het EPB-proces Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek concept: commissie F310 ir. J.F.W. Joustra oktober 2001

concept:

Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek Botlekspoortunnel

het ‘EPB-proces’

commissie F310

ir. J.F.W. Joustra oktober 2001

Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie (OCP) Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek Sectie Baggertechnologie en Bulktransport

ii

oktober 2001

Aanvullende data-analyse F310

TU Delft, Sectie Baggertechnologie


iii

Titel en subtitel:

Schrijver:

Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek Botlekspoortunnel - het ‘EPB-proces’

ir. J.F.W. Joustra

Datum rapport:

Type rapport:

oktober 2001

werkdocument

Rapportnummer opdrachtnemer:

COB-document nummer:

2001.BT.5566

F300-W-035

Projectleider(s) opdrachtnemer:

Projectbegeleider opdrachtgever:

prof.ir. W.J. Vlasblom

ir. B.J.H. Grote

Projectbegeleider opdrachtnemer: --Naam en adres opdrachtnemer:

Naam en adres opdrachtgever:

TU Delft, faculteit OCP, Sectie Baggertechnologie en Bulktransport Mekelweg 2 2628 CD Delft

Centrum Ondergronds Bouwen Postbus 420 2800 AK Gouda

Opmerkingen: geen Samenvatting rapport: Dit rapport behandeld een aantal aspecten van het EPB-proces zoals dat is onderzocht tijdens het praktijkonderzoek Botlekspoortunnel. Het betreft een aanvulling op de reguliere evaluatierapporten, met als kenmerken dat de gehele tunnel is beschouwd en niet is uitgegaan van de predicties. De samenstelling van de monsters, die op verschillende locaties langs het alignement direct uit het midden van de graafkamer zijn genomen, is geanalyseerd. Daaruit bleek dat de grondbrij, bestaande uit korrels, water en lucht, zich in een gesuspendeerde toestand bevond. De samenstelling ervan was onafhankelijk van de hoeveelheid geïnjecteerd schuim. Van de totale hoeveelheid schuim die werd geïnjecteerd verdween een (groot) deel in de grond rond de tunnel. Er was sprake van enige verdringing van grondwater, maar geen totale verdringing. De dichtheid van de grondbrij in de graafkamer blijkt nauwelijks te schatten aan de hand van de drukmetingen. Verder zijn de besturing en de drukmetingen in de schroeftransporteur, de poriëndrukmetingen in de graafkamer en het aandrijfmoment van het graafwiel beschouwd. Ook uit de poriëndrukmetingen bleek dat de grondbrij in de graafkamer zich gedraagt als een suspensie. Ten slotte zijn de resultaten van een aantal berekeningen over het gehele tunnelalignement opgenomen Het totaalbeeld van het EPB-proces dat is voortgekomen uit deze analyse is dat van een grillig verloop en een slechte waarneembaarheid van het proces. Relationele rapporten: K300-W-005; K300-W-012 Trefwoorden: Botlekspoortunnel, EPB-schild, schuim, schroeftransporteur

Verspreiding: COB-commissie F310

Classificatie:

Classificatie deze pagina:

Aantal blz.:

Intern COB-rapport

nee

66

Versie:

Datum:

Namens opdrachtnemer:

Paraaf:

0.1

oktober 2001 prof.ir. W.J. Vlasblom


Prijs:

Namens opdrachtgever:

Paraaf:

ir. B.J.H. Grote

oktober 2001

iv


Title and subtitle:

Author:

Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek Botlekspoortunnel - het ‘EPB-proces’

ir. J.F.W. Joustra

Date report:

Type rapport:

October 2001

work document

Report number contractor:

COB-report number:

2001.BT.5566

F300-W-035

Project manager(s) contractor:

Project attendant principal:


ir. B.J.H. Grote

Project attendant contractor: --Name and address contractor:

Name and address principal:

TU Delft, faculteit OCP, Sectie Baggertechnologie en Bulktransport Mekelweg 2 2628 CD Delft

Centrum Ondergronds Bouwen Postbus 420 2800 AK Gouda

Remarks: none Report summary: This report covers a number of aspects of the EPB excavation process which has been investigated during the excavation of the Botlek rail tunnel. This is an additional report to the regular research report and as such is being characterised by the fact that the whole tunnel alignment has been covered and that no predictions have been used. The a number of samples taken directly from the excavation chamber have been analysed. It was found that the mixture of grains, water and air inside the excavation chamber was in a suspended state. Its composition appeared to be no relation with the amount of foam injected. Of the total volume of foam, a significant portion was lost in the soil around the tunnel. A part of the original groundwater was displaced by the foam, but by no means all of it. The density of the mixture inside the excavation chamber could not be determined using the gradient derived from pressure measurements. In addition, the operation and pressure reduction inside the screw conveyor, the pore pressure measurements inside the excavation chamber and the torque of the excavation wheel have been investigated. The pore pressures too indicated that the mixture of conditioned soil in de excavation chamber behaved like a suspension. Finally, a number of calculations covering the total tunnel alignment have been reported. The total impression resulting from this analysis is that of a very variable excavation process which has a poor observability. Relational reports: K300-W-005; K300-W-012 Keywords: Botlekspoortunnel, EPB-shield, foam, screw conveyor

Distribution: COB-committee F310

Classification:

Classification this page:

Number of pages:

Internal COB-rapport

no

66

Version

Datum

On behalf of contractor

Initials

0.1

October 2001


oktober 2001

Price:

On behalf of principal

Initials

ir. B.J.H. Grote



v

Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR/COB. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te citeren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt. "Rapport K300-W-035 Deelcommissie TBM, Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek Botlekspoortunnel: het ‘EPB-proces’, oktober 2001, CUR/COB, Gouda." Aansprakelijkheid CUR/COB en diegenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en CUR/COB sluit, mede ten behoeve van al diegenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens CUR/COB en/of diegenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.


oktober 2001

vi

oktober 2001




vii

Voorwoord Dit rapport is het antwoord op de wens van de commissie F310 (COB Praktijkonderzoek Botlekspoortunnel, deelcommissie TBM) om naast het reguliere predictie/evaluatietraject nog aandacht te schenken aan een aantal extra waarnemingen en fenomenen. Het aanvullende karakter blijkt vooral uit de pragmatische aanpak van de analyse waarmee bedoeld wordt dat de metingen zelf het uitgangspunt zijn geweest, en er niet is uitgegaan van predicties. Daarnaast is de analyse niet beperkt gebleven tot de van te voren gedefinieerde meetgebieden maar is gekeken naar alle tijdens het boren van de Botlekspoortunnel verzamelde metingen. De resultaten passen echter goed de doelstelling van de commissie en F310 en sluiten goed aan bij de overige evaluaties. Door de zeer grote variatie in het boorproces moest bij deze aanvullende analyse steeds een optimum gezocht worden tussen de grillige algemeenheid van berekeningen over het gehele alignement en de betrekkelijke willekeur van het onderzoeken van een enkele ‘ring’ van de tunnel. Daarom is veel gewerkt met momentane meetdata als voorbeelden overzichten van ‘ringgegevens’ over het gehele alignement om een totaalbeeld te schetsen (zie ook de bijlagen). Achter de gekozen voorbeelden van momentane metingen gaan echter meerdere vergelijkbare analyses schuil.


oktober 2001

viii


De samenstelling van de commissies die dit rapport hebben voorbereid was: K300 Uitvoeringscommissie

ir. F. de Boer ir. C. Blom ir. E.P. van Jaarsveld ir. N.M. Naaktgeboren ir. P.C. van Staalduinen ir. J.G.S. Pennekamp ir. P. Jovanovic ir. E.A.H. Teunissen drs. W. van Schelt ir. B.J.H. Grote ir. B. Bruinsma ir. H. Dekker

Betuweroute Betuweroute Witteveen + Bos Rijkswaterstaat USTD WL|Delft Hydraulics HSL-Zuid TEC/Fugro Rijkswaterstaat BTC-Botlek HSL-Zuid CUR/COB

K300 Deelcommissie TBM

ir. J.G.S. Pennekamp ir. B.J.H. Grote dr.ir. A. Talmon ir. A. Bezuijen ir. B. Bruinsma ir. J.F.W. Joustra

WL|Delft Hydraulics BTC-Botlek WL|Delft Hydraulics GeoDelft HSL-Zuid Infra TU Delft (tot 01-11-2001) Noord/Zuidlijn ITM Rijkswaterstaat

ir. M.W.P. van Lange ir. A.R. Blacquiere

oktober 2001



ix

Inhoud 1

2

3

4

5

6

7

8 9

Inleiding 1.1 Achtergrond 1.2 Doelstelling 1.3 Methode van aanpak 1.4 Opbouw van dit rapport Samenstelling grondbrij 2.1 Analyse monsternames 2.2 Resultaten van schuiminjectie Drukopbouw graafkamer 3.1 Het meetsysteem en de kwaliteit van de metingen 3.2 De drukgradiënt en de gemiddelde graafkamerdruk 3.3 Schatting dichtheid grondbrij 3.4 De frontdruk 3.5 Invloed graafwiel op graafkamerdruk De schroeftransporteur 4.1 Besturing schroeftransporteur 4.2 Drukafbouw Poriëndrukmetingen graafkamer 5.1 Toetsing en correctie van de metingen 5.2 Interpretatie van de poriëndruk Graafwielaandrijving 6.1 Invloed op het aandrijfmoment 6.2 Het graafwiel als reometer Incidenten en opmerkelijke waarnemingen 7.1 Inventarisatie 7.2 Niveauverlagingen Berekeningen over het gehele tunneltracé Conclusies en aanbevelingen

1 1 2 3 4 5 6 10 19 20 23 31 32 39 42 42 44 49 49 49 53 53 55 57 57 58 63 65

Bijlagen

67


oktober 2001

x

oktober 2001




1

1

Inleiding

Dit rapport bevat de resultaten van een aanvullende analyse van meetdata die is verzameld in het kader van het COB-praktijkonderzoek Botlekspoortunnel. Deze metingen hebben betrekking op het boorproces, het onderzoeksgebied van de deelcommissie F300-TBM (ook F310 genoemd). In dit hoofdstuk worden eerst de achtergrond en inhoud van de aanvullende data-analyse beschreven (paragraaf 1.1). Vervolgens wordt een doelstelling geformuleerd (1.2), kort toegelicht welke werkwijze is gevolgd (1.3) en wordt ten slotte aangegeven wat de structuur van dit rapport is (1.4). 1.1

Achtergrond

De opdracht voor deze aanvullende data-analyse komt voort uit de behoefte van de deelcommissie om onderwerpen te bestuderen die niet (voldoende) gedekt worden door het reeds lopende onderzoek, dat gekenmerkt wordt door het toetsen van vooraf opgestelde predicties. Bij die aanpak zijn over een beperkt aantal deelprocessen in de TBM vooraf voorspellingen gedaan met behulp van rekenmodellen. Deze worden vervolgens vergeleken met de meetresultaten en worden zonodig aangepast voor toekomstig gebruik. Deze aanvullende analyse bood de mogelijkheid om waarnemingen te bestuderen die niet in de predicties werden meegenomen of zelfs niet werden voorzien. Bovendien beperkten de predicties zich noodzakelijkerwijs tot een aantal meetgebieden op het tunnelalignement. De aanvullende analyse kijkt ook naar incidenten en opmerkelijke metingen buiten deze meetgebieden en naar trends over het gehele alignement. Ten slotte is voor deze aanvullende analyse gebruikt gemaakt van andere methoden voor dataverwerking, wat tot extra analysemogelijkheden heeft geleid.

Figuur 1:

Het EPB-schild.


oktober 2001

1.2

Doelstelling

De aanvullende analyse beperkt zich tot wat kortweg het ‘EPB-proces’ genoemd kan worden, namelijk het graafproces in een tunnelboormachine volgens het EPB-principe (zie figuur 1). Deze keuze is gebaseerd op het feit dat de inzet van een EPB-machine en een aantal uitgevoerde metingen uniek zijn voor het project Botlekspoortunnel en het praktijkonderzoek F300. Daarom komen in dit rapport de alleen volgende onderwerpen aan de orde: • • • • •

monsternames uit de graafkamer en samenstelling van de grondbrij drukopbouw in de graafkamer de waterspanningsmetingen drukafbouw en -regeling door de schroeftransporteur het graafwiel en de grondconditionering

Om de analyse van de bovenstaande onderwerpen vorm te geven, is gekozen voor een onderzoeksdoelstelling in drie delen: 1. de beantwoording van een aantal onderzoeksvragen met betrekking tot de grondconditionering 2. het selecteren en nader beschouwen van een aantal onverwachte gebeurtenissen en opmerkelijke waarnemingen 3. het analyseren van gegevens berekend over het gehele alignement van de tunnel. In het vervolg van deze paragraaf worden deze onderdelen kort toegelicht. Onderzoeksvragen In het plan van aanpak zijn vijf vragen geformuleerd met betrekking tot de vorming van de grondbrij, de samenstelling en eigenschappen ervan en het gedrag van de brij in verschillende deelprocessen: A

B C D E

: gegeven de grondcondities en de stuurgrootheden, zijn er dan voorspellingen te doen over de samenstelling van de brij? wordt grondwater verdrongen door schuiminjectie en/of gaat schuim verloren in de grond rond de TBM? : kunnen de drukmetingen in de graafkamer gebruikt worden om de dichtheid te schatten? : zijn de waterspanningsmetingen te gebruiken voor uitspraken over de inhoud van de graafkamer? : wat kan door analyse van het aandrijfmoment van het graafwiel afgeleid worden over de reologische eigenschappen van de grondbrij? : bestaat er een duidelijk verband tussen de schuimvolumes (FIR) en -kwaliteit (FER), en eventuele bentonietinjecties enerzijds en het boorproces anderzijds?

Deze vragen worden in dit rapport zo goed mogelijk beantwoord. Interessante incidenten en waarnemingen Een doelstelling van deze aanvullende analyse was de mogelijkheid bieden om enkele bijzondere situaties en waarnemingen te onderzoeken die buiten de predicties en buiten de meetgebieden lagen. Daarom zijn een aantal situaties (incidenten) en een aantal opmerkelijke fenomenen met betrekking tot het graafproces in het EPB-schild beschreven en geanalyseerd. Deze analyse grijpt overigens gedeeltelijk terug op de reeds genoemde onderzoeksvragen. De belangrijkste situaties en fenomenen zijn: • • • • •

niveauverlagingen (‘Absenkungen’) voor inspectie van het graafwiel een breuk van de schroeftransporteur momenten van ‘vrijloop’ van het graafwiel (rotatie zonder voortgang) de grote drukval tussen graafkamer en het eerste deel van de schroeftransporteur asymmetrische drukverdeling in de graafkamer als gevolg van graafwielrotatie

oktober 2001



3

Berekeningen over het gehele tunneltracé De gebruikte analysetechniek (meer hierover in de volgende paragraaf) maakte het mogelijk om op basis van de momentane metingen waarden per tunnelring te bepalen, zoals gemiddelden van procesgrootheden onder specifieke omstandigheden. Het gaat daarbij om berekening die verder gaan dan de gemiddelde waarden die al voor het F300-onderzoek beschikbaar zijn. Met dit soort berekeningen is het mogelijk om metingen van het boorproces te koppelen aan het alignement daarin trends te onderzoeken en bijzondere situaties te herkennen. De uitgevoerde berekeningen hebben vooral betrekking op de aan het begin van deze paragraaf genoemde onderzoeksonderwerpen. De belangrijkste zijn: • • • •

1.3

gemiddelde graafkamerdruk tijdens voortgang schatting van de dichtheid in de graafkamer tijdens voortgang het aantal schroefrotaties per graafslag de variatie van schuimparameters en -injectievolumes over het alignement

Methode van aanpak

Omdat in de doelstelling al een groot deel van de methode van aanpak besloten ligt, wordt in deze paragraaf alleen kort aangegeven hoe de (digitale) metingen zijn verwerkt om ze geschikt te maken voor analysedoeleinden. De volgende meetgegevens zijn gebruikt: • de aan het COB beschikbaar gestelde digitaal opgeslagen momentane meetdata van het gehele project (meetbestanden) • door de toezichthouders bijgehouden dagrapporten • de monsternames uit de graafkamer en van de transportband van de schroeftransporteur • de beschikbare specificaties van de TBM en de tunnel Voor de verwerking van de digitale meetbestanden is gebruik gemaakt van het computerprogramma Matlab. De door de NS aan het COB beschikbaar gestelde (tekst-)bestanden met metingen zijn hiervoor geschikt gemaakt. Dit houdt o.a. in: • het detecteren en corrigeren van datafouten (bleek absoluut noodzakelijk) en het genereren van een uniform dataformaat • de correctie van problemen met de tijdregistratie en het op een juiste manier verwerken van uitval in de metingen • het classificeren van de metingen op basis van kwaliteit en volledigheid Dit alles resulteerde in een verzameling van 2433 aan de tunnelringen gekoppelde ‘meetbestanden’ (in totaal 5,5 GB) in tekstformaat en in een bijbehorende database voor administratieve doeleinden. Uiteindelijk bleek ca. 90% van de tunnel zonder meer bruikbaar voor de data-analyse. De verwerking met Matlab bestond uit het inlezen van elk meetbestand afzonderlijk, en vervolgens het genereren van een ‘meetblad’ met grafieken in pdf-formaat of het wegschrijven van regel met resultaten in een nieuwe tekstfile. De gebruikte methode is zeer flexibel en relatief snel gebleken. Het verwerken van de gehele dataset op één bepaald thema kost op een krachtige PC ca. 3 uur en kan volledig als batchopdracht (’s nachts of op de achtergrond) worden uitgevoerd.


