F F512. Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart. Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase

EINDRAPPORT F512-07-03

F512 Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase

EINDRAPPORT F512-07-03

F512 Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase

Auteur Ir. Q.C. de Rijke

Fotografie omslag Ton Poortvliet

Vormgeving Sirene Ontwerpers

Druk Europoint

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 COB. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uit gave 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. ‘Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase’, 2008, Stichting COB, Gouda.”

Aansprakelijkheid COB en degenen 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 onvolle digheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en COB sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan deze uitgave hebben meege werkt, 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 COB en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.

ISBNnummer 978-90-77374-21-4

Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart

Samenvatting Achter de tunnelboormachine (TBM) vormen de ringen een tunnelbuis die is ingebed in grout en grond. Op deze tunnelbuis wordt aan de voorzijde door de TBM een normaalkracht, een moment en een dwarskracht uitgeoefend. De ringen achter de TBM ondervinden een belasting door grout, grond en grondwater, waarbij de grond zelf ook als oplegging in de vorm van een bedding fungeert. Een ring die net de TBM heeft verlaten, drijft in het vloeibare grout. Dit vloeibare grout kan door neerwaartse groutstroming weerstand bieden tegen de verplaatsingen van de ring. Daarnaast wordt er weerstand geboden door krachtsoverdracht naar enerzijds de TBM en anderzijds de naastgelegen ringen van de tunnelbuis en het verderop reeds verharde grout. De ringen achter de TBM moeten dus samenwerken om een evenwichtsituatie te bereiken. Deze samenwerking wordt liggerwerking genoemd. Het onderzoek van COB-commissie F512 heeft zich gericht op de liggerwerking achter de tunnelboormachine tijdens de bouwfase van de Boortunnel Groene Hart. De verplaatsingen en vervormingen van de tunnel, de spanningen in de tunnellining en de groutdruk op de buitenkant van de tunnelbuis zijn in het onderzoek de speerpunten geweest. De volgende onderdelen zijn in het onderzoek doorlopen: 1. Maken van predicties van de verticale verplaatsingen van een onderhoudsschacht in het tunneltracé; 2. Opstellen van een meetplan voor de metingen bij de Boortunnel Groene Hart, plaatsen van de meetinstrumenten, uitvoeren van de metingen en het samenstellen van de meetrapporten; 3. Beoordelen en controleren van de meetresultaten; 4. Evaluatie van de meetresultaten middels modelleringen; 5. Opstellen eindrapportage. De uitgevoerde predicties van de verticale verplaatsingen van een onderhoudsschacht in het tracé onder invloed van het veranderen van gewicht tijdens het bouwproces van de schacht, voorspelden slechts kleine verplaatsingen. Er ontstond nauwelijks liggerwerking in de tunnel door het verplaatsen van de onderhoudsschacht. Dit was reden om het onderzoek te richten op de liggerwerking in de tunnel achter de tunnelboormachine (TBM) tijdens de bouwfase. De liggerwerking in de tunnel is onderzocht door verschillende metingen uit te voeren: • verplaatsingen en hellingen (rotaties) van de tunnelbuis; • ovalisatievervormingen van de tunnelbuis; • rekken in de tunnelsegmenten; • groutbelastingen op de tunnelwand; • waterspanningen in de omgeving van de tunnelbuis; • maaivelddeformaties. De meetresultaten zijn samengevat in meetrapporten waarbij bleek dat niet alle metingen vlekkeloos zijn verlopen als gevolg van uitvoeringsaspecten en de betrouwbaarheid van de meetinstrumenten. Over de uitvoering van de metingen worden vervolgens aanbevelingen gedaan. Een pre-evaluatie is uitgevoerd om de meetresultaten te beoordelen en te controleren op consistentie.

3

Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase

Vervolgens zijn de meetresultaten geëvalueerd. Enerzijds zijn de evaluaties voor enkele typen meetresultaten uitgevoerd door de resultaten te bestuderen en de gevonden fenomenen te verklaren. Met name de hellingmetingen (rotaties van de tunnel) en de rekmetingen bleken hierbij meer informatie te verschaffen dan op het eerste gezicht zou worden verondersteld. Anderzijds zijn verschillende typen meetresultaten geëvalueerd aan de hand van modellen. Ten aanzien van de liggerwerking achter de TBM zijn twee modellen gebruikt: • Een EEM-model waarin de tunnel als een ééndimensionale buig- afschuifligger (deels) op een elasto-plastische bedding is gemodelleerd en een gefaseerde uitbouw van de tunnelringen wordt gesimuleerd; • Een analytisch model, geïmplementeerd in een Excel-werkblad, waarbij de tunnel is gemodelleerd als een ééndimensionale ligger (deels) op een elastische bedding, waarbij tevens met een gefaseerde uitbouw van de segmenten kan worden gerekend. Met verschillende modellen betreffende het gedrag van grout is onder andere onderzoek gedaan naar de consolidatie van grout (o.a. de invloed op de grondwaterstroming) en de vorming van de groutcake, de stroming van het grout direct achter de TBM en de omhoog gerichte verticale belasting van het grout. Aan het eind van het rapport is een evaluatie van het onderzoek gegeven en zijn de belangrijkste conclusies en aanbevelingen samengevat.

4


Summary Behind the tunnel boring machine (TBM) the rings form a tunnel lining that is embedded in grout and soil. The TBM exerts a normal force, a bending moment and a shear force on the lining. The tunnel rings behind the TBM experience a load through the grout, ground and ground water, but the ground also acts as a support medium. A ring that has just left the TBM floats in the fluid grout that has hardly any stiffness and offers resistance to tunnel displacements due to downward grout flow. Furthermore, resistance is offered by force transfer to the TBM and the adjacent rings of the tunnel lining and the hardened grout further down the tunnel. The rings thus have to cooperate to create equilibrium. This cooperation is called beam action. The focus of the research of COB-committee F512 was aimed at the beam action behind the TBM during the construction phase of the Boortunnel Groene Hart (bored tunnel in the Groene Hart in the Netherlands). Important issues in the research were the displacements and deformations of the tunnel, stresses in the tunnel lining and the grout pressure at the exterior of the tunnel tube. The research consisted of the following phases: 1. Execution of predictions of the vertical displacements of an escape shaft in the planned route of the tunnel; 2. Composition of a measuring plan, placement of the measuring instruments, execution of the measurements and composition of the measuring reports; 3. Assessment and check on the measurement results; 4. Evaluation of the measurement results by means of modelling; 5. Composition of the final report. The executed predictions (phase 1, see above) forecasted only small displacements and thus only little beam action was expected to occur. Therefore it was decided to aim the research at beam action in the tunnel behind the TBM. Beam action in the tunnel is researched by carrying out several measurements: • displacements and tilt angles of the lining; • ovalisation of the lining; • strains in de tunnel segments; • grout loads at the tunnel lining; • water pressures in the surroundings of the tunnel; • deformations of ground level. The results of the measurements are summarized in measurement reports. Not all measurements appeared to have impeccable results due to both execution aspects and the reliability of the measurement instruments. Recommendations on the execution of the measurements are discussed. A pre-evaluation is executed to assess and perform a check on the consistency of the measurement results for consistence. Furthermore the measurement results have been evaluated. On the one side, by studying several types of results and searching for explanations for phenomena found. Especially

5


the result of the tilt and strain measurement appeared to be much more informative than would be expected beforehand. On the other side several types of measurering results are evaluated using models. Two models were used to analyse beam action: • A finite element method model, in which the tunnel is modelled as a 1D shear and bending beam (partly) on an elasto-plastic support. Also phased construction of the tunnel rings is implemented; • An analytic model, implemented in an Excel worksheet. The tunnel is modelled as a 1D bending beam (partly) on an elastic support. Phased construction of the tunnel rings is implemented also in this model. Several models for the behaviour of grout are used to investigate the consolidation of the grout (for instance the influence of ground water flow), the formation of the grout cake, the flow of grout directly behind the TBM and the uplift loading of the grout on the tunnel. In the end of the report an evaluation of the research is given and the most significant conclusions and recommendations are summarized.

6


Inhoudsopgave Samenvatting

3

Summary

5

1 Introductie 1.1 1.2

1.2.1

1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.4

2 Boortunnel Groene Hart 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3.2

3.3

Projectbeschrijving Tracé Bodemprofiel Boortechnologie Tunnelconstructie Veiligheid

3 Praktijkonderzoek liggerwerking in de bouwfase 3.1

Het boren van tunnels in Nederland Praktijkonderzoek van het COB, GPB en DC Centrum Ondergronds Bouwen Gemeenschappelijk Praktijkonderzoek Boortunnels Delft Cluster Organisatie en achtergronden F510, F511 en F512 F510, praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart F511, deelcommissie Trillingen F512, deelcommissie Tunnelconstructie Leeswijzer

3.4 3.5 3.6

Deelprojectplan F512 Oorspronkelijke doelen Predicties en metingen verticale verplaatsingen onderhoudsschacht Definitieve onderzoeksdoelen Aanpak onderzoek Relatie met andere praktijkonderzoeken

4 Metingen aan tunnel en omgeving 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

4.7.1

Metingen Consortium Bouygues/Koop Meetprogramma en het meetveld Deformatiemetingen Drukmetingen Rekmetingen Meetveld Absolute verplaatsingmetingen segmenten Flesjeswaterpasmetingen Tiltmetingen Rekmetingen tunnelringen Groutdrukmetingen Meetmethoden en instrumentatie

11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 13 15 15 15 17 18 19 20 21 21 21 22 23 24 24 25 25 25 26 26 26 27 28 29 30 31 32 32

7


4.7.2 4.8 4.9 4.10 4.10.1 4.10.2 4.10.3

5 Meetresultaten

5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.5

Deformaties van de tunnel Verticale verplaatsingen (Total station, waterpasmetingen) Hellingmetingen Rekken in de tunnelwand Drukken rondom de tunnel Groutdrukken op de tunnellining Waterdrukken naast en boven de tunnel Deformaties van het maaiveld Leerpunten bij metingen

6 Modellering boortunnel 6.1

6.1.1

IJking groutdrukopnemers Waterspanningsmetingen Zettingsmetingen maaiveld Pré-evaluatie van de meetdata Dataverwerking Beoordeling van de meetresultaten Aanbevelingen t.a.v praktijkmetingen

6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3

Relatie groutdruk - wateroverspanning Metingen Discussie meetresultaten Modellering ter evaluatie Resultaten modellering Relatie groutdruk - verticale verplaatsing tunnel Modellering liggerwerking met EEM Vergelijking modellen liggerwerking COB-projecten Analytische modellering liggerwerking Ontwerpparameters liggerwerking Kwantificering van groutbelasting uit groutinjectiestrategie Kwantificering maximale verticale beweging in grout Ontwerpmethode liggerwerking

7 Evaluatie, conclusies en aanbevelingen 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5

7.5.6

7.5.7 7.6

Evaluatie onderzoek / Terugkoppeling met onderzoeksdoelen Evaluatie metingen / Terugkoppeling met meetopzet Evaluatie van de modellen Algemene conclusie en aanbevelingen Conclusie per deelonderwerp Verplaatsing onderhoudsschacht Momenten in de tunnel Krachtsoverdracht tussen TBM en tunnel Verplaatsingen / vervormingen tunnel Modelresultaten verplaatsingen / vervormingen tunnel Groutbelasting / opdrijfbelasting, zwichtspanning, verticale groutdrukgradiënt Groutconsolidatie, verharding Aanbevelingen

8

33 34 35 36 37 37 38 39 39 39 41 44 46 46 49 51 53 55 55 55 55 56 56 57 58 64 66 69 69 70 71 73 73 74 75 76 78 78 78 78 78 78 78 80 80


8 Literatuurlijst

8.1 8.2 8.3

Rapporten COB F512; Tunnelconstructie Boortunnel Groene Hart Rapporten andere COB-commissies Overige literatuur

Bijlage 1 Predicties verplaatsingen Onderhoudsschacht Bijlage 2 Leermomenten metingen

Bijlage 3 Deelnemers commissie F512

83 83 85 85 87 89 91

9


10


1 Introductie

1.1

Het boren van tunnels in Nederland Tunnels vormen belangrijke verbindingen in het infrastructuurnetwerk van Nederland; als oeververbinding onder waterwegen, in de stad om het straatniveau te ontlasten, het verhogen van de leefbaarheid in verband met luchtkwaliteit of geluid, óf tunnels om natuurgebieden te passeren zonder hinder te veroorzaken. Traditioneel worden tunnels in Nederland gebouwd met grote afzinkelementen bij vaarwegen of in een bouwput via het cut-and-cover principe. Sinds het begin van de jaren negentig wordt ook een andere techniek gebruikt, die in het buitenland al veel langer wordt toegepast: het boren van tunnels. Bij het boren van een tunnel graaft een grote cilindervormige machine, de tunnelboor machine (TBM), aan de voorzijde de grond weg. In de TBM wordt uit meerdere segmenten een tunnelring opgebouwd die samen met de reeds gebouwde ringen aan de achterzijde van de machine de tunnel vormt. Om voort te bewegen zet de TBM zich met behulp van vijzels af tegen de tunnellining. De tunnelsegmenten, andere b ouwmaterialen en grond worden door de tunnel aan en afgevoerd. De boortunnels met grote diameter die tot nu toe in Nederland zijn gebouwd zijn: 1. Tweede Heinenoordtunnel (eerste boortunnel in Nederland, tunnel voor langzaam verkeer onder Oude Maas); 2. Botlekspoortunnel (tunnel voor spoorverkeer in de Betuweroute onder de Oude Maas); 3. Sophiaspoortunnel (tunnel voor spoorverkeer in de Betuweroute onder de riviertakken de Rietbaan en de Noord); 4. Westerscheldetunnel (tunnel voor wegverkeer tussen Zuid-Beveland en Zeeuws Vlaanderen); 5. Tunnel Pannerdensch Kanaal (tunnel voor spoorverkeer in de Betuweroute onder Pannerdensch Kanaal); 6. Boortunnel Groene Hart (tunnel onder het Groene Hart voor de Hoge Snelheidslijn van Amsterdam naar Parijs). Op het moment van uitkomen van dit rapport zijn de volgende boortunnels in uitvoering of in voorbereiding: 1. Statentunnel (metrotunnel Rotterdam); 2. Hubertustunnel (verkeerstunnel Den Haag); 3. Noord-Zuidlijn (metrotunnel Amsterdam).

11


1.2

1.2.1

Praktijkonderzoek van het COB, GPB en DC Centrum Ondergronds Bouwen Het Centrum Ondergronds Bouwen (COB) is in 1994 gestart met het verwerven van kennis en kunde ten aanzien van het boren van tunnels in Nederland door middel van het opzetten en uitvoeren van grootschalige praktijkonderzoeken bij de Tweede Heinenoordtunnel en de Botlekspoortunnel. In de eerste periode van het COB (COB I - 1994-1999) was het onderzoek vooral gericht op het inhalen van de technologische kennisachterstand ten opzichte van het buitenland zoals Japan, Engeland en Duitsland. In de tweede fase van het COB (COB II - 2000-2004) is binnen het onderzoeks programma gekozen voor verdieping en verbreding; niet alleen de technische aspecten, maar ook de economische, juridische, ecologische, sociologische en psychologische aspecten en beleidslijnen in de keuzes die een rol spelen bij ondergronds bouwen zijn in COB II in kaart gebracht. Vanaf 2004 concentreert het COB zich op vier dossiers, te weten: • veiligheid; • ordening; • techniek; • (economische) duurzaamheid.

1.2.2

Gemeenschappelijk Praktijkonderzoek Boortunnels Vanaf het jaar 2000 zijn nieuwe praktijkonderzoeken bij boortunnels ondergebracht in het Gemeenschappelijk Praktijkonderzoek Boortunnels (GPB). Het doel van dit uitvoeringsgerelateerde onderzoek is om via metingen en experimenten de kennis te vergroten over het boren van tunnels met een grote diameter. Onder de paraplu van het GPB zijn grootschalige praktijkonderzoeken uitgevoerd ter plaatse van de Westerscheldetunnel, Sophiaspoortunnel, Tunnel Pannerdensch Kanaal en in de toekomst zal het onderzoek bij de Noord-Zuidlijn onder de noemer van het GPB worden uitgevoerd. Ook het praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart is onderdeel van het GPB. Aan het GPB nemen de volgende partijen deel: Managementgroep Betuweroute (ProRail), Projectorganisatie HSL-Zuid (Rijkswaterstaat), Projectbureau Noord-Zuidlijn (Gemeente Amsterdam, dienst IVV), Bouwdienst Rijkswaterstaat, Delft Cluster en het Centrum Ondergronds Bouwen.

1.2.3

Delft Cluster Delft Cluster (DC) is een open netwerk met een kern van zes kennisinstituten (TU Delft, GeoDelft, KIWA, TNO Bouw en Ondergrond, WL/Delft Hydraulics en Unesco IHE). De missie van Delft Cluster is het ontwikkelen en verspreiden van gevalideerde kennis voor de Grond-, Weg-, en Waterbouwsector waarmee de samenleving wordt voorzien van effectieve oplossingen voor problemen die zich voordoen in een rivierdelta zoals Nederland. Eén van de speerpunten van DC is het beheerst benutten van de ondergrond. Samen met het COB is in het consortium DC-COB een samenwerking aangegaan waardoor de kennis en het kennisnetwerk van het ondergronds bouwen zo effectief mogelijk worden benut.

