Bouwwerkbescherming
Actieve zettingscompensatie met het Soilfrac ®- procédé (compensation-grouting)
tijdens de tunnelbouw onder het Centraal Station in Antwerpen
Brochure 61- 29 NL
Scope
En résumé
It is planned to further develop the railway sections Brussels – Antwerp– Amsterdam, which requires further development of the railway station in Antwerp in order to allow regular and high-speed trains to pass the station. For this purpose the historical terminus station has to be under-tunnelled. In order to avoid possible damage due to settlement, the Soilfrac method is applied for permanent settlement balancing during the tunnel construction phases. It is therefore possible that, – after pre-stabilization and sufficient pre-stressing of the soil – stabilizing and lifting of certain structures can be controlled whilst constructing the tunnel.
Dans le cadre de la transformation de la ligne de chemin de fer Bruxelles – Anvers – Amsterdam, une adaptation de la gare d’Anvers pour le passage de trains à grande vitesse était nécessaire. On a donc réalisé un tunnel sous la gare terminus d’époque. Afin de diminuer l’effet des tassements pendant la phase d’exécution de la galerie, on a utilisé le procédé Soilfrac pour la compensation simultanée des tassements.On s’est assuré que, après les travaux préliminaires, et un précontrainte suffisante du terrain, les soulèvements contrôlés de l’ouvrage pourraient ultérieurement être réalisés sans dommage.
Een bijzonder project…
Projectomschrijving
Geplande uitbreiding station Antwerpen
Sinds 1999 worden er onder het Centraal Station in Antwerpen tunnelbouw- en beschermingswerkzaamheden verricht. Het bijna 70 meter hoge stationscomplex werd in de jaren 1899 –1905 als kopstation gebouwd. De Belgische spoorwegmaatschappij NMBS is momenteel bezig met de aanleg van een hogesnelheidslijn van Brussel via Antwerpen naar Amsterdam. Door de bouw van een tunnel onder het station kunnen met name de hogesnelheidstreinen maar ook andere treinen hier voortaan doorrijden. De tunnel wordt gebouwd volgens de beproefde „Belgische methode”. Dit betekent dat er vanuit de buitenste buizen van het aangebrachte buizendak met de hand ca. 15 meter diepe beschoeide sleuven zijn uitgegraven. Hiertoe werd de grondwaterstand ca. 15 meter verlaagd. Vervolgens vond de verdere uitgraving van de tunnel plaats en werd het definitieve tunneldak aangebracht. Tekening: Eurostation, Brussel
Taakstelling Uit zettingsberekeningen en opgedane ervaringen bleek dat de totale zetting voor alle bouwfasen 60 tot 120 mm zou bedragen. Vervormingen in deze orde van grootte met grote hoekverdraaiingen hebben aanzienlijke schade aan het betreffende bouwwerk tot gevolg. De zwaarbelaste fundamenten in de buurt van de torenkolommen met een funderingsdruk >800 kN/m2 maakten het uitwerken van een technisch verantwoord bewakings- en beschermingsconcept nog extra moeilijk. Om schade door vervormingen te voorkomen, werd het Soilfrac ® -procédé toegepast, zodat zettingen tijdens de verschillende fasen continu gecompenseerd konden worden. Daardoor werd gewaarborgd dat het stationsgebouw tijdens de tunnelbouw gericht opgeheven kon worden. De maximaal toelaatbare en dus niet-kritische zettingen werden begrensd tot 5 mm bij een hoekverdraaiing van 1:2000.
Doorsnede station en bouwfasen
fundamenten
1 bronnen voor verlaging van grondwater 2 Soilfrac ® - boringen en -injecties
bestaande tunnel
A B
C D E F
2 3
G H
nieuwe tunnel
3 buizendak (Ø 2,5–3,0 m) 4 beschoeide sleuven 5 uitgraving
1
4 5 6 7 4
1
zand (Antwerpiaan) Boomse klei
6 tunneldak 7 tunnelvloer
Het Soilfrac ® - procédé…
Uitvoering van de Soifrac ® - boringen
De maximaal 45 meter lange, horizontale Soilfrac ®-boringen werden vooraf vanuit werkschachten uitgevoerd.