oktober 2001

1.4

Opbouw van dit rapport

In deze paragraaf wordt een koppeling gemaakt tussen de doelstelling, zoals beschreven in paragraaf 1.2, en de structuur en inhoud van dit rapport. Vanwege het aanvullende karakter van dit rapport wordt informatie over het project en de TBM pas geïntroduceerd wanneer deze wordt gebruikt. Voor algemene informatie over het project Botlekspoortunnel en het F300-onderzoek wordt verwezen naar de overige onderzoeksrapporten van de commissie F310. Omdat de grondbrij een centrale rol speelt in dit rapport, worden in hoofdstuk 2 de resultaten van de monsternames geanalyseerd. Vervolgens wordt in datzelfde hoofdstuk gezocht naar een relatie tussen de samenstelling van de brij en de schuiminjectie. Hierbij komt ook vraag A uit de doelstelling aan de orde. Hoofdstuk 3 gaat in op de kwaliteit en de interpretatie van de totaaldrukmetingen op de drukwand van de graafkamer. Er wordt een schatting gemaakt van de gemiddelde graafkamerdruk en de gradiënt in de graafkamer, wat weer een schatter kan zijn voor de dichtheid van de grondbrij (vraag B). Ook de invloed van de graafwielrotatie en schuiminjectie op de drukmetingen komt aan de orde. In hoofdstuk 4 worden de drukmetingen door de mantel van de schroeftransporteur geanalyseerd met het oog op de drukafbouw in de grondbrij die daar doorheen wordt afgevoerd. Ook komt de besturing van de schroeftransporteur aan de orde. Hoofdstuk 5 gaat in op de resultaten van de poriëndrukmetingen op de drukwand die speciaal voor het F300-onderzoek zijn ontwikkeld. Hierbij komt ook vraag C aan de orde. In hoofdstuk 6 wordt de interpretatie van de aandrijfmomenten van het graafwiel beschouwd (vraag D). De inventarisatie en analyse van bijzondere situaties en waarnemingen wordt in hoofdstuk 7 gepresenteerd, voor zover deze niet betrekking hebben op de graafkamerdrukken, de schroeftransporteur en het graafwiel, want die worden behandeld in respectievelijk hoofdstukken 3, 4 en 6. Hoofdstuk 8 geeft een korte toelichting op de berekeningen van waarden over het gehele tunneltracé. De meeste resultaten daarvan zijn in de vorm van grafieken in de bijlagen ondergebracht. Wel komt in dit hoofdstuk onderzoeksvraag E aan de orde. Ten slotte wordt hoofdstuk 9 gebruikt om de conclusies en aanbeveling van deze aanvullende analyse te presenteren.

oktober 2001



2

5

Samenstelling grondbrij

Speciaal voor het praktijkonderzoek is de TBM uitgerust geweest met een monsternameapparaat waarmee op een aantal plaatsen op het alignement monsters uit de graafkamer van de TBM zijn genomen. Een foto van de tweede versie van dit apparaat is te zien in figuur 2. De locatie in de graafkamer waar de monsters zijn ‘afgetapt’ is weergegeven in figuur 3. Overigens zijn behalve uit de graafkamer ook enkele monsters van de bandtransporteur genomen.

Figuur 2:

Monstername-apparaat

In dit hoofdstuk worden de resultaten van de laboratoriumanalyse van de monsters verwerkt (paragraaf 2.1). Vervolgens wordt in paragraaf 2.2 gekeken of de samenstelling van de monsters te correleren is met de schuiminjectieparameters.

Figuur 3:

Locatie van het monstername-apparaat in de drukwand (in voortgangsrichting)


oktober 2001

2.1

Analyse monsternames

In figuur 4 is een grafische weergave te zien van de locaties van de monsternames en de meetkruizen die in het kader van F310 zijn beschouwd (MQ2, MQ4 en MQ5). Deze figuur is gegenereerd met het data-analyse systeem en is tevens een goede referentie voor de resultaten van berekeningen over het gehele tunnelalignement.

Figuur 4:

Locaties monsternames

In de figuur is goed de diepteligging en de dekking van de tunnel te zien. Om een grove indicatie te geven van de grondsamenstelling op het alignement, is deze verdeeld in tien zones waarvan de samenstelling is beschreven in tabel 1. Uiteraard moet voor een gedetailleerde weergave hiervan worden verwezen naar het geotechnisch langsprofiel. Tabel 1:

Grondcondities - een globale indeling ringnummer

zone

van

tot

I II III IV V VI VII VIII IX X

0 250 330 450 550 680 860 1010 1100 1150

250 330 450 550 680 860 1010 1100 1150 1222

globale omschrijving

diepte [m]

fijn zand / klei klei / fijn zand fijn zand (klei) / pleistoceen zand pleistoceen zand pleistoceen zand / fijn zand pleistoceen zand (fijn zand) pleistoceen zand / klei fijn zand / pleistoceen zand / basisveen klei / fijn zand grondverbetering

van

tot

6.15 15.10 17.90 21.95 22.80 23.00 21.55 17.90 15.40 13.45

15.10 17.90 21.95 22.80 23.00 21.55 17.90 15.40 13.45 10.70

De locaties van de monsternames zijn in figuur 4 aangegeven met ringnummers. Deze bestaan uit een viercijferig getal voor het ringnummer, voorafgegaan door een 1 bij de zuidbuis (groen) en een 2 bij de noordbuis (rood).

oktober 2001



7

Hetzelfde systeem van nummering is gebruikt om de monsters zelf te nummeren, waarbij nog een extra rangnummer is gebruikt achter het ringnummer indien meer dan één monster is genomen bij een bepaalde ring. Deze resultaten worden gegeven in tabel 2. Tabel 2:

Resultaten monsternames monsternr.

datum

tijd

t

w

S

n

[kg/m3]

[min] MQ2 zuid MQ4 zuid

10312 10327 10818 10819-1 10819-2 10820 11089-1 11089-2 11090-1 11090-2 11090-3 11091 20310-1 20310-2 20310-3 20310-4 20341-1 20341-2 20827-1 20827-2 20827-3 20828-1 20828-2 20828-3 21088 11089B 20376B 20472B 20594B 20611B 21089B

MQ5 zuid

MQ2 noord

extra MQ4 noord

MQ5-n band

09-08-1999 11-08-1999 28-11-1999 28-11-1999 28-11-1999 28-11-1999 18-01-2000 18-01-2000 18-01-2000 18-01-2000 18-01-2000 18-01-2000 03-08-2000 03-08-2000 03-08-2000 03-08-2000 08-08-2000 08-08-2000 18-10-2000 18-10-2000 18-10-2000 18-10-2000 18-10-2000 18-10-2000 21-11-2000 18-01-2000 14-08-2000 30-08-2000 09-09-2000 11-09-2000 21-11-2000

16:05 16:45 10:50 12:20 12:30 14:30 10:15 10:40 11:55 12:05 12:40 14:40 13:27 13:45 13:55 14:05 16:15 16:35 09:10 09:30 09:42 11:25 11:35 11:43

30 57 9 13 23 28 9 34 20 30 65 18 50 68 78 88 22 57 805 825 838 7 17 25

10:45 -----------

39 -----------

ρ

0.225 0.50 0.185 0.50 0.270 0.60 0.260 0.65 0.232 0.56 0.190 0.51 0.276 0.54 0.295 0.51 0.258 0.42 0.265 0.42 0.288 0.50 0.310 0.33 0.169 0.35 0.206 0.38 0.212 0.34 0.205 0.37 0.185 0.57 0.179 0.55 0.201 0.49 0.214 0.59 0.219 0.49 0.218 0.67 0.201 0.63 0.202 0.55 alleen lucht! 0.273 --0.189 --0.105 --0.118 --0.110 --0.298 ---

0.55 0.49 0.55 0.51 0.52 0.50 0.57 0.61 0.62 0.63 0.60 0.72 0.56 0.59 0.63 0.59 0.46 0.46 0.52 0.49 0.54 0.46 0.46 0.49

1477 1587 1530 1623 1552 1579 1438 1356 1268 1252 1357 987 1366 1322 1204 1294 1686 1679 1524 1641 1473 1729 1719 1612

-------------

-------------

In tabel 2 zijn de volgende symbolen gebruikt: t w S n ρ

: : : : :

verstreken tijd vanaf het begin van het bijbehorende meetbestand watergehalte verzadigingsgraad poriëngehalte mengseldichtheid


oktober 2001

Deze geotechnische parameters zijn afgeleid van het natte gewicht van het monster, het droge gewicht en het volume van de monsterbus (gelijk aan het volume van het monster onder graafkamercondities). Deze meetresultaten zijn ontleend aan de werkrapporten K300-W-12, deel 1 tot en met 4. Verder zijn voor de dichtheid van de vloeistof (water) 1000 kg/m3 en de korrels 2650 kg/m3 aangehouden. De berekeningsmethode zelf wordt bekend verondersteld en daarom niet weergegeven. Herhaalbaarheid van de proeven Om een indicatie te krijgen van de betrouwbaarheid van de proef zijn de resultaten van een aantal vrij kort achter elkaar uitgevoerde monsternames vergeleken. Aangenomen wordt dat de omstandigheden in de graafkamer voor elke groep monsters gelijk zijn gebleven, en de monsters daarom ook gelijk zouden moeten zijn. Uit een onderlinge analyse van de het totale gewicht van monsters uit MQ4-zuid, MQ5-zuid, MQ2-noord en MQ4-noord blijkt een maximale afwijking van ca. 8% t.o.v. het gemiddelde. Hieruit mag geconcludeerd worden dat de proef een vrij goede herhaalbaarheid heeft en de monsters representatief zullen zijn voor de situatie die zich op dat moment in de graafkamer voordoet. Watergehalte en verzadigingsgraad Het watergehalte is een aantrekkelijke grootheid met betrekking tot met schuim geconditioneerde grond omdat deze onafhankelijk is van het volume, en dus ook van de druk. Van de monsters die van de bandtransporteur zijn genomen (aangegeven in tabel 2 met een ‘B’ achter het monsternummer), kan alleen het watergehalte worden gebruikt om een indicatie van de samenstelling van de grondbrij te krijgen. Helaas zijn slechts op één plaats op het alignement zowel monsters uit de graafkamer als van de band genomen (ring 1089, zuidbuis). Daaruit blijkt dat het watergehalte op de band vrijwel gelijk is als in de graafkamer, maar deze ene meting levert veel te weinig informatie om daaraan conclusies te verbinden. De verzadigingsgraad van de grondbrij is een interessante grootheid omdat deze, net als de schuimexpansieratio FER (Foam Expansion Ratio) de verhouding tussen de vloeistof en de lucht in het mengsel weergeeft. De FER is de volume Vb van het schuim gedeeld door het volume schuimvloeistof Vb,l: FER =

Vb Vb ,l

(1)

Vaak wordt in plaats van de FER de dichtheid van het schuim ρb gebruikt om de ‘vochtigheid’ daarvan aan te geven (eenheid: kg/m3):

ρb =

ρblVb ,l Vb

=

1000 FER

(2)

Hierin is ρbl de dichtheid van de schuimvloeistof waarvan aangenomen is dat die gelijk is aan die van water, dus 1000 kg/m3. Stel dat alle grondwater verdrongen wordt en de poriënruimte volledig wordt gevuld met schuim, dan geldt voor de verzadigingsgraad Sb van deze grondbrij: Sb =

Vb ,l Vb

=

1 = FER

1 1000

ρb

(3)

Bij de Botlekspoortunnel is over het algemeen gebruik gemaakt van schuim met een FER van ca. 9 tot 12, oftewel met een dichtheid van 83 tot 110 kg/m3. Als dit vergeleken wordt met de gemeten verzadigingsgraad dan blijkt dat er zeker geen sprake is geweest van volledige verdringing van het grondwater. Hierop wordt in de volgende paragraaf teruggekomen.

oktober 2001



9

Poriëngehalte Om na te gaan of er nog sprake is van korrel-korrelcontacten in de grondbrij, is het gemeten poriëngehalte vergeleken met de poriëngehaltes bij de meest losse en de meest dichte pakking. Deze waarden zijn in het kader van het F300-onderzoek bepaald voor een aantal monsters (zie het werkrapport K300-W-12). De resultaten zijn weergegeven in tabel 3, waarin de waarden per meetkruis zijn samengevat. Tabel 3:

Poriëngehalte van het monster en bij maximale en minimale pakking, representatieve waarden per meetgebied

MQ

buis

ringnr.

n

nmin

nmax

MQ2 --MQ4

noord noord zuid noord noord zuid

20310 20341 10819 20828 21089B 11090

0.59 0.46 0.52 0.50 --0.61

0.36 0.34 0.29 0.31 0.35 0.37

0.50 0.50 0.44 0.47 0.52 0.53

MQ5

Uit tabel 3 blijkt dat de grondbrij meestal een poriëngehalte heeft dat hoger is dan de waarde bij de meest losse pakking. Bij een homogeen mengsel zijn er in de brij geen korrelcontacten en is er dus sprake van een goed vervormbare massa. Alleen bij ring 20341 (noordbuis) blijkt het gemeten poriëngehalte onder dat bij de meest losse pakking te liggen. Deze brij wordt in het meetrapport als ‘zeer moeizaam stromend’ omschreven, terwijl dat voor de overige monsters niet geldt. Dichtheid Zoals in tabel 2 weergegeven is voor elk van de monsters de dichtheid bepaald. Dit is gedaan door het natte gewicht van de monsters te delen door het volume van de monsternamebus. Daarnaast is er in de TBM een geïmproviseerde dichtheidsmeting uitgevoerd van de grond die is opgevangen bij het door laten stromen van het monstername-apparaat. Deze meting bestond uit het ter plekke wegen van een hoeveelheid grondbrij in een emmer met een bekend volume. Door deze metingen met elkaar te vergelijken wordt een indicatie verkregen van de stabiliteit van het mengsel. Uit de brij in de monsternamebus kan geen lucht ontsnappen terwijl dat uit het vrij uitgestroomde materiaal wel kan. Des te meer lucht er is ontsnapt, des te gevoeliger is de brij voor ontmenging. Om de vergelijking te kunnen maken is aangenomen dat het watergehalte in de emmer gelijk is als dat in de monsterbus, aangezien er bij beide monsters geen water bijkomt of verdwijnt. De bewerkte resultaten van deze ‘emmermetingen’ worden gegeven in tabel 4. Daarin zijn overigens de volgende symbolen gebruikt: w S n ρ ρE SE nE

: : : : : : :

watergehalte van het monster (meting monsterbus, aanname voor de emmer) verzadigingsgraad in de monsterbus poriëngehalte (monsterbus) mengseldichtheid (monsterbus) mengseldichtheid (emmer) verzadigingsgraad (emmer) poriëngehalte (emmer)


oktober 2001

Tabel 4:

Vergelijking van de monsternames met de ‘emmermonsters’ monster

MQ2 noord

extra MQ4 noord

20310-1 20310-2 20310-3 20310-4 20341-1 20341-2 20827-1 20827-2 20828-1 20828-2 20828-3

w

0.169 0.206 0.212 0.205 0.185 0.179 0.201 0.214 0.218 0.201 0.202

S

0.35 0.38 0.34 0.37 0.57 0.55 0.49 0.59 0.67 0.63 0.55

n

0.56 0.59 0.63 0.59 0.46 0.46 0.52 0.49 0.46 0.46 0.49

ρ

ρE

ρE - ρ

[kg/m3]

[kg/m3]

[kg/m3]