12


1.3

Organisatie en achtergronden F510, F511 en F512 Door de projectorganisatie HSL Zuid en het COB is het initiatief genomen voor een praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart. De hoofddoelstelling hierbij is het verdiepen van de kennis en de ervaring op het gebied van boortunnels in het algemeen, gerelateerd aan de Boortunnel Groene Hart. Het praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart is met name een voortzetting van de onderzoeken gedaan bij de Tweede Heinenoordtunnel, de Botlekspoortunnel, d e Sophia spoortunnel en de Westerscheldetunnel en heeft zich geconcentreerd op twee aspecten: Trillingen en Tunnelconstructie. Voor deze beide aspecten zijn de deelcommissies F511 en F512 opgericht. F510 was de overkoepelende commissie. Organisatie en taken van de commissie worden in het onderstaande toegelicht.

1.3.1

F510, praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart F510 is de overkoepelende commissie praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart. De doelstelling van deze commissie was het verdiepen van kennis van het boorproces met als eindproduct een plan voor de inkadering en globale onderzoeksvoorstellen voor de thema’s trillingen en tunnelconstructie bij de Boortunnel Groene Hart. Uit de plannen van F510 zijn twee deelcommissies ontstaan, te weten: • deelcommissie trillingen (F511); • deelcommissie tunnelconstructie (F512).

1.3.2

F511, deelcommissie Trillingen In deelcommissie F511 zijn de trillingen onderzocht die de TBM en de transportwagens in de tunnel tijdens de bouw van de Boortunnel Groene Hart veroorzaken. Het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen van een protocol waarmee voldoende nauwkeurig trillingen op maaiveld en ter plaatse van bebouwing kunnen worden voorspeld. Dit onderzoek en het bijbehorende eindrapport zijn inmiddels gereed, zie referentie [21]

1.3.3

F512, deelcommissie Tunnelconstructie In deelcommissie F512 is onderzoek verricht naar de tunnelconstructie van de Boor tunnel Groene Hart. Kennisontwikkeling van het gedrag van de tunnelconstructie in de nabijheid van de tunnelboormachine was het hoofddoel van de commissie. Met name de liggerwerking van de tunnelbuis is in het onderzoek bestudeerd. Voor u ligt het afrondende eindrapport van het onderzoek.

1.4

Leeswijzer In hoofdstuk 2 wordt een impressie gegeven van de verschillende aspecten van de Boortunnel Groene Hart waarbij de bijzonderheden van het project worden belicht. Hoofdstuk 3 gaat in op het COB praktijkonderzoek waarvan het eindrapport voor u ligt. In hoofdstuk 4 wordt ingegaan op het meetveld en de diverse metingen verricht in de tunnel en in de omgeving daarvan. Hoofdstuk 5 gaat over de evaluaties van de metingen en hoofdstuk 6 gaat over de modelleringen die gebruikt zijn om de meetresultaten te evalueren. Hoofdstuk 7 geeft een evaluatie van het COB praktijkonderzoek F512 en hierin worden tevens de belangrijkste conclusies en aanbevelingen gepresenteerd.

13


14


2 Boortunnel Groene Hart

2.1

Projectbeschrijving De Boortunnel Groene Hart is onderdeel van de Hoge Snelheidslijn Zuid (HSL-Zuid) van Amsterdam naar Brussel en verder naar Parijs. Op het moment van bouwen was het met een externe TBM-diameter van 14,87 m de grootste boortunnel ter wereld. Door een wand te plaatsen in het midden van de tunnel zijn eigenlijk twee tunnels in één buis gerealiseerd, zie Figuur 1. De twee sporen zijn daardoor binnen dezelfde buis toch gescheiden. Dit is een innovatie voor de bouw van boortunnels geweest.

Figuur 1. Boortunnel Groene Hart van binnenuit (foto: Ton Poortvliet)

2.2

Tracé Vanaf het noorden loopt het tracé van de tunnel vanaf de Bospolder nabij Leiderdorp via een 713 m lange, deels gesloten toerit naar beneden en vervolgens door het 7155 m lange geboorde gedeelte van de tunnel. Bij het Westeinde bij Hazerswoude-Dorp komt de HSL vervolgens via de 768 m lange, ook deels gesloten toerit terug op maaiveldniveau, zie Figuur 2. De tunnel is gelegen in drie verschillende polders en kruist de rivieren de Does en de Oude Rijn, zie Figuur 3. De tunnelas ligt gemiddeld 25 m onder NAP en het maaiveld van de polders varieert van 2 m +NAP tot 5 m -NAP, zie Figuur 5.

15


Figuur 2. Lengteprofiel Boortunnel Groene Hart (bron: DPI)

Figuur 3. Tracé Boortunnel Groene Hart (bron: Rijkswaterstaat HSL-Zuid)

16


Verder omvat de tunnel drie onderhoudsschachten (zie Figuur 4 en Figuur 9) ter plaatse van het geboorde gedeelte en twee luchtschachten aan beide uiteinden op 500 m afstand van de overgang van het open naar gesloten gedeelte. Alle vijf de schachten hebben ook een functie als luchtschacht: doordat lucht naar buiten en naar binnen kan worden gezogen, kan vereffening plaatsvinden van de luchtdrukverschillen die optreden wanneer een trein met hoge snelheid de tunnel in rijdt.

Figuur 4. Onderhoudsschacht N11 (bron: Movares)

2.3

Bodemprofiel De bovenste lagen van de bodem ter plaatse van de Boortunnel Groene Hart bestaan tot ongeveer 10 tot 15 m beneden maaiveld (holocene pakket) uit kleilagen en veenafzettingen, zie Figuur 5. Op de overgang tussen het samendrukbare pakket en het daaronder liggende pleistocene pakket (NAP – 12 tot NAP -13 m), bevindt zich een veenlaag. Het pleistocene pakket bestaat uit zandlagen van matig fijn zand met daaronder zeer grof zand. De overgang tussen beide zandpakketten ligt tussen NAP – 25 m en NAP – 30 m. De bodem heeft een geohydrologisch meerlagensysteem van zoet, brak en zout water. Om het evenwicht van dit systeem niet te verstoren en verzilting van het landbouwgebied boven de tunnel te voorkomen, moest zorgvuldig gewerkt worden. De onderkant van de tunnel is voornamelijk gelegen in de tweede zandlaag (NAP -30 m tot NAP -33 m). De bovenkant van tunnel is gelegen in de eerste zandlaag.

17


Figuur 5. Geotechnisch lengteprofiel Boortunnel Groene Hart (bron: Rijkswaterstaat HSL-Zuid)

2.4

Boortechnologie De Aurora, zoals de tunnelboormachine van de Boortunnel Groene Hart is genoemd, heeft een lengte van 120 m en heeft 38 vijzels oftewel 19 vijzelparen die gezamenlijk een stuwkracht van 1840 MN kunnen leveren. De lengte van het boorschild is 12,4 m. Ten tijde van het boren van de tunnel was dit de grootste en meest geavanceerde TBM ter wereld, zie Figuur 6. Door middel van slurry wordt de grond aan het boorfront gesteund. Een specifiek kenmerk van het “Franse” tunnelboorsysteem waarvan de aannemerscombinatie gebruik maakte, is dat de voortstuwingsvijzels op ¼ en ¾ van de tangentiële lengte van de segmenten wordt geplaatst, zie Figuur 7. Dit wijkt af van de vijzelconfiguratie van eerder geboorde tunnels in Nederland, waarbij de vijzels over de twee langsvoegen en in het midden van het segment staan.

Figuur 6. De Aurora in de fabriek (foto: Paul Attard)

18


2.5

Tunnelconstructie De tunnellining is opgebouwd uit 2 m brede ringen elk bestaande uit 10 betonnen segmenten: 9 segmenten en een sluitsteen, zie Figuur 7. De dikte van de tunnelsegmenten bedraagt 0,6 m en de breedte 2 m. Bij de bouw van een nieuwe tunnelring groeit de tunnel dus 2 m. De uitwendige diameter van de tunnel is 14,87 m. De tunnelringen liggen in principe koud op elkaar: beton op beton, dus zonder triplex plaatjes of kaubit. Alleen op plaatsen met grote maatafwijkingen zijn vulplaatjes toegepast. Ook is geen kom-nok constructie op de segmenten aangebracht. Bij andere Nederlandse boortunnels werd dit vaak wel toegepast om dwarskrachtoverdracht tussen de ringen van de tunnel te garanderen. Bij de Boortunnel Groene Hart is echter genoeg wrijving tussen de ringen aanwezig om de dwarskracht over te kunnen dragen en liggen de ringen in zichzelf stabiel in de grond. De vijzelconfiguratie, waarbij beide vijzelparen geheel op het segment worden geplaatst, heeft tot gevolg dat een grote sluitsteen wordt toegepast met een grootte van de helft van een normaal segment.

Figuur 7. Vijzelconfiguratie Boortunnel Groene Hart (geen vijzelschoen over de voeg), het halfsteensverband is niet consequent toegepast

19


2.6

Veiligheid Aan de tunnelveiligheid is veel aandacht besteed. Hierbij stond de zelfredzaamheid van de reizigers centraal. Door het aanbrengen van een tussenwand met om de 150 m vluchtdeuren kunnen de passagiers in geval van een calamiteit in de ene buis vluchten naar de andere, veilige buis (Figuur 8). Op de binnenkant van de tunnel is een brandwerende laag aangebracht om schade aan de tunnel door brand te verminderen. Een ander aspect was de bereikbaarheid van de tunnel voor hulpverleners die optimaal geregeld is door allerlei voorzieningen in de onderhoudsschachten. Tot slot spelen ook de aangebrachte tunneltechnische installaties (TTI’s) een grote rol bij de veiligheid. Mechanische ventilatie zorgt ervoor dat bij brand de rook naar één zijde wordt getransporteerd.

Figuur 8. Doorsnede Boortunnel Groene Hart (bron: Movares)

20


3 Praktijkonderzoek liggerwerking in de bouwfase Door deelcommissie COB F512 is onderzoek gedaan naar liggerwerking. Liggerwerking in geboorde tunnels is het fenomeen dat deformatieverschillen en belastingverschillen zich voordoen in de richting van de tunnelas die leiden tot buigende momenten en dwarskrachten in de lengterichting. Belastingen en vervormingen in tangentiele richting worden aangeduid met ringwerking. Liggerwerking kan zowel tijdens de bouwfase als in de gebruiksfase van een boortunnel voorkomen: • In de bouwfase ondervindt de tunnel een veranderende belasting en vervorming in langsrichting t.g.v. het verharden van het grout en het verticaal verplaatsen van de tunnel, zie paragraaf 3.4. De eigenschappen van het toegepaste grout zijn hierbij van belang; • Gedurende de gebruiksfase kan de tunnel op een locatie waar deze niet ondersteund wordt door de grond maar door een hard oplegpunt, zoals een constructie (bijvoorbeeld een onderhoudsschacht), liggerwerking ondervinden wanneer het oplegpunt een verticale beweging ondergaat, zie paragraaf 3.3. De stijfheid van de grond en de stijfheid van de tunnel spelen in deze situatie een belangrijke rol.

3.1

Deelprojectplan F512 Het deelonderzoek tunnelconstructie (COB/F512) sluit aan bij de voorafgaande COB praktijkonderzoeken Tweede Heinenoordtunnel (COB/K100), Botlekspoortunnel (COB/ F300) en Sophiaspoortunnel (COB/F200). In deze praktijkonderzoeken is ook onderzoek op het gebied van liggerwerking uitgevoerd. Tevens is aangesloten bij de grootschalige proefopstelling van drie op elkaar geplaatste tunnelringen in het Stevinlaboratorium van de TU Delft en het onderzoek van Delft Cluster naar het gedrag van (verhardend) grout. Uit dit onderzoek is onder andere gebleken dat er nog een aantal kennislacunes aanwezig is ten aanzien van de liggerwerking achter de TBM en de grootte van de grouten grondbelasting die op de tunnel werkt (COB/L500). In het onderzoek F512 wordt op deze vraagstukken ingegaan.

3.2

Oorspronkelijke doelen In het oorspronkelijke projectplan is ervan uitgegaan dat een onderhoudsschacht in het tunneltracé (Figuur 9) tijdens de bouw in verticale richting verplaatst als gevolg van de veranderingen van het gewicht (ontgraven bouwput, water uitpompen, bouwen constructie in de bouwput). Omdat de tunnel aan de onderhoudsschacht verbonden is, zou de verticale verplaatsing leiden tot een opgelegde verplaatsing van de tunnel, hetgeen gepaard gaat met liggerwerking in de tunnelconstructie. Voordeel hiervan is dat de verticale verplaatsing van de bouwput eenvoudig te meten is en daardoor de liggerwerking in de tunnel goed te bestuderen is. Het grout rond de tunnel is in deze fase reeds verhard zodat de invloed van het vloeibare grout geen rol speelt; dit maakt het onderzoek eenvoudiger. De belasting op de tunnel wordt in deze fase bepaald door de spanningen in de grond.

21


De rol van het verhardende grout is onderzocht bij het COB onderzoek bij de Botlekspoortunnel (F340) en de Sophiaspoortunnel (F220/230). De oorspronkelijke doelstelling van het onderzoek was om de in werkelijkheid optredende liggerwerking te vergelijken met de vooraf berekende liggerwerking. Deze doelstelling bleek echter na de predicties en meetresultaten van de verticale verplaatsingen van de onderhoudsschacht niet haalbaar, zie paragraaf 3.3.

3.3

Predicties en metingen verticale verplaatsingen onderhoudsschacht Om te achterhalen of er liggerwerking optreedt, is onderzoek gedaan [2] naar het te verwachten verschil in verticale verplaatsing tussen de onderhoudsschacht bij de provinciale weg N11 en de boortunnel, zie Figuur 9. De predictie is gebaseerd op een Plaxis berekening waarvan de uitvoeringsfasering, de geometrie van de onderhoudsschacht en de toegepaste materialen zijn gemodelleerd. Hiertoe is de bodemopbouw in de omgeving van de schacht nader onderzocht. Een beschrijving van de predictie is opgenomen in Appendix I.

Figuur 9. Onderhoudsschacht in aanbouw (foto: Ton Poortvliet)

In het eerder uitgevoerde onderzoek COB/F210 “Zwel” zijn de verticale verplaatsingen van de startschacht van de Sophiaspoortunnel onderzocht aan de hand van metingen. De resultaten van dit onderzoek zijn gebruikt om de uitkomsten van de predicties van onderhoudsschacht N11 te vergelijken. De predicties en de vergelijking voorspelden een verticale verplaatsing van de onderhoudsschacht van slechts 5 tot 10 mm. De aannemer heeft tijdens de bouw van de schacht en de passage van de TBM metingen verricht naar de verticale verplaatsingen van de schacht [3], zie Figuur 10. De gemeten verplaatsingen blijken goed overeen te komen met de predicties, hetgeen op zich een mooi resultaat is.

22


Figuur 10. Gemeten verticale verplaatsingen bij onderhoudsschacht N11 (3 meetpunten)

De verwachting was dat het meten van liggerwerking in de tunnelbuis zeer weinig kans van slagen heeft bij deze geringe verplaatsingen. Er is daarom door de commissie in overleg met de Programma Advies Raad van het COB besloten om het onderzoek naar liggerwerking in het vervolg te concentreren op liggerwerking in de bouwfase van de tunnel achter de TBM, zoals beschreven in 3.4.

3.4

Definitieve onderzoeksdoelen Naar aanleiding van de resultaten van de predicties bij onderhoudsschacht N11 zijn het projectplan en de onderzoeksdoelen bijgesteld [1]. Gekozen is om het vervolg van het onderzoek te richten op de liggerwerking in de tunnelbuis achter de TBM waarbij het grout van invloed is op de krachtswerking in de tunnel. Liggerwerking tijdens de bouwfase ontstaat als volgt: • Direct na het plaatsen van een segment in een ring wordt deze in axiale richting door de voortstuwingsvijzels belast; • Vervolgens wordt de hele ring op dezelfde wijze opgebouwd; • De TBM boort verder en plaatst achter elkaar steeds nieuwe ringen zodat de ring langzaam uit de achterkant van de TBM schuift. Het plaatsen van ringen en het wegboren van grond is een afwisselend proces; • Tussen de tunnelringen en de grond perst de TBM grout om het verschil in diameter tussen de tunnel en de TBM op te vullen; • Het vloeibare grout vormt een belasting op de tunnel; • Na verloop van tijd is het grout uitgehard waarna de belasting op de tunnelwand bestaat uit gronddrukken; • Gedurende dit proces wordt de tunnelbuis vervormd (ovalisatie) terwijl tevens een verticale verplaatsing optreedt (opdrijven); • Op enige afstand achter de TBM is een situatie bereikt waarin verder geen verandering van betekenis meer optreedt. Het ongelijkmatig verplaatsen van de tunnelbuis in langsrichting door de verschillen in belastingen en de daarmee gepaard gaande krachten in de tunnelbuis wordt liggerwerking genoemd.