Fundamentzone en situering van de Soilfrac ®-boringen
waterbalanspunt 465 waterbalanspunt 230 kettinginclinometer 2
persput
De boor- en injectiewerkzaamheden werden uitgevoerd in een vastgepakt zandpakket dat zich uitstrekt tot 20 meter diepte. Hieronder volgt de „Boomse klei“.
ontvangstput
Boorwerkzaamheden
Vanwege de vele ondergrondSoilfrac ® -boringen (TAM's) se obstakels, zoals fundamenten, houten damwanden en buizendak bemalingsbronnen, waarvan de beschoeide sleuven exacte locatie niet altijd bekend was, moest de boornauwkeurigheid in alle richtin- Isohypsen na voorinjectie gen <1% bedragen. -0.4
schaal: 0
0.1
-0.1 202
-0.7
203
201
0.0 2.0
2.00
0.9
1.00
205
1.00
1.6
0 1.0
206
1.2
210
211
468
2.2
482
483
1.9
484
1.5
485
5mm
2.00
1.0 487
0.5
0.0
0
-0.7 236
3mm
-0.9 0 -1.0
1mm -2.0
–1mm
237
0
00 3.
5.0 0 5.0 0
2.0
225
-1.00
5.1 4.0 220 0 3.0 0 1.2 2.00 226 1.7 1.0 0 -0.5 222 0.0 221 -1.00 0
-2.00
-2.4
0
0.00
-0.4 235
-2.00
-3.0
-2.7
-3.4
-2.8
233
232
-3.0
227
0.00
-2.0 0
0
347
1.00
0.3
00 1. 0.9
-1.00
231
234
0
354
0.0
1.4
348
0 2.
0.4 489 1.0 0 -0.1 490
346
345
1.5
4.4
4.00
479 477 3.00 478
1.7
1.5
219
0 -3.0
0
238
6.7
476
0.6 0 1.0
486
224
4.3 4.4
475
481
488
473
3.4 3.7
1.1
4.8
0
3.0 0
469
1.7
2.0
474
2.4
4.0
0 2.0
467
3.00
2.6
4.3 5.4 3.7
341
342
1.00
4.00
466
471
472
464
4.4 217
0 5.0
2.3
Buiten de injectiezone ontstonden er door het dalen van de grondwaterstand zettingen van maximaal 3 mm.
3.003.7
2.1 2.4
2.9
470
00 2.
1.6
00 1.
456
3.1 2.9
463
1.0
0.8
344
0
461
465
214 340
0.4
4.0
3.6
1.0
457
1.4
213
1.4
0
460
212
1.1
223
3.0
2.9
2.8
216
455
458
3.1
208
1.00
1.1
1.0 0
1.7
2.7
ontvangstput
2.5
0 2.0
0
207
3.00
3.3
459
215
1.5
2.00
2.5
2.0
1.9
persput
De voorinjectie werd in een aantal fasen uitgevoerd en na een contactheffing van 2 tot 5 mm beëindigd. In totaal vonden er in dit stadium enkele duizenden injecties plaats.
15 20 m
339
1.00
Na het aanbrengen van de injectielanzen werd er begonnen met de stabilisatie en voorinjectie van de fundament zone.
10
0.0
209
0.00
Voorinjecties
5
0.1
352
0.00
350
-1.1
0.1 228
351
-0.6 229
00 -1.
