heeft geen invloed op de consistentie van de lIDS-geconditioneerde grondbrij. In de lIDS geconditioneerde grondbrij wordt geen extra lucht opgenomen. Discussie Nadat is gebleken dat de methode van menging effect heeft op de eigenschappen van grondbrij is de mengmethode aangepast. Schuimvloeistofwordt aan zand toegevoegd en vervolgens ogeschuimd tijdens menging met de boormachine. Deze methode is ook niet optimaal omdat moeilijk is vast te stellen wanneer de juiste hoeveelheid lucht door de grondbrij is opgenomen Zoals al eerder is genoemd is het ook mogelijk om met een polymeergel te werken die vloeibaar genoeg is om het zand te penetreren en stijf genoeg om de grondbrij plastisch vervormbaar te laten worden. Dit principe van polymeergel conditionering vraagt een zeer nauwkeurige afstelling van de samenstelling van de polymeergel en is hier buiten beschouwing gelaten.

6.4.6.4 Conc1usies

Door concentratie verhoging van de waterbindende stoffen bij vloeistofconditionering kan de grondbrij een consistentie worden opge1egd. De verkregen grondbrij blijft gevoelig voor variaties in watergehalte. Schuimconditionering is minder kwetsbaar voor variaties in het watergehalte. AI is voor een goede functionering van het schuiminjectiesysteem wel vereist dat het grondwater verdrongen wordt. De lage consistentie van de schuimgeconditioneerde grondbrij is veroorzaakt door insluiting van lucht tijdens menging.

6.4.7 Eigenschappen van de plastisch vervormende grondbrij. 6.4.7.1 Samenstelling van conditioneermiddelen die plastisch vervormende grondbrij leveren Met de in paragraaf 6.4.6 samengestelde conditioneerstoffen en de nieuwe mengmethode van schuim zijn grondbrij mengsels gemaakt die volgens consistentie bepalingen wel plastisch vervormen. De samenstelling van de gebruikte conditioneerstoffen is: HDS:

80% Na-bentoniet, 33 % Ca-bentoniet, 33 % Zilverzand, 33 % 320 11m3

D-waarde: samenstelling vaste stof

hoeveelheid: Schuim:

schuimvolumegewicht: samenstelling schuimvloeistof

ca. 60 grll 1.6 % tensiden 7 grll polymeren (hoeveelheid gecorrigeerd voor achtergebleven hoeveelheid water) 110

Hoofdstuk 6 Testprowamma

Polymeren:

120 grll 320 11m3

concentratie: hoeveelheid:

Vande verkregen grondbrij zijn het vo1umegewicht, de schuifsterkte, kleverigheid en viscositeit gemeten. De resultaten van de met:ingen worden per parameter besproken. De waarden worden verge1eken met het uitgangsmateriaa1 zand en het cohesieve referentiemateriaa1,zie paragraaf 6.2.

6.4.7.2 Resultaten

17.5

0

20

3.3

0.14

23 of 20

0 (Ic=O.4)

-

5.4 (Ic=O.4)

1.8 (Ic=0.56)

HDS/zand

17.5

7

19

1.3

I

0.2

schuimlzand

2.5

8

15

1.0

I

0.24

1.96

I

1.07

zand cohesief

po1ymeerge1lzand

17.5

I

8

I

17

I

I

. TabeI6.8. Volumegewicht,de schuifsterkteen kleverigheidvoor diversesoortengrondbrijmet optimale consistentie.

--

zand/HDS D=50%

6 schuif

D=80% zandlpo1ymeerge116.5 grll 110.0 grll Schuim extra 1ucht genoeg

~

I

120

I

24.5

0.1 schuif

950

8

7

160

26.5

41 schuif

1610

7.5

5 schuif

485

22

700

11

8 schull

I

Tabel 6.9 Viscositeitsmetingen van optimaal en slecht geconditioneerde grondbrij mengsels.