23


In het projectplan zijn de volgende kennislacunes geïdentificeerd: • grootte van de externe belastingen op de tunnel (radiaal, tangentieel, axiaal); • mate van verticaal verplaatsen van de tunnel; • gedrag van verhardend grout (stroming, drukverdeling); • ovalisatie van de tunnel (nauwkeurig); • plaatsingsonnauwkeurigheden van de segmenten; • dwarskrachtoverdracht tussen TBM en tunnelbuis. De doelstelling van het onderzoek F512 is om het in werkelijkheid optredende constructiegedrag achter de TBM te onderzoeken en dit te vergelijken met het berekende constructiegedrag. De eventueel gevonden verschillen moeten, zo mogelijk, worden verklaard.

3.5

Aanpak onderzoek In het aangepaste onderzoek zijn de volgende fasen doorlopen: • maken van een meetplan, het plaatsen van instrumenten en uitvoeren van metingen t.b.v. metingen van de: - verplaatsingen en hellingen (rotaties) van de tunnelbuis (paragraaf 4.3, 4.4, 4.5); - ovalisatievervormingen van de tunnelbuis (par. 4.3); - rekken in de tunnelsegmenten (par. 4.6); - belastingen op de tunnelwand (par. 4.7); - waterspanningen in de omgeving van de tunnelbuis (par. 4.8); - maaivelddeformaties (par. 4.7, 4.9); • beoordelen van de meetresultaten (par. 4.10) en besluitvorming over postdicties; • analyseren van de resultaten (hoofdstuk 5) en maken van postdicties in relatie tot de meetresultaten (hoofdstuk 6); • opstellen van het eindrapport.

3.6

Relatie met andere praktijkonderzoeken Liggerwerking is ook in voorgaande COB-onderzoeken een onderzoeksthema geweest. Bij de Tweede Heinenoordtunnel (COB/K100) zijn in de segmenten van twee ringen metingen verricht. De metingen zijn vergeleken met de resultaten van EEM-berekeningen. Met name ten aanzien van de liggerwerking achter de TBM zijn verschillen in de berekende en gemeten resultaten gevonden. Bij de Botlekspoortunnel (COB/F340) zijn in één ring metingen gedaan. Naar het gedrag van het grout wordt door Delft Cluster sinds enige tijd onderzoek gedaan. Een model van Delft Cluster, DCgrout, is onderdeel geweest in het onderzoek van F512. Stromingsgedrag en (radiale) drukverdeling van grout is onder andere in het kader van het praktijkonderzoek bij de Sophiaspoortunnel (COB/F220/230) met modellen berekend en getoetst aan de hand van metingen. In het onderzoek naar liggerwerking bij de Boortunnel Groene Hart (F512) is gebruik gemaakt van de opgedane kennis en de aanbevelingen van de voorgaande onderzoeken.

24


4 Metingen aan tunnel en omgeving Liggerwerking in geboorde tunnels is het fenomeen dat deformatieverschillen en belastingverschillen zich voordoen in de richting van de tunnelas die leiden tot buigende momenten en dwarskrachten in de lengterichting. Om de liggerwerking achter de tunnel boormachine (TBM) tijdens de aanleg van de Boortunnel Groene Hart te onderzoeken, zijn daarom gegevens nodig over: • de deformaties van de tunnelbuis • de belastingen die op de buis werken • de krachten in de tunnelbuis De gegevens kunnen worden verkregen door middel van metingen. In dit hoofdstuk wordt besproken wat voor soort metingen zijn uitgevoerd en om welke reden, hoe de metingen zijn uitgevoerd en de eventuele leerpunten die bij de uitvoering van de metingen naar voren zijn gekomen.

4.1

Metingen Consortium Bouygues/Koop In een vroeg stadium van het praktijkonderzoek is bekeken welke metingen de aannemer aan de tunnel zou doen om zo na te gaan of deze voor het onderzoek gebruikt zouden kunnen worden. De volgende metingen zijn relevant gebleken voor het onderzoek naar liggerwerking: • TBM-procesparameters, zoals vijzelkrachten, geïnjecteerd groutvolume etc.; • Meting luchtmaat tussen de achterkant van de TBM en de tunnel. Dit is voor elk segment op 1 plaats gemeten met een nauwkeurigheid van 2 mm, dus tussen -1 en +1 mm; • Verticale verplaatsing van de ring. Door middel van een laser is meerdere malen per ring gemeten wat de verticale verplaatsing is. De nauwkeurigheid is circa 3 tot 5 mm; • Ovalisering van de ring. Ten gevolge van de heersende drukken rond de tunnel zal deze ovaliseren. De mate van ovalisatie is per ring op 4 momenten in de tijd (of 4 posities achter de TBM) gemeten. De nauwkeurigheid is 4 mm; • Ringvoegopeningen en de verspringing tussen naast elkaar liggende segmenten. De verspringing tussen de segmenten groter dan 20 mm en voegopeningen groter dan 8 mm zijn gerapporteerd. De metingen geven een goed beeld van de vorm en de positie van tunnel achter de TBM. Echter, de nauwkeurigheid van deze metingen is niet groot genoeg voor de doelen van het onderzoek en zijn daarom niet gebruikt. De luchtmaatmetingen zijn wel bruikbaar om de positie van TBM t.o.v. de tunnel te bepalen.

4.2

Meetprogramma en het meetveld In aanvulling op de metingen die door de aannemer zijn uitgevoerd, heeft de commissie besloten zelf een aantal aanvullende metingen te doen om de liggerwerking achter de TBM te onderzoeken, zie paragrafen 4.2.1 t/m 4.2.4. Voor de uitvoering van de verschillende metingen is eerst voor elk type meting een meetplan opgesteld. Hierin is beschreven aan welke eisen de meetinstrumenten moeten

25


v oldoen, er is een keuze uit de leveranciers gemaakt en een beschrijving gegeven op welke manier de meetinstrumenten moeten worden geplaatst. De resultaten van de metingen zijn gebruikt bij het toetsen van de modellen in de evaluatiefase. 4.2.1.

Deformatiemetingen Er zijn vier soorten deformatiemetingen uitgevoerd: • absolute verplaatsingmetingen van de tunnel door middel van een Total station (paragraaf 4.3). Deze metingen geven in drie richtingen (x, y, z) de verplaatsingen van de tunnelsegmenten op discrete momenten in de tijd, oftewel op verschillende afstanden van de TBM. Met de resultaten van deze metingen kan zowel de verticale verplaatsing als de ovalisatie van de tunnel worden beschouwd; • verticale verplaatsingmetingen van de tunnel door middel van een waterpassysteem (paragraaf 4.4). Deze meting vindt continu plaats zodat ook kleine of periodieke verplaatsingsverschillen in de tijd zichtbaar worden; • hellingmetingen van de tunnel achter de TBM door middel van een EL-tiltmeter (paragraaf 4.5). Met deze metingen is continu van 4 segmenten achter de TBM de rotatie bepaald; • meting van maaivelddeformaties door middel van zakbaken en een Total Robotic Station (paragraaf 4.9).

4.2.2.

Drukmetingen De opstelling van drukmetingen bestaat uit: • groutdrukopnemers aan de buitenzijde van de tunnelwand; • waterspanningsmeters in de grond rondom het tracé. De radiale belastingen op de tunnel die optreden direct achter de TBM zijn gemeten door middel van groutdrukopnemers. De waterspanningsmetingen dienen om de invloed van de boorfrontdrukken en de groutdrukken op de waterspanning in de omgeving te bestuderen.

4.2.3.

Rekmetingen De rekmetingen bestaan uit: • rekmetingen in de segmenten in axiale richting; • rekmetingen in de segmenten in tangentiële richting. De rek in het beton kan worden omgerekend naar spanning. Uit de spanningen aan de binnen- en buitenzijde van een segment kunnen de normaalkracht en het buigend moment in het segment worden berekend.

26


4.2.4.

Meetveld Ten behoeve van de metingen is een meetveld ingericht. De meetinstrumenten zijn zoveel mogelijk op hetzelfde tunneldeel aangebracht om de meetresultaten met elkaar te kunnen vergelijken. De ringen 2117 en 2118 zijn uitgerust met flesjeswaterpasmeters, prismastickers t.b.v. de total station meting en tevens tiltmeters. De groutdrukopnemers zijn geplaatst in de ringen 2117 t/m 2121. De waterspanningsmeters zijn geplaatst naast ring 2117 en boven ring 2117, 2118 en 2119. De zakbaken voor de maaivelddeformatiemetingen zijn geplaatst in een raai dwars op ring 2120. Figuur 11 geeft een (niet volledig) overzicht van de posities van de zakbaken, waterspanningsmeters en rekopnemers.

Figuur 11. Positie meetinstrumenten COB-meetveld

27


4.3

Absolute verplaatsingmetingen segmenten Om de absolute posities en de veranderingen daarin tijdens het boorproces te bepalen van de segmenten van de twee meetringen is gebruik gemaakt van een Total station meting [5]. Met een Total stationmeting zijn de coördinaten van meetpunten gemeten ten opzichte van een referentiepunt. In het geval van de metingen in de Boortunnel Groene Hart zijn twee tunnelringen (ring 2117 en 2118) voorzien van reflecterende prismastickers op de hoeken van elk segment waarvan de posities (x, y, z) zijn bepaald, zie Figuur 12. Voor het geval dat de hoeken niet zichtbaar zijn ten gevolge van de back-fill en de volgwagens, zijn er extra prismastickers in het midden van de segmenten aangebracht. De stickers garanderen dat bij iedere herhalingsmeting exact hetzelfde punt wordt gemeten. Tevens zijn op vijf tunnelringen op circa 100 m afstand van de meetringen prismastickers aangebracht die dienen als referentiepunten. De metingen zijn uitgevoerd met een volledig automatische tachymeter.

Figuur 12. Ingebouwd segment uitgerust met prismastickers op de hoeken

De coördinaten van de segmenthoeken zijn vijf keer ingemeten op verschillende afstanden achter de TBM. In Figuur 13 zijn de vijf metingen en de posities van de meetringen ten opzichte van de TBM aangegeven.

28


Figuur 13. Meetposities Total station bij voortgaande TBM

4.4

Flesjeswaterpasmetingen Om een continumeting te doen van de verticale verplaatsing van de tunnel ten opzichte van een referentiepunt is gebruik gemaakt van een “liquid levelling” systeem, oftewel een flesjeswaterpassysteem [5]. Het waterpassysteem maakt gebruik van de wet van de communicerende vaten, zie Figuur 14. Als punt R1 in het volledig gesloten systeem (differentieel drukopnemer) over een afstand h omlaag verplaatst ten opzichte van punt R0, zal de druk in de vloeistof in de communicerende vaten hoger worden. De druk wordt gemeten door middel van druk opnemers en kan eenvoudig worden omgerekend naar een hoogteverschil. In de planfase is een keuze gemaakt tussen twee systemen: het half open systeem van de firma Interfels en het gesloten systeem van TNO. Om redenen van beschikbaarheid, robuustheid, flexibiliteit en kosten is voor het gesloten systeem gekozen. Echter, omdat het systeem niet eerder in een tunnelomgeving was toegepast, is het eerst getest onder laboratoriumomstandigheden om te kijken of de apparatuur geschikt is voor het gebruik in tunnels.

Figuur 14. Schema flesjeswaterpas met drukopnemers en luchtleidingen

29


Door het rechtstreeks opslaan van de meetdata op een datalogger is de verticale verplaatsing van de tunnel onbemand en continu gemonitord. In de tunnel zijn ter hoogte van de tunnelas twee systemen toegepast: één aan de rechterzijde en één aan de linkerzijde van de tunnel met elk 3 drukopnemers (R0, R1 en R2) zoals getekend in Figuur 14. In Figuur 15 is een foto van een gemonteerde drukopnemer (L2) te zien.

Figuur 15. Waterpasopnemer L2, gezien in de boorrichting, gemonteerd op meetring 2118

4.5

Tiltmetingen Om de verandering van de langshelling van de tunnelbuis continu te meten, zijn op twee segmenten, aan weerszijden van de tunnel tiltmeters geplaatst [5]. De gebruikte meetinstrumenten zijn zogenaamde EL tiltmeters. Deze kunnen zeer nauwkeurig de helling meten uitgezet tegen de tijd. De nauwkeurigheid bij een bereik van 3˚ is 0,02 mm/m1 (0,012˚). De tiltmeters zijn op zowel ring 2117 als ring 2118 aangebracht exact midden op het segment halverwege de tunnel, zie Figuur 16. De tiltmeters registeren een spanning in mVolt die omgerekend wordt naar een verdraaiing ten opzichte van de nulmeting.

Figuur 16. Positie van de tiltmeters in de tunnelringen 2117 en 2118

30


4.6

Rekmetingen tunnelringen Om de krachtswerking in de segmenten te onderzoeken zijn metingen van de rekken in de segmenten gedaan [6]. Ringen 2117 en 2118 zijn uitgerust met snaarrekopnemers. Deze instrumenten meten door middel van veranderingen in eigenfrequentie van een snaar de rek op de betreffende locatie, zie Figuur 17. Deze meetmethode is ook toegepast bij onderzoek bij de Botlekspoortunnel en de Tweede Heinenoordtunnel. De snaarrekopnemers zijn aan zowel de binnen- als buitenzijde van de segmenten in axiale en tangentiele richting bevestigd, dus vier opnemers per segment in alle segmenten van de twee meetringen behalve de sluitstenen, zie Figuur 18.

Figuur 17. Snaarrekopnemers in het wapeningsnet

Figuur 18. Uitgeklapte ring 2117 en 2118 met locaties van de rekopnemers (+) en tevens de posities van de groutdrukopnemers (o)

Na het storten en uitharden van de meetsegmenten zijn in de betonfabriek in Amay (België) nulmetingen uitgevoerd. Hierbij zijn alle rekopnemers in “onbelaste” toestand aangesloten op het data-acquisitiesysteem. Hieruit bleek dat één sensor niet meer functioneerde. Bij aankomst van de segmenten in Leiderdorp is een herhalingsmeting uitgevoerd op drie segmenten om vast te stellen hoe sterk de krimp van het beton is gedurende tussenliggende periode. Gemiddeld bleek de krimp -22 microrek (10-6m/m) te zijn. In de presentatie van de uiteindelijke meetresultaten van de rek in de tunnel is hiermee rekening gehouden door een correctie aan te brengen op de gemeten resultaten.

31


4.7

Groutdrukmetingen De groutdrukken zijn gemeten om de uitwendige belasting op de tunnel te onderzoeken en de mechanismen die bij het grouten van de staartspleet een rol spelen (stroming van het grout, consolidatie van het grout) [7].

4.7.1

Meetmethoden en instrumentatie De groutdrukken zijn gemeten met behulp van groutdrukopnemers, zie Figuur 20. De groutdrukopnemers zijn relatief kleine opnemers die verdiept in een “huisje” in de ring zijn aangebracht. De open ruimte in het “huisje” is gevuld met vet. Bij twee tunnelringen (2117 en 2118) zijn alle segmenten (10 stuks) uitgerust met groutdrukopnemers, zie Figuur 18. Ringen 2119, 2120 en 2121 zijn uitgerust met vier groutdrukopnemers.

Figuur 19. Ring 2117 met de hierop toegepaste groutdrukopnemers (Gr2117s..), de waterdrukop nemers naast en boven deze ring (W...), de tiltmeters (TR2117..), waterpasmeter (LR...)

32


Figuur 20. Ingebouwde groutdrukopnemer

4.7.2

IJking groutdrukopnemers De groutdrukopnemers waren vooraf aan de metingen geijkt, maar voor wat hogere drukken dan die optreden tijdens de metingen. In een testopstelling is grout aangebracht [13]. Het grout is met luchtdruk belast tot een zekere druk en de respons van de opnemers is vergeleken met de opgelegde druk.

Figuur 21. Meetopstelling ijking groutdrukopnemers

Uit de metingen blijkt dat de groutdrukopnemers alleen betrouwbaar de totaaldruk geven tijdens de consolidatie van het grout. Zolang het grout nog vloeibaar is heersen er geen korrelspanningen in het grout met als gevolg dat de waterspanning, de totaalspanning en ook de groutdrukmeter dezelfde waarden aangeven. In de ijkingsproef was het grout na 1,2 uur geconsolideerd. Daarna wordt de meting onbetrouwbaar. In het laboratorium

33


is het grout continue belast, met een effectieve spanning die vergelijkbaar is met de maximale effectieve spanning tijdens het boren. Daarom verliep het consolidatieproces in het laboratorium sneller dan in het veld. Op basis van de registraties van de veldmetingen lijkt het enkele uren te duren voordat het grout geconsolideerd is en de metingen dus voor enkele uren betrouwbaar kunnen worden geacht. In de evaluaties van de meetresultaten is daarom vooral gekeken naar de eerste meters achter de TBM.

4.8

Waterspanningsmetingen Om de relatie te onderzoeken tussen de optredende waterdrukken en groutdrukken zijn ook de waterspanningen tijdens het passeren van de TBM van het meetveld gemeten [4]. Rondom de TBM zijn in feite twee drukverhogende invloeden aanwezig: aan de voorzijde van de TBM is de waterdruk afhankelijk van de slurrydruk, de voortgangssnelheid van de TBM en de rotatiesnelheid van het graafwiel. Aan de achterzijde wordt de waterdruk beïnvloed door enerzijds de initieel aangehouden druk waarmee het grout in de staartspleet wordt gepompt en anderzijds de drainagetijd van het grout. Voor de metingen zijn zogenaamde “Piezoresistive (PR) pressure transducers” gebruikt. Het onderzoek is gericht op de drukken op de tunnelbuis, dus achter de TBM, zodat de eisen voor de instrumenten hierop zijn afgestemd. Zoals voorgeschreven in het meetplan[4] zijn negen instrumenten in de grond geplaatst: ter hoogte van de tunnelas: aan weerszijden twee instrumenten op relatief korte afstand (Figuur 22) en een referentiemeetpunt op circa 100 m van de buitenzijde van de TBM. 1 m boven de tunnel zijn drie opnemers achter elkaar geplaatst met 2 m tussenafstand, zie Figuur 23.