-2.00
-3.2 230
–3mm
0
5
10
15
20m
Soilfrac ® - principe
Frac
eerste injectie
meervoudige injectie
Het Soilfrac®-procédé wordt door Keller Grundbau al enkele tientallen jaren onder andere met succes toegepast om de zettingen die zich bij tunnelbouwwerkzaamheden voordoen, te minimaliseren en verzakkingen van gebouwen ongedaan te maken. Bij dit procédé worden er via eerder aangebrachte injectielanzen (TAM’s) packers in de bodem gebracht, waarna het vooraf bepaalde injectievolume via de afzonderlijke injectieopeningen wordt ingespoten. Hierdoor ontstaan scheuren (fracs) in het grondmassief. Dit proces wordt in een aantal opeenvolgende fasen herhaald, zodat optredende zettingen na voltooiing van de voorinjectie en opspanning van de bodem op ieder gewenst moment gericht opgeheven kunnen worden.
Meting en bewaking…
Installatie van een scheurmeter
Meetsystemen
De gebruikte meetsystemen waren de volgende:
Om de hoogteveranderingen en vervormingen te kunnen bewaken, werden er voor aanvang van de werkzaamheden acht verschillende meetsystemen geïnstalleerd. Deze meetsystemen werden uitgerust met uiterst gevoelige sensoren. De meetgegevens werden tijdens de bouwactiviteiten computergestuurd geregistreerd, bewaakt en geanalyseerd.
punten
hoogtemeting: • druk en temperatuursensoren waterbalans • extensometer • meetpunten nauwkeurigheidswaterpassing
93 18 114
verschuivingsmeting: • automatische en optisch leesbare scheurmeter
67
hellingsmeting: • automatische verticale kettinginclinometer • automatische horizontale kettinginclinometer
68 120
total aantal meetpunten
Druksensor waterbalans
480
Hoogteverloop van een aantal geselecteerde meetpunten (waterbalanssysteem)
Ondanks de buitengewoon moeilijke omstandigheden bedroeg de nauwkeurigheid van het waterbalanssysteem bij permanent gebruik <0,3 mm.
voorbereidende boren/aanbrengen werkzaamheden injectielanzen
voorinjectie
buisdoorpersing en heffingsinjectie buis C buis H
buis A
meetpunt 230
buis E
buis B
meetpunt 465 5,0
buis D
6,0
heffingsinjectie
4,0 hoogte (relatief) in mm
Voor het bewaken van de hoogteveranderingen werd er gebruik gemaakt van een automatisch waterbalanssysteem. Bij dit systeem worden niveauveranderingen niet geregistreerd met verplaatsingssensoren, maar met uiterst nauwkeurige druksensoren (systeem GeTec).
3,0 2,0 1,0 0,0
-1,0 verlaging grondwaterstand
-2,0
verlaging grondwater met vacuümpompen
-3,0
druksensoren in het gebouw
-4,0 28.08. 17.09. 07.10. 27.10. 16.11. 06.12. 26.12. 15.01. 04.02. 24.02. 15.03. 04.04. 24.04. 14.05. 03.06. 1999 2000
Horizontale verschuiving
24-11-1999 Soilfrac®-boringen 09-12-1999 09-02-2000
Installatie van een verticale kettinginclinometer
23-02-2000 24-02-2000
–2,0
Soilfrac ® boringen
–4,0 –6,0 –8,0
–10,0 –12,0 –14,0 –16,0
diepte 0 tot 35 m
Ter controle van de zijdelingse van kettinginclinometer 2 tunnelvervormingen werden er verticale kettinginclinometers gebruikt. Deze werden aangebracht tot op een diepte van 35 meter met een sensorafstand van 2 meter.
–18,0
–20,0 –22,0 –24,0 –26,0 –28,0
–30,0 –32,0 –34,0
–5,0
–4,0
–3,0
–2,0
–1,0
0,0
relatieve verschuiving [mm]
1,0
2,0
3,0
Buisdoorpersing en actieve zettingscompensatie…
Na het voorinjecteren konden de acht buizen met een diameter van 2,5 tot 3,0 m zonder problemen worden doorgeperst. De maximale zetting bedroeg hierbij 4,0 mm. Na iedere doorpersing werd de bodem geïnjecteerd. Zo werden de ontspannen zones onmiddellijk gestabiliseerd en de fundamenten weer op hun oorspronkelijke hoogte gebracht. Vergelijkende metingen tussen waterbalans- en nauwkeurigheidswaterpassingspunten bevestigden de zettingen en heffingen. Maar demonstreren ook de hogere meetfrequentie en grotere nauwkeurigheid van het waterbalanssysteem.