111

Grondconditionering

in het EPB-schild

6.4.7.3 I>iscllssie

Volumegewicht plastische grondbrij Als gevo1g van vergroting van het porienvo1llille daa1thet vo1llillegewicht van het materiaal. I>eze extra ruimte wordt opgeV11ldmet conditioneermiddel. I>e verschillen in vo1llillegewicht worden veroorzaakt door de vo1llillegewichtsverschillen van de conditioneerstoffen. lIDS heeft het hoogste vo1llillegewicht, schllim de 1aagste. Schuifsterkte plastische grondbrij I>e schWfsterkte van zand is zoa1s eerder verme1d zeer sterk afhankelijk van het vo1llillegewicht en de pakking. Voor de verschillende soorten grondbrij is dit niet het geval. I>e schWfsterkte neemt af a1sgevo1g van toevoeging van conditioneermiddel. In vergelijking met bentonict-enschllimconditioneringisdeschWfsterktevoorpo1ymeerconditioneringvecl hoger. I>it is het gevo1g van de cohesieve werking van po1ymeren, zie paragraaf 4.5.3. In vergelijking met het cohesieve referentiemateriaa1 is de schWfsterkte voor de drie verschillend geconditioneerde grondbrijmengsels lager. Kleverigheid plastische grondbrij Het wtgangs materiaa1 zand heeft een 1age kleverigheid. I>oor bentoniet en schllim injectering wordt de kleverigheid in geringe mate verhoogd. Po1ymeertoevoeging 1evert een kleverige grondbrij. I>it is ongewenst omdat het aandrij:finomentvan het graafwie1 en schroefwie1 daardoor een stllk hoger wordt. Het cohesiefreferentiemateriaa1 met opge1egde consistentie Ie van 0.56 heeft een kleverigheid van 1.8 kPa. I>it is a1tijdnog ruim 1.5 keer zo hoog a1sdat van po1ymeer geconditioneerde grond. Viscositeit en zwichtspanning plastische grondbrij In tabcl 6.9 zijn aIleen de zwichtspanningswaarden van be1ang. Bijna aIle viscositeitsmetingen op grondbrij zijn onjwst omdat het te meten mengscl niet stroomt maar afschllift vo1gens een schWfcirkel, zie paragraaf6.4.3.4. I>e zwichtspanningsmetingen zijn we1 correct. Voor grondbrijmengse1s met zetmaat tussen 2.5 en 12.5 is te zien dat de gemeten zwichtspanning van schllim geconditioneerde grondbrij het kleinst is en die van po1ymeer geconditioneerde grondbij het grootst. I>e verschillen zijn groot. I>e zwichtspanning voor po1ymeergeconditioneerde grondbrij is twee maa1 zo hoog a1sdie van schllim geconditioneerde grondbrij. I>e po1ymeergeconditioneerde grondbrij is kleverig en za1moeizaam door de werkkamer en schroefvijza1 stromen.

6.4.7.4 Conc111siep1astische grondbrij mengse1s

I>e drie conditioneermidde1en 1everen mteen10pende soorten grondbrij, met verschillende eigenschappen. Po1ymeer conditionering 1evert een grondbrij met een cohesiefkarakter. I>it wt zich in een hoge zwichtspanning, schWfsterkte en kleverigheid. Deze eigenschappen zijn ongllstig voor het functioneren van het EPB-schild. Kenmerkend voor de schllimgeconditioneerde grondbrij is het 1agevo1llillegewicht. 112