Figuur 22. Dwarsdoorsnede bodemprofiel en tunnel. De geplande posities van de waterspanningsmeters zijn aangegeven met Ø, zie ook Figuur 19

34


Figuur 23. Bovenaanzicht positie waterspanningsmeters (boortracé loopt van boven (Noord) naar beneden)

De instrumenten zijn circa 1 m boven de bodem van een nauwkeurig gemaakt boorgat gehangen. Het gat is voor de onderste twee meter gevuld met filter grind en vervolgens afgevuld met zwellende bentonietkorrels om een “blow-out” door het boorgat te voor komen. De meetinstrumenten zijn via een kabel verbonden met een CR10 datalogger. De datalogger verstuurt ieder uur de data via GSM naar de centrale opslagcomputer en tegelijkertijd vindt tijdsynchronisatie plaats. Bij binnenkomst vond een automatische check op mogelijke technische problemen plaats die per e-mail en SMS zijn doorgegeven. Ook heeft dagelijks controle door een specialist plaatsgevonden.

4.9

Zettingsmetingen maaiveld Bij het meetveld zijn op maaiveld zettingsmetingen verricht in een dwarsraai op het tunneltracé [10]. De resultaten van de metingen dienen om de modellen die zijn toegepast in de evaluatiefase te toetsen. De meetopstelling bestond uit twee stabiele referentiepunten, het opstelpunt voor het meetinstrument, een robotic total station (RTS, zie Figuur 24) en de te meten maaivelddeformatiepunten. Voor de te meten deformatiepunten zijn boven de tunnelbuis, loodrecht op de tunnelas, dertien zakbaken geplaatst op een onderlinge afstand van 5 meter, zie Figuur 25. Een zakbaak bestaat uit een horizontale plaat met daarop een verticale stang van 1,65 meter lang die een halve meter in de grond zijn gebracht. Op elke zakbaak is een miniprisma geplaatst.

35


Figuur 24. Zakbaken met meetprisma’s (links) en Robotic Total Station (rechts)

Figuur 25. Meetopstelling maaivelddeformaties

Het meettoestel is uitgerust met Automatic Target Recognition (ATR) waarmee het nauwkeurig automatisch kan centreren op de prisma’s van de zakbaken. In het gedeelte tussen 100 en 50 m voor de meetlijn zijn de metingen 1 maal per etmaal uitgevoerd. Tussen de 50 m voor en 50 m na de meetlijn zijn de metingen 1 maal per uur uitgevoerd. Vervolgens zijn de metingen met 1 maal per etmaal vervolgd. In totaal is er gedurende 17 dagen gemeten.

4.10

Pré-evaluatie van de meetdata Door de onderzoekscommissie is besloten voorafgaand aan de evaluatie van de meetdata een pre-evaluatie uit te voeren, om de meetdata te beoordelen en op consistentie te controleren [12]. Door vooraf helderheid te creëren over de beschikbare meetdata kan de evaluatiefase doelgerichter en dus effectiever worden ingestoken. Het uitvoeren van een pre-evaluatie was één van de aanbevelingen van commissie F340, zie [23].

36


4.10.1

Dataverwerking Alle meetdata is gecombineerd tot één dataset. Voor het gebruik en de ontsluiting van de dataset is een “combinatiegereedschap” ontwikkeld. Hiermee kan op willekeurige intervallen worden gesampled om de vergelijking van de meetdata mogelijk te maken. De dataset bevat gegevens van verschillende categorieën: • Algemene gegevens; hieronder vallen coördinaten en afmetingen; • Meetdata; rekken, groutdrukken, waterspanningen, maaiveldverplaatsingen, tunnelverplaatsingen, verplaatsingen (waterpas), tilt; • TBM-data; hieronder vallen gegevens als TBM-positie, vijzelkrachten, groutinjectiedrukken, slurry- en vetdruk. Met het “combinatiegereedschap” is een pre-evaluatie gemaakt voor alle soorten meetresultaten, naar de juistheid van de meetopstelling, zoals de locatie van de opnemers en de meetgrootheden, de tijdwaarneming, de overeenkomst met de verwachting van de resultaten en bijzonderheden in de metingen. De diverse data-items zijn aangeleverd met verschillende referenties voor de tijd en in verschillende meetfrequenties. Het achterhalen van de tijdreferentie en het omrekenen heeft veel inspanning en tijd gekost, maar leverde een dataset op waarmee de verschillende metingen met elkaar konden worden vergeleken. Dit was een groot voordeel tijdens de evaluaties. Bij een volgend onderzoek wordt aanbevolen om ook een soortgelijke pre-evaluatie te doen.

4.10.2

Beoordeling van de meetresultaten De leerpunten van de metingen zijn de volgende: • Relatief veel reksensoren hebben minder bruikbare data opgeleverd. Slechts 35 van de 80 sensoren hebben een eenduidig interpreteerbaar signaal gegeven. Bij 18 sensoren is het signaal niet of niet voor de hele periode bruikbaar; • In de groutdrukmeting is een storing waarneembaar die te wijten is aan een tijdelijk te lage voedingsspanning; • De tiltmetingen laten een merkwaardige fluctuatie zien die door de fabrikant, noch door de commissie kan worden verklaard. De verdraaiing van de gemeten segmenten is blijkbaar niet gelijk aan de verdraaiing van de hele tunnel: daar zijn de gemeten hellingen te groot voor. Wel vertonen de resultaten van de rekmeting en de tiltmeting correlatie waaruit wordt geconcludeerd dat er “iets” gebeurd moet zijn. Voor de verklaring hiervoor is verder onderzoek nodig; • De waterpasmetingen moeten relatief worden beoordeeld omdat de meters enkele malen zijn verplaatst. Het sterk fluctuerende beeld van tiltmetingen en waterpasmetingen op de eerste dagen is niet in verband te brengen met belastingen uit de TBM; • Het gebruik van bekabelde groutdrukopnemers heeft een positief effect gehad op het aantal gelukte metingen. Van vergelijkbare metingen, waarbij de meetinstrumenten hun data draadloos doorgaven, is bekend dat er datastoringen op kunnen treden.

37


4.10.3

Aanbevelingen t.a.v. praktijkmetingen • Besteed meer aandacht aan calibratie en ijking van de meetapparatuur. • Wees bedacht op de invloed van omgevingsfactoren op de meetsignalen. Temperatuur, vocht, trillingen en fluctuaties in de voedingsspanning kunnen grote invloed hebben op de meetsignalen. Meet temperatuur, vocht, voedingsspanning etc. tijdens de meetperiode; • Gebruik één tijdsaanduiding voor alle metingen. Het UTC-systeem waarbij de instrumenten periodiek gelijk worden gezet met een atoomklok via GSM leent zich hier uitstekend voor; • Stel naast meetrapporten ook een verslag van de metingen op. Hierin dient te zijn vastgelegd welke werkzaamheden op welk moment (exact) zijn uitgevoerd (bijvoorbeeld welke sensor is wanneer aangesloten); • Het is aan te raden om tijdens de metingen een controle of referentie in te bouwen. Dit kan bijvoorbeeld door op gezette tijdstippen een waterpas-drukopnemer tijdelijk een bekende verticale verplaatsing te geven; • De total station metingen zouden moeten worden uitgevoerd met vaste, niet verplaatsende referentiepunten. Het is van groot belang geweest dat de pre-evaluatie heeft plaatsgevonden omdat hierdoor een eenduidige dataset is verkregen met een waardeoordeel over de bruikbaarheid van de data. De evaluaties en de modelleringen konden hierdoor met een eenduidige dataset worden uitgevoerd.

38


5 Meetresultaten In dit hoofdstuk worden de uitgevoerde metingen per thema besproken. De thema’s zijn: • deformaties van de tunnel (zie 5.1); • rekken in de tunnelwand (zie 5.2); • drukken rondom de tunnel (zie 5.3); • deformaties van het maaiveld (zie 5.4). Om een consistente lijn in dit rapport te houden is als voorbeeld steeds gekozen voor de meetresultaten van ring 2117.

5.1

Deformaties van de tunnel Onder de deformatiemetingen vallen: • Total stationmetingen in de tunnel; • waterpasmetingen; • hellingmetingen. De eerste twee soorten deformatiemetingen gaan over de (verticale) verplaatsingen van de tunnelbuis zelf. De hellingmetingen gaan over de hoekverdraaiing van de tunnel (-segmenten) in langsrichting.

5.1.1

Verticale verplaatsingen (Total station, waterpasmetingen) Het is bijzonder dat bij de Boortunnel Groene Hart verplaatsingsmetingen zijn uitgevoerd door middel van twee verschillende systemen. Bij eerdere COB-onderzoeken bij boor tunnels is meestal één type meetsysteem gebruikt om één soort parameter te meten. Het gebruik van twee meetsystemen voor dezelfde parameter heeft als voordeel dat op basis van de meetresultaten een betere inschatting gemaakt kan worden over de betrouwbaarheid van de metingen en meetresultaten. Er zijn echter wel verschillen in de manier waarop de twee meetsystemen meten: • de Total stationmetingen zijn op vijf discrete momenten in het tunnelbouwproces uitgevoerd terwijl het waterpassysteem een continue meting verricht; • de laser van de Total station meet de vier hoeken van alle segmenten van ring 2117 en 2118, terwijl de drukopnemers van het waterpassysteem op slechts twee locaties van dezelfde ringen zijn geplaatst. De Total station meet daardoor de vervormingen van de hele tunnelring (ovalisering), terwijl het waterpassysteem alleen aan de zijkanten van de tunnel de verticale verplaatsingen meet; • de referentiepunten lagen op 100 m en 120 m achter de meetringen voor respectievelijk de Total station en de waterpas; • de theoretische nauwkeurigheid die bij stabiele referentiepunten kan worden gehaald, bedraagt ongeveer 1 mm voor de Total stationmetingen en 0,6 mm voor de waterpasmetingen. Hoewel de beide meetsystemen de verticale verplaatsing hebben gemeten, geven de resultaten toch relatief grote verschillen weer[8]. In Figuur 26 is te zien dat het resultaat van de gemiddelde verticale verplaatsing van de Total stationmeting enkele mm’s

39


bedraagt, maar lokaal lieten enkele segmenthoeken wel verplaatsingen met maxima van tot circa 30 mm zien. De meetresultaten van de waterpasmetingen, waarvan in Figuur 27 het eerste gedeelte is weergegeven, laten direct in het begin een éénmalige stijging zien van circa 70 mm gevolgd door fluctuaties van 20 mm tot 30 mm. De metingen verder achter de TBM laten dezelfde fluctuaties zien, echter met een kleinere amplitude, hetgeen erop duidt dat het boor- en inbouwproces invloed heeft op de meetresultaten / tunnelverplaatsingen. In Figuur 27 is aangegeven wanneer de Total stationmetingen (ovalisatiemetingen) en het boren hebben plaatsgevonden.

Figuur 26. Gemiddelde verplaatsingen Total stationmetingen

Figuur 27. Verticale verplaatsingen waterpasmetingen (beginperiode), buiten het rood gestippelde gebied lopen de resultaten van twee ringen nagenoeg gelijk

40


Mogelijke verklaringen voor het verschil in meetresultaten zijn: • de eerste Total stationmeting (ovalisatiemeting) vond eerder plaats dan de start van de waterpasmeting, zie Figuur 27; • de Total stationmetingen zijn momentopnamen die worden uitgevoerd wanneer er niet geboord wordt; • onnauwkeurigheid in de Total stationmetingen t.g.v. de lastige meetomstandigheden in de tunnel, langdurige meetperiode per meting (1,5 uur) waardoor opdrijving van de tunnel heeft kunnen plaatsvinden tijdens de meting, grote afstand van de referentiepunten of niet stabiele referentiepunten; • onnauwkeurigheid in de waterpasmetingen. Voorafgaand aan de metingen waren op basis van de ervaring en meetresultaten bij andere tunnels verticale verplaatsingen van enkele mm’s verwacht. Deze verwachting is voor de Total stationmetingen dus redelijk uitgekomen maar is relatief veel overschreden door de waterpasmetingen. 5.1.2

Hellingmetingen Middels vier tiltmeters zijn aan weerszijden van de tunnelringen 2117 en 2118 metingen verricht [8]. De resultaten zijn weergegeven in Figuur 28. In de eerste meetperiode (I) vindt de installatie van de tiltopnemers plaats waardoor er grote hellingen gemeten zijn. Periode II begint met een top gevolgd door een enkele dagen durend dal waarbij zich significante fluctuaties voordoen. In deze periode is er een sterke relatie met de TBM handelingen (ringbouw, correcties etc.) en de uitschieters in de metingen zijn ook herkenbaar in de rekmetingen (zie paragraaf 5.2). In periode III, vanaf 5 juni, zijn de meetwaarden niet representatief doordat er een dip in de voedingsspanning optrad. Periode IV (vanaf 6 juni) begint met hogere waarden dan waarmee periode II is geëindigd en kruipt daarna langzaam omhoog, met fluctuaties ter grootte van circa 0,04˚.

Zie figuur 29

Figuur 28. Overzicht tiltsignaal hele periode

41


Omdat niet verwacht was dat de hellingmetingen zelf na een periode van 8 dagen nog dergelijke fluctuaties zouden laten zien (de meetringen bevinden zich inmiddels circa 100 m achter de TBM), zijn de resultaten en de meetapparatuur nader onderzocht. De hiertoe uitgevoerde laboratoriumtesten lieten zien dat de meetapparatuur en de opstelling niet worden beïnvloed door fluctuaties in de voedingsspanning of door spanningsinductie, maar dat een temperatuursafhankelijkheid van de meetinstrumenten niet uitgesloten kan worden[18].

Figuur 29. Sinus, hoed en puls in het tiltsignaal

Nader onderzoek [18] naar de meetresultaten aan het eind van periode IV (zie het kader in Figuur 28) heeft drie fenomenen zichtbaar gemaakt, zie Figuur 29: • “Sinus”: een dagelijkse slingering met een amplitude van circa 0,008˚. De sinusvorm kan verschillende oorzaken hebben waarvan een axiale spanningvariatie in de tunnelbuis t.g.v. temperatuursschommelingen over de dag, het meest waarschijnlijk is. In vervolgonderzoek is het aan te bevelen temperatuursensoren op te nemen in het meetprogramma; • “Hoed”: een dagelijkse toename van de tilt gedurende circa zes uur, gevolgd door een ongeveer even grote plotselinge afname. Deze “hoed” valt exact samen met de onderhoudsperiodes. Een waarschijnlijke verklaring is daarom dat tijdens het TBMonderhoud de vijzelkracht afneemt door olielekkage waardoor het systeem een nieuwe evenwichtssituatie aanneemt waarbij een lagere axiale “voorspanning” in de segmenten heerst. Omdat de tunnelringen niet perfect opgebouwd zijn, kunnen de segmenten bij een lagere voorspanning iets gaan verdraaien in de ring, zie Figuur 30; • “Puls”: een zeer plotselinge afname van het signaal, direct gevolgd door een enigszins geleidelijke toename naar het niveau van vóór de piek. Deze piek treedt vrijwel elk kwartier op, tijdens onderhoudsperiodes en tijdens boren, dag en nacht. Dat de meetresultaten een werkelijke beweging van de tunnelbuis weergeven, is onwaarschijnlijk. Mogelijke oorzaken voor dit fenomeen zijn niet gevonden.

42


Figuur 30. Lokale verdraaiing segmenten als gevolg van verschil in “voorspanning” bij een niet perfect opgebouwde tunnelring

In Figuur 31 zijn de verplaatsingen uitgezet die zijn bepaald door middel van integratie van de helling [16]. De gemeten helling is hiertoe: • vereffend door het voortschrijdend gemiddelde over 100 minuten te nemen; • gecorrigeerd om de verplaatsing op grote afstand constant te laten worden. De berekende verplaatsing van de tunnel bedraagt maximaal circa 50 mm. Bij deze berekeningsmethode dient aangetekend te worden dat deze integratie van de hellingen alleen geoorloofd is wanneer het boorproces een continu proces is. Echter, de hellingmetingen van ring 2117 en 2118 geven hetzelfde beeld waardoor wordt aangetoond dat het boorproces juist geen continu proces is. De betrouwbaarheid van de berekende verplaatsingen is daardoor niet zo groot. Aanbevolen wordt om bij toekomstig boortunnelonderzoek hellingmetingen te doen op meerdere locaties in de tunnel met tussenafstand van enkele ringen. Hierdoor kan een duidelijker beeld ontstaan over de hellingen van de tunnelbuis gedurende het boorproces waardoor de integratie wel toegestaan is en de verplaatsingen kunnen worden bepaald.