1366 1322 1204 1294 1686 1679 1524 1641 1729 1719 1612

1305 1366 1175 1243 1840 1822 1865 1908 1868 1855 1837

-61 44 -28 -51 154 142 340 267 138 136 225

SE

nE

0.33 0.41 0.32 0.35 0.69 0.66 0.75 0.83 0.79 0.74 0.73

0.58 0.57 0.63 0.61 0.41 0.42 0.41 0.41 0.42 0.42 0.42

Analyse van de resultaten in tabel 4 leidt tot de volgende uitspraken: • de monsters van MQ2-noord blijken bijzonder stabiel: er gaat praktisch geen lucht verloren bij het uitstromen; deze monsters worden in het meetrapport o.a. ‘mooi plastisch’ en ‘zeer schuimig’ genoemd • bij de overige monsters gaat lucht verloren want de dichtheid en verzadigingsgraad nemen significant toe; er blijft echter wel een geringe hoeveelheid lucht achter in de monsters in de emmer • zeer opvallend is het poriëngetal in de emmer dat bij alle zeven monsters dezelfde waarde blijkt te hebben; dit zou kunnen wijzen op dezelfde stabiele toestand waarin het mengsel terecht komt Om een goede analyse van de verschillen en overeenkomsten tussen deze monsters te kunnen maken, zouden ook de korrelverdeling en de instellingen van de schuiminjectie moeten worden beschouwd. In het laatste wordt door de volgende paragraaf voorzien. 2.2

Resultaten van schuiminjectie

De grondbrij is een driefasen-mengsel bestaande uit korrels water en lucht. Voor elke van deze fases afzonderlijk wordt in deze paragraaf volumebalans opgesteld op basis van de gegevens van de in-situ grond, de schuiminjectie en de resultaten van de monsternames zoals gepresenteerd in de vorige paragraaf. De volumebalans per mengselfase Bij de berekening van de volumebalans worden de volgende aannames gedaan: • het monster is representatief voor de gemiddelde samenstelling van de inhoud van de gehele graafkamer • de hoeveelheid ontgraven korrelmateriaal wordt bepaald door het in-situ volume grond op het alignement en het geschatte poriëngehalte daarvan • alle lucht in de graafkamer is afkomstig van de schuiminjectie in de periode direct voor de monstername • er worden naast schuim geen ander conditioneringsmiddelen geïnjecteerd Om te beginnen is de relatieve toename van het volume δV van de in-situ grond te bepalen met het oorspronkelijke poriëngehalte en het poriëngehalte van het monster (de hoeveelheid korrelmateriaal blijft immers constant):

oktober 2001



δV =

Vm − Vi ΔV nm − ni = = 1 − nm Vi Vi

11

(4)

Hierin is Vi het in-situ volume grond dat tijdens conditionering wordt vergroot tot het Vm aan grondbrij. Verder is ni het in-situ poriëngehalte en nm het poriëngehalte van de brij (en dus van het monster). Omdat alle lucht in de grondbrij een volumetoename is ten opzichte van de volledig verzadigd veronderstelde in-situ grond, kan de relatieve volumetoename δVg door de met het schuim geïnjecteerde lucht bepaald door het aandeel van de lucht in de grondbrij te bepalen:

δ Vg = (δ V + 1) (1 − Sm ) nm

(5)

Hierin is Sm de (gemeten) verzadigingsgraad van het monster. Het verschil tussen de totale volumetoename en die door lucht moet worden toegeschreven aan de vloeistoffase:

δ Vl = δ V − δ Vg

(6)

Deze termen voor relatieve volumeverandering zijn positief in het geval van een toename ten opzichte van het in-situ volume. Door de schuiminjectie wordt zowel lucht als extra vloeistof toegevoegd aan de in-situ grond. De totale relatieve injectievolume δVb (t.o.v. de in-situ grond) is gelijk aan de schuiminjectieratio FIR (Foam Injection Ratio):

δ Vb =

Vb = FIR Vi

(7)

Hierin is Vb het volume schuim en Vi het volume in-situ grond. Dit is met de FER van het schuim te splitsen in een vloeistofaandeel δVb,l:

δ Vb ,l =

Vb FER

(8)

en een luchtaandeel δVb,g:

δ Vb , g =

FER − 1 V FER b

(9)

Het verschil δVi,g tussen de daadwerkelijke (relatieve) volumetoename als gevolg van lucht en het (relatieve) volume geïnjecteerde lucht is gelijk aan:

δ Vi , g = δ Vg − δ Vb , g

(10)

Deze heeft een waarde 0 als precies alle lucht in de grondbrij terecht komt. Een negatieve waarde houdt in dat er meer lucht wordt geïnjecteerd dan in de brij wordt aangetroffen, wat waarschijnlijk duidt op een verlies van schuim in de grond rond de TBM. Een vergelijkbare balans is op te stellen voor het water:

δ Vi ,l = δ Vl − δ Vb ,l


oktober 2001

Hierin is δVi,l het relatieve volume water dat extra moet toestromen uit de in-situ grond om de volumebalans kloppend te maken (bij een positieve waarde). In het geval van een negatieve waarde is er sprake van de verdringing van grondwater. Schuiminjectieparameters Zoals uit het bovenstaande blijkt, zijn zowel de FIR als de FER nodig om de volumebalansen te kunnen bepalen. De waarden hiervoor worden uit de meetbestanden ten tijde van de monstername’s gehaald. Daarbij is vooralsnog aangenomen dat de inhoud van de graafkamer wordt bepaald door het graven van de laatste 1,5 m, wat ongeveer de afstand is tussen drukwand en de voorkant van het graafwiel en dus ruim één graafkamerinhoud aan ontgraven grond representeert. Het schatten van de FIR en de FER wordt geïllustreerd met figuur 6 waarin de informatie met betrekking tot de schuiminjectie van ring 818 van de zuidbuis is weergegeven. De bovenste grafiek geeft de status van het boorproces weer. Daaruit is te zien dat het graven (status 2) heeft geduurd tot ca. 68 minuten na het begin van de ring (en van de meting), met een lange pauze tussen 33 en 54 min (status 1). Daarna heeft de ringbouw plaatsgevonden (status 5). De tweede grafiek geeft de FER (van rond de 10) op de momenten dat er sprake was van een significant schuimdebiet. Dat debiet wordt gegeven door de derde grafiek en ligt, indien ingeschakeld, op een constante waarde van rond de 1200 l/min (onder graafkamerdruk). Als gevolg van dit constante debiet wordt de FIR sterk beïnvloed door de graafsnelheid van de (weergegeven in de grafiek daaronder) en die was bij deze ring niet erg constant. De resulterende FIR wordt in de onderste grafiek weergegeven en fluctueert als gevolg van de variabele graafsnelheid. In figuur 6 is goed te zien dat de FER vanwege zijn constante waarde vrij goed te bepalen is uit de grafieken met momentane data. De bepaling van de FIR is echter complexer, temeer er ook sprake is van schuiminjectie gedurende stilstand om de steundruk op peil te houden (ook goed te zien in de grafieken).

Figuur 5:

Gemiddelde FIR, bepaald per volledige ring (dus voortgang én stilstand).

Bij de berekening van de momentane FIR-waarde wordt het schuimdebiet (onder graafkamerdruk) gedeeld door de momentane volumestroom ingaande grond, die weer wordt bepaald met de graafsnelheid en de oppervlakte van het graaffront. Het is ook mogelijk de gemiddelde FIR te bepalen voor een gehele ring door het schuimvolume (de tijdsintegraal van het schuimdebiet) te delen door het volume ontgraven grond. In deze berekening kan ook de schuim die tijdens stilstand van de TBM wordt geïnjecteerd worden meegenomen. Dit is relevant aangezien over het gehele project beschouwd ca. 25% van het totale schuimvolume is geïnjecteerd tijdens stilstand. Uit deze berekening blijkt dat de FIR per ring zeer sterk kan fluctueren (zie figuur 5).

oktober 2001



Figuur 6:

13

Schuiminjectieparameters ring 818-zuidbuis.


oktober 2001

Resultaten In tabel 5 wordt de relatieve volumeverandering gegeven van de monsters ten opzichte van het volume ontgraven in-situ grond. De relatieve volumeverandering δV van het gehele mengsel is sterk afhankelijk van het in-situ poriëngehalte ni (zie vergelijking 4) en dus van de schatting of meting daarvan. De waarden hiervan zijn ontleend aan K300-W-005 (de K300 Geotechniek Basis Parameterset). Opvallend is de vrij grote variatie tussen de relatieve volumeveranderingen, zelfs binnen een meetkruis. De relatieve volumeverandering δVl van de vloeistoffase blijkt over het algemeen negatief, wat erop duidt dat de hoeveelheid lucht in het monster groter is dan volumeverandering en er dus water uit de ontgraven grond verdrongen moet zijn. Tabel 5:

Analyse van de relatieve volumeverandering in het monster ten opzichte van het ontgraven in-situ volume.

MQ2 zuid MQ4 zuid

MQ5 zuid

MQ2 noord

extra MQ4 noord

monster

ni

nm

Sm

δV

δVl

δVg

10312 10327 10818 10819-1 10819-2 10820 11089-1 11089-2 11090-1 11090-2 11090-3 20310-1 20310-2 20310-3 20310-4 20341-1 20341-2 20827-1 20827-2 20828-1 20828-2 20828-3

0.4 0.4 0.38 0.38 0.38 0.38 0.46 0.46 0.46 0.46 0.46 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38

0.55 0.49 0.55 0.51 0.52 0.50 0.57 0.61 0.62 0.63 0.60 0.56 0.59 0.63 0.59 0.46 0.46 0.52 0.49 0.54 0.46 0.46

0.50 0.50 0.60 0.65 0.56 0.51 0.54 0.51 0.42 0.42 0.50 0.35 0.38 0.34 0.37 0.57 0.55 0.49 0.59 0.49 0.67 0.63

0.32 0.19 0.36 0.28 0.30 0.24 0.27 0.37 0.42 0.45 0.36 0.36 0.45 0.60 0.48 0.12 0.12 0.29 0.22 0.36 0.16 0.15

-0.04 -0.11 0.06 0.05 0.00 -0.07 -0.07 -0.04 -0.09 -0.08 -0.05 -0.13 -0.07 -0.06 -0.07 -0.11 -0.12 -0.05 -0.03 -0.02 -0.02 -0.05

0.36 0.29 0.30 0.23 0.30 0.31 0.33 0.40 0.51 0.53 0.41 0.49 0.52 0.66 0.55 0.22 0.23 0.34 0.24 0.38 0.18 0.20

In tabel 6 zijn de relatieve volumeveranderingen door de schuiminjectie weergegeven en de invloed daarvan op de totale volumebalans. Onder de kolom ‘balans’ zijn de relatieve volumes water en lucht te vinden die de volumebalans sluitend zouden maken, indien ze zich in de insitu grond hadden bevonden. Een positieve waarde duidt dus op een (virtueel) tekort en een negatieve waarde op een surplus in het monster ten opzicht van de grond. Er blijkt vrijwel altijd sprake te zijn van een negatieve waarde voor de restterm water, wat betekend dat er grondwater verdrongen moet zijn. Opvallend is dat de hoeveelheid water dat met het schuim is meegekomen (strikt genomen dus schuimvloeistof) vaak in dezelfde orde van grootte ligt als de reeds geconstateerde (negatieve) volumeverandering water in het monster. Hierdoor blijkt de hoeveelheid uit het monster verdrongen water fors hoger te liggen dan op

oktober 2001



15

basis van de volumeverandering alleen het geval leek te zijn, waaruit blijkt dat het uit het schuim afkomstige water niet verwaarloosd mag worden. De verdringing van grondwater is in tabel 6 uitgedrukt ten opzichte het bulkvolume ontgraven grond. Wordt dit uitgedrukt ten opzichte van het in-situ poriënvolume, dan blijkt bijvoorbeeld bij MQ2-noord ca. 50% van het oorspronkelijke poriënvolume aan grondwater verdrongen te zijn. Alleen bij MQ4-zuid lijkt de gevonden hoeveelheid water in de monsters gelijk te zijn aan wat er ongeveer in schuim en grond aanwezig was. Tabel 6:

De volumebalans schuiminjectie

MQ2 zuid MQ4 zuid

MQ5 zuid

MQ2 noord

extra MQ4 noord

monster

monster

FIR

FER

δVb,l

δVb,g

δVl

δVg

10312 10327 10818 10819-1 10819-2 10820 11089-1 11089-2 11090-1 11090-2 11090-3 20310-1 20310-2 20310-3 20310-4 20341-1 20341-2 20827-1 20827-2 20828-1 20828-2 20828-3

0.55 0.50 0.50 0.50 0.50 0.40 0.38 0.34 0.34 0.34 0.38 1.25 1.25 1.25 1.25 0.85 0.80 2.60 2.60 2.60 2.00 2.00

10 10 10 10 10 10 13 12 11 11 11 9 9 9 9 10 10 10 10 10 12 12

0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.13 0.13 0.13 0.13 0.08 0.08 0.24 0.24 0.24 0.15 0.15

0.50 0.45 0.45 0.45 0.45 0.36 0.35 0.31 0.31 0.31 0.35 1.13 1.13 1.13 1.13 0.77 0.72 2.36 2.36 2.36 1.85 1.85

-0.04 -0.11 0.06 0.05 0.00 -0.07 -0.07 -0.04 -0.09 -0.08 -0.05 -0.13 -0.07 -0.06 -0.07 -0.11 -0.12 -0.05 -0.03 -0.02 -0.02 -0.05

0.36 0.29 0.30 0.23 0.30 0.31 0.33 0.40 0.51 0.53 0.41 0.49 0.52 0.66 0.55 0.22 0.23 0.34 0.24 0.38 0.18 0.20

balans

δVi,l

δVi,g

-0.09 -0.15 0.02 0.00 -0.04 -0.10 -0.09 -0.06 -0.12 -0.11 -0.08 -0.26 -0.20 -0.19 -0.20 -0.19 -0.19 -0.29 -0.26 -0.26 -0.18 -0.20

-0.14 -0.16 -0.15 -0.23 -0.15 -0.06 -0.02 0.09 0.20 0.21 0.06 -0.63 -0.60 -0.46 -0.57 -0.55 -0.49 -2.02 -2.12 -1.98 -1.67 -1.65

Net als voor het water domineren negatieve waarden de resttermen voor de luchtbalans, wat betekend dat er meer schuim wordt geïnjecteerd dan in de monsters wordt teruggevonden. Dit is vooral opvallend bij de monsters in MQ4-noord, waar meer dan 200% van het in-situ volume grond aan lucht ‘verdwijnt’. Hierover zijn de volgende opmerkingen te maken: • er zal schuim rond de machine in de grond weggedrukt worden en niet ten goede komen aan de brij in de graafkamer; de dagrapporten geven hiervan enkele indicaties: rond ring 424-zuidbuis treedt water en lucht uit aan maaiveld, bij de noordbuis is iets eerder (ring 412) sprake van veel schuim aan het maaiveld en bij ring 575-zuidbuis loopt er schuim via de staartafdichting van de TBM naar binnen • de monsters zijn hoeven niet representatief te zijn voor de (gemiddelde) inhoud van de graafkamer; een extreem bewijs hiervan werd geleverd door het ‘monster’ dat tijdens ring 1089-noordbuis werd genomen en slechts lucht bleek te bevatten, wat duidde op ontmenging in de graafkamer, maar ook op de mogelijkheid van het accumuleren van lucht in de graafkamer


oktober 2001

• de monsters zijn niet representatief voor het materiaal (en de hoeveelheid lucht) die via de schroeftransporteur de graafkamer verlaat en zo de werkelijke volumebalans beheerst Met name de laatste twee punten kunnen ook gebruikt worden om te verklaren waarom de relatief lichte monsters van MQ5-zuid meer lucht lijken te bevatten dan op grond van de schuiminjectie verklaard kan worden.

relatieve volumeverandering door lucht

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

luchtinjectieratio

Figuur 7:

Relatieve toename luchtvolume van de monsters (δVg) tegen de hoeveelheid geïnjecteerde lucht (streeplijn: toename luchtvolume gelijk aan geïnjecteerd volume).

Om te onderzoeken of er een relatie bestaat tussen de met de FIR en FER berekende ‘luchtinjectieratio’ en de werkelijk gevonden relatieve volumeverandering door lucht, zijn deze tegen elkaar uitgezet in figuur 7. Daaruit blijkt dat geen verband lijkt te bestaan tussen de monsters en de schuiminjectie-instellingen. Om als alternatief de invloed van de schuiminjectie op de dichtheid van de monsters te onderzoeken, is een vergelijkbare grafiek weergegeven in figuur 8. Hieruit blijkt dat er evenmin een duidelijk verband bestaat tussen de hoeveelheid geïnjecteerd schuim en de dichtheid van het monster. 2000

dichtheid monster [kg/m3]

1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

luchtinjectieratio

Figuur 8:

Dichtheid van de monsters tegen de hoeveelheid geïnjecteerde lucht.

oktober 2001



17

Ten slotte wordt in figuur 9 het verband tussen de mate van verdringing van poriënwater uitgezet tegen de luchtinjectieratio. Hieruit blijkt dat de mate van verdringing van het grondwater toeneemt met het geïnjecteerde schuimvolume. De oorzaak hiervan is dat ook de hoeveelheid met het schuim geïnjecteerde water toeneemt als het schuimvolume groter wordt, zonder dat de vochtigheid van de grondbrij daardoor beïnvloed wordt.

verdringing grondwater t.o.v. poriënvolume

-0.90 -0.80 -0.70 -0.60 -0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

luchtinjectieratio

Figuur 9:

De relatieve hoeveelheid verdrongen poriënwater tegen de hoeveelheid geïnjecteerde lucht.