Hoofdstuk 6 Testpro~amma

6.5 CONCLUSIES

De testresultaten laten zien waar de zwakke punten van de verschillende conditioneersystemen liggen. lIDS verdringt geen grondwater. lIDS-conditionering is erg gevoelig voor variaties in het watergehalte van de grond. Om de consistentie van de grondbrij in het plastische bereik te houden moet men de concentratie van de waterbindende delen in de conditioneerstof aanpassen. In praktijk is het moeilijk om de samenstelling van de toe te voegen conditioneervloeistoffen snel te veranderen. Waardoor de consistentie van de grondbrij telkens verandert en de steundruk aan het boomont sterk varieert. Voor lIDS-conditionering van verzadigde zandgrond is een hoge concentratie van vaste stof no 0dzakelijk waardoor problemen ontstaan tijdens menging en verpomping. Schuimconditionering werkt op basis van verdringing van grondwater. Schuimconditionering is gevoelig voor wisselingen in de poriengrootte en de permeabiliteit van de te ontgraven grond. Te kleine porien kunnen een onvolledige verdringing veroorzaken waardoor niet al het water buiten de grondbrij wordt gehouden en de grondbrij te vloeibaar kan worden. Polymeergelconditionering vergt hoge concentratie polymeren als al het grondwater in de grondbrij wordt opgenomen. Conditionering met lage concentratie polymeergel vraagt nauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie van polymeren. Voor optimaal functioneren moeten de conditioneermiddelen gefujecteerd worden met een goed doordacht injectiesysteem Het schuim moet zo dicht als mogelijk is aan het boomont worden gefujecteerd, bij voorkeur op verschillende plaatsen op het graafwiel. In de werkkamer zijn injectiepunten nodig om de druk in de werkkamer op peil te houden. AIs de grondbrij lang in de werkkamer verblijft moeten ook injectiepunten in de schroefvijzel worden geplaatst om te voorkomen dat het schuim onstabiel wordt.. Zevenhuizen Met de resultaten kan worden aangegeven waarom de lIDS conditionering in Zevenhuizen slecht heeft gewerkt. De gebruikte lIDS is niet in staat grondwater te verdringen. AI het aanwezige grondwater word in de grondbrij opgenomen. De concentratie van waterbindend materiaal is te laag gebleken om het aanwezige water te binden. Hierdoor onstaat een te vloeibare grondbrij. Conditionering met lIDS, totdat de grondbrij plastisch vervormt, kan door middel van concentratie verhoging van de vaste stof in de lIDS. Dit vereist aanpassing van de mengen pompinstallatie van de lIDS.

113


114

Hoofdstuk 7

HOOFDSTUK

7

Conclusies

CONCLUSIES

In het gronddrukbalansschild wordt het boomont ondersteund door de afgegraven grond. Het graafjJfoces wordt gestuurd door een evenwicht te beheersen tussen ge1everde steundruk via de hydraulische vijzels en de aNoer via de schroefVijzel. Ontgraving en ondersteuning befuvloeden elkaar sterk en kunnen niet afzonderlijk worden gestuurd, wat een nadeel is van dit systeem In het vloeistofschild wordt de steundruk door een vloeistof geleverd. In dit schild zijn ontgraving en overbrenging van steundruk wel afzonderlijk te sturen. Het gronddrukbalansschild heeft ter compensatie van het bovengenoemde nadee~ voorde1en ten opzichte van het vloeistofschild. Bij een gronddrukbalansschild hoeft geen scheidingsinstallatie gebruikt te worden en zijn de af te voeren hoeveelheden materiaal kleiner. Het schild kan op kleinere diepte worden ingezet en de volumebalans tussen voortgang en afgraving kan beter worden gecontroleerd. De grond die wordt ontgraven door een gronddrukbalansschild moet aan een aantal eisen voldoen om goed te kunnen functioneren als ondersteuningsmedium De grond moet laag permeabe~ elastisch, plastisch vervormbaar, samendrukbaar en niet abrasief zijn. Kleiige grond voldoet als ondersteuningsmedium, zandgrond niet. Gronddrukbalansschilden kunnen alleen zandgrond ontgraven als de eigenschappen van het zand zodanig kunnen worden veranderd dat deze voldoen aan de eisen van een ondersteuningsmedium Zandgrond moet worden geconditioneerd zodanig dat de permeabiliteit afueemt, de vervormbaarheid verbeterd en de samendrukbaarheid en elasticiteit worden verhoogd. Zandgrond wordt in de praktijk geconditioneerd met hoge dichtheid suspensies, schuim en/ofpolymeergel. Door toevoeging van hoge dichtheid suspensies (lIDS), schuim ofpolymeergel wordt de permeabiliteit van zand afdoende verlaagd. De vervormbaarheid of consistentie van de grondbrij is maatgevend. Conditionering met lIDS werkt op basis van waterbinding. lIDS penetreert niet in de formatie als gevolg van de hoge zwichtspanning. Grondwater wordt niet door dit conditioneermiddel verdrongen en wordt opgenomen in het ondersteuningsmedium De zwellende kleimineralen in de lIDS moeten het water binden zodat de permeabiliteit afueemt en de grondbrij plastisch vervormt. Bij conditionering met lIDS is het belangrijk dat de concentratie van waterbindende (zwellende) kleimineralen hoog genoeg is opdat een plastische grondbrij ontstaat. Hierbij moet men rekening houden met de verpompbaarheid van het materiaal en de benodigde energie om de lIDS met de grond tot een homo gene pasta te mengen. lIDS is steeds moeilijker mengbaar en verpompbaar met oplopende concentratie aan vaste stof omdat de viscositeit en zwichtspanning toenemen. Bij te lage concentratie wordt het grondwater niet gebonden en is de resulterende grondbrij te vloeibaar. De vervormbaarheid van de lIDS geconditioneerde grondbrij is gevoelig voor variaties in het watergehalte van de oorspronkelijke grond.