43


Figuur 31. Tiltmeting en afgeleide verplaatsing (uitgaande van correctie 0,03˚)

5.2

Rekken in de tunnelwand In Figuur 32 en Figuur 33 is de rek in het segment in axiale richting van respectievelijk segment S02 en S07 van ring 2117 gegeven. De eerste twee à drie dagen is een grote variatie van de rek zichtbaar die wordt veroorzaakt door het boorproces en met name de vijzelkrachten. Na ongeveer drie dagen geven alle signalen een min of meer constante waarde waarbij de variaties in de vijzelkracht gedurende de voortgang van het boorproces zichtbaar blijft. Uit het verschil in rek tussen de binnen- en buitenzijde van een segment kan de kromming van het segment worden bepaald. Vervolgens kunnen uit de axiale rekken en krommingen de gemiddelde langskracht en het liggermoment in de tunnel worden geschat.

Figuur 32. Axiale rek, buiten- en binnenzijde segment A02 (linksboven) van ring 2117

44


Figuur 33. Axiale rek, buiten- en binnenzijde segment A07 (rechtsonder) van ring 2117

Voor het bepalen van het buigend liggermoment in de tunnelbuis in lengterichting zijn de gemiddelde waarden bepaald van de rek van ieder segment [17]. Hieruit is de gemiddelde rek en kromming op asniveau bepaald, weergegeven in Figuur 34.

Figuur 34. Rek en kromming op asniveau Gemiddelde waarden rek segment in ring 2117

De normaalkracht en het moment in de tunnelbuis zijn respectievelijk de rek vermenigvuldigd met de rekstijfheid (EA) en de kromming (κ) vermenigvuldigd met de buigstijfheid (EI) van de tunnelbuis. Doordat de tunnel opgebouwd is uit losse segmenten, is echter de grootte van de normaal- en buigstijfheid (EA en EI) een onzekere factor. De kwaliteit van de opbouw van ring kan namelijk invloed hebben op de stijfheid van de tunnel als geheel. In dit onderzoek is in een analyse op basis van een EEM-programma de tunnelstijfheid bepaald. Deze bleek 65% te bedragen van de stijfheid van een monoliete betonnen buis met dezelfde afmetingen.

45


De momenten en normaalkrachten berekend uit de rekmetingen bleken lager te zijn dan de momenten en krachten afgeleid uit de vijzeldrukken. Een factor van de tunnelstijfheid van 0,9 (90%) bleek beter te voldoen (Figuur 35). Mogelijke oorzaken hiervan kunnen onnauwkeurigheden in de gemiddelde rek en kromming (κ) of een in werkelijkheid grotere tunnelstijfheid zijn.

Figuur 35. Langskrachten en liggermomenten berekend uit gemeten rekken en uit g emeten vijzeldrukken ring 2117 (reductiefactor tunnelstijfheid = 0,9)

5.3

Drukken rondom de tunnel In de omgeving van de tunnel zijn twee soorten drukken gemeten die in de volgende paragrafen wordt beschreven: • groutdrukken op de tunnellining; • waterdrukken naast en boven de tunnel.

5.3.1

Groutdrukken op de tunnellining De resultaten van de eerste twee dagen van de groutdrukmetingen van ring 2117 zijn weergegeven in Figuur 36 ([7], [11] en [16]). Globaal is het volgende beeld te zien: • De meting begint voor de plaatsing van de segmenten met een druk van 0 kPa; • vervolgens treedt in zeer kort tijdsbestek een grote drukverhoging op. Dit duidt erop dat het segment met de drukopnemer onder invloed van het grout is gekomen doordat de TBM vooruit is bewogen en aan het boren is. Tegelijkertijd met het boren pompt de TBM grout in de staartspleet; • na de eerste piek daalt de gemeten groutdruk geleidelijk gedurende enige tijd bij alle opnemers. Tijdens deze periode wordt niet geboord en wordt ook geen grout in de staartspleet gepompt. De druk neemt af t.g.v. consolidatie van het grout. Er is een duidelijk en constant drukverschil te zien tussen de kruin en de zool van de tunnel; • het patroon t.g.v. boren en niet boren herhaalt zich nog enkele malen. Daarna wordt het signaal onbetrouwbaar t.g.v. de redenen zoals beschreven in paragraaf 4.7.2. Het verloop van het signaal van de meting komt overeen met wat van tevoren werd verwacht.

46


Figuur 36. Groutdrukverloop ring 2117

De groutdrukverdeling over de hoogte van de tunnel is mede bepalend voor de belasting op, en de mate van verticale verplaatsing van de tunnel. Aan de bovenzijde van de tunnel wordt meer grout ingepompt om het opdrijven van de tunnel tegen te gaan. In Figuur 37 is de groutdrukverdeling over de hoogte van de tunnel gegeven tijdens het boren rondom het tijdstip van de eerste piek van Figuur 36. Te zien is dat de groutdruk over een korte tijdsperiode snel toeneemt en vrij verticaal verloopt over de hoogte, hetgeen een kleine groutdrukgradiënt betekent. De groutdrukverdeling die op basis van alleen het gewicht van het grout zou worden verwacht, is tevens in de figuur aangegeven. Figuur 38 geeft de groutdrukverdeling over de hoogte tijdens stilstand. Op een uitwijking ter hoogte van het midden van de tunnel na, valt het verloop van de groutdrukverdeling samen met een groutdrukgradiënt van 5,5 kPa/m. Dit is dus een aanzienlijk lagere groutdrukgradiënt dan men op basis van het gewicht van het grout alleen zou verwachten. Het aan de bovenzijde van de tunnel inpompen van het grout dat daardoor naar beneden moet stromen, heeft dus duidelijk invloed.

47


Figuur 37. Groutdrukverdeling over hoogte tunnel tijdens boren

Figuur 38. Groutdrukverdeling over hoogte tunnel tijdens stilstand

De ontwikkeling van de dikte van de groutschil is bepaald op basis van de eigenschappen van de tunnel, het grout en de grond en het gemiddelde verloop van de groutdruk achter de TBM, zie Figuur 39. De gecombineerde veerstijfheid van de ongeconsolideerde groutlaag, van de geconsolideerde groutlaag en van de bodem kon vervolgens worden bepaald. Deze gecombineerde veerstijfheid is later gebruikt in de evaluatiemodellen voor de stijfheid van de bedding rondom de tunnel.

48


Figuur 39. Ontwikkeling geconsolideerde groutlaagdikte ring 2117 5.3.2.

Waterdrukken naast en boven de tunnel In Figuur 40, Figuur 41 en Figuur 42 zijn de meetresultaten van de waterspanningsmeters weergegeven. Hierin is de waterspanning (kPa) tegen de tijd (dag) uitgezet [9]. De figuren laten een duidelijk beeld van de variatie in waterdrukken t.g.v. het boorproces zien: • de kort op elkaar volgende slingeringen in drukken zijn de verschillende boorslagen; • deze worden dagelijks gevolgd door een langere periode van afnemende druk. In deze periode vindt het onderhoud aan de TBM plaats; • tijdens stilstand van de TBM zakken de waterspanningen van alle negen waterspanningsmeters terug naar een druk die omgerekend hoort bij een grondwaterstand van 3,0 m tot 3,5 m -NAP. Een peilbuis in de omgeving van de tunnel liet een waterstand van 2,75 m -NAP zien. De waterdruk zakt dus bijna geheel terug naar de waterstand in de omgeving. • vanaf het begin van de meting neemt de amplitude van de slingering toe tot een maximum iets voor 2 juni, waarbij de amplitude van het waterdrukverschil circa 20 kPa (2 m stijghoogte) bedraagt. Op dit tijdstip passeert het boorfront van de TBM de meetinstrumenten; • na de passage van het boorfront daalt de amplitude van de slingering weer maar de invloed van het boorproces blijft gedurende de gehele meting zichtbaar; • ook op grote afstand naast de tunnel is de invloed van het boorproces merkbaar.

49


Figuur 40. Waterspanningsmeters WA, WB en WC (zie Figuur 23 voor locaties)

Figuur 41. Waterspanningsmeters WD1, WD2, WE1 en WE2 (zie Figuur 23 voor locaties)

50


Figuur 42. Waterspanningsmeters WREF1 en WREF2 op 100 m van TBM-schild (zie Figuur 22 voor locaties)

5.4

Deformaties van het maaiveld In Figuur 43 zijn de resultaten van de zakbaak die recht boven de tunnelas staat weergegeven [10], waardoor een beeld van de zettingen in langsrichting is ontstaan. De voortgang van de TBM is in de meting zichtbaar: • het maaiveldniveau blijft vanaf de start van de meting vrijwel constant tot aan de passage van de het boorfront van de TBM op 2 juni; • in de volgende twee à drie dagen doen zich zakkingen van het maaiveld voor van circa 22 mm. Gedurende deze periode vindt ter plaatse van de meetraai de passage van de TBM en het inpompen en consolideren van het grout plaats; • aan het begin van 3 juni heeft het meetsysteem (Robotic Total Station) een aantal metingen niet kunnen uitvoeren, waarschijnlijk ten gevolge van trillingen door het passeren van de TBM, waardoor de locatie van de meetprisma’s niet goed kon worden geregistreerd; • vanaf 5 juni verloopt de zakkingslijn langzaam nog iets verder naar circa 28 mm.

51


Zettingen (m) Datum Figuur 43. Zettingen [m] van zakbaak 7 in de tijd [datum]

In Figuur 44 is een dwarsprofiel van de zettingsmetingen aan het eind van de meet periode weergegeven. Te zien is dat tussen de zakbaken 3 en 4, en zakbaken 10 en 11 de zettingslijn de nul-as snijdt. In het gebied hiertussen (overeenkomstig met een afstand van circa 17,5 m aan weerszijden van het tracé) wordt een zetting geregistreerd en daarbuiten een lichte heffing van de zakbaken. De maximale zetting is circa 28 mm en de grootste heffing is circa 3 mm.

Zettingen (m) Zandbaak

Figuur 44. Dwarsprofiel zettingsmetingen per zakbaak (13 totaal) aan het eind van de meetduur

52


5.5

Leerpunten bij metingen De uitvoering van de metingen is niet altijd vlekkeloos verlopen. In Appendix II, Leermomenten metingen zijn de leerpunten van de metingen beschreven.

53


54


6 Modellering boortunnel In het onderzoek F512 zijn verscheidene modellen toegepast om de verschillende processen en mechanismen met name op het gebied van grout en liggerwerking te bestuderen. De gebruikte modellen zijn: • Numeriek 1D groutconsolidatiemodel, zie paragraaf 6.1; • Analytisch model gedrag grout, zie 6.2; • EEM-model liggerwerking: in EEM-programma ESA PT is een ééndimensionaal gefaseerd liggerwerkingsmodel gemaakt, zie paragraaf 6.3; • Analytisch liggerwerkingsmodel: in een Excel-werkblad is een “gefaseerd” ligger werkingsmodel gemaakt, zie paragraaf 6.5; • DCgrout en DClong: twee programma’s voor groutberekeningen, zie 6.6. In de volgende paragrafen worden de onderzochte aspecten beschreven. Er wordt op gewezen dat de getrokken conclusies van toepassing zijn op de situatie bij de Boortunnel Groene Hart. In andere situaties is dat niet zondermeer het geval.

6.1

Relatie groutdruk - wateroverspanning Onderzocht is hoe de waterspanningen in de grond worden beïnvloed door het boor proces en met name het onder druk vullen van de staartspleet met grout [15]. Het vloeibare grout verliest water aan de omliggende grond, consolidatie van het grout genoemd. De verwachting is dat de resultaten van de waterspanningsmetingen dit laten zien.

6.1.1

Metingen De metingen zijn uitgevoerd met twee waterspanningsopnemers als referentiepunten op 100 m van de tunnelas, zie Figuur 22. De waterdruk op deze afstand blijkt echter toch te worden beïnvloed door het boorproces. Twee waterspanningsmeters dicht bij elkaar dwars op het tracé dienen om het verhang dwars op de tunnel te kunnen bepalen, zie Figuur 23. Evenwijdig aan het tracé, boven de tunnel zijn drie waterspanningsmeters geplaatst om de gradiënt in langsrichting te kunnen bepalen. De resultaten van de waterspanningsmeters laten wel de invloed van het boren en de steundruk van het bentoniet aan het graaffront zien maar tonen nauwelijks een relatie tussen het grouten en de waterspanning. Dit is opmerkelijk omdat de groutdruk substantieel groter is dan de steundruk. Het algemene beeld van de waterdrukken is dat het begin van het boren een kleine verhoging van de waterspanningen geeft terwijl de groutdrukken juist veel toenemen. Aan het einde van het boren dalen de waterspanningen snel tot hydrostatische waarden terwijl de groutdruk langer hoog blijft. De resultaten laten tevens zien dat aan het begin van het boren een kortdurende negatieve waterspanningsgradiënt (water stroomt naar de tunnel toe) ontstaat.

6.1.2

Discussie meetresultaten De kortdurende negatieve waterspanningsgradiënt bij de start van het boren is bij eerdere metingen bij de Sophiaspoortunnel ook gemeten. Dit is toen verklaard door de groutpompen die iets na het begin van het boren worden aangezet en daardoor een drukverlaging aan de achterzijde van de TBM veroorzaken. De drukverlaging is echter niet gevonden in de groutdrukmetingen. De verklaring die in het F512 onderzoek mogelijk

55


wordt geacht is dilatantie (vergroten van het korrelskelet waardoor water moet toe stromen), of het elastisch ontspannen van de grond wanneer bij het begin van het boren de korrelspanning aan het boorfront wegvalt. Dat de groutdrukken nauwelijks doorwerken in de waterspanningen is nader uitgewerkt door middel van modellen, zie 6.1.3. 6.1.3

Modellering ter evaluatie Aan de hand van verschillende modellen is de consolidatie van het grout en de waterstroming die dit veroorzaakt onderzocht en vergeleken met de gemeten waterstroming. Hiertoe is een horizontaal vlak, aangrenzend aan de tunnelbuis ter hoogte van de tunnelas gemodelleerd met een numeriek 1D groutconsolidatiemodel uit eerder onderzoek [27]. In dit vlak bevinden zich twee waterspanningsmeters waardoor vergelijking mogelijk is. De stroming wordt slechts in radiale richting verondersteld. Figuur 45 is een schematische weergave van de modellering van consoliderend grout.

Figuur 45. Schematische weergave consoliderend grout 6.1.4

Resultaten modellering De modellering laat zien dat er verschillende aspecten zijn die de consolidatie en waterstroming beïnvloeden. De ontwatering van het grout speelt zich op zeer beperkte afstand van de TBM af en daarom zal het water 3-dimensionaal kunnen afstromen. Dit zorgt voor een lagere stromingsweerstand. Toch wordt een hoge stromingsweerstand gevonden die waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de lage doorlatendheid van het grout. De lagere doorlatendheid zou kunnen ontstaan doordat het grout vervuild raakt met bentoniet van het boorfront. Ook is het mogelijk dat zich een dun laagje zeer ondoorlatend bentoniet vormt op de overgang tussen het grout en het zand. De berekeningen laten zien dat de consolidatie van het grout zeer langzaam gaat, zeker wanneer de doorlatendheid van het grout wordt verkleind. Er wordt een goede overeenkomst gevonden tussen de metingen en de berekeningen wanneer de doorlatendheid van het grout tien keer lager wordt aan-

56


gehouden dan vastgesteld in een test. Figuur 46 bevat de resultaten van de berekening met een verlaagde doorlatendheid van het grout. Op basis van dit resultaat kan de conclusie worden getrokken dat het grout in de staartspleet een zeer geringe invloed heeft op de grondwaterstroming en de gemeten kleine verhangen daardoor logisch zijn.

Figuur 46. Berekend verloop stijghoogtes aan de achterzijde van de TBM, met een 10x lagere doorlatendheid van het grout

De onzekerheid in de doorlatendheid van het grout of de grond direct naast de tunnel leidt ertoe dat het onzeker is hoe lang het duurt voordat het grout is geconsolideerd. Geconcludeerd kan worden dat een combinatie van sneller boren, een grout met een lage viscositeit en een langzame consolidatie kan leiden tot onaanvaardbare momenten in de langsrichting van de tunnellining. Voor de bepaling van de belasting op de lining en de mogelijkheid van verticale vervormingen in de tunnel is het van belang om meer kennis te ontwikkelen over de invloed van het grout en de groutcake op de doorlatendheid.