Tussenevaluatie monsternames en schuiminjectie De vraag A die in dit hoofdstuk centraal stond was: gegeven de grondcondities en de stuurgrootheden, zijn er dan voorspellingen te doen over de samenstelling van de brij? wordt grondwater verdrongen door schuiminjectie en/of gaat schuim verloren in de grond rond de TBM? Het antwoord op deze vraag bestaat uit twee delen. Om te beginnen is gebleken dat een deel van het grondwater verdrongen wordt door het schuim. De volumetoename door het graafproces wordt meer dan gecompenseerd door de lucht die met het schuim in de grondbrij geïnjecteerd wordt en heeft daardoor de verdringing van water tot gevolg. Er is echter absoluut geen sprake van een volledige verdringing van het aanwezige grondwater, want de grondbrij is veel vochtiger dan bij een volledige verdringing zou zijn te verwachten. Uit de balans blijkt verder dat er soms veel lucht in de grond rond de TBM verdwijnt. Vervolgens blijkt er vooralsnog geen duidelijk verband tussen de schuiminjectieparameters (FIR en FER) enerzijds en de daadwerkelijk aangetroffen grondbrij anderzijds. Dat zal een correlatie tussen de grootheden van de schuiminjectie en het graafproces in deze aanvullende analyse zowel bemoeilijken als extra interessant maken. Ten slotte moet wel onderkend worden dat de schatting van zowel de in-situ poriëngehalte als van de FIR grote onzekerheden met zich mee brengt. Verder is er (nog) niet gekeken naar andere stuurgrootheden zoals de invloed van het graafwiel, de graafsnelheid en de bedrijfstoestand van de schroeftransporteur.


oktober 2001

oktober 2001



3

19

Drukopbouw graafkamer

In dit hoofdstuk wordt nagegaan welke informatie de negen drukopnemers op de achterwand van de graafkamer opleveren. Daarbij ligt de nadruk op de relatie tussen de drukverdeling (dus de verschillen tussen de opnemers onderling) en eigenschappen van de grondbrij. De resultaten kunnen informatie verschaffen over: • • • •

gemiddelde druk in de graafkamer en op het graaffront dichtheid van de brij consistentie (vervormbaarheid) van de brij stabiliteit van de grondbrij

Voordat de procesanalyse kon worden uitgevoerd bleek het absoluut noodzakelijk om de metingen te controleren zodat foutieve en verdachte resultaten buiten beschouwing konden worden gelaten. In paragraaf 3.1 wordt het meetsysteem beschreven en wordt aangegeven hoe getracht is de invloed van eventuele meetfouten te minimaliseren. Deze kwaliteitsanalyse geeft bovendien enig inzicht in de waarneembaarheid van het EPB-proces. Vervolgens wordt in paragraaf 3.2 een benadering gepresenteerd voor de drukverdeling in de graafkamer die als analysehulpmiddel kan worden gebruikt. Dit wordt vervolgens gebruikt in de paragrafen 3.3, 3.4 en 3.5 om respectievelijk de drukgradiënt, de gemiddelde (front)steundruk en de horizontale verdeling van de graafkamerdruk te onderzoeken.

Figuur 10: Locaties van de drukopnemers in de drukwand (gezien in voortgangsrichting); E1 t/m E9 zijn de totaaldrukopnemers, w1 t/m w3 zijn de poriëndrukopnemers.


oktober 2001

3.1

Het meetsysteem en de kwaliteit van de metingen

Het belangrijkste doel van deze paragraaf is het geven van een kwaliteitsoordeel over de metingen en het selecteren van kwalitatief goede meetresultaten voor verdere analyse. Daarvoor wordt echter eerst het meetsysteem beschreven. Het meetsysteem In totaal zijn er 9 totaaldrukopnemers van het type Glötzl EESK 6/6VE (0 - 6 bar) in de drukwand van de graafkamer gemonteerd. Deze opnemers hebben een drukgevoelig membraan met een doorsnede van 60 mm dat in één vlak met de drukwand is gemonteerd. In figuur 10 worden de locaties van deze opnemers weergegeven. In deze figuur is goed te zien dat de drukopnemers over vijf hoogteniveau’s verdeeld zijn, waardoor er op elk van de bovenste vier niveau’s steeds twee opnemers aan weerszijde van de graafkamer liggen. Verder zijn in figuur 10 de contouren van de meedraaiende graafwielophanging en van de opening voor de (asymmetrische geplaatste) schroeftransporteur weergegeven. In tabel 7 zijn voor alle drukopnemers de coördinaten in de breedte (y) en hoogte (z) en de afstand r tot de as van de TBM weergegeven (de z-as is positief naar beneden, de y-as wijst in voortgangsrichting naar rechts). Tabel 7:

Coördinaten drukopnemers graafkamer

niveau 1

2

3

4 5

code

naam

E1 E9 w1 E2 E8 E3 E7 w2 E4 E6 E5 w3

totaaldrukopnemer 1 totaaldrukopnemer 9 poriëndrukopnemer 1 totaaldrukopnemer 2 totaaldrukopnemer 8 totaaldrukopnemer 3 totaaldrukopnemer 7 poriëndrukopnemer 2 totaaldrukopnemer 4 totaaldrukopnemer 6 totaaldrukopnemer 5 poriëndrukopnemer 3

y [mm] 1160 -1160 1160 2912 -2912 3028 -4170 4188 3780 -3780 806 1209

z [mm] -3750 -3350 -2500

-400

2500 3350

r [mm] 3925 3925 3545 3838 3838 3054 4189 4207 4532 4532 3446 3561

Kwaliteit van de metingen Bij de verwerking van de totaaldrukmetingen is gebleken dat een aantal opnemers gedurende delen van het project is uitgevallen. Dit is goed te zien en hoeft vanwege het relatief grote aantal opnemers niet tot een groot verlies aan informatie te leiden. Wel moeten routines die bijvoorbeeld gradiënten of gemiddelde waarden berekenen worden aangepast om onzinnige waarden te voorkomen! Een veel groter probleem zijn echter ‘verdachte’ meetresultaten waarvan moeilijk is te bepalen of het gaat om een bijzondere meting of om een meetfout. Enerzijds is gebleken dat grote afwijkingen de procesanalyse al snel dusdanig verstoren dat de resultaten ervan waardeloos worden. Dit komt vooral omdat meestal verschildrukken beschouwd worden, waarvoor relatief grote getallen van elkaar afgetrokken worden, en de gevoeligheid voor meetfouten dus groot is. Anderzijds bestaat het risico om de metingen aan te passen aan de verwachtingen en daarbuiten vallende resultaten uit te sluiten, wat vanuit het onderzoeksperspectief bijzonder ongewenst is.

oktober 2001



21

Om in te schatten of een meting klopt is gekeken naar de volgende aspecten: 1. vergelijking met de resultaten van de opnemer op dezelfde hoogte in de graafkamer en eventueel andere opnemers 2. trends in de drukmeting over meerdere ringen 3. variatie in het meetsignaal tijdens dynamische processen

Figuur 11: Zuidbuis - gemiddelde waarde drukopnemers 1 t/m 5 (rechts) tijdens voortgang (status 2).

Figuur 12: Zuidbuis - gemiddelde waarde drukopnemers 9 t/m 5 (links) tijdens voortgang (status 2).

In de figuren 11 en 12 zijn voor de zuidbuis de grafieken met gemiddelde waarden van de totaaldrukopnemers tijdens voortgang aan respectievelijk de rechterkant (pE1 t/m pE5) en de linkerkant (pE9 t/m pE5) van de graafkamer weergegeven. De kleuren van de lijnen geven het niveau van de drukopnemers aan. Aan de hand van deze grafieken wordt met enkele voorbeelden de problematiek en de aanpak van de kwaliteitsanalyse geïllustreerd. In principe zou de drukverdeling links en rechts in de graafkamer nagenoeg gelijk moeten zijn. Dit blijkt voor


oktober 2001

niveau 1 (opnemers 1 en 9) en niveau 2 (opnemers 2 en 8) redelijk goed het geval. Zo blijkt zelfs nauwkeurig te bepalen dat het verschil tussen pE9 en pE1 vrij constant 9 kPa bedraagt (blijkbaar een statische kalibratie-offset). Opvallend is echter wel (in figuur 12) de tijdelijk zeer hoge waarden van pE8 rond ring 1040: een lokaal verschijnsel dat zich weer lijkt te herstellen. Verder is in dezelfde figuur direct te zien dat opnemer 7 defect raakt (bij ring 891). Een lastiger probleem is echter het grote verschil tussen pE4 en pE6 (zie ook figuur 13). Beide opnemers geven vanaf ongeveer ring 330 waarden aan die niet (meer) lijken te passen bij de overige opnemers, en bovendien ook onderling zeer verschillend zijn. Er is niet direct aan te geven wat de oorzaak is van dit gedrag en welk signaal eventueel nog bruikbaar zou kunnen zijn.

Figuur 13: Zuidbuis - gemiddelde waarde drukopnemers op niveau 4 tijdens voortgang en de geschatte grondwaterdruk op hetzelfde niveau.

Figuur 14: Zuidbuis - standaarddeviatie drukopnemers op niveau 4 tijdens voortgang.

Een aanknopingspunt wordt echter gevormd door de standaarddeviatie van de druk tijdens de voortgang, welke is weergegeven in figuur 14. Gebleken is dat onder normale omstandigheden de mate van variatie in het druksignaal (o.a. veroorzaakt door de graafwielrotatie) voor de

oktober 2001



23

opnemers op hetzelfde meetniveau relatief vergelijkbaar is. In figuur 14 is goed te zien hoe tussen ring 900 en 1130 de standaarddeviatie van opnemer 6 zeer laag is en tijdelijk een heel ander beeld laat zien dan opnemer 4 en de rest van de tunnelbuis. De verklaring hiervoor zou een tijdelijke ophoping van materiaal (klei?) voor het membraan kunnen zijn, waardoor de opnemer niet meer goed reageert op de drukvariaties verderop in de graafkamer. Op dezelfde wijze zijn alle opnemers in de graafkamer gecontroleerd en nog andere verdachte situaties gevonden. Het gebruik van de standaarddeviatie voor dit soort signaalanalyse is eigenlijk niet correct. Fraaier zou zijn om het tijdsafhankelijk signaal te analyseren op frequentie-inhoud, waardoor een onderscheid gemaakt kan worden tussen de effecten van graafwielrotaties en globale drukvariaties. Het bovenstaande dient slechts als voorbeeld. Als algemene aanpak is gekozen voor het simpelweg uitsluiten van overduidelijk verdachte drukmetingen. Over de gehele tunnel beschouwd bleken de opnemers van boven naar beneden toe gevoeliger voor lokale effecten. Met name de opnemers 4 en 6, die dicht bij de omtrek van de graafkamer liggen, hebben (ook tijdens de noordbuis) grillige en afwijkende metingen geproduceerd. Verder waren de waarden van opnemer 5, die helemaal onderin de machine zit, moeilijk te controleren vanwege het ontbreken van een andere opnemer in de buurt. Oorzaken van meetfouten De afwijkingen in de totaaldrukmetingen zijn toe te schrijven aan: 1. kalibratie-offset 2. gebreken van de opnemer

3. verklevingen 4. lokale drukvariaties

: de sensor reageert goed maar de absolute meetwaarde is structureel te hoog of te laag (nulpuntverschuiving) : een defect aan de sensor veroorzaakt foute waarden; dit kan het gevolg zijn van een elektronisch probleem maar ook van een gedeukte of gescheurd membraan : de sensor zelf is in orde, maar het membraan wordt afgeschermd of ingedrukt door aangekoekt materiaal : lokale verschijnselen rond de sensor veroorzaken waarden die niet representatief zijn voor de gehele graafkamer

De eerste twee oorzaken zijn problemen met de drukopnemer zelf. De derde en vierde oorzaak zijn eigenlijk geen meetproblemen maar waarnemingen van een lokale toestand rond de opnemer die niet passen in het globale beeld van het boorproces. Bij de data-analyse is de indruk ontstaan dat dit soort lokale verschijnselen de drukmetingen vaak beïnvloeden, maar dat het onzeker is hoe en wanneer. Dit lijkt inherent aan het EPB-concept en vormt een serieuze beperking voor de waarneembaarheid van het boorproces. Daar staat tegenover dat een relatief groot aantal opnemers, logisch verdeeld over de graafkamer, voldoende redundantie kan leveren om lokale verschijnselen te dempen of zelfs te detecteren en uit te sluiten. 3.2

De drukgradiënt en de gemiddelde graafkamerdruk

In de vorige paragraaf is reeds aangegeven hoe grillig de drukmetingen in de graafkamer zijn. Desondanks wordt in deze paragraaf een benadering gepresenteerd voor zowel de (lineair veronderstelde) drukgradiënt als de gemiddelde steundruk op in de graafkamer. Om te beginnen wordt kort geanalyseerd of een lineaire benadering van de drukgradiënt toelaatbaar is. Vervolgens wordt een kleinste-kwadraten benadering voor de drukverdeling in de graafkamer gepresenteerd. De drukgradiënt van een samendrukbare grondbrij Als de grondbrij zich als een vloeistof gedraagt, dan stelt zich in de graafkamer een hydrostatische drukverdeling waarvan de gradiënt bepaald wordt door de dichtheid van de brij. Vanwege de samendrukbaarheid van de lucht in een met schuim geconditioneerde grondbrij, zal deze dichtheid afhankelijk zijn van de hoogte in de graafkamer. Dit heeft een niet-lineaire


oktober 2001

gradiënt tot gevolg die van onder naar boven steeds steiler wordt. Het is echter de vraag of dit fenomeen dusdanig groot is dat het kan waargenomen met de totaaldrukmeting en zo niet, of een lineaire drukverdeling een goede benadering is. Dit wordt hieronder uitgewerkt. De algemene uitdrukking voor de druk pz op de diepte z (positief naar beneden) is: z

pz = p0 +

∫ ρ g dz

(11)

z0

Hierin is p0 de druk op het uitgangsniveau z0, waarvoor in deze context de as van de TBM wordt genomen. Verder is ρ de dichtheid en g de gravitatieversnelling. Bij een constante dichtheid veranderd deze uitdrukking in: pz = p0 + ρ g ( z − z0 )

(12)

De dichtheid ρ van een driefasen mengsel (korrels, water en lucht) wordt gegeven door:

ρ=

S ρ l ρ s ⋅ ( w + 1) S ρl + ρs ⋅ w

(13)

waarin w het watergehalte, S de verzadigingsgraad en ρl en ρs respectievelijk de dichtheid van water en die van de korrels. Door de samendrukbaarheid van lucht, veranderen de faseverhoudingen in het mengsel bij een verandering van druk. Volgens Boyle-Mariotte wordt de compressie (of expansie) van een afgesloten volume gas met een constante temperatuur gegeven door: pV = p0V0

(14)

waarin V0 en p0 respectievelijk het beginvolume en de (absolute) begindruk zijn, en p en V de nieuwe waarden voor (absolute) druk en volume. Hiermee is de verzadigingsgraad S als functie van p te schrijven: S=

S ( p + Δp ) S0 p0 + S0 Δp S0 p = 0 0 = p0 + S0 ( p − p0 ) p0 + S0 Δp p0 + S0 Δp

(15)

waarin S0 de verzadigingsgraad in de uitgangssituatie is en Δp de drukverandering. Door deze verzadigingsgraad in te vullen in (13) wordt de drukafhankelijke dichtheid verkregen welke weer ingevuld moeten word in (11) om de drukverdeling over de hoogte te bepalen. De resulterende differentiaalvergelijking is echter niet eenvoudig expliciet te schrijven en daarom is bij deze verkennende berekening gekozen voor een iteratieve oplossing. Uitgangspunt van de iteratieve bepaling van de drukgradiënt is de verzadigingsgraad en het watergehalte op de as van de TBM. Daarmee wordt de lineaire drukgradiënt bepaald over de hoogte van de graafkamer. De resulterende drukken worden vervolgens gebruikt om de verzadigingsgraad en dichtheid op verschillende niveau’s te bepalen. Het verticale evenwicht van elk van de delen van de graafkamer (met een verschillende dichtheid) levert dan een eerste schatting voor de druk op die hoogte. Het resultaat van een dergelijke berekening is te zien in figuur 15 (gebaseerd op de samenstelling van monster 20310-1). Uit deze berekening blijkt dat de afwijking in de drukgradiënt als gevolg van de samendrukbaarheid van de brij slechts resulteert in een drukverschil van 5 kPa ten opzichte van de lineaire verdeling (gerekend vanaf de as van de TBM). Dit geldt voor de omstandigheden van de monstername’s (samenstelling en

oktober 2001



25

druk) en bij de aanname dat de faseverhouding over de hoogte van de graafkamer alleen veranderd als gevolg van compressie van lucht. Zolang er geen segregatie (ontmenging) plaatsvindt is het praktisch onmogelijk om met de kromming van de gradiënt de samendrukbaarheid van de brij af te leiden uit de metingen. lineair

1e schatting

-5.0 -4.0 -3.0

druk [kPa]

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0

100

200 300 hoogte [m]

400

500

Figuur 15: Lineaire drukgradiënt en een de 1e benadering van de gradiënt van een samendrukbare grondbrij (gebaseerd op monster 20310-1 bij 280 kPa)

Benadering van de drukverdeling Gezien het voorgaande en de reeds geconstateerde gesuspendeerde toestand van de grondbrij, lijkt het niet onredelijk om een lineaire benadering te gebruiken voor de drukverdeling in de graafkamer. Deze benadering bestaat uit het ‘fitten’ van een (plat) vlak met de positie van de (correct functionerende) drukopnemers en de meetwaarden daarvan (zie figuur 16). Het vlak wordt volledig gedefinieerd door één punt en twee richtingsafgeleiden. Hiervoor zijn respectievelijk het snijpunt van het vlak met de as van de TBM, en de afgeleiden ten opzichte van de verticale z-as en de horizontale y-as gekozen. Deze waarden komen overeen met de gemiddelde druk in het centrum van de drukwand en met de verticale en de horizontale gradiënt. Door de som van de kwadraten te bepalen tussen de benadering en de werkelijk gemeten druk op elk van de opnemers is een indicatie van de kwaliteit van de benadering verkregen. De voordelen van deze methode zijn: • het aantal parameters dat de drukverdeling kenmerkt wordt gereduceerd • het gemiddelde heeft betrekking op de as van de graafkamer en is een gewogen gemiddelde ten opzichte daarvan • de verticale gradiënt, de schatter voor de dichtheid, volgt automatisch uit de berekening • de resulterende horizontale gradiënt is beschikbaar voor analyse voor de asymmetrie in de drukverdeling • er wordt optimaal gebruik gemaakt van redundantie in de drukmetingen • uitval van opnemers kan eenvoudig worden meegenomen


oktober 2001

• de fout in de benadering is een goede indicator voor grillige drukverdelingen De berekening is uitgevoerd met Matlab en wordt hier niet verder toegelicht. In de rest van deze paragraaf worden enkele resultaten gepresenteerd, en in het vervolg van dit hoofdstuk wordt de drie grootheden die deze benaderingsmethode oplevert gebruikt om enkele analyses mee uit te voeren

Figuur 16: Grafische voorstelling van de benadering van de drukopbouw in de graafkamer door een plat vlak.