115


Schuim heeft een lage zwichtspamring en penetreert diep in het zand voor het graaftont, hierbij verdringt het grondwater. In de werkkamer ontstaat een droge grondbrij die samendrukbaar is. De samendrukbaarheid die veroorzaakt wordt door de schuimbellen in de grondbrij zorgt er voor dat fluctuaties in de aangebrachte steundruk worden gedempt. Nadat de grondbrij de schroefvijzel heeft verlaten ontsnappen de luchtbellen en krijgt het zand zijn oorspronkelijke eigenschappen terug. Schuimconditionering is gevoelig voor variaties in de poriengrootte en permeabiliteit van de oorspronkelijke grond. Polymeergel met lage concentratie heeft een lage zwichtspamring en penetreert diep in de formatie. De viscositeit van de gel is echter te laag om een plastisch vervormende grondbrij te vormen. Bij hogere concentraties loopt de zwichtspamring op en dringt de gel niet in de formatie. Het grondwater wordt opgenomen in de grondbrij waardoor de polymeergel wordt verdund. De concentratie moet opnieuw verhoogd, in vergelijking met HDS is polymeergel met hoge concentratie te duur. Bij conditionering met polymeergel moet een optimum worden gevonden tussen lage zwichtspamring, voor optimale penetratie in de formatie, en hoge viscositeit van de polymeergel voor de vorming van een plastisch vervormende grondbrij. Dit vereist een nauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie van polymeren. Dit conditioneersysteem is gevoelig voor variaties in het watergehalte, poriengrootte en permeabilteit van de oorspronkelijke grond. Met behulp van conditioneermiddelen is het mogelijk zandgrond onder het fteatische vlak met een gronddrukbalansschild te ontgraven. Het gronddrukbalansschild is als gevolg van de uitbreiding van het inzetbereik in heterogene ondergrond inzetbaar. Verscheidene projecten waarbij afwisselend cohesieve en niet cohesieve grondsoorten ontgraven zijn, zijn met behulp van schuimconditionering met succes uitgevoerd.