6.2

Relatie groutdruk - verticale verplaatsing tunnel De eerste 60 m achter de TBM is de tunnel niet verzwaard door de nog aan te brengen constructie-elementen. In dit gebied is het waarschijnlijk dat het grout nog vloeibaar is. De groutdrukgradiënt moet daarom evenwicht maken met het gewicht van de tunnel, de opdrijvende kracht van de tunnel en de dwarskracht in de tunnellining. De relatie tussen de groutdruk en de verplaatsingen van de tunnel zijn onderzocht om later in het onderzoek te kunnen gebruiken in de 1D-liggerwerkingsberekening [14]. Als eerste is getracht een relatie te leggen tussen de meetresultaten van de verplaatsingsmetingen (total station en waterpas) en de groutdrukmetingen. De verschillende meetresultaten lijken op het eerste gezicht in tegenspraak, maar laten na interpretatie toch bepaalde patroon-overeenkomsten zien van de processen die plaatsvinden tijdens de bouw van de tunnel. De resultaten van de total station metingen en de waterpasmetingen

57


geven echter geen uitsluitsel over de grootte van de gemeten verticale verplaatsingen in het gebied achter de TBM. Op grotere afstand achter de TBM corresponderen de metingen wel. De meetdata bieden echter door te weinig overeenkomsten geen mogelijkheid om een wiskundige relatie te leggen tussen groutdrukken en tunnelverplaatsingen. Er is tevens over het gehele meetgebied geen relatie tussen de variatie van de verticale positie gemeten met het waterpassysteem en variatie van de verticale drukgradiënt in het grout. Voor het gedrag van grout achter de TBM is in het onderzoek F512 [14] een wiskundige beschrijving gegeven van de verplaatsingen van de tunnel in relatie tot het grout. De volgende processen spelen zich daarbij af: • Nabij de TBM wordt de externe druk op de tunnelwand voornamelijk bepaald door de groutinjectie; • Na de eerste boorslag verplaatst de tunnel verticaal zodat het grout plastisch vervormt; • Op enige afstand van de TBM blijven de verplaatsingen van de tunnel klein zodat het grout elastisch vervormt. De optredende spanningen blijven dan kleiner dan de zwichtspanning van het grout; • Op grotere afstand van de TBM neemt ten gevolge van de consolidatie de stijfheid van het grout toe en wordt de stijfheid van de grond maatgevend. Uit de groutdrukmetingen blijkt dat juist in het gebied met de drukafbouw naar achteren de verticale groutdrukgradiënt verandert: hier is de verticale beweging van de tunnelbuis reeds merkbaar omdat hier het grout elastisch reageert. In het onderzoek [14] zijn reactiekrachtformules gegeven voor de volgende condities: • Kleine elastische vervormingen van het grout; • Plastische vervormingen bij bereiken van de zwichtspanning rondom de buis; • Grote plastische vervormingen van het grout. De afzonderlijke condities zijn veralgemeniseerd tot één formule die het gehele domein bestrijkt.

6.3

Modellering liggerwerking met EEM Met de kennis die is opgedaan binnen F512 en voorgaande onderzoeken (o.a. F340) is de liggerwerking gemodelleerd door middel van een eendimensionaal liggermodel [16]. De tunnelbuis is gemodelleerd als een buig- en afschuifligger ondersteund door elasto-plastische veren. De ligger wordt in het model gefaseerd uitgebouwd waarbij de verschillende belastingen zoals de vijzelkracht, het eigen gewicht van de TBM-volgwagens en de opdrijvende belasting van het consoliderende grout met de TBM meebewegen, zie Figuur 47 en Figuur 48. Het model is vervolgens berekend met het Eindige Elementen Model ESA PT (PIPFAS 3D). De berekeningen bestaan uit een basisberekening en varianten hierop. De variantenrekeningen hebben als doel om de invloed van belangrijke parameters op de berekeningsresultaten na te gaan.

58


Ter plaatse van de eerste meters achter de TBM is het grout nog vloeibaar. De tunnelbuis ondervindt daardoor op deze locatie geen ondersteuning van de grond (zie Figuur 48). Na enige tijd (enkele meters achter de TBM) krijgt het grout wel stijfheid en is gemodelleerd dat het grout gaat werken als een elastische bedding.

Figuur 47. Schematische geometrie TBM, tunnel en volgtrein

Figuur 48. Schematisering veren en belastingen in liggerwerkingsmodel

De verplaatsingslijn van de basisberekening (Figuur 49) laat een verloop zien met een sterk stijgende trend van 0 mm tot circa 14 mm in de eerste 25 m achter de TBM en in het gebied achter de 25 m een licht dalende trend naar een verticale verplaatsing van

59


circa 9 mm. De verplaatsingslijn heeft een zaagtandpatroon doordat telkens na twee meter “boren” en de daarmee gepaard gaande deformaties een nieuw element wordt aangebouwd. De dwarskracht juist achter de TBM bedraagt circa 1.950 kN. Dit komt overeen met een lengte van 3 m ringen in de TBM. De dwarskracht neemt af tot een minimale waarde van circa -18.500 kN op zo’n 18 m achter de TBM en stijgt vervolgens langzaam naar 0. De momentenlijn van de basisberekening start met een waarde ter grootte van het negatieve moment dat de TBM op de tunnel uitoefent. Op een afstand van circa 10 m snijdt de momentenlijn de 0-lijn van het moment en klapt het teken om. Het moment in de buis neemt verder toe tot een waarde van circa 580 MNm op een afstand van 100 m achter de TBM. De maximale waarde van de berekende buigende momenten is echter een aantal maal groter dan wat wordt ingeschat als de momentcapaciteit van de tunnellining. In de varianten op de basisberekening is onder andere gevarieerd met: de lengte van het volledig vloeibare grout, wel of geen dwarskrachtoverdracht tussen TBM en tunnel, de grootte van de opdrijfbelasting en de veerstijfheid van de grond. Uit de variantenberekeningen blijkt dat de opdrijfbelasting de gevoeligste parameter is. Een wijziging van de opdrijfgradiënt van 18,5 kPa/m (grout) naar 10 kPa/m (water) leidt tot een afname van de maxima van de buigende momenten met een factor 3 en een afname van de deformaties met ruim een factor 2. De eerste meters achter de TBM waarin de tunnel niet wordt ondersteund door de grond wordt de volledig plastische groutzone genoemd. Voordat het gebruikte type grout is uitgehard, is de TBM 60 m verder, maar door de vorming van een groutcake aan de buiten zijde van de groutlaag stijgt de stijfheid van het grout. Binnen een tiental meters is de stijfheid van de grout vergelijkbaar met die van de grond. De grond zal daardoor op een kleinere afstand achter de TBM een rol gaan spelen. De lengte van de volledig vloeibare groutzone is een belangrijke parameter in de liggerwerking want een toename van deze lengte van 2 naar 8 meter leidt tot een toename in de maxima van het buigend moment met circa 50%. Interpretatie van de resultaten van de berekeningen leidt tot de conclusie dat de veerstijfheid van de grond en de overdracht van dwarskracht tussen de tunnel en de TBM belangrijke parameters zijn. De ontwikkeling van de groutsterkte heeft geen invloed op de berekeningsresultaten omdat de stijfheid van de tunnel in lengterichting dusdanig groot is dat de groutsterkte pas wordt aangesproken in de zone waarin deze redelijk is ontwikkeld. De bij groutstroming optredende zwichtspanning is wel van groot belang. De berekende waarden van de deformaties zijn aanzienlijk kleiner dan de waarden die zijn gemeten met het flesjeswaterpassysteem of die zijn bepaald uit de tiltmetingen. Realistisch berekende deformaties liggen rond de 7 mm of minder terwijl de gemeten waarden maximaal 40 tot 70 mm bedragen. Bij deformaties groter dan ordegrootte 7 mm treedt een zodanige krachtswerking in de tunnel op dat dit tot schade moet leiden, hetgeen niet heeft plaatsgevonden. De Total-Station-metingen wijzen wel op deformaties in de orde van enkele mm’s.

60


TBM

TBM

TBM

Figuur 49. Basisberekening: moment, dwarskracht en verplaatsing

61


De resultaten van de variantenberekeningen zijn ook vergeleken met de uitgevoerde rekmetingen, zie Figuur 50. De momenten in de tunnel worden berekend aan de hand van de resultaten van de gemeten rekken en de (geschatte) tunnelstijfheid. De momentenlijn begint aan de TBM zijde met een negatieve waarde ter grootte van het moment dat de TBM door de vijzels op de tunnel uitoefent (ca. -70MNm). Het moment daalt in het eerste gedeelte achter de TBM nog iets naar -100MNm en zet na ongeveer 18 m een stijgende trend in. Na circa 30 m achter de TBM kruist de momentenlijn de as en stijgt verder naar een waarde van 80MNm (gemeten en varianten 5 en 11) tot 100MNm (bij variant 7). Daarachter lijkt het moment qua ordegrootte gelijk te blijven. In Figuur 51 en Figuur 52 zijn respectievelijk de dwarskrachtenlijn en de verplaatsingslijn behorende bij de berekening van variant 5 weergegeven. De werkelijke waarden liggen waarschijnlijk in de ordegrootte zoals in deze figuren is weergegeven. In Figuur 51 is te zien dat de lijn van de dwarskrachten in de tunnellining aan de rechterkant van de figuur (direct achter de TBM) een sprong maakt van 0 kN naar circa 5500 kN. Dit is het gevolg van de dwarskrachtoverdracht tussen de TBM en de tunnel. Verder naar links zakt de dwarskrachtenlijn snel terug naar een negatieve waarde om vervolgens weer geleidelijk te stijgen. In de dwarskrachtenlijn is te zien dat over de lengte van de tunnel verschillende belastingen worden opgelegd. De verplaatsingenlijn (Figuur 52) laat een getand verloop zien met een maximale verplaatsing van circa 5,5 mm en een blijvende verplaatsing (ver achter de TBM) van circa 4 mm. Het getande verloop wordt veroorzaakt doordat een nieuwe ring steeds precies op het niveau van het tracé wordt geplaatst terwijl de voorgaande ring een (kleine) verplaatsing heeft ondergaan als gevolg van de uitwendige krachten. Geconcludeerd kan worden dat de resultaten van de rekmetingen binnen de bandbreedte van deze berekeningsresultaten liggen. Omdat de rekmetingen vrij betrouwbare metingen in de tunnel hebben opgeleverd, is de overeenkomst met de berekeningen een mooi resultaat.

TBM Figuur 50. Ring 2117: rekmetingen vs. berekening : Momenten

62


Figuur 51. Resultaten variant 5: dwarskracht

Figuur 52. Resultaten variant 5: verplaatsingen

Analyse van de meetresultaten en de berekening leidt tot de conclusie dat de opdrijfgradiënt vanaf het moment van injectie tussen 8 kPa/m en 11 kPa/m moet liggen. Op basis van alleen de volumieke massa van het grout wordt een grotere waarde verwacht. Evenals bij de Sophia Spoortunnel blijkt de groutdrukgradiënt lager dan die berekend volgens de volumieke massa. In F220 [24] is aannemelijk gemaakt dat dit wordt veroorzaakt door de injectiestrategie en de zwichtspanning van het grout. Nadeel van de modellering in ESA PT is dat het genereren van een oplossing voor een praktijkgeval complex en tijdrovend blijkt. Daarnaast is het rekenproces relatief ondoorzichtig. De stijfheid van de grond is als voorbereiding op de modellering bepaald aan de hand van een 2D EEM-model Plaxis, met een waarde van 367 MN/m/m. Deze veerstijfheid blijkt goed te voldoen.

63


6.4

Vergelijking modellen liggerwerking COB-projecten De resultaten van de berekeningen met het liggermodel sluiten goed aan bij de resultaten die zijn verkregen in andere COB-praktijkonderzoeken waarin ook gebruik is gemaakt van 1D-gefaseerde modellen voor liggerwerking. Het betreft de praktijkonderzoeken Botlekspoortunnel (COB-F340 Montagespanningen en Dwarsverbindingen [23] en Sophiaspoortunnel (COB-F220 Tunnelconstructie) [24]. In Tabel 1 zijn van de gebruikte modellen de belangrijkste karakteristieken naast elkaar gezet. Uit de tabel blijkt dat de modellen slechts op enkele aspecten van elkaar verschillen.

Praktijkonderzoek

F512

F220

F340

Tunnelproject

Groene Hart Tunnel

Sophiaspoortunnel

Botlekspoortunnel

Platform

ESA-PT

Diana

Diana

Liggertype

Buig-/afschuifligger; Aanwezigheid ringvoegen meegenomen in stijfheid

Ondersteuning door grout

Geen

(verticaal) Ondersteuning door grond

Elasto-plastische

(verticaal)

bedding, zowel aan

Elastische bedding

onder- als bovenzijde van de ligger; Beide beddingen zijn niet tegelijk actief. Interactie tussen TBM

Verticale puntlast

Verticale translatieveer voor dwarskracht-

en tunnel

op ligger t.p.v. TBM

overdracht van/naar de TBM

Verticale belasting in

Constant; lengte

Varieert in grootte

Constant; lengte

vloeibare groutzone

groutzone variabel

over lengte van

groutzone variabel

groutzone; Verticale belasting in

Gelijk aan belasting

Gelijk aan mini-

Gelijk aan belasting

verharde groutzone

in vloeibare grout

male belasting in

in vloeibare grout

zone

vloeibare groutzone

zone

TBM-belastingen

• Normaalkracht en moment t.g.v. vijzelkrachten • Onderscheid tussen boor- en stilstandbelasting • Verticale belasting door volgwagens

Tabel 1. Karakteristieken van 1D-gefaseerde liggermodellen gebruikt in drie COB-praktijkonderzoeken

64


In de drie praktijkonderzoeken zijn met de 1D-gefaseerde liggermodellen parameterstudies gemaakt. De resultaten daarvan bieden inzicht in het liggergedrag tijdens de bouw van een boortunnel en de parameters die dominant zijn voor het liggergedrag van het model. In Tabel 2 zijn de resultaten van de onderzoeken ten aanzien van het liggergedrag samengevat. Uit dit overzicht blijkt dat de onderzoeksresultaten elkaar onderling bevestigen en aanvullen. Er zijn geen tegenstrijdigheden in gedrag gevonden.

Praktijkonderzoek

Liggergedrag voorspeld met 1D-gefaseerde modellen

COB-F512 [16]

• Het liggergedrag is gevoelig voor de opdrijfbelasting, de lengte van de vloeibare groutzone en de stijfheid van ondersteuning door grond en TBM; • Verticale verplaatsingen ca. 10 mm.

COB-F340 [22]

• De verhouding tussen de stijfheid van de ondersteuning van de tunnel door de grond en door de TBM zijn bepalend voor het liggergedrag van de tunnel,m.n. voor het wel of niet omslaan van het teken van het liggermoment; Uit resultaten van metingen is gebleken dat er geen sprake is van een tekenomslag van het moment; • Bij relatief lage stijfheden van de grondbedding heeft een variatie van de lengte van de vloeibare groutzone een beperkte invloed; • Bij lage waarden van de beddingconstante heeft de volgtreinbelasting een niet te verwaarlozen invloed op de resultaten en kan mogelijk het verschil maken tussen wel of geen tekenomslag van het liggermoment. • Verticale verplaatsingen tussen 5 en 15 mm

COB-F220 [24]

• Bevestiging van de bij F340 gevonden gevoeligheid van liggerwerking voor ondersteuning tunnel door grond en TBM; • Het liggergedrag is zeer gevoelig voor variatie van de buigstijfheid van de ligger en ongevoelig voor een reductie van de afschuifstijfheid; • Verticale opwaartse verplaatsingen ca. 30 mm.

COB-F512/F220/F340

• Gefaseerde berekening leidt tot een blijvend liggermoment op grote afstand van TBM; • Het maximale liggermoment is in absolute zin significant groter dan het moment ten gevolge van de vijzelbelasting (onafhankelijk van tekenomslag); • Benodigde modellengte voor stabiel liggergedrag ca. 100 – 200 m

Tabel 2. Belangrijkste resultaten van liggergedrag volgens 1D-gefaseerde modellen

65


6.5

Analytische modellering liggerwerking Om tot een eenvoudige, toegankelijke en inzichtelijke oplossing te komen voor de modellering van de liggerwerking van geboorde tunnels is een analytische modellering opgesteld [17]. In het verleden zijn met analytische methodes goede resultaten behaald. De bestaande methoden van Bouma [25] en Bogaards en Bakker [26] zijn daarom geanalyseerd. Bouma beschouwt de elastisch ondersteunde ligger maar de uitbouw van de tunnel wordt niet beschreven. Bogaards en Bakker beschrijven wel de gefaseerde uitbouw bij een verdeelde belasting. De analytische oplossingen voor het liggerwerkingprobleem lenen zich goed om op te nemen in een Excel-werkblad. Het analytisch model berekent de dwarskracht, buigend moment, de hoekverdraaiing en de verplaatsing in/van de ligger. In het model kunnen zes verschillende, over een zekere lengte, gelijkmatig verdeelde belastingen worden ingevoerd. De modellering gaat uit van een elastisch ondersteunde ligger waaraan steeds een onbelast liggerdeel toe wordt gevoegd. Ook verplaatst steeds een deel van de belasting met de voortgang van de TBM. Het eerste deel achter de TBM is niet ondersteund door de grond en het deel daarachter is elastisch ondersteund. De verschillende belastingcomponenten in een concrete situatie zijn weergegeven in Figuur 53. De voortgang van de TBM wordt in discrete stappen berekend, waarbij de stapgrootte kleiner gekozen kan worden dan de segmentlengte. Opgemerkt wordt dat, hoewel de veren in Figuur 53 aan de onderzijde van de tunnel zijn weergegeven, de resulterende reactiekrachten uit de grond vaak naar beneden zijn gericht als gevolg van de opdrijvende kracht die door het grondwater op de tunnel wordt uitgeoefend.

Figuur 53. Schematisering (deels) elastisch ondersteunde tunnelligger

Uit de berekeningen blijkt dat om een nieuwe tunnelring spanningsloos in te bouwen, elk segment een hoekverdraaiing meekrijgt van het vorige segment. Om de tunnellining volgens het geplande alignement te kunnen bouwen moet elk segment onder een hoek met het vorige segment worden geplaatst (Figuur 54).