Vergelijkende hoogtemetingen tussen waterbalanssysteem en nauwkeurigheidswaterpassing 4,5 absolute vervorming [mm]
Buisdoorpersing en heffingsinjecties
waterpassingspunten
48
waterbalanspunt
457
63
62
3,5 2,5 1,5 0,5 0 -0,5 -1,5 20.05.
09.07.
28.08.
06.12.
17.10.
25.01.
1999
15.03.
2000
Isohypsen ten gevolge van een buisdoorpersing (buis E) -0.90
-0.50
201
202
-0.40
203
0.00
doorpersing (tijdruim week 14)
0.10
209
339
buisdoorpersing E
0.0
456
-1.90
-2.30 -2.30
470
464
471
20
-4.00-4.10 476
482
-1.20
-1.20
-2.80 -2.90
-1.90 -1.50
0
479
484
481
-1.20
-1.00
485
-1.30 -0.80 489
490
220
-1.20
-0.80
-0.70
352
-0.90
-0.70 227
-0.60
-0.30
228
229
15
231
-0.60
-0.70
233
232
Principe van de bewaking van de metingen meetsystemen
zettingsmetingen
projectleiding Keller
bewaking op afstand
registratie analyse / interpretatie
Modem Modem
email
SMS
Keller intranet
PC bouwplaats
Londen
opdrachtgever Brussel
– 2. 20 mm
351
– 3. 20 mm
-0.40
beschoeide sleuven
230
20 m
verschuivingsmetingen
– 1. 20 mm
-0.70
234
238
10
0.10
0.10
221
-0.20
222
-0.60
schaal:
– 0 . 20 mm
350
-0.20
226
-0.70
237
0 mm
.20
235
0.00
0.00 354
-0
236
347
isohypsen
-0.20 -0.90
-0.60
-0.90
486
346
-0.60
348
225
-0.80
487
-0.80
5
-0.60
-0.70
488
-0.60
0
.20 -2
478
-1.20
-0.70
-2.2
477
20
475
468
-0.40 345
219
-1.
-1.60
469 483
224
-1.30
474
-2.20
341
342
-0.50
473
doorpersing gepland
0.00
-0.10
-1.00
.2 0
doorpersing voltooid
-0.20
20
-3.2 0
467
-3.50 -3.60
-2.
-1.50
472
-1
-2.
344
-0.20
217
-1.20
-1.30
-1.90
214
0.20
-0.70
-1.20
465
466
0.20
ontvangstput
457
0 -1.2
463 -1.30
-1.20
0.20 213
340
.2 0
persput
A B C D E F G H
212
-0.60 223
-0
-1.00
0.20
216
455
-1.00 461
(74,7 m)
211
-0.50
215
208
-0.80
458
460
-0.30
-0.70
207
-0.60
-0.90
.20 -0
-0.60
459
0.00
210
206
205
-0.70
-0.20
-0.50
-0.70
Na het doorpersen van de buizen A en H werd er begonnen met het „handmatig“ uitgraven van de bijna 15 meter diepe beschoeide sleuven, in lamellen van ca. 3,5 m. Alle meetsystemen werden tijdens de injectieen graafwerkzaamheden online bewaakt, zodat er op ieder gewenst moment gerichte compensatieinjecties uitgevoerd konden worden. In aanvulling hierop werden kritische meetwaarden als SMS-bericht per mobiele telefoon doorgegeven, waardoor de situatie permanent bewaakt werd en er zo nodig snel ingegrepen kon worden.