Enkele resultaten Een probleem bij het uitwerken en toelichten van de hierboven beschreven benadering voor de drukopbouw in de graafkamer is de bijzonder grote variatie in het boorproces die is gevonden. Er blijken grote verschillen te zijn in de procestoestand van ring tot ring. In de context van dit rapport is slechts ruimte voor de nadere analyse van enkele kenmerkende ringen, waardoor het risico van willekeurige en niet-representatieve resultaten ontstaat. Desondanks is gekozen voor het beschouwen van twee ringen van de zuidbuis: • ring 334 • ring 813

: een vloeibare grondbrij (volgens dagrapport), afvoer met de dikstofpompen en een betrekkelijk goede benadering : een grondbrij met wisselende consistentie, een slechte benadering door extreme waarden van drukopnemers

Ring 334-zuidbuis De 3D impressie van de drukgradiënt tijdens zowel voortgang als ringbouw en stilstand wordt gegeven in figuur 17. Hiervoor zijn de gemiddelde drukken per meetniveau gebruikt. In figuur 18 worden vervolgens de status, de verticale gradiënt en de gemiddelde druk weergegeven. In de laatste twee grafieken is sprake van drie verschillend gekleurde lijnen die elk een andere benadering (‘fit’) van de meetresultaten voorstelt: • rood • paars • blauw

oktober 2001

: alle correct functionerende opnemers zijn gebruikt : alle opnemers behalve E5 zijn gebruikt : in plaats van een vlak is er een lijn gefit op de gemiddelde waarden per meetniveau



27

Figuur 17: Ring 334-zuidbuis: drukopbouw per meetniveau (oranje lijnen: statusveranderingen).

Figuur 18: Ring 334-zuidbuis: boorproces-status, verticale gradiënt en de gemiddelde graafkamerdruk.


oktober 2001

Om een inschatting te kunnen maken van de afwijking tussen de benadering en de werkelijke metingen is in figuur 19 een grafiek weergegeven met de som van de kwadraten van deze verschillen, gedeeld door het aantal functionerende opnemers.

Figuur 19: Ring 334-zuidbuis: fout in de benadering van de steundrukverdeling.

Bij een analyse van ring 334 vallen de volgende zaken op: • de benadering is goed, alleen de relatief hoge waarde van opnemer 6 (niet weergegeven) veroorzaakt een geringe fout • de verticale gradiënt varieert tijdens voortgang (status 2) opvallend: tussen ca. 1400 en 2200 kg/m3 • ook de gemiddelde steundruk varieert sterk (meer dan 50 kPa) • opvallend is de steiler wordende gradiënt (en dus uniformere drukverdeling) direct na het stoppen van het graven (goed te zien tijdens status 3) • de schuiminjectie heeft een uniformere drukverdeling tot gevolg, die tijdens stilstand weer geleidelijk minder wordt Ring 813-zuidbuis Als tegenhanger van ring 334 wordt nu ring 813 behandeld, welke een veel, moeizamere benadering te zien geeft. Ook nu worden grafieken met de drukopbouw (figuur 20), de berekende gradiënt en gemiddelde druk (figuur 21), en de benaderingsfout (figuur 22) gegeven.

Figuur 20: Ring 813-zuidbuis: drukopbouw per meetniveau.

oktober 2001



29

Figuur 21: Ring 813-zuidbuis: boorproces-status, verticale gradiënt en de gemiddelde graafkamerdruk.

Figuur 22: Ring 813-zuidbuis: fout in de benadering van de steundrukverdeling.

Uit figuur 22 blijkt direct dat de benadering veel slechter is dan bij ring 334. Dit is vooral te wijten aan de extreme waarden van opnemers 4 en 6, en in mindere mate van 3 en 7. Ter illustratie zijn in figuur 23 de graafkamerdrukken rechts (opnemers 1 t/m 5) en links (opnemers 9 t/m 5) in de graafkamer weergegeven.


oktober 2001

Figuur 23: Ring 813-zuidbuis: de graafkamerdrukken per helft (bovenste grafiek: rechts, onderste: links)

Net als in figuur 21 komen de gevolgen van de wisselingen van draairichting van het graafwiel, te herkennen aan de kortstondige onderbrekingen van de voortgang (status 2), prominent naar voren. Verder vallen in beide grafieken de drukvariaties op tijdens voortgang, die waarschijnlijk een gevolg zijn van de consistentie van de brij. Uit de dagrapporten blijkt namelijk dat de consistentie van de grondbrij tijdens ring 813 veel groter is dan bij ring 334. Ten slotte zijn ook bij ring 813, de gevolgen van de schuiminjecties tijdens stilstand voor zowel druk als gradiënt goed waarneembaar. Een interessante kanttekening daarbij is het gegeven dat de drukopnemers (op de drukwand) tenminste 1,5 m ver verwijderd zijn van de injectie-openingen op de voorkant van het graafwiel.

oktober 2001



3.3

31

Schatting dichtheid grondbrij

Het ligt voor de hand om de gradiënt in de graafkamer te gebruiken om de dichtheid van de grondbrij te schatten. Dit is ook gebeurt tijdens het project, getuige opmerkingen in de dagrapporten en het feit dat de dichtheid als parameter is opgenomen in de digitale meetgegevens. In deze paragraaf wordt met behulp van de in de vorige paragraaf gepresenteerde benadering gekeken naar de drukgradiënt over het gehele project. Vervolgens worden de monsternames gebruikt om te zien of de gradiënt als dichtheidsbepaling overeenkomt met de werkelijk aangetroffen grondbrij (het antwoord op onderzoeksvraag B).

Figuur 24: De drukgradiënt tijdens voortgang (status 2), berekend over het gehele alignement (bepaald met alle opnemers, behalve pE5).

De drukgradiënt gedurende het project In figuur 24 wordt de grafiek weergegeven van de geschatte drukgradiënt tegen de ringnummers van beide tunnelbuizen. Per ring is het gemiddelde bepaald tijdens voortgang (status 2). Hoewel in procestoestand sprake is van verstoring door de graafwielrotatie, zoals goed te zien was in de vorige paragraaf bij ring 813-zuidbuis, wordt dit gemiddelde verkozen boven het zeer tijdsafhankelijke gemiddelde tijdens stilstand. Bovendien is, eveneens in de vorige paragraaf, geconstateerd dat de gradiënt tijdens stilstand sterk wordt beïnvloed door momenten van schuiminjectie en dan zeker geen indicator meer is voor de dichtheid. De grafiek in figuur 24 laat een zeer grillig verloop van de drukgradiënt zien, met waarden die op grond van de fysisch inzicht onmogelijk de dichtheid van de brij kunnen representeren. Dit trekt ook alle overige (dus fysisch reële) waarden in twijfel. Dit is een conclusie die gezien het grillige verloop van de momentane gradiënt tijdens voortgang niet echt verassend is. Wellicht zou een nog kritischere beoordeling van de drukmetingen en de invloeden daarop een betere schatting kunnen ondersteunen. De drukgradiënt en de dichtheid van de monsters In figuur 25 zijn de gradiënten die bepaald zijn tijdens de voortgang van die ringen waarbij monsters uit de graafkamer zijn genomen, uitgezet tegen het volumiek gewicht van die monsters. Hieruit blijkt dat er geen betrouwbare voorspelling van de dichtheid is te doen op basis van de drukgradiënt. Zo blijken bij een gradiënt van ca. 14 kPa/m (14 kN/m3) monsters met een volumiek gewicht variërend tussen de 12 en 16,5 kN/m3 te zijn genomen. Het


oktober 2001

antwoord op vraag B luidt dan ook: de drukmetingen in de graafkamer zijn nauwelijks bruikbaar om de dichtheid te schatten.

22.00

gradiënt [kPa/m]

20.00

18.00

16.00

14.00

12.00

10.00 10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

volumiek gewicht monsters[kN/m3]

Figuur 25: De gradiënt tijdens voortgang uitgezet tegen het volumiek gewicht van de monsters die op dat moment zijn genomen uit de graafkamer.

3.4

De frontdruk

In deze paragraaf wordt de gemiddelde graafkamerdruk, die is bepaald met de benaderingsmethode uit paragraaf 3.2, gebruikt om het verloop van de steundruk over het alignement te visualiseren. Daarnaast wordt een schatting gemaakt van de mechanische component van de frontdruk.

Figuur 26: De gemiddelde graafkamerdruk tijdens voortgang (status 2) en de schatting van de grondwaterdruk in het midden van de graafkamer.

oktober 2001



33

Gemiddelde graafkamerdruk In figuur 26 is de gemiddelde graafkamerdruk tijdens voortgang weergegeven voor beide buizen van de Botlekspoortunnel. Daarnaast is in dezelfde grafiek de schatting van de grondwaterdruk op as-niveau van de TBM opgenomen, gebaseerd op de diepteligging tunnel (t.o.v. NAP) + 1,13 m (gem. H.W.). In deze grafiek zijn goed de verschillen en overeenkomsten tussen de zuidelijke en de noordelijke buis te zien. Verder valt op dat de gemiddelde graafkamerdruk behalve in de grondverbetering (zone X) tijdens voortgang altijd ruim boven de grondwaterdruk heeft gelegen. De axiale krachtenbalans Hoewel de axiale krachtenbalans buiten het aandachtsgebied van dit rapport ligt, wordt hieraan toch kort aandacht besteed om enkele interessante waarnemingen met betrekking tot het verschil tussen graafkamerdruk en frontdruk in te leiden. Om te beginnen worden de ‘meetbare’ grootheden m.b.t. de krachtenbalans bepaald: Fs Fp Fcw Ftv Fbt

: de totale afzetkracht geleverd door de hoofdcilinders : de kracht op de TBM als gevolg van de graafkamerdruk vermenigvuldigd met de oppervlakte van het graaffront : de kracht op de zes axiale aandrukcilinders op het lagerhuis (zie figuur 1) : de gemiddelde druk in de staartspleet vermenigvuldigd met de oppervlakte daarvan : de sleepkracht op de volgtrein

Figuur 27: Ring 813-zuidbuis: de meetbare grootheden met betrekking tot de krachtenbalans.


oktober 2001

In figuur 27 zijn deze grootheden (op de relatief geringe sleepkracht na) weergegeven voor ring 813-zuidbuis. De meest opvallende fenomenen in deze figuur zijn de opvallende afname van de afzetkracht tijdens ringbouw (status 5) tot ongeveer het niveau van de steundruk, en de (relatief geringe) afname van de aandrukkracht op het graafwiel in dezelfde periode. Als alle overige invloeden (zoals bijvoorbeeld de ontbondene van de zwaartekracht) buiten beschouwing gelaten worden, dan is de krachtenbalans het gelijk stellen van de voorstuwende krachten (links) aan de weerstandskrachten (rechts):

Fs + Ftv = Fp + Fcw , p + Fbt + Fsf

(16)

hierin zijn: Fs Ftv Fp Fcw,p Fbt Fsf

: de totale afzetkracht geleverd door de hoofdcilinders, evt. gecorrigeerd voor verliezen in het hydraulisch systeem : de gemiddelde druk in de staartspleet vermenigvuldigd met de oppervlakte daarvan : de kracht op de TBM als gevolg van de graafkamerdruk : de aanzetkracht van het graafwiel : de sleepkracht op de volgtrein : de wrijvingskracht van de schildmantel

Twee grootheden uit deze lijst behoeven wat extra aandacht. Ten eerste de wrijvingskracht Fsf wat de restterm is om de balans sluitend te maken en waaraan de weerstand wordt toegeschreven die niet direct is te meten. Ten tweede de aanzetkracht Fcw,p van het graafwiel. De met de aandrukcilinders bepaalde totale aandrukkracht Fcw is de totale axiale belasting van het lagerhuis. Deze is opgebouwd uit de druk op het schijfvormige lagerhuis (met een oppervlakte van ca. 20 m2) en de kracht vanuit de bevestiging van het graafwiel op het lagerhuis. Deze laatste is de aanzetkracht.

Figuur 28: Ring 813-zuidbuis: de componenten van de krachtenbalans.

oktober 2001



35

In figuur 28 zijn de belangrijkste componenten van de krachtenbalans weergegeven voor ring 813-zuidbuis. Hierin valt op dat de wrijving tijdens ringbouw afneemt tot ca. nul. Of dit een fysische achtergrond heeft of toevallig bij deze ring plaatsvindt is onbekend (valt buiten de doelstelling van dit rapport). In de context van deze paragraaf gaat echter de aandacht uit naar een drietal andere fenomenen die zijn waar te nemen in deze figuur: 1. er is sprake van een significante aanzetkracht tijdens voortgang 2. de aanzetkracht loopt tijdens ringbouw, soms met sprongetjes, terug naar ca. nul 3. ook in de gemiddelde graafkamerdruk(kracht) zijn tijdens kleine sprongetjes waar te nemen tijdens ringbouw (slecht te zien in de grafiek) In het vervolg van deze paragraaf worden deze drie waarnemingen verder onderzocht.

Figuur 29: De axiale krachtenbalansen voor het graafwiel en het lagerhuis.

De aanzetkracht en de werkelijke frontdruk De van het graafwiel afkomstige aanzetkracht Fcw,p volgt dus uit de krachtenbalans van het lagerhuis en is het verschil tussen de reactiekracht Fcw op de aandrukcilinders en de drukbelasting vanuit de graafkamer op dat lagerhuis. Dit is geïllustreerd in figuur 29. In dezelfde figuur is ook de krachtenbalans van het graafwiel zelf geschetst. Hierbij is aangenomen dat het graafwiel zich geheel in een zich als een vloeistof gedragende grondbrij bevindt, wat is weergegeven met de drukverdeling pE die géén netto kracht op het graafwiel uitoefent. Deze drukverdeling heerst ìn de graafkamer en is te meten met de totaaldrukopnemers op de drukwand. Via de bevestigingen van het graafwiel op de lagerconstructie werkt ook de aanzetkracht Fcw,p op het graafwiel, wat vanwege de krachtenbalans betekent dat het de reactie is op een extra kracht op het graafwiel vanuit het graaffront. Dit is in figuur 29 afgebeeld als de (uniform veronderstelde) extra druk pcw,p op de voorzijde graafwiel. Deze druk is te bepalen door de aanzetkracht te delen door de oppervlakte van het graaffront en wordt, ongeacht het exacte mechanisme, door het graafwiel uitgeoefend op het graaffront. De totale druk op het graaffront wordt dus voorgesteld als de som van de graafkamerdruk en de aanzetdruk. De aanzetdruk kan een gevolg zijn van: • de penetratie van beitels in het graaffront • het wegdrukken van grond(brij) uit de beitelzone (‘squeezing’) • de stromingsweerstand van de grondbrij door de graafwielopeningen (‘extrusie’) Dit alles draagt bij tot wat wel de mechanische graaffrontondersteuning wordt genoemd.


oktober 2001

Over het algemeen is er tijdens het boren van de Botlekspoortunnel een duidelijke (positieve) aanzetkracht gemeten (zie figuur 30). De grootte van de aanzetkracht kan een indicatie voor de consistentie van de brij (in de betel- graafwielzone) zijn.