66


Figuur 54. Inbouwhoek van een nieuw segment

De resultaten van verschillende parametervarianten van het Excel model zijn vergeleken met de resultaten van de modellering in ESA PT, zie Figuur 55. De analytische oplossing blijkt bij de meeste variantenberekeningen een substantieel geringer maximaal positief buigend moment te geven. Mogelijke oorzaken hiervoor zijn het niet meenemen van de afschuifstijfheid in het analytische model, plasticiteit in de verende ondersteuning bij de ESA-berekening en dat de laatste fase in ESA PT een boorfase is. De eerste mogelijke oorzaak, de afschuifstijfheid van de ligger, is onderzocht door vergelijking van het analytische model met een modellering in Plaxis maar verwaarlozing van de afschuifstijfheid bleek slechts een zeer geringe invloed te hebben op het berekende momenten- en dwarskrachtenverloop van respectievelijk 10% en 5%. Deze onderschatting is acceptabel voor een eenvoudig model. Het verschil tussen beide modellen moet dus in andere oorzaken dan de afschuifstijfheid gezocht worden.

Figuur 55. Vergelijking analytisch model (-) met ESA PT (-) , basisberekening

Het analytische liggerwerkingsmodel is gebruikt om na te gaan bij welke invoerparameters een goede overeenstemming wordt bereikt bij het momentenverloop zoals afgeleid

67


uit de rekmetingen. In Figuur 56 zijn de buigende momenten en een “best-fit” met het analytische model gegeven waarbij opgemerkt wordt dat ook met andere combinaties van parameters een goede overeenstemming is gevonden[16]. Indien er geen dwarskrachtoverdracht tussen TBM en tunnel plaatsvindt en een opwaartse belasting wordt aangehouden van 1,25 keer de waterdruk wordt een goede overeenkomst gevonden (hoewel niet erg reëel).

Figuur 56. Buigend moment: meting ring 2117 vs. analytisch model (geen dwarskrachtoverdracht en 1,25 x waterdrukgradiënt)

In analytische modellen wordt onderscheid gemaakt tussen gefaseerde en ongefaseerde liggerberekeningen waarbij de uitbouw van de tunnel wel, respectievelijk niet wordt meegenomen in de beschouwing. Vergelijking van het resultaat van de gefaseerde met de ongefaseerde berekening (Figuur 57) laat zien dat een ongefaseerde berekening tot een onjuiste oplossing komt. Weliswaar is het momentenverloop in het ongesteunde deel (x = 2m) identiek, maar verder achter de TBM lopen beide oplossingen steeds verder uit elkaar. De ongefaseerde oplossing nadert op grote afstand van de TBM tot nul terwijl bij de gefaseerde oplossing een constant buigend moment resteert. In het COB-onderzoek bij de Botlekspoortunnel (F340) is deze conclusie ook al getrokken. De oorzaak van het verschil in uitkomst is in dit onderzoek vastgesteld en ligt in de randvoorwaarden die in het verleden bij de verschillende modellen zijn gehanteerd. Bij de ongefaseerde ligger wordt namelijk het eind moment van de ligger op nul gesteld en is de verticale positie van de kop van de ligger een onbekende. Bij de gefaseerde ligger is het eindmoment van de ligger een onbekende en is de verticale positie van de kop van het elastisch ondersteunde deel van de ligger (het einde van de vloeibare groutzone) gelijk gesteld aan nul. Er wordt aanbevolen om na te gaan of de op deze manier gedefinieerde ongefaseerde berekening gebruikt kan worden als de eerste benadering bij de berekening in de ontwerpmethode, zie 6.6.3. In de in dit onderzoek voorgestelde ongefaseerde ligger is het eindmoment een onbekende.

68


De verticale positie van de kop van het elastisch ondersteunde deel van de ligger dient opgegeven te worden waardoor de oplossing van het eindmoment kan worden berekend omdat dit de enige onbekende is.

Figuur 57. Buigend moment: gefaseerd en ongefaseerd

6.6

Ontwerpparameters liggerwerking De verschillende invloeden op de liggerwerking van de tunnel zijn in [19] nader onderzocht.

6.6.1

Kwantificering van groutbelasting uit groutinjectiestrategie De verticale groutdrukgradiënt direct achter de TBM bepaalt in belangrijke mate het krachtenspel in de tunnelbuis. Deze verticale groutdrukgradiënt wordt direct achter de TBM bepaald door de injectiestrategie in combinatie met de reologische eigenschappen van het grout. Op wat grotere afstand van de TBM wordt deze bepaald door het verticaal verplaatsen van de tunnelbuis. De meeste tunnelboormachines, waaronder ook de Boortunnel Groene Hart, zijn uitgerust met zes groutinjectiepunten. Het groutdebiet in de bovenste injectiepunten wordt meestal groter gehouden dan de onderste om daarmee de groutdrukgradiënt kleiner dan de hydrostatische gradiënt (voor grout ca. 18 kPa/m) te houden en zo de tunnel naar beneden te drukken. Het grout stroomt vanuit de injectiepunten tangentieel langs de tunnel, zie Figuur 58 (links). De groutdrukken nemen lineair af met de afstand van het injectiepunt omdat de stroomsnelheid van het grout gering is en de zwichtspanning niet veel verandert. Er is een analytisch continuïteitsmodel opgesteld om de groutdrukverdeling te kunnen berekenen. Hierin is tevens de wrijving tussen het grout en de omringende grond (en evt. wrijving met de lining) opgenomen. Door de groutdrukverdeling te projecteren op de verticaal en de statische groutdruk daarbij op te tellen volgt de verticale groutdrukverdeling, zie Figuur 58 (rechts). Het model is tevens geschikt gemaakt om de groutdrukken te berekenen bij een niet-concentrische ligging van de staartspleet in het boorgat.

69


Figuur 58. Tangentiele groutverdeling direct achter de TBM (links), groutdrukverdeling t.g.v . groutinjectie en statische drukverdeling grout (rechts) 6.6.2

Kwantificering maximale verticale beweging in grout De resultaten van de verticale verplaatsingen van de tunnelbuis zijn in de gebruikte rekenmodellen vele malen kleiner dan de waarden die zijn gemeten met de flesjeswaterpas, terwijl de Total-Station-metingen tot meer overeenkomstige resultaten hebben geleid. Een mogelijke oorzaak voor de verschillen tussen de waterpasmetingen en de berekeningen wordt gezocht in de buigstijfheid van de tunnelbuis en de stijfheid van de grond. De stijfheid van de gesegmenteerde tunnelbuis is kleiner dan een monoliet betonnen buis met dezelfde afmetingen zou zijn. Daarom wordt de tunnelstijfheid vaak gereduceerd met een factor die is bepaald met een numerieke simulatie. In de voorgaande modellering met ESA PT is een reductiefactor van 0,65 gebruikt. Deze waarde wordt beschouwd als bovengrens voor de reductiefactor die zich voordoet wanneer alle segmenten in alle ringen perfect op elkaar aansluiten. Er zijn echter aanwijzingen dat zelfs een kleinere buigstijfheid van de tunnelbuis werkelijkheid kan zijn. Het is namelijk niet waarschijnlijk dat alle segmenten perfect op elkaar aansluiten, zie Figuur 30. Door het gereduceerde contactoppervlak tussen de segmenten is het mogelijk dat een reductiefactor tot wel 0,08 (!) zou moeten worden toegepast. De bandbreedte van de stijfheid van de tunnel ligt dus tussen 8% en 65% van de stijfheid van een monoliete betonnen buis. Een mogelijke verklaring voor de theoretisch benodigde kleinere grondstijfheid is dat de grond rond de tunnel beïnvloed wordt door het bouwproces door de TBM. Wanneer de tunnel wordt aangebracht en deze verticaal gaat verplaatsen wordt evenwicht bereikt in het systeem van tunnel en grond. Dit resulteert in een sterke afname van de korrelspanning aan de onderzijde en een kleine toename van de korrelspanning aan de bovenzijde waardoor de grond rond de tunnel als geheel slapper reageert. Er kon niet worden vastgesteld of de werkelijke stijfheid van de tunnel en de grond daadwerkelijk zoveel kleiner is. Een andere mogelijke reden voor de verschillen t ussen resultaten van de (met name waterpas-) metingen en de modellen kan liggen in de

70


interpretatie van de metingen. Uit de rekmetingen is het namelijk wel mogelijk om de slingerlengte van het systeem tunnel-grond te bepalen, maar de absolute grootte van de stijfheden van de tunnel en de grond kan hieruit niet worden bepaald. Uitgaande van de tiltmetingen en het flesjeswaterpassysteem zouden zowel de tunnel en de grond veel slapper moeten reageren dan in de berekeningen is aangenomen om de gemeten verplaatsingen te verklaren. De resultaten van de Total stationmetingen zouden wijzen op stijfheden zoals in de berekeningen aangenomen. Op dit moment is de onzekerheid in de metingen nog te groot om hier een heldere uitspraak over te kunnen doen. Metingen bij andere tunnels zullen hier duidelijkheid over moeten geven. In een verder gevorderd stadium van de commissieactiviteiten zijn, bij een nadere beschouwing van de verschillende metingen, op basis van een aantal uitgangspunten, overeenkomsten gevonden [19]. Het beeld wat hierbij ontstaat, is dat de twee meetringen een hoge ligging hebben wanneer ze uit de TBM komen. Nadat de tweede ring uit de TBM is gekomen zakt het geheel terug naar een normale, lage positie. Vanaf deze positie stijgt de lining weer met het voortschrijden van het boorproces. De vijf total stations blijken metingen te hebben verricht terwijl de meetringen zich op vrijwel gelijke verticale posities bevonden terwijl er zich tussen de metingen in, juist grote verticale verplaatsingen voordeden. 6.6.3

Ontwerpmethode liggerwerking Om de krachtswerking van een geboorde tunnel goed te kunnen berekenen wordt aangeraden een aantal aspecten eerst apart te beschouwen en daarna in onderlinge samenhang. Belangrijke ontwerpparameters in dit kader zijn: 1. De groutdrukbelasting. In de beschouwing van de liggerwerking is met name het verloop over de tunnelhoogte van de groutdrukken van belang. Inzicht in het verloop van de groutdrukken kan worden verkregen door gebruik te maken van het in F512 ontwikkelde eenvoudige model [17]. De groutinjectiestrategie (hoe wordt het groutdebiet verdeeld over de injectiepunten) is van groot belang voor de groutdrukverdeling direct achter de TBM. Op grotere afstand van de TBM wordt het verticaal verplaatsen van de tunnel maatgevend. Tussen deze twee gebieden bevindt zich een overgangsgebied. 2. Het grondgedrag. Dit kan met bijvoorbeeld een 2D-Plaxisberekening berekend worden. Wel moet er rekening mee worden gehouden dat in het onderzoek van F512 de mogelijkheid open wordt gehouden dat de grond slapper reageert dan met de huidige modellen wordt berekend. 3. Het tunnelbuisgedrag. Ook de tunnelbuis kan slapper zijn dan in het verleden is aangenomen. Stijf tunnelgedrag leidt tot momenten in de buis die hoger zijn dan de verwachte momentcapaciteit van de buis. 4. Dwarskracht tussen de TBM en de tunnel. De gemeten optredende momenten in de tunnelbuis zijn niet te verklaren zonder de aanwezigheid van dwarskracht tussen TBM en de tunnel. De dwarskracht zou kunnen worden overgedragen via de vijzels of via de staartspleetafdichting (borstels en vet). Geconstateerde slijtage van de vijzels (lekkage rond duwstangen) zou op de aanwezigheid van dwarskracht kunnen duiden. Aanbevolen wordt om deze krachten te meten wanneer daarvoor de gelegenheid zich voordoet. 5. Lengte van vloeibaar grout en locatie van elastische grondreactie. Afhankelijk van de groutsoort (wel of niet verhardend, waterdoorlatendheid) en de grondsoort (goed of slecht waterdoorlatend) moet deze lengte worden bepaald. Een grote vloeibare lengte heeft tot gevolg dat de buigende momenten in de tunnelbuis sterk toenemen.

71


De lengte van de vloeibare groutzone bleek samen met de groutdrukgradiënt direct achter de TBM een belangrijke parameter met grote invloed op de berekeningsresultaten. Een goede afschatting van deze lengte is daarom van groot belang. 6. Een aspect dat voor vervolgonderzoek van belang kan zijn is de invloed van de bewegingen en krachten van de TBM op de tunnel. Bewegingen van de staart van de TBM hebben invloed op de ruimte tussen het TBM-schild en de tunnel en daardoor op de stroming van grout rond de tunnel. De momenten en normaalkracht die de TBM uitoefent op de tunnel zijn van belang voor de beweging van de tunnel direct achter de TBM. Op grotere afstand dempt deze invloed uit. Door het samenvoegen van de bovenstaande onderdelen in een integraalmodel wordt een model verkregen dat het krachtenspel rond het bouwproces van de boortunnel berekent. Het geheel van de analyse van de aparte ontwerpparameters en het samenvoegen wordt de ontwerpmethode genoemd.

72


7 Evaluatie, conclusies en aanbevelingen

7.1

Evaluatie onderzoek / Terugkoppeling met onderzoeksdoelen Het hoofddoel van het praktijkonderzoek F512 was het verkrijgen van inzicht in de liggerwerking in de tunnelbuis achter de TBM. Hierin speelt een aantal thema’s een rol die nog onvoldoende bekend zijn, namelijk: • grootte van de groutbelastingen op de tunnel (radiaal, tangentieel, axiaal); • mate van verticaal verplaatsen van de tunnel; • gedrag van verhardend grout (stroming, drukverdeling, verhardingslengte); • ovalisatie van de tunnel (nauwkeurig); • plaatsingsonnauwkeurigheden van de segmenten; • dwarskrachtoverdracht tussen TBM en tunnelbuis. Zowel de praktijkmetingen als de analyses van de resultaten en de modelleringen van de tunnelconstructie en het gedrag van grout hebben bijgedragen aan een beter inzicht in de optredende krachten en vervormingen van de tunnellining. De externe belastingen op de tunnel zijn onderzocht aan de hand van groutdrukmetingen en verschillende modellen die deels in het kader van dit onderzoek zijn ontwikkeld. Ook de invloed van de groutinjectiestrategie en de invloed van consolidatie van het grout zijn onderzocht. De meetresultaten van de mate van verticaal verplaatsen van de tunnel zijn niet eenduidig. De resultaten van de waterpasmetingen en de Total stationmetingen geven weliswaar een overeenkomstige richting aan maar in de grootte van de gemeten verplaatsingen zitten grote verschillen. De rekenmodellen geven resultaten die zelfs nog kleiner zijn dan de gemeten verplaatsingen. Dit geeft aanleiding om aan te nemen dat de grootte van de stijfheden van de tunnel en de grond kleiner zijn dan tot nu toe is aangenomen, óf dat de metingen anders moeten worden geïnterpreteerd. De belangrijkste parameters voor het maximaal optredende buigende moment, en de verplaatsingen van de tunnel zijn: • de groutdrukgradiënt direct achter de TBM; • de lengte van het vloeibare grout; • de tunnelstijfheid; • stijfheid van de grond. Naar het gedrag van het grout is modelonderzoek gedaan, deels gebruikmakend van de modellen van Delft Cluster. Door dit onderzoek is beter inzicht verkregen in het consolidatiegedrag, de groutdrukverdeling en de invloed van het grout op de liggerwerking. In het onderzoek is getracht de invloed van de groutdrukken in de staartspleet te relateren aan de waterspanningen in de grond. De uitgevoerde metingen lieten echter nauwelijks een relatie zien, hetgeen werd bevestigd door modellen. De eigenschappen van de grond en het gebruikte grout rondom de tunnel zijn zodanig geweest dat er geen significante invloed is geweest.

73


In het onderzoek F512 heeft de ovalisatie van de tunnel geen belangrijke rol gespeeld. Er zijn metingen (Total station) verricht om een onderscheid te kunnen maken tussen vervormingen van de buis in lengterichting en vervormingen van de ring (ovalisatie). De metingen zijn echter niet nauwkeurig genoeg gebleken om daadwerkelijk te gebruiken in de evaluaties. Plaatsingsonnauwkeurigheden van de segmenten in de ring zijn niet als zodanig onder zocht, maar zijn wel van belang omdat ze de stijfheid van de tunnel en daarmee het liggerwerkinggedrag van de tunnel beïnvloeden.