116

Hoofdstuk 8 Aanbevelingen

HOOFDSTUK 8

AANBEVELINGEN

Nauwkeurige besturing van het gronddrukbalansschild vereist een precieze definiering van de optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium. Deze ontbreken gedeeltelijk. V0oral de eisen die aan de vervormbaarheid worden gesteld zijn slecht gedefinieerd. De kwalitatieve term consistentie die moment eel gebruikt wordt om de vervormbaarheid van grondbrij te karakteriseren voldoet niet. Vervormbaarheid van plastische materialen kan beter worden uitgedrukt in viscositeit en zwichtspanning. Voor deze parameters zijn echter geen streefwaarden voor grondbrij bekend. Deze moeten worden opgesteld door gegevens uit de praktijk te verzamelen en experimenten in het laboratorium uit te voeren. Hierbij kan de ervaring die in de betontechnologie bestaat met het bepalen van de vervormbaarheid van plastische materialen worden gebruikt. Verder onderzoek naar de conditionering van zandgrond is gewenst. Hierbij is het belangrijk om de condities in de werkkamer van het gronddrukbalansschild te simuleren. Permeabiliteit, vervormbaarheid, samendrukbaarheid en verdringing van grondwater moeten onder druk worden gemeten. Voor permeabiliteits- en penetratiemetingen zijn proefopstellingen bekend. Voor de meting van de vervormbaarheid en samendrukbaarheid moeten proefopstellingen worden ontwikkeld. Uitpersing van porienvloeistof zoals dat is opgetreden tijdens het project in Zevenhuizen moet worden gekwantificeerd. Bij conditionering van zandgrond in het gronddrukbalansschild is het belangrijk dat de oorsponkelijke grondparameters bekend zijn. Voor zandgrond moeten de wrijvingshoek, cohesie, zeefkromme, volumegewicht, porositeit, poriengrootte en permeabiliteit nauwkeurig worden bepaald. De werking van de conditioneermiddelen is gevoelig voor variaties van deze grondparameters. De eigenschappen van de grondbrij moeten voortdurend worden gecontroleerd. Fluctuaties van de grondparameters moeten op voorhand bekend zijn om het conditioneersysteem tijdig te kunnen aanpassen. Hierbij kunnen meetinstrumenten die vanuit de tunnelboormachine opereren uitkomst bieden. Nieuw te ontwikkelen conditioneerstoffen kunnen bijdragen aan betere besturing van het gronddrukbalansschild. De waterbindende stoffen in lIDS en polymeergel worden naar het graafwiel gepompt waarbij water als drager wordt gebruikt, hierdoor gaat de waterbindende capaciteit van de vaste stofverloren. Ontwikkeling van nieuwe pompsystemen ofvloeistoffen die waterbindende stoffen kunnen transporteren zonder dat hun effectiviteit verloren gaat kunnen de conditionering van grond verbeteren. Milieuvriendelijkheid en biologische afbreekbaarheid moeten het uitgangspunt zijn bij ontwikkeling van nieuwe produkten. Voordat grote diameter tunnels in Pleistoceen zand kunnen worden geboord met een gronddrukbalansschild, is het aan te raden eerst een proe:fiJIoject uit te voeren met een kleine diameter boring (of doorpersing) om het injectiesysteem te toetsen.

117


118

Referentielii st

REFERENTIELIJST * *

*

*

* *

* * *

*

* * * * * * * *

Allersma, HGB. (1990): Soil properties. Technical University Delft. Ammerlaan, P.J.M. (1994): An investigation to optimise the control of the D.K earth pressure balance machine. Memoire of the centre of engineering geology in the Netherlands, no. 118. Delft Univerity of technology. Anagnostou, G. En Kovari, K (1996): Face stability conditions with earth pressure balanced shields. Tunneling and underground space technology, Vol. ll, No.2, pp. 165-173, Elsevier Great Britain Anagnostou, G en Kovari, K (1996): Face stability in slurry an EPB-shield tunnelling. Preprints of symposium: Geotechnical aspects of underground construe tion in soft soil, London 1996,p .p379-384. Babendererde, S. (1991): Tunnelling machines in soft ground: a comparison of slurry and EPB shield systems, Tunnelling and Underground space technology, Vol.6, No.2, pp. 169-174. Babendererde, S. (1993): Vorteile der Erddruckstiitzung maschineller Vortriebe bei verwendung yon Po1ymeren, Stuva- Tagung, Innovationen im unterirdischen bauen, 1993 in Hamburg, pp. 114-119. Babendererde, S. (1995): Advanced techniques for EPB- TBM operation, Tunnels et ouvrages souterrains, no. 128, mars-avril, pp. 79-82. Bailey, S.W. (1980): Structures oflayer silicates. In Brindley, GW. and Brown, G, crystal structures of clay minerals and their X-ray diffraction (1980). Mineralogical Society, London, pp. 1-124. Becker, C. (1993): The choise between EPB- and slurry shields; selection of criteria by practical examples, Options for tunnelling 1993 edited by Burger, H Elsevier Science publischers, pp. 781-794. Bisschop, F. en Mastbergen, D.R (1995): Eigenschappen boorv10eistofathankelijk van functie & Gedrag boorv10eistofbepa1end voor effectiviteit. Land en Water no. 7, pp. 35-42. Condat, (1995): Company brochures. Deketh, HJ.R (1995): Wear of rock cutting tools, laboratory experiments on the abrasivity of rock. Balkema A.A., Rotterdam, pp.144. Goodman, RE. (1989): Introduction to rock mechanics, second edition. Wiley and sons, New York, pp.562. Gray, RG. (1980): Composition and properties of oil well drilling fluids, 4th edition. Gulfpublishing company, pp.630. Heerema, RH (1989): Inleiding Flotatie en Floculatie, Technische Universiteit Delft, mp3200. Herrenknecht, M. (1995): Einsatz yon Schaum bei einem Erddruckschild in Valencia. Tunnel, no. 5, 1995, pp.1O-19. IPO (1994): Werken met secundaire grondstoffen, Interprovinciaa1 Over1eg. Jancsecz (1994): Face support of a large mix shield in heterogenous ground conditions. Tunnelling '94 London, pp.531-550. 119