Adviesbureau Seco, Aarlenstraat 53 · B-1040 Brussel
Principaal NMBS (Belgische spoorwegen), Koningin Astridplein 27 · B-2018 Antwerpen
Werkzaamheden • boringen • injecties
Opdrachtgever TV A.C.S. Tunnel (CEI Construct · MBG · Jan De Nul · Votquenne · Smet Tunnelling), Excelsiorlaan 16 · B -1930 Zaventem
ca. 3.500 m ca. 530 m3
Uitvoering augustus 1999 tot ca. april 2001
Ingenieursbureau Eurostation, Brogniezstraat 54 · B-1070 Brussel
Zettingen / heffingen
24 mm
onderkant fundamenten
4 mm
zetting [mm]
20 15 10 5 0 5 10 15 20
heffing [mm]
12,00 m
NN +4 m
20 mm
boringen
Soilfrac®zone
NN +0,9 m
bovenkant buis
totale heffing eindsituatie (absoluut) na heffingsinjectie
NN -1,3 m
Tijdens het doorpersen van de verschillende buizen en het maken van de beschoeide sleuven werd door middel van een groot aantal injecties een totale zettingscompensatie van maximaal 24 mm gerealiseerd. Toen deze bouwfase was voltooid en er geen nazettingen meer optraden, resulteerde een overcompensatie van ongeveer 4 mm ten opzichte van het uitgangsniveau. Kritische vervormingen hebben zich op geen enkel moment voorgedaan.
doorpersing boringen
d= 2,96 m
verwachte zetting zonder Soilfrac®
fracs
Visualisatie van de injecties
liter / m²
totaal geïnjecteerde hoeveelheid
ontv pers
Op grond van de ervaringen bij het aanbrengen van het buizendak werd een totale zetting van 20 mm verwacht. De toepassing van het Soilfrac ®-procédé had tot doel de zettingen zo snel mogelijk te compenseren om overschrijding van de grenswaarden te voorkomen.
angs
tput
put e nieuw el tunn
fundamenten
Tot het moment waarop de beschreven activiteiten werden afgerond, werd er in totaal enkele duizenden keren geïnjecteerd. Alle injectiegegevens werden opgeslagen op gegevensdragers en regelmatig geanalyseerd. De verdeling van de voor de zettingscompensatie vereiste injectiehoeveelheden toont duidelijke lokale verschillen. In de omgeving van de zwaarbelaste hoofdfundamenten moesten er veel grotere hoeveelheden worden geïnjecteerd dan elders. Dankzij de hoge kwaliteit en het secuur schoonmaken van de injectielanzen kon er overal een groot aantal malen worden geïnjecteerd. Enkele openingen zijn inmiddels 50 tot 60 maal gebruikt. Door de toepassing van het Soilfrac ® - procédé en het gebruik van grootschalige bewakingssystemen is het gelukt de tunnelwerzaamheden zonder problemen en zonder schade aan het bouwwerk uit te voeren.
Keller Grundbau GmbH
Uitvoerende vestiging
hoofkantoor en divisie buitenland
Bereich West
Kaiserleistr. 44 · D-63067 Offenbach
Mausegatt 45– 47 · D-44866 Bochum tel. +49- (0) 23 27- 804 0 · fax +49- (0) 23 27 - 804 31
tel. +49- (0) 69 - 80 51 0 · fax +49- (0) 69 - 80 51 2 44 Internet www. KellerGrundbau.com
Nederlandse vestiging
Keller Funderingstechnieken B.V. Foto’s: Volker E. Jahr, Keulen
Berljn · Bochum · Bremen · Dorfmark · Garching · Leipzig · Maintal · Renchen · Wenen
Europlaan 16 · NL-2408 BG Alphen a/d Rijn tel. +31- (0) 172 - 47 17 98 · fax +31- (0) 172 - 47 18 04