Figuur 30: De gemiddelde aanzetkracht tijdens voortgang (status 2).

De gemiddelde aanzetdruk pcw,p is te bepalen met: pcw ,p =

Fcw ,p 1 4

(17)

π ds2

waarin ds de diameter van het graaffront (schild) is. Bij de Botlek-TBM is elke 1000 kN aanzetkracht goed voor een gemiddelde verhoging van de aanzetdruk van 13,3 kPa. Op basis van figuur 30 is dus te concluderen dat de mechanische graaffrontondersteuning als snel goed is voor een significante bijdrage voor de steundrukoverdracht. Uit dezelfde figuur blijken echter ook zeer lage en zelfs negatieve waarden voor de aanzetdruk, wat moeilijk te verklaren is daarom extra aandacht verdient.

Figuur 31: Zuidbuis: de aanzetdruk direct na de graafslag en direct na de ringbouw.

oktober 2001



37

Figuur 32: Ring 813-zuidbuis: de afname van de aanzetdruk (onderste grafiek) tijdens ringbouw op momenten van het terugtrekken van cilindergroepen.

De aanzetkracht tijdens ringbouw In figuur 28 is goed te zien hoe de aanzetkracht tijdens ringbouw terugloopt naar nul. Dat dit niet een toevalligheid is voor ring 813-zuidbuis wordt bewezen met figuur 31 waarin de aanzetdruk direct na afloop van het graven (einde graafslag) wordt vergeleken met de aanzetdruk na voltooiing van de ringbouw. In figuur 32 is goed te zien hoe de sprongsgewijze afname van de aanzetdruk samenvalt met het terugtrekken van afzonderlijke cilindergroepen tijdens


oktober 2001

ringbouw. De middelste grafiek is een uitvergroting van de slag van de verschillende cilindergroepen, waarin goed te zien is dat het terugtrekken van één groep het iets indrukken van de overige groepen tot gevolg heeft. Als dit betekent dat de hele TBM hierdoor iets terugloopt, dan is de sprong in de aanzetkrachten op die momenten te verklaren door de ontlasting van de druk in de beitelzone door deze geringe verplaatsing. De graafkamerdruk tijdens ringbouw Wellicht nog opmerkelijker is de constatering dat ook de onderste drukopnemers in de graafkamer (pE5 en pE6) een drukafname laten zien tijdens het terugtrekken van afzonderlijke cilindergroepen (zie figuur 33). Dit verschijnsel is afwezig bij de bovenste opnemers (pE9 en pE8). Als de onderste drukopnemers reageren op een zeer gering teruggang van de TBM dan duidt dat op een zeer stijve grondbrij in dat gedeelte.

Figuur 33: Ring 813-zuidbuis: de afname van de drukken in de graafkamer (linkerzijde) tijdens ringbouw op momenten van het terugtrekken van cilindergroepen.

oktober 2001



3.5

39

Invloed graafwiel op graafkamerdruk

In figuren 21 en 23 was reeds te zien dat er een duidelijke invloed van de graafwielrotatie is waar te nemen in de totaaldrukmetingen. In deze paragraaf wordt dit verschijnsel kort nader bestudeerd. In figuur 34 zijn de drukmetingen op niveau 3 en 4 in de graafkamer weergeven, samen met de rotatierichting en -snelheid van het graafwiel. Hierin valt direct op dat de drukmeting sterk afhankelijk is van de rotatierichting, en dat opnemers aan de opgaande kant van de graafkamer de hoogste èn de meest variërende drukken laten zien. Verder valt op dat gedurende de ringbouw het aanvankelijk gehandhaafde drukverschil vermindert.

Figuur 34: Ring 813-zuidbuis: asymmetrie in de drukverdeling als gevolg van de graafwielrotatie.

De asymmetrie in de graafkamer kan goed uitgedrukt worden met de horizontale gradiënt van de drukbenadering zoals gepresenteerd in paragraaf 3.2. Deze wordt voor ring 813 gegeven in figuur 35.


oktober 2001

Figuur 35: Ring 813-zuidbuis:de horizontale gradiënt.

Wat de fysische oorzaak is van deze drukopbouw door de graafwielrotatie is niet direct aan te geven. Een hypothese is het zogenaamde ‘wastrommeleffect’, geïllustreerd in figuur 36, waardoor grond mee omhooggetrokken wordt door het graafwiel en zo aan de opgaande kant een drukverhoging veroorzaakt. Dit gaat echter alleen op bij een niet volledig gevulde graafkamer of bij een duidelijk gesegregeerde grondbrij. Verder is gebleken dat de asymmetrische drukverdeling zich in periodes gedurende het gehele project heeft voorgedaan, waarbij de indruk bestaat dat de grootte van het verschijnsel afhankelijk is van de consistentie van de grondbrij.

Figuur 36: Illustratie van het ‘wastrommeleffect’: rotatie linksom (groen) en rechtsom (rood).

oktober 2001




41

oktober 2001

4

De schroeftransporteur

De schroeftransporteur vervult in een EPB-schild een dubbelfunctie. In de eerste plaats wordt hiermee de grond uit de graafkamer afgevoerd terwijl de druk wordt afgebouwd van graafkamerniveau tot atmosferische druk. Ten tweede wordt hierbij de druk in graafkamer, en dus de steundruk op het graaffront, geregeld door de volumestroom af te voeren grond te beïnvloeden. In dit hoofdstuk wordt eerst de besturing van de schroeftransporteur behandeld (paragraaf 4.1), waarna in paragraaf 4.2 de drukafbouw in de schroef wordt geanalyseerd. 4.1

Besturing schroeftransporteur

Gebleken is dat de schroeftransporteur tijdens het boren van de Botlekspoortunnel in drie verschillende bedrijfstoestanden heeft gefunctioneerd, welke gekenmerkt worden door de primaire stuurgrootheid: • besturing van de rotatiefrequentie van de schroef bij een open schuifafsluiter • regeling van de stand van de schuifafsluiter in combinatie met rotatie van de schroef • gebruik van de grondpompen (dikstofpompen) op de schroef met een gesloten afsluiter De laatste bedrijfstoestand is vooral gebruikt als de grondbrij te vloeibaar was om via de bandtransporteur te worden afgevoerd. Om een overzicht te verkrijgen van de bedrijfstoestand van de schroeftransporteur zijn per ring het totaal aantal slagen van de grondpompen en het aantal omwentelingen van de schroef berekend. In figuur 37 worden de resultaten hiervan weergegeven voor de noordbuis. Hierin valt op dat er een aantal gebieden zijn met een vrij constant aantal schroefrotaties per graafslag van 1,5 m. Daarnaast zijn er ook gebieden met grote variaties in het aantal omwentelingen, zowel naar boven als naar beneden. Een opvallende uitschieter is onder andere ring 432, waarbij geen schroefrotaties zijn geregistreerd terwijl de grondpompen ook niet zijn gebruikt. Overigens is het aantal slagen van de grondpompen niet onderling vergelijkbaar omdat ze niet de hele ring hoeven te zijn ingeschakeld. Verder is gebleken dat de schroefrotaties tijdens het gebruik van de grondpompen sterk kan variëren, wat logisch is omdat de schroef zelf in die bedrijfstoestand geen belangrijke functie meer heeft.

Figuur 37: Noordbuis: het aantal slagen van de grondpompen en het aantal schroefrotaties tijdens de graafslag.

oktober 2001



43

Om de periodes met een vrij constant aantal schroefomwentelingen (bijvoorbeeld de gebieden tussen 500 en 600 omw.) in perspectief te plaatsen wordt hieronder het aantal benodigde schroefrotaties zonder slip op basis van het ontgraven in-situ volume bepaald. De belangrijkste specificaties van de schroeftransporteur zijn: • • • • •

lengte gesloten deel mantel inw. diameter mantel diameter schroefas spoed schroef dikte schroefblad (aangenomen)

: : : : :

ca. 15 m dsc = 1000 mm dsc,a = 220 mm bsc = 630 mm tsc = 60 mm

Over de werkzame lengte heeft de schroef ca. 24 windingen. Het volume grond per spoedlengte is gelijk aan: Vb =

π 2 (d − dsc2 ,a ) (bsc − tsc ) = 0, 426 m 3 4 sc

(18)

Dit is de hoeveelheid materiaal dat in het geval van een volledig gevulde schroef en materiaaltransport zonder tangentiële slip (ten opzichte van de mantel) per omwenteling zou worden verplaatst. Per graafslag lG van ca. 1,5 m is het ontgraven in-situ volume V gelijk aan: V=

π 2 d l = 112 m 3 4 s s

(19)

Hierin is ds de diameter van het schild (9,755 m). Zonder volumetoename en zonder slip zijn hier ongeveer 263 omwentelingen voor nodig. Zelfs als er met een zekere volumetoename wordt gerekend (volgens de monsternames onder graafkamerdruk ca. 30% tot 50%) dan is er nog steeds sprake van enige slip.

Figuur 38: Het gebruik van de schuifafsluiter op de schroeftransporteur.

Zoals reeds in het begin van deze paragraaf is gemeld is er naast de besturing met de schroefrotaties of met de grondpompen nog een derde mogelijkheid om het grondafvoerdebiet te regelen: door de schuifafsluiter actief te bedienen en als smoorklep te gebruiken. Met actief bedienen wordt bedoeld dat deze niet simpelweg wordt geopend om grond door te laten, maar continu wordt bediend met het oog op drukregeling. Om na te gaan wanneer deze


oktober 2001

bedrijfstoestand is gebruikt zijn in figuur 38 twee grafieken weergegeven. De bovenste grafiek geeft de gemiddelde stand van de geopende afsluiter tijdens voortgang. De onderste grafiek geeft een waarde voor de ‘activiteit’ van de afsluiter. Dit is gedefinieerd als de relatieve extra weglengte die de afsluiter heeft afgelegd bovenop de beweging die noodzakelijk zou zijn voor het eenmalig openen en sluiten. Een activiteit van 0 wil dus zeggen dat de afsluiter slechts op een constante opening is gezet tijdens de graafslag. Dit blijkt meestal samen te gaan met een vrij hoge gemiddelde stand. Voor die ringen is de drukregeling voor het graven hoogstwaarschijnlijk met alleen de schroef gebeurd. Opvallend is dat de periodes met een verhoogde activiteit vaak samengaan met een zeer geringe gemiddelde stand van de afsluiter. In die gevallen is de afsluiter actief als smoorklep gebruikt. De schroeftransporteur zoals gebruikt in de Botlek-TBM lijkt zich met de verschillende bedrijfstoestanden goed te kunnen aanpassen aan wisselende omstandigheden voor het graafproces. 4.2

Drukafbouw

Als het gebruik van de grondpompen buiten beschouwing gelaten wordt, dan zal het drukverschil tussen de graafkamer en de tunnel worden afgebouwd in de schroeftransporteur. Om hierin inzicht te verkrijgen zijn een aantal (extra) drukopnemers over de van de schroeftransporteur geplaatst. Dit is weergegeven in figuur 39, waarin naast de BTC- en COBopnemers op de mantel van de schroeftransporteur, ook de afmetingen van de graafkamer en de meetniveau’s van de opnemers op de drukwand zijn weergegeven.

Figuur 39: De schroeftransporteur, met locaties drukopnemers en de meetniveaus in de graafkamer

In figuur 40 is de drukafbouw als functie van de tijd weergegeven voor ring 813-zuidbuis. De plaatsing van de opnemers is terug te vinden in figuur 39 waarbij op een lengte van 0 m de waarde van opnemer 5 in de graafkamer is gebruikt. Tijdens het graven (tot ca. 60 minuten) is zowel de rotatiesnelheid van de schroef als de stand van de afsluiter gebruikt voor de drukregeling. Opvallend is de grote sprong tussen de graafkamerdruk en de eerste drukmeting op de schroefmantel: gemiddeld ca. 130 kPa. Dit is een beeld wat ook terugkomt bij andere ringen.

oktober 2001



45

Verder is het verloop van de drukafbouw zowel tijdens voortgang als tijdens stilstand vrij gelijkmatig.

Figuur 40: Ring 813-zuidbuis: de drukafbouw in de schroeftransporteur (inclusief opnemer 5 in de graafkamer).

Om aan te geven dat de drukval tussen graafkamer en het begin van de schroeftransporteur een steeds terugkomend fenomeen is, wordt in figuur 41 de drukafbouw tijdens voortgang tussen graafkamer, het voorste deel en het achterste deel van de schroef weergegeven (voor de noordbuis). Verder is in deze figuur, aan de hogere druk achterin de schroeftransporteur, goed te zien wanneer er gebruik gemaakt is van de grondpompen of van afsluiter als smoorklep (vergelijk met de figuren 37 en 38).

Figuur 41: Noordbuis: de drukafbouw in de schroeftransporteur, met de drukopnemers in de graafkamer (PE4 en PE5), en respectievelijk voor- (BTCV en COB1) en achterin (BTCH) de schroeftransporteur.

Een verklaring voor de grote drukval aan het begin van de schroef is niet direct te geven, maar wel is duidelijk dat hierdoor de drukafbouw in de rest van de schroef flink wordt gereduceerd.


oktober 2001

Figuur 42 geeft ter illustratie twee foto’s van de overgangssituatie tussen graafkamer en schroeftransporteur.

Figuur 42: De ingang van de schroeftransporteur, vanuit de graafkamer (links: schroef ingetrokken; rechts: vermoedelijke bedrijfstoestand).

Tot slot van deze paragraaf worden in figuur 43 en figuur 44 voorbeelden gegeven van het momentane drukverloop in de schroeftransporteur bij respectievelijk het gebruik van de grondpompen en het gebruik van de schuifafsluiter als drukregelaar (zonder schroefrotaties). In het eerste geval is goed te zien dat de druk aan het einde van de schroef niet reduceert tot 0 kPa en dat de druksprong aan het begin van de schroef vrijwel afwezig blijkt. Er was bij deze ring sprake van een zeer vloeibare grondbrij. Het tweede geval laat qua drukafbouw eigenlijk geen bijzonder beeld zien, ondanks de afwezigheid van schroefrotaties.