Grondconditionering

*

*

* * * * *

* * *

* * * *

*

*

* *

in het EPB-schild

Janssen L.P.B.M. en Warmoeskerken, M.M.C.G. (1991): Transport phenomena data companion. Delftse Uitgevers Maatschapij. Kanayasu, S. Yamamoto, Y. en Kitahara, Y. (1995): Stability of excavation face in earth pressure balanced shield. Underground construction in soft ground, Fujita en Kusakabe (eds), Balkema, Rotterdam 1995, pp.265-268. Kawaeda, M. (1992): The control of tunnel face with compressive minute foam and high density slurry. Towards New Worlds in Tunnelling, Vieitez-Utesa & Montafiez-Cartaxo ed., Balkema Rotterdam, pp.533-540. Kootstra,1. en Verwaal, W. (1988): Site Investigation field manual. Technische Universiteit Delft en lTC-Delft. Krause, T. (1987): Schildvortrieb mit fliissigkeits- und erdgestiitzter Orstbrust. Dissertation Technische Universitat Braunschweig. Kunii, H. (1992): Bubble shield tunnelling method on Nagoya subway line 6, Japanese railway engineering no. 121, October 1992, pp.10-12. Kuribashi, Y, (1993): The PMF super shield tunnelling process, expanding applications for earth pressure balance shield tunnelling. Options for Tunnelling, developments in geotechnical engineering, edited by Burger, H. 1993, Elsevier Science publishers, ppAl1-420. Lamberti, spa. (1995): Drilling fluids for shield tunnelling, earthpressure balance shield and hydro shield. Technical information, Lamberti spa, a1bizzate, Italie. Maid!, B. und Herrenknecht, M. (1995): Maschineller Tunne1bau im Schildvortrieb. Ernst & Sohn Verlag GmbH Berlin. Maid!, U. (1995): Erweiterung der Einsatzbereiche der Erddruckschilde durch Bodenkonditionierung mit Schaum. Dissertation, Ruhr Universitat Bochum, Mitteilung 95-4. Maid!, U. (1995b): Einsatz von Schaum bei einem Erddruckschild in Valencia. Tunnel, no.5 1995, pp.10-19. Mastenberg, D.R. en Bisschop, F. (1995): Eigenschappen boorv10eistof afhankelijk van functie en Gedrag boorvloeistofbepaald door effectiviteit, BTL-onderzoek. Land en Water, nr. 7/8 (1995). Mcdermott, 1. (1973): Drilling mud and fluid additives. Noyes data corporation, Parkridge, New Jersey 1973. Mizuno, K. (1993): Large cross section tunnel excavation by foam injection EPBshield. Options for Tunnelling, developments in geotechnical engineering, edited by Burger, H. 1993, Elsevier Science publishers, ppAOl-41O. Mori, A. (1995): A study on face stability during slurry-type shield tunnelling. Underground construction in soft ground Fujita & Kusakabe (eds), Balkema Rotterdam, pp.261264. Nishitake, S. (1990): Advanced Technology realize high-performance earth pressure balanced shield. Kongress Franchissement souterrains pour l'Europe, Litle 1990, Balkema Rotterdam, pp.291-302. Obayashi corporation (1993): The rheological foam shield tunnelling association, (1993), Rheological foam shield tunnelling method, company brochure. OJphen, H. (1963): An introduction to clay colloid chemistry. John Wiley & Sons, 120

Referentielii st

*

* * * * * * * * *

* * * * *

*

*

* * * *

New York, pp.301. Permien, T. (1995): Kolloidchemische Aspekte zur Bodenmechanik. MulllIDd Abfall, no.5, pp. 333-337. Peron, IY. (1994): Construction of the 'Passante Ferroviario'link in Milan, Italy, lots 3P, 5P and 6P: excavation by large earth pressure balanced shield with chemical foam injection. TlIDllelling1994, Chapman and Hall, pp. 678-707. Porter, M.R (1991). Handbook of Surfact ants. B1ackie, London, pp.227. Potyondy, IG. (1961): Skinfiiction between various soils Reynders, II (1985): Kleimineralogie, determinatie technieken. Instituut van aardwetenschappen, Rijks Universiteit Utrecht. RippllIDd Krautschum, H (1987): Isoschaum beim Rohrvortrieb im Festgestein. TlIDllelno. 3, pp. 137-139. Rooij, de C. (1996): Soft soil tunnelling projects in Kyoto, Engineerging Geology Japan study tour 1995, Mooiman, O. en Deketh, IR ed., Balkerna Rotterdam, pp.35-39. Tarnai, T. and Chiba, Y. (1995): The soil plasticizing shield driving methode using a super absorbent polymer, pp. 431-438. Sandwijk, A (1991): Mijnbouwchemie II, Technische Universiteit Delft, mp2200. Schalkwijk, IC. en Woldringh, RF. (1993): Boren van tunnels voor rail- en wegverbindingen, eindrapportage. DHV in opdracht van KIVI afdeling voor tunnel techniek en ondergronds bouwen, pp.223. Shaw, ID. (1980): Introduction to Colloid and Surface chemistry 3th edition. Butterworths London, pp.272. Sika, (1995): Company brochures. Steiner, W. (1996): Criteria for selecting mechanised tunnelling in soft grolIDd.North America TlIDllelling1996, Ozdemir ed., Balkerna Rotterdam, pp.483-491. Souwerbren, C. (1995): Betontechnologie. Elsevier Scientific publishers, pp.235 Tol, van AF. (1996): FlIDdering en constructie. Technische Universiteit Delft, sectie geotechniek, faculteit civile techniek, Delft. Verhoef: P.N.W. (1992): The methylene blue absorption test applied to geornateri also Technische Universiteit Delft, sectie ingenieurs geologie, faculteit mijnbouwklIDde en petroleumwinning, Delft. Delft University press. Wallevik, O.H en G01V,O.E. (1990): Development of a coaxial cylinders viscometer for ftesh concrete, pp.212-224. Properties offteshconcrete, Wierig HI (eds), Chapman and Hall London. Wallis, S. (1992): Soft grolIDd TBMs set a cracking pace in Caracas, TlIDllelsand TlIDllelling,latin american issue, summer 1992, pp.51-54. Wallis, S. (1995): Foaming success at Valencia, World tunnelling, october 1995, pp.311-3l6. Wilson (1989): Foams: physics, chemistry and structure. Springer Verlag, Berlin Woude, van der, S. (1996) Conditionering van zandgrond voor uitbreiding van de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild, deel 1. Rapport ill. 403 (I), sectie geotechniek, faculteit Civile Techniek, Technische Universiteit Delft, p 130.

121

Grondconditionering

in het EPB-schild

122

CONDITIONERING VAN ZAND- GROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN HET GRONDDRUKBALANSSCHILD S. van der Woude 03

Recommend Documents