Figuur 43: Ring 321-zuidbuis: de drukafbouw in de schroeftransporteur (inclusief opnemer 5 in de graafkamer), grondafvoer met de grondpompen.

oktober 2001



47

Figuur 44: Ring 432-noordbuis: de drukafbouw in de schroeftransporteur (inclusief opnemer 5 in de graafkamer), drukregeling met de afsluiter zonder schroefrotaties.


oktober 2001

oktober 2001



5

49

Poriëndrukmetingen graafkamer

De poriëndrukopnemers (ook wel waterspanningsopnemers) in de drukwand van de graafkamer zijn speciaal ontwikkeld in het kader van het F300-onderzoek. Ze hadden tot doel na te gaan of zich in de graafkamer een volledig gesuspendeerde grondbrij bevindt waarin geen drukoverdracht via korrel-korrelcontacten plaatsvindt. In dat geval zouden de poriëndrukmetingen gelijk moeten zijn aan de totaaldrukmetingen. Mocht dat niet het geval blijken, dan geeft dat een duidelijke indicatie over de samenstelling en eigenschappen van de grondbrij (onderzoeksvraag C). In dit hoofdstuk wordt eerst ingegaan op de kwaliteit van de poriëndrukmetingen (paragraaf 5.1) die wat problematisch is gebleken. Vervolgens wordt in paragraaf 5.2 getracht de verschillen tussen totaal- en poriëndrukmetingen te analyseren. Het meetsysteem zelf wordt niet beschreven. Hiervoor wordt verwezen naar andere F310-rapporten. 5.1

Toetsing en correctie van de metingen

De poriëndrukopnemers hebben gedurende het project niet altijd goed gefunctioneerd. Dit was overigens niet erg verassend aangezien het hier ging om een eerste poging tot het meten van een lastige grootheid onder zeer moeilijke omstandigheden. De problemen die zich hebben voorgedaan zijn onder andere: • • • • •

storingen van het spoelsysteem verstoppingen van de uitstroomopening tijdelijke uitval van de metingen ongevoeligheid voor drukschommelingen opmerkelijke stappen in de meetwaarden

Met name de laatste twee soorten meetproblemen zijn problematisch gebleken omdat ze zeer waarschijnlijk het gevolg zijn van elektronische storingen en zich bovendien niet laten correleren met andere gemeten grootheden. Bovendien is het voorkomen ervan zo wisselvallig dat van een systematische correctie geen sprake kan zijn. Vrijwel alle poriëndrukmetingen laten een positieve sprong van ca. 28 kPa zien kort nadat de graafslag is beëindigd. Kort voordat de voortgang voor de volgende ring weer wordt gestart, springen de poriëndrukmetingen weer terug met een zelfde orde van grootte naar een lagere waarde (zie figuur 45). Een enkele keer doet zich dit verschijnsel ook tussentijds voor. Zoals reeds is aangegeven is de oorzaak van deze sprong vrijwel zeker elektronisch. Als wordt aangenomen wordt dat één van de twee drukniveau’s correct is dan kan toch een schatting van de poriëndruk in de grondbrij worden gemaakt. Bij het beschouwen van metingen in een zeer vloeibare brij (waarbij vrijwel zeker is dat poriëndruk- en totaaldrukmetingen overeen zouden moeten komen) is gebleken dat de poriëndrukmeting tijdens stilstand correct is, en dat er tijdens voortgang sprake is van een (constante) nulpuntverschuiving 5.2

Interpretatie van de poriëndruk

In de vorige paragraaf is aangegeven hoe de poriëndrukmetingen, ondanks de elektronische meetproblemen, worden geïnterpreteerd. In deze paragraaf worden enkele conclusies verbonden aan deze metingen. In figuur 45 is een representatief voorbeeld gegeven van de drie poriëndrukmetingen in de graafkamer (ring 375-zuidbuis). In deze grafieken zijn de volgende zaken te zien:


oktober 2001

• met name bij opnemer 1 en opnemer 3 zijn de zeer regelmatige drukpiekjes van het spoelsysteem goed te zien; de tijdelijke overdruk daalt weer zeer snel tot een basisniveau • de in de vorige paragraaf genoemde sprongen in de metingen zijn goed te zien (na 77 min omhoog en na 149 min weer omlaag) • de gemeten poriëndrukken komen tijdens stilstand nagenoeg overeen met de totaaldrukken; na correctie van de druksprongen blijkt dit ook tijdens graven (status 1 en 2) het geval te zijn De laatstgenoemde waarneming blijkt geldig te zijn voor alle kwalitatief goede poriëndrukmetingen. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de grondbrij zich in een gesuspendeerde toestand bevindt. Dit geldt zelfs voor situaties waarbij uit de dagrapporten blijkt dat de grondbrij niet bijzonder vloeibaar is. Het antwoord op onderzoeksvraag C is, voor zover de metingen dat toelaten, bevestigend: er is sprake van een volledig gesuspendeerde grondbrij.

Figuur 45: Ring 375-zuidbuis: graafkamer- en poriëndrukmetingen boven, midden en onderin de graafkamer (meetniveau 1,3 en 5).

Tot slot van deze paragraaf wordt nog de aandacht gevestigd op een opmerkelijke waarneming die zich een enkele keer bij de combinatie van totaaldrukopnemer 5 en poriëndrukopnemer 3 heeft voorgedaan. De drukpieken die ontstaan bij het spoelen van de poriëndrukopnemers

oktober 2001



51

blijken namelijk terug te komen als zeer geringe negatieve drukpiekjes in de totaaldrukmeting met de Glötzl drukopnemer (zie figuur 46). Hiervoor is niet direct een verklaring voorhanden, anders dan de constatering dat er blijkbaar sprake is van een zeer lokale beïnvloeding van de drukmeting.

Figuur 46: Ring 810-zuidbuis: relatieve graafkamer- (pE5, groen) en poriëndrukmeting (pw3, blauw) onderin de graafkamer t.o.v. geschatte grondwaterdruk pgw.


oktober 2001

oktober 2001



6

53

Graafwielaandrijving

Centraal in dit hoofdstuk staat onderzoeksvraag D: wat kan door analyse van het aandrijfmoment van het graafwiel worden afgeleid over de (reologische) eigenschappen van de grondbrij? Om dit te beantwoorden wordt eerst gekeken welke factoren het aandrijfmoment beïnvloeden (paragraaf 6.1). Vervolgens wordt in paragraaf 6.2 onderzocht of de graafwielaandrijving gebruikt kan worden om een indicatie van de consistentie van de grondbrij te verkrijgen. 6.1

Invloed op het aandrijfmoment

Het aandrijfmoment van het graafwiel is afhankelijk van de weerstand die wordt ondervonden tijdens rotatie. Deze weerstand is grofweg te verdelen in: • snijkrachten: de voorkant van het graafwiel • mengweerstand: de achterkant van het graafwiel De snijkrachten zullen o.a. afhankelijk zijn van de penetratie van de beitels in het graaffront en dus van de voortgangssnelheid van de TBM. Dat er inderdaad een duidelijk verband bestaat tussen het aandrijfmoment en de graafsnelheid vs is te zien in figuur 47. Hierin is het gemiddelde aandrijfmoment voor aangehouden periodes van binnen bepaalde grenzen liggende voortgangsnelheden uitgezet voor de zuidbuis.

Figuur 47: Zuidbuis: aandrijfmoment graafwiel tijdens periodes van begrensde graafsnelheid.

Naast de voortgangssnelheid van het hele schild wordt de penetratie van de beitels in het graaffront ook beïnvloed door het, tijdens voortgang, tijdelijk uitduwen of terugtrekken van het graafwiel met behulp van de aandrukcilinders. Tijdens het project zijn dergelijke situaties regelmatig voorgekomen. In figuur 48 wordt daarvan een voorbeeld gegeven. Opvallend is de toename van het aandrijfmoment op het moment dat het graafwiel verder de graafkamer wordt ingetrokken. Op dat moment blijkt dat de invloed mengweerstand duidelijk groter is dan die van de snijkrachten. Het intrekken van het graafwiel heeft ook een verhoging van de drukmetingen onderin in de graafkamer tot gevolg (opnemers 4 en 5) en uitduwen een verlaging. Opvallend is dat de bovenste opnemers geen effecten van de axiale graafwielverplaatsing registreren (zie eveneens figuur 48).


oktober 2001

Figuur 48: Ring 834-noordbuis: aandrijfmoment graafwiel en graafkamerdrukken (opnemers 2 t/m 5, opnemer 1 is defect) tijdens axiale beweging van het graafwiel (intrekken: lichtgroen; uitduwen: rood).

Opvallend is dat het aandrijfmoment opmerkelijke schommelingen vertoont terwijl het graafwiel, op de details na, rotatiesymmetrisch is. Uit een snelle analyse is gebleken dat de achtereenvolgende pieken in het aandrijfmoment zijn gecorreleerd met de stand (hoek) van het graafwiel. Dit zou het gevolg kunnen zijn van een combinatie van de laagopbouw van de te ontgraven grond en de bouwtoleranties van het graafwiel waardoor de weerstand plaatselijk

oktober 2001



55

oploopt. De stand van het graafwiel waarbij de pieken voorkomen blijkt echter wel te variëren tussen periodes van continue voorgang. De weerstand is daarom, over meerdere ringen beschouwd, niet te verbinden aan één bepaalde stand van het graafwiel. Wellicht wordt deze wel beïnvloed door segregatie in de graafkamer en de stand van het graafwiel tijdens stilstand. 6.2

Het graafwiel als reometer

Uit de voorgaande paragraaf kan geconcludeerd worden dat de invloed van de snijkrachten en een mogelijke axiale beweging van het graafwiel moet worden uitgeschakeld wanneer alleen de mengweerstand wordt beschouwd om de consistentie van de grondbrij te verkennen. Om deze reden is er actief gezocht naar moment van aangehouden graafwielrotatie tijdens stilstand van de TBM (‘vrijloopmomenten’). Dit heeft over het gehele project beschouwd circa 750 momenten opgeleverd. Doordat het graafwiel steeds met ongeveer de dezelfde rotatiefrequentie heeft gedraaid is het echter vrijwel onmogelijk om uit dit soort momenten snelheidsafhankelijke (reologische) eigenschappen te ontlenen. Verder viel de zeer grote variatie in de gemeten aandrijfmomenten op. Omdat de monsternames zich niet lieten correleren met de vrijloop van het graafwiel is het onmogelijk gebleken te bepalen of het aandrijfmoment is te gebruiken voor reometrische doeleinden.


oktober 2001

oktober 2001



7

57

Incidenten en opmerkelijke waarnemingen

Dit hoofdstuk heeft betrekking op gebeurtenissen en waarnemingen die bij de start van het praktijkonderzoek niet verwacht werden, maar die nu wel als belangrijk binnen het onderzoek worden beschouwd. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen: • incidenten • opmerkelijke waarnemingen Een incident wordt in de context van dit rapport gedefinieerd als een eenmalige (of in ieder geval zeldzame) afwijking van het ‘normale’ of gewenste boorproces. Juist door afwijking van de norm kunnen dit soort momenten waardevolle extra informatie verschaffen over het boorproces. Incidenten zijn vaak moeilijk beheersbare situaties in het boorproces (zoals een blowout), besturingsfouten of mechanische defecten. Opmerkelijke waarnemingen zijn metingen die opvallen omdat ze sterk afwijken van een trend of patroon, of omdat ze niet lijken te stroken met (kwalitatieve) ideeën over het boorproces. Omdat het aantal als ‘incidenten’ aan te merken situaties zeer groot is en vrij veel bijzondere waarnemingen reeds in eerdere hoofdstukken aan bod gekomen zijn, wordt in dit hoofdstuk volstaan met een inventarisatie (paragraaf 7.1) en een analyse van de niveauverlagingen (paragraaf 7.2). 7.1

Inventarisatie

Het zoeken naar en inventariseren van per definitie onverwachte momenten en waarnemingen lijkt tegenstrijdig. Een algemene methode van aanpak is ook niet te geven, maar wel is aan te geven hoe die interessante momenten gevonden zijn: • uit momentane data

• ‘ringwaarden’

• evaluaties

• dagrapporten

• zoekroutines

: door veel grafieken met momentane metingen achter elkaar te bekijken, vallen afwijkingen vrij snel op; hetzelfde geldt voor het inzoomen op grafieken met momentane data en naar patronen te zoeken : gemiddelden per geboorde tunnelring beschouwd over het gehele alignement laten soms opmerkelijk afwijkende waarden zien, die dan meestal het gevolg blijken van een incident : tijdens het toetsen van de predictiemodellen met de metingen valt snel op als een bepaalde meting sterk afwijkt van de verwachtingen : systematische analyse van de dagrapporten levert veel incidenten op; opmerkelijk is echter dat sommige incidenten moeilijk zijn terug te vinden of niet zo bijzonder zijn als in de rapportage wordt gesuggereerd : het gebruik van zoekroutines om unieke combinaties van parameterwaarden op te sporen (bijvoorbeeld graafwielrotatie zonder voortgang)

Incidenten De volgende incidenten zijn mogelijk interessant voor nadere analyse. • ring 10163 • ring 10349 • ring 10357

: drukval tijdens ringbouw: ter correctie is het schild 200 mm voortbewogen zonder grondafvoer (niet gelogd); tevens voortgang zonder schuiminjectie : drukval tijdens ringbouw : lekkage schuimtoevoer en steundrukverlaging tot 175 kPa (dagrapport Z-108)


oktober 2001

• • • • • • • • • 7.2

ring 10383 ring 10440 ring 10452 ring 10462 ring 10878 ring 11031 ring 11173 ring 20305 ring 20742

: : : : : : : : :

uitvallen schuiminjectie en voortgang zonder grondafvoer ernstige verstopping en vastlopen graafwiel vastlopen graafwiel door gebrek aan schuim (dagrapport Z-130) tijdelijk zeer vloeibare grondbrij (dagrapport Z-136) problemen met schuifafsluiters van de schroeftransporteur schuimconditionering uitgeschakeld steundruk valt weg; 500 mm voortgang zonder grondafvoer opvallend drukval graafkamer (begin graafslag) breuk mantel schroeftransporteur

Niveauverlagingen

Tijdens een niveauverlaging (‘Absenkung’) voor de inspectie van het graafwiel en de graafkamer wordt het niveau van het steunmedium in de graafkamer verlaagd en wordt de frontondersteuning in het bovenste deel van de graafkamer overgenomen door luchtdruk. In het geval van een gronddrukbalansschild moet de grondbrij daarvoor eerst worden vervangen door een bentonietsuspensie. Hierdoor onstaat er direct voor en direct na de eigenlijke niveauverlaging een situatie waarbij zich vooral vloeibaar bentoniet in het graafsysteem bevindt, in plaats van de gebruikelijke grondbrij. Doordat bentoniet veel vloeibaarder is dan de grondbrij en bovendien een goed gedefinieerde hydrostatische drukverdeling veroorzaakt, kan deze bijzondere situatie gebruikt worden om een aantal metingen extra te controleren of deelprocessen te bestuderen. Mogelijkheden zijn: • de totaaldrukopnemers in de graafkamer controleren onder min of meer voorspelbare hydrostatische omstandigheden • hetzelfde geldt voor de drukopnemers in de schroeftransporteur • de poriëndrukopnemers in de graafkamer controleren • het graafwiel wordt tijdelijk teruggetrokken voor inspectie en draait in de bentoniet, wat mogelijkheden biedt voor de analyse van de krachtenbalans Bij het boren van de Botlekspoortunnel zijn op de volgende momenten niveauverlagingen geweest: • zuidbuis, ring 161 • zuidbuis, ring 420 • noordbuis, ring 421 In het vervolg van deze paragraaf worden de twee niveauverlagingen in de zuidbuis bestudeerd. De niveauverlaging tijdens ring 421-noordbuis is helaas niet gelogd. Zuidbuis, ring 161 Volgens het dagrapport (Z-071) zijn op 08-07-1999 drie mensen in de graafkamer geweest. Het exacte tijdstip is te bepalen uit de meetdata van het drukverloop in de graafkamer welke in figuur 49 is weergegeven (de totaaldrukmetingen 1 t/m 5). In deze figuur is goed te zien hoe tijdens de niveauverlaging de drukken pE1 en pE2 bovenin de graafkamer gelijk worden als gevolg van de uniforme drukverdeling in de luchtbel die zich daar dan bevindt. In figuur 50 is het drukverloop over de hoogte van de graafkamer getekend op het moment van de niveauverlaging waarin dit ook goed te zien is.

oktober 2001



59

Figuur 49: Ring 161-zuidbuis: totaaldrukmetingen 1 t/m 5 in de graafkamer tijdens de niveauverlaging.

Figuur 50: Ring 161-zuidbuis: drukverloop in de graafkamer tijdens de niveauverlaging.

Dat zich daadwerkelijk een vloeistof in de graafkamer bevond is te zien aan de lineaire drukverdeling en de zeer goede benadering die daarvan mogelijk bleek. De daaruit resulterende verticale gradiënt wordt gegeven in figuur 51. Een analyse van deze figuur levert echter een ook verwarrend beeld op. Ondanks de goede benadering blijkt de gradiënt namelijk een aantal vreemde sprongen te maken (bij 600 min. en bij 1360 min.) die niet direct zijn te relateren aan dichtheidsveranderingen in de graafkamer. In figuur 52 is het drukverloop over de hoogte van de graafkamer weergegeven op vier karakteristieke momenten rond de niveauverlaging (gemarkeerd als A t/m D). Tevens is in deze figuur de gradiënt behorende bij een dichtheid van 1220 kg/m3 (benadering op moment C) weergegeven. Hieruit blijkt dat de drukverdeling op moment B (tijdelijk) een steilere gradiënt vertoont dan bij A en C. Verder is goed de ‘knik’ in de


oktober 2001

drukgradiënt te zien tijdens de eigenlijke niveauverlaging (moment D). De belangrijkste waarneming is echter de grote gevoeligheid van de schatting van de drukgradiënt voor relatief geringe verschillen in de drukmeting waardoor geringe (lokale) afwijkingen in de graafkamerdruk een grote invloed hebben.

Figuur 51: Ring 161-zuidbuis: verticale gradiënt als indicator voor de niveauverlaging.

Figuur 52: Ring 161-zuidbuis: drukverloop in de graafkamer rond de niveauverlaging.

Zuidbuis, ring 420 Voor de niveauverlaging bij ring 420 (zuidbuis) zijn eveneens de totaaldrukmetingen (figuur 53) en het drukverloop over de hoogte van de graafkamer (figuren 54 en 55) weergegeven. Hiermee zijn vergelijkbare observaties te doen als voor ring 161. Alleen valt bij deze ring de zeer grillige drukverdeling op, die een goede schatting van de drukgradiënt en de dichtheid in de graaf-

oktober 2001



61

kamer in twijfel trekt. Voor dezelfde momenten A t/m D is in figuur 56 ook het drukverloop in de schroeftransporteur weergegeven. Hierbij is ook de gradiënt behorende bij een dichtheid van 1370 kg/m3 bepaald, die ter vergelijking ook in figuur 54 is afgebeeld.

Figuur 53: Ring 420-zuidbuis: totaaldrukmetingen 1 t/m 5 in de graafkamer tijdens de niveauverlaging.

Figuur 54: Ring 420-zuidbuis: drukverloop in de graafkamer rond de niveauverlaging.


oktober 2001

Figuur 55: Ring 420-zuidbuis: drukverloop in de graafkamer tijdens de niveauverlaging.

Figuur 56: Ring 420-zuidbuis: drukverloop in de schroeftransporteur tijdens de niveauverlaging, vergeleken met de hydrostatische drukgradiënt van bentoniet met een dichtheid van 1220 kg/m3.

oktober 2001



8

63

Berekeningen over het gehele tunneltracé

Door de gebruikte rekensoftware (Matlab) werd een grote flexibiliteit in het verwerken en visualiseren van de metingen bereikt. Hierdoor zijn berekeningen mogelijk zoals: • het berekenen van gemiddelden per procesfase of per statuswaarde (voorbeeld: graafkamerdrukken tijdens pauzes in het graafproces) • uitlichten van bepaalde momenten in het verloop van het boorproces (voorbeeld: de krachtenbalans direct na het voltooien van de ringbouw) • integreren van snelheden, debieten en rotatiefrequenties (voorbeeld: het aantal omwentelingen van de schroeftransporteur per meter voortgang) • berekenen van de tijd dat een bepaalde toestand geduurd heeft (voorbeeld: totale tijdsduur van onderbrekingen in het graafproces) • incidentenanalyse (voorbeeld: de momenten van voortdurende graafwielrotatie zonder voortgang) De bovenstaande berekeningen kunnen vrij gevoelig zijn voor vervuiling van de meetdata, wat een goede controle van de kwaliteit van de metingen vereist. Methode van aanpak Bij de berekening van waarden per ring is uitgegaan van de momentane meetdata, wat inhoudt dat in principe elke tijdens het project verzamelde meting ervoor gebruikt wordt. Om echter te zorgen voor representatieve en onderling vergelijkbare waarden, zijn de volgende bewerkingen uitgevoerd: • kwaliteitscontrole: alleen voldoende ‘gave’ meetbestanden en kwalitatief correcte metingen zijn verwerkt, met name voor het bepalen van integralen van meetgrootheden is een continue meting vereist; bestanden van ringen die hier niet aan voldeden zijn buiten beschouwing gebleven • selectie op basis van procestoestand : vanwege de grote hoeveelheid invloedsfactoren is het vaak van groot belang om alleen waarden mee te nemen bij een bepaalde procestoestand of -fase; dit vereist een selectie van punten of tijdsdomeinen waarop een gemiddelde of andere grootheid betrekking moet hebben Resultaten De resultaten van berekeningen over het gehele alignement zijn reeds in eerdere hoofdstukken gebruikt als ondersteuning van specifieke processtudies. Een grote verzameling van berekeningen over het gehele tracé is te vinden in de bijlagen.


oktober 2001

oktober 2001



9

65

Conclusies en aanbevelingen

Deze aanvullende data-analyse met betrekking tot het EPB-proces heeft vooral informatie opgeleverd over de waarneembaarheid van dit proces en, in mindere mate, over de regelbaarheid ervan. De waarneembaarheid is het vermogen de toestand van het proces af te leiden uit de beschikbare meetgegeven. Gebleken is dat de waarneembaarheid van het boorproces in het EPB-schild vrij slecht is: er valt slechts met grote moeite een betrouwbaar beeld te creëren van wat zich in de graafkamer en aan het boorfront afspeelt. Argumenten hiervoor zijn: • het blijkt moeilijk te beoordelen wat de kwaliteit is van de afzonderlijke drukmetingen in de graafkamer • de resultaten van de monstername’s laten zien dat de drukgradiënt in de graafkamer geen betrouwbare indicatie geeft van de dichtheid van de grondbrij (zie figuur 25; deelantwoord op onderzoeksvraag B) • de drukmetingen in de graafkamer geven waarschijnlijk geen goed beeld van de toestand op het graaffront • het aandrijfmoment van het graafwiel geeft geen betrouwbare indicatie over de toestand van de grondbrij in de graafkamer (antwoord op onderzoeksvraag D) Naast deze beperkingen zijn er ook een aantal interessante waarnemingen gedaan die, indien voldoende begrepen, de waarneembaarheid van het boorproces juist zouden kunnen verbeteren: • er is sprake geweest van segregatie in de graafkamer • zowel de poriëndrukmetingen (voor zover beschikbaar) als de monsternames uit het midden van de graafkamer duiden op een volledig gesuspendeerde grondbrij, dus géén korrel-korrelcontacten (antwoord op onderzoeksvraag C) • het terugveren van de TBM tijdens ringbouw heeft soms ook stapsgewijze afname van de drukmetingen in het onderste deel van de graafkamer tot gevolg, wat zou kunnen duiden op een relatief stijve (niet gesuspendeerde) grondbrij aldaar • door de schuiminjectie wordt er grondwater verdrongen, maar er is geen sprake van een volledige vervanging van grondwater door schuim (deelantwoord op onderzoeksvraag A) • het water dat met het schuim wordt geïnjecteerd mag niet verwaarloosd worden bij de verdringing van grondwater (ligt in dezelfde orde van grootte) • er verdwijnt over het algemeen schuim in de grond rond de TBM, soms grote hoeveelheden • er geen verband gevonden de hoeveelheid schuim die wordt geïnjecteerd en de samenstelling van de grondbrij; deze constatering maakt het onmogelijk om in het algemeen de invloed van schuiminjecties op het boorproces te bepalen (antwoord op onderzoeksvraag E) • de axiale kracht op het graafwiel kan als indicator worden gebruikt voor de mate van mechanische frontondersteuning • de geschatte component mechanische ondersteuning varieert van verwaarloosbaar tot een orde van grootte van 50 kPa • tijdens ringbouw wordt de mechanische frontondersteuning gereduceerd, vaak tot nulniveau; dit lijkt te worden veroorzaakt door het enkele millimeters terugveren van de TBM


oktober 2001

• het aandrijfmoment van het graafwiel blijkt duidelijke afhankelijk van de graafsnelheid, maar de verhouding tussen snijd- en mengweerstand lijkt sterk afhankelijk van de omstandigheden • er bestaat, afhankelijk van de consistentie van de grondbrij, een duidelijke invloed van de graafwielrotatie op de drukverdeling in de graafkamer • het verloop van de drukafbouw in de schroef blijkt zeer sterk te variëren van ring tot ring • er is vaak sprake van een opvallend grote drukval tussen het onderste deel van de graafkamer en het eerste deel van de schroeftransporteur • de schroeftransporteur kent, afhankelijk van de consistentie van de grondbrij, meerdere bedrijfstoestanden die de robuustheid van het systeem vergroten Bij de data-analyse is zowel de grote variatie in de waarnemingen, als de grote verscheidenheid aan procesinvloeden opgevallen. De verschillen tussen achtereenvolgende ringen en tussen beide tunnelbuizen onderling zijn soms spectaculair, wat alleen een gevolg kan zijn van de besturing van het boorproces. Dit duidt op een aanzienlijke marge voor procesoptimalisering, maar vormt ook een grote moeilijkheid bij de analyse van de metingen om fysisch inzicht te krijgen. Aanbevelingen De algemene aanbeveling met betrekking tot de ontwikkeling van het EPB-concept is, het vergroten van de waarneembaarheid ervan. Dit zal deels moeten gebeuren door meettechnieken te ontwikkelen en deels door de proceskennis op te bouwen. Vooral de soms subtiele waarnemingen zoals kleine druksprongen of de invloeden van graafwielrotatie op de drukmetingen, zouden tot zeer waardevolle empirische indicatoren m.b.t. het boorproces kunnen worden uitgewerkt. Algemene aanbevelingen zijn: • de uitvoerder van de data-analyse moet bij voorkeur zelf proeven in de TBM hebben uitgevoerd • een snelle analyse van metingen tijdens de uitvoering van het project is gewenst • de te meten grootheden moeten gekozen worden vanuit het perspectief van de waarneembaarheid van het proces, zodat er geen invloedsfactoren structureel ‘buiten beeld’ blijven • voor de analyse van het boorproces zijn twee methodes aan te bevelen: 1. het zeer nauwgezet ontleden van de gebeurtenissen in de tijd per individuele ring, waarbij alle invloedsfactoren systematisch worden behandeld 2. het analyseren van alle ringen in het project, waarbij echter zeer strenge selectiecriteria worden toegepast om zoveel mogelijk variabele invloedsfactoren uit te sluiten, want het grote aantal invloedsfactoren maken de resultaten diffuus • bij EPB-machines de redundantie in de drukmeting in de graafkamer optimaliseren, door bijvoorbeeld drukopnemers in clusters van drie stuks te monteren • eventuele monsternames uit de graafkamer zouden op verschillende hoogtes moeten worden uitgevoerd, met een simpel en zeer robuust maar meettechnisch nauwkeurig systeem

oktober 2001



Bijlagen De bijlagen bevatten een aantal grafieken van berekeningen over het gehele tunnelalignement. Hierover zijn de volgen opmerkingen te maken: • de bolletjes, eventueel onderling verbonden door dunne lijnen, geven de berekende grootheid voor één bepaalde ring weer; de ringen waarbij de metingen ontbraken of van onvoldoende kwaliteit bleken om de desbetreffende grootheid te berekenen zijn niet weergegeven • de dikke continue lijn is een trendlijn die bepaald is met een ‘moving average’-functie; hoewel deze bewerking strikt genomen niet correct is voor dit type data bleek deze trendlijn wel prettig bij het bekijken van de grafieken • in een aantal grafieken zijn verticale oranje lijnen gebruikt om met Romeinse cijfers gemarkeerde gebieden met bepaalde grondcondities aan te geven (zie tabel 1) • de blauwe verticale lijnen zijn gebruikt om de oevers van de Oude Maas aan te geven Overzicht van de grafieken: 1. alignement Botlekspoortunnel 2. gemiddelde graafkamerdruk tijdens voortgang (status 2): bepaald met lineaire benadering van de drukmetingen 3. graafkamerdruk per helft van de graafkamer (rechts: opnemers 1 t/m 5, links: 5 t/m 9) 4. benadering van de verticale drukgradiënt in de graafkamer tijdens graven 5. gemiddelde graafsnelheid tijdens voortgang (status 2) 6. totaal aantal schroefrotaties en slagen dikstofpompen (samen) tijdens voortgang 7. drukval in de schroeftransporteur (gerekend vanaf de graafkamer) 8. schuiminjectieratio (FIR) en -expansieratio (FER) tijdens voortgang 9. graafwiel: gemiddelde rotatiefrequentie 10. graafwiel: gemiddeld aandrijfmoment tijdens voortgang en een schatting van de variatie in het aandrijfmoment 11. graafwiel: gemiddelde aandrukkracht 12. totale afzetkracht 12. componenten krachtenbalans 14. ontleding krachtenbalans (zonder hydraulische verliezen)


(1 grafiek) (1 grafiek) (4 grafieken) (2 grafieken) (2 grafieken) (2 grafieken) (2 grafieken) (2 grafieken) (1 grafiek) (2 grafieken) (1 grafiek) (1 grafiek) (2 grafieken) (2 grafieken)

oktober 2001

oktober 2001


Aanvullende data−analyse F310

Alignement Botlekspoortunnel maaiveld 10

N.A.P.

I

II

tunnelas

III

IV

tunnelmantel

V

VI

VII

VIII

IX

X

5

0

niveau t.o.v. NAP [m]

−5

−10

−15

−20

−25

−30

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

ringnummer TU Delft, Sectie Baggertechnologie

oktober 2001

Aanvullende data analyse F310

Graafkamerdrukken: gemiddelde waarde tijdens graven zuidbuis

noordbuis

grondwaterdruk

500

450

400

350

druk [kPa]

300

250

200

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafkamerdrukken tijdens voortgang pE1

pE2

zuidbuis pE3

pE4

pE5

500

450

400

350

druk [kPa]

300

250

200

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafkamerdrukken tijdens voortgang − zuidbuis pE9

pE8

pE7

pE6

pE5

500

450

400

350

druk [kPa]

300

250

200

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafkamerdrukken tijdens voortgang − noordbuis pE1

pE2

pE3

pE4

pE5

500

450

400

350

druk [kPa]

300

250

200

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafkamerdrukken tijdens voortgang − noordbuis pE9

pE8

pE7

pE6

pE5

500

450

400

350

druk [kPa]

300

250

200

150

100

50

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Verticale Drukgradiënt graafkamer (benadering): gemiddelde waarde tijdens graven zuidbuis 30

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

28

26

24

22

drukgradi nt [kPa/m]

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Verticale Drukgradiënt graafkamer (benadering): gemiddelde waarde tijdens graven zuidbuis 30

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

28

26

24

22

drukgradi nt [kPa/m]

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafsnelheid zuidbuis 80

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

75 70 65 60

gemiddelde graafsnelheid [mm/min]

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Gemiddelde graafsnelheid zuidbuis 80

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

75 70 65 60

gemiddelde graafsnelheid [mm/min]

55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Grondafvoer: slagen dikstofpompen / totaal aantal schroefrotaties zuidbuis

noordbuis

4000

slagen grondpompen

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1400 1300 1200 1100

totaal aantal schroefrotaties

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0


oktober 2001


Grondafvoer: slagen dikstofpompen / totaal aantal schroefrotaties zuidbuis

noordbuis

4000

slagen grondpompen

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1400 1300 1200 1100

totaal aantal schroefrotaties

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0


oktober 2001


Drukval schroeftransporteur

Zuidbuis

PE

PE

5

BTC

4

COB

V

BTC

1

H

500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300

druk [kPa]

280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Drukval schroeftransporteur − Noordbuis PE

PE

5

BTC

4

COB

V

BTC

1

H

500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300

druk [kPa]

280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Schuiminjectie

FIR en FER tijdens voortgang zuidbuis

1.6

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

1.4 1.2

FIR

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

50 45 40 35

FER

30 25 20 15 10 5 0


oktober 2001


Schuiminjectie − FIR en FER tijdens voortgang zuidbuis 1.6

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

1.4 1.2

FIR

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

50 45 40 35

FER

30 25 20 15 10 5 0


oktober 2001

K300DSp_r_GWrotfreq.m (1.00)

28−Jun−2001 22:08:33

Graafwiel: rotatiefrequentie

gemiddelde en variatie (tijdens voortgang)

zuidbuis

noordbuis

1.80 1.70 1.60

gemiddelde draaisnelheid [omw/min]

1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10

variatie draaisnelheid [omw/min]

0.00

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00

ringnummer ir. Joost F.W. Joustra


Graafwiel: aandrijfmoment

gemiddelde en variatie (tijdens voortgang)

zuidbuis

noordbuis

14000 13000 12000

gem. aandrijfmoment [kNm]

11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

3000 2500

variatie

2000 1500 1000 500 0


oktober 2001


Graafwiel: aandrijfmoment − gemiddelde en variatie (tijdens voortgang) zuidbuis

noordbuis

14000 13000 12000

gem. aandrijfmoment [kNm]

11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

3000 2500

variatie

2000 1500 1000 500 0


oktober 2001


Totale afzetkracht: gemiddelde waarde tijdens graven zuidbuis 50000

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

45000

40000

35000

kracht [kN]

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

Oude Maas

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Aandrukkracht graafwiel: gemiddelde waarde tijdens graven zuidbuis 15000

noordbuis

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

14000

13000

12000

11000

10000

kracht [kN]

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Axiale krachtenbalans: belangrijkste componenten (metingen) − zuidbuis afzetkracht: F

frontdruk: F

s

50000

graafwiel: F

p

I

II

cw

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

45000

40000

35000

kracht [kN]

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

Oude Maas

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Axiale krachtenbalans: belangrijkste componenten (metingen) afzetkracht: F

frontdruk: F

s

50000

noordbuis graafwiel: F

p

I

II

cw

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

45000

40000

35000

kracht [kN]

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

Oude Maas

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Axiale krachtenbalans: ontleding − zuidbuis afzetkracht: F

frontdruk: F

s

50000

ctc = 1 ccw = 1

aanzetkracht: F

p

I

II

mantelwrijving: F

cw,p

III

IV

V

sf

VI

VII

VIII

IX

X

45000

40000

35000

30000

kracht [kN]

25000

20000

15000

10000

5000

0

5000

10000

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001


Axiale krachtenbalans: ontleding − noordbuis afzetkracht: F

frontdruk: F

s

50000

ctc = 1 ccw = 1

aanzetkracht: F

p

I

II

mantelwrijving: F

cw,p

III

IV

V

sf

VI

VII

VIII

IX

X

45000

40000

35000

30000

kracht [kN]

25000

20000

15000

10000

5000

0

5000

10000

Oude Maas 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200


oktober 2001

het EPB-proces Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek concept: commissie F310 ir. J.F.W. Joustra oktober 2001

Recommend Documents