7.2

Evaluatie metingen / Terugkoppeling met meetopzet Er is getracht tot een zo goed mogelijke verzameling meetresultaten te komen door de volgende opzet aan te houden. • maken van predictie (verplaatsingen onderhoudsschacht); • maken van een meetplan; • plaatsen van de meetinstrumenten; • uitvoeren van de metingen; • doen van een pre-evaluatie. De predictie met betrekking tot de verticale verplaatsing van de onderhoudsschacht is waardevol gebleken. De voorspelde en later door de aannemer gemeten verplaatsingen t.g.v. de verticale verplaatsingen van de schacht tijdens de bouw daarvan bleken zo gering dat het meten van liggerwerking van de tunnel t.g.v. de verticale verplaatsingen van de schacht tijdens de bouw daarvan niet mogelijk was geweest. Dit heeft geleid tot een aanpassing van het onderzoeksplan en de focus is verlegd naar de liggerwerking achter de TBM. Voor alle metingen is vooraf een meetplan opgesteld. Hierin is steeds een afweging gemaakt van het type meetinstrumenten en een beschrijving gegeven van hoe de meetopstelling moest worden geïnstalleerd. Het plaatsen van de meetinstrumenten in de tunnel heeft enkele problemen opgeleverd. Doordat drie meetsystemen tegelijkertijd in de tunnel moesten worden geïnstalleerd vergde dit meer tijd dan vooraf ingepland. Hierdoor zijn de waterpasinstrumenten niet precies op de beoogde hoogte in de ring geplaatst waardoor bij voortgang van de tunnelbouw de instrumenten door de TBM van de lining zijn afgedrukt. Vertragingen in de tunnelbouw hebben ertoe geleid dat de tweede Total station meting van ring 2118 niet is uitgevoerd. Obstakels in de tunnel maakten het inmeten van de segmenthoeken met de Total station op meerdere locaties onmogelijk. Ondanks de goede voorbereidingen zijn de meetdata van de verschillende metingen niet allemaal van dezelfde kwaliteit. Vooral de resultaten van de verplaatsingen hellingmetingen in de tunnel geven geen eenduidig beeld. De rekmetingen laten relatief veel ruis zien. De groutdrukmetingen hebben alleen in het eerste gedeelte achter de tunnel waarde omdat een laboratoriumtest aantoont dat na verloop van tijd de consolidatie van het grout een andere invloed heeft op de metingen dan op de aanwezige drukken. De meetresultaten zijn samengevat in verschillende meetrapporten.

74


Het maken van een pre-evaluatie waarbij alle meetsets zijn beoordeeld en gecontroleerd op consistentie (o.a. tijdsynchronisatie) is waardevol geweest in het vervolgonderzoek waarin de evaluaties zijn uitgevoerd. Meetresultaten van een aantal instrumenttypen zoals de rekopnemers, tiltmeters, groutdrukopnemers en waterspanningsmeters zijn nader, los van de modelleringen over liggerwerking, geëvalueerd. Deze meetresultaten en de meetresultaten van de verplaatsingen in langsrichting van de tunnel zijn vervolgens gebruikt en geëvalueerd in de liggerwerkingsmodellen. Van de ovalisering en maaiveldzettingen zijn de meetresultaten niet geëvalueerd. Het is aan te raden nog meer aandacht te besteden aan het interpreteren van de meetresultaten, het uitzetten van de meetresultaten tegen de tijd en de locatie van de TBM en vervolgens relaties te leggen tussen de verschillende meetresultaten.

7.3

Evaluatie van de modellen Er zijn meerdere modellen gebruikt om de samenhang van krachten en verplaatsingen van de tunnel te berekenen zoals het ESA PT model en het analytische model in Excel. Ook zijn er in het onderzoek modellen ingezet om inzicht te krijgen in deelproblemen zoals het gedrag van het grout, de mechanische eigenschappen van de tunnel en de eigenschappen van de grond. Het maken van een vergelijking tussen de resultaten van de berekeningen en de metingen was door het gebrek aan eenduidigheid in de metingen niet goed mogelijk. Toch zijn er wel degelijk goede stappen gemaakt in de modellering van liggerwerking. De berekeningen met ESA PT tonen aan dat de stijfheid van de tunnel en de grond, de lengte van het vloeibare grout en de groutdrukgradiënt belangrijke parameters zijn voor de liggerwerking en geven voor deze parameters een kwantitatieve indicatie. Het ESA PT model bleek echter wel enigszins “log” te zijn waardoor de gebruiksvriendelijkheid te wensen over liet. Verder is het analytische model een eenvoudig toegankelijk model gebleken, waarmee de constructeur van boortunnels relatief eenvoudig een idee kan krijgen over de te verwachten krachten en verplaatsingen van de tunnel. Ook heeft het onderzoek aangetoond dat voor het berekenen van de liggerwerking een eenvoudig model niet minder goed voldoet dan een geavanceerd eindige elementen model. Het grote voordeel van het analytische model is dat het eenvoudig en snel waardoor het inzicht in de liggerwerking wordt vergroot. Uit de berekeningen blijkt dat om een nieuwe tunnelring spanningsloos in te bouwen elk segment een hoekverdraaiing meekrijgt van het vorige segment. Om de t unnellining volgens het geplande alignement te krijgen moet elk segment onder een hoek met het vorige segment worden ingebouwd. De meetresultaten van de verticale verplaatsingen van de tunnel hebben geen eenduidig beeld gegeven. Er blijft discussie over de interpretatie van de metingen. Het is hierdoor niet goed mogelijk geweest de berekende verplaatsingen te valideren met de meetresultaten. Momenten, slingerlengte, lengte van de vloeibare groutzone en de belasting door het grout konden wel bepaald worden door de combinatie van metingen en berekeningen.

75


7.4

Algemene conclusie en aanbevelingen Bij het F512 Onderzoek naar liggerwerking van tunnels is naar voren gekomen dat de verplaatsingen en vervormingen van een tunnel tijdens de bouw en kort daarna wel eens groter kunnen zijn dan waar tot voor kort rekening mee werd gehouden. Waar er tot nu toe van werd uitgegaan dat de verplaatsingen van de tunnellining als geheel, na het grouten, zich tot enkele millimeters zouden beperken, heeft de commissie na de metingen bij de Boortunnel Groene Hart zijn inzichten moeten bijstellen. Er is nu een voldoende aantal gevalideerde waarnemingen die aangeven dat verplaatsingen in de orde van 20 tot 30 mm, regelmatig voorkomen en verplaatsingen tot 70 mm, hoewel niet geheel onomstreden, daarbij niet kunnen worden uitgesloten. Het in dit onderzoek verder ontwikkelde liggerwerkingsmodel lijkt een krachtig hulpmiddel te kunnen worden bij het ontwerpen van geboorde tunnels. Voor de praktische toepassing van het model wordt echter aanbevolen meer zekerheid te zoeken ten aanzien van de toe te passen randvoorwaarden bij de overgang van vloeibaar grout naar elastische bedding: • de stijfheid van de tunnel en de bedding; • de krachtsoverdracht van de TBM naar de tunnellining. Aangezien deze gegevens nodig zijn voor elke rekenmethode naar de langskrachten en momenten, verdient het aanbeveling deze onderwerpen bij vervolgonderzoek prioriteit te geven. Nadere analyse van de verplaatsingen, zowel met het liggermodel als met de 2D analyse geeft als aannemelijke verklaring, dat bij een tunnel van deze diameter, de opdrijvende kracht van de relatief lichte tunneldoorsnede in het grout hiervoor de primaire aandrijvende kracht is. Bij “grote diameter” tunnels kunnen de opdrijfkrachten aanzienlijk zijn. Ten aanzien van de in dit onderzoek gemeten grote verplaatsingen kunnen nog twee andere effecten worden onderscheiden, die bij het zoeken van een nadere verklaring, van belang zouden kunnen zijn, en dus in aanmerking komen voor nader onderzoek: 1. de hoogte van de groutdruk; 2. zwichtspanning van het grout. Ad 1) Uit het afstudeerwerk van Nakken [28] is bekend dat een te hoge groutdruk er toe kan leiden dat de tunneldoorsnede (het boorgat) niet, zoals in het algemeen wordt aangenomen horizontaal ovaliseert, maar een meer verticaal ovale vorm aanneemt, meer de vorm van een staand ei. De oorzaak hiervan is dat waar de grens voor de toename van de horizontale grondspanning naast de tunnel hoog is, de toename van de verticale grondspanning boven de tunnel beperkt wordt door het gewicht en de weerstand van de bovenliggende grondlagen. Als, zoals bij de Boortunnel Groene Hart het geval is, een deel van die bovenliggende lagen (in het bijzonder de holocene veen- en kleilagen), beperkt van gewicht, en/of beperkt van weerstand is (omdat het is opgebouwd uit slappe grondlagen), dan bestaat het gevaar van omhoog drukken van de grondlagen boven de tunnel. Hierbij kan het voorkomen dat de veerreactie van de ondergrond, die gewoonlijk lineair wordt verondersteld vanwege de dominante invloed van de ontlastingsstijfheid van de ondergrond onder de tunnel, minder stijf wordt onder invloed van de meer plastische reactie van de bovenliggende grondlagen.

76


Ad 2) Bij een voldoende hoge zwichtspanning van het grout kan het onder ad 1 genoemde effect op de verticale verplaatsingen van de buis nog klein zijn; als de zwichtspanning van de grond niet wordt overschreden wordt de annulus (boorgat) rondom de buis, onafhankelijk van de vervormingen van de grond met grout gevuld en blijven de verplaatsingen van de buis beperkt. Bij het overschrijden van de zwichtspanning rondom de tunnel zal de buis in mindere of meerdere mate in het grout worden gedrukt, tot op het punt dat, bij een te lage zwichtspanning, de schuifspanning, overal rondom de buis wordt overschreden. In dat geval zou de tunnelbuis, bij afwezigheid van liggerwerking, geen weerstand in het grout meer ondervinden en tot boven in de annulus rond de buis kunnen opdrijven. Slechts de krachtsoverdracht in de buis zorgt dan voor weerstand tegen opdrijven. Aangenomen wordt dat het onverharde grout zich slechts over een beperkte lengte van de buis uitstrekt, waardoor verdere verplaatsingen beperkt worden. Dat de hoogte van de zwichtspanning van het grout van invloed is op de groutdrukken en de gradiënten, is in dit onderzoek duidelijk aangetoond. Hiermee is de theorie over de groutdrukken zoals die is opgesteld met behulp van de metingen aan de Sophiaspoortunnel in grote lijnen bevestigd. Voor sommige details zijn er nog vragen (de gemeten gradiënten na het plaatsen van één van de ringen). Hoe deze relatie precies verloopt zou door middel van vervolgonderzoek kunnen worden vastgesteld. Bij nader onderzoek van het stromingsgedrag van de grond rondom de tunnel speelt enerzijds de vorm van het boorgat (onder invloed van het grouten), en de positionering van de buis in de annulus een rol. Het verdient daarbij aanbeveling om bestaande metingen van de positionering van de lining in het boorgat nader te analyseren. Bij het uitvoeren van metingen tijdens het vervolgonderzoek wordt aanbevolen om vooraf een onafhankelijke expertise op de betrouwbaarheid van die metingen uit te voeren. De onzekerheden t.a.v. de betrouwbaarheid van de metingen hebben bij het F512 onderzoek het trekken van hardere conclusies in de weg gestaan. Voor toekomstige projecten, zeker voor de grotere diameters zoals bij de Boortunnel Groene Hart wordt aanbevolen om in het ontwerpstadium extra aandacht te geven aan de diepteligging van de tunnel en de beoogde toe te passen groutdrukken. Verder verdient het aanbeveling om een analyse van het risico van opdrijven van de tunnel in het grout als standaard ontwerpopgave uit te voeren. Tijdens de uitvoering is de kwaliteit van het grout van groot belang. Afwijkingen waardoor het grout een lagere zwichtspanning heeft, kunnen tot grote opdrijfkrachten leiden. Tijdens de uitvoering van een tunnelproject dient de vervorming van de tunnel met regelmaat te worden gecontroleerd. Daarbij zou het de voorkeur genieten om de verticale verplaatsingen van de buis als geheel te monitoren; waar dit uit praktische overwegingen lastig is, zou in ieder geval met regelmaat de diameter, zowel horizontaal als verticaal kunnen worden opgenomen. Door deze maat te volgen kan inzicht worden verworven over de stabiliteit van de buis in de groutzone.

77


7.5 Conclusie per deelonderwerp Per deelonderwerp zijn de belangrijkste conclusies weergegeven. 7.5.1

Verplaatsing onderhoudsschacht Uit de predictie van de verticale verplaatsingen van de onderhoudsschacht en de meting die vervolgens is uitgevoerd door de aannemer is gebleken dat de invloeden op de verplaatsingen van het belasten en ontlasten van de grond onder de onderhoudsschacht aan de hand van de bestaande theorie en modellen goed kunnen worden gekwantificeerd. De verplaatsingen werden echter te klein geacht om het oorspronkelijke projectplan uit te voeren.

7.5.2

Momenten in de tunnel Het buigende moment in de tunnel in langsrichting is afgeleid uit de rekmetingen en berekend met het EEM-model en met het analytische model. De resultaten van zowel de meting als de berekening laten een omslag van teken in het momentenverloop zien; vanaf de negatieve waarde van het TBM-moment dat overgebracht wordt op de tunnel neemt de momentenlijn in de eerste meters achter de TBM af naar een negatief maximum. Daarachter snijdt de momentenlijn de nul-as en stijgt door naar een positief maximum. Het moment blijft vervolgens in de tunnel aanwezig. De resultaten van de berekeningen volgen de vorm van de momentenlijn van de metingen. In de parameterstudie is gebleken dat met een realistische set parameters een goede overeenkomst tussen de berekeningen en metingen mogelijk is.

7.5.3

Krachtsoverdracht tussen TBM en tunnel In de berekeningsmodellen is gebleken dat de overdracht van dwarskracht van invloed is op de momentenlijn in de tunnelbuis. De toename van het moment achter de TBM (naar een negatief maximum, afgeleid uit de meetresultaten van de rekken en de berekeningen) kan worden veroorzaakt door een dwarskracht vanuit de TBM. Een indicatie van de ordegrootte is 2 MN. Als er van wordt uitgegaan dat er geen dwarskracht vanuit de TBM wordt overgebracht op de lining, is het op basis van de meest waarschijnlijke combinatie van parameters niet mogelijk om overeenstemming te bereiken tussen de gemeten en berekende momentenlijn.

7.5.4

Verplaatsingen / vervormingen tunnel De resultaten van de verschillende verplaatsingsmetingen van de Boortunnel Groene Hart geven een verschillend beeld te zien. De waterpasmetingen laten een fluctuatie tussen de 20 en 30 mm met een eenmalige verplaatsing van 70 mm zien. De Total stationmetingen laten resultaten zien van enkele millimeters. De berekeningen met modellen laten met de vooraf veronderstelde stijfheid van de tunnel verticale verplaatsingen zien van ordegrootte 7 mm. Alle metingen geven een grotere verplaatsing dan de berekeningen. In de loop van het onderzoek zijn er echter redenen gekomen om de stijfheid kleiner te veronderstellen waardoor grotere verplaatsingen worden berekend. De verplaatsingsmetingen blijken minder nauwkeurig dan vooraf aangenomen, zeker wanneer het gaat om relatief kleine verplaatsingen. Het verdient daarom aanbeveling om

78


de verplaatsingen via meer dan één meetsysteem te bepalen, zodat de betrouwbaarheid van de meetsystemen kan worden vastgelegd.

7.5.5

Modelresultaten verplaatsingen / vervormingen tunnel Uit de modelresultaten kunnen de volgende conclusies worden getrokken; door de afwezigheid van eenduidige verplaatsingsmetingen konden deze echter niet worden gevalideerd: De modellen laten zien dat de verticale verplaatsingen die de tunnel tijdens de aanleg ondergaat sterk worden beïnvloed door de lengte van het volledig vloeibare grout, de stijfheid van de tunnel en de stijfheid van de grond. Onder de lengte van het volledig vloeibare grout wordt verstaan de afstand vanaf de TBM waarover het grout nog geen groutcake aan de rand met de grond heeft gevormd. In de modellen wordt verondersteld dat in dit gebied de grond alleen impliciet (wrijving tussen grout en grond bij groutstroming waardoor een lagere groutdrukgradiënt ontstaat) een bijdrage levert aan de ondersteuning van de tunnel. In de modellen is een lengte van 2 m tot 8 m gebruikt. De berekeningen tonen aan dat de lengte van het vloeibare grout van grote invloed is op de momenten die ontstaan in de tunnelbuis. Een combinatie van grout dat lang vloeibaar blijft en slecht waterdoorlatende grond kan daardoor leiden tot grote momenten en is dus ongewenst. Over de buigstijfheid van de gesegmenteerde tunnel is binnen commissie F512 discussie ontstaan. De resultaten van met name de waterpasmetingen geven een verplaatsing van de tunnel met fluctuaties van 20 tot 30 mm met een éénmalige verplaatsing van 70 mm. Deze verplaatsingen worden door de Total station meetresultaten niet ondersteund en ook de groutdrukmetingen wijzen niet in deze richting. Om in de berekeningen toch deze verplaatsingen te bereiken is een zeer gereduceerde tunnelstijfheid (tot 8%) vereist waarvoor in [19] verschillende oorzaken worden geopperd. Echter, over het algemeen wordt door de commissie de mening gedragen dat de reductiefactor voor de stijfheid meer in de richting ligt van 0,9 (90%) t.o.v. een monoliet betonnen buis, zoals ook gebruikt in de EEM-berekening.

7.5.6

Groutbelasting / opdrijfbelasting, zwichtspanning, verticale groutdrukgradiënt De resultaten van de groutdrukmetingen worden naar aanleiding van laboratoriumproeven voor een beperkte afstand betrouwbaar geacht. De metingen en het modelonderzoek laten zien dat direct achter de TBM de groutdrukverdeling wordt bepaald door de positie van de groutinjectiepunten en de verdeling van het debiet over de injectiepunten. Aan de bovenkant van de tunnel wordt meer grout ingepompt waardoor een kleinere opdrijfbelasting wordt bereikt. Ten gevolge van enkel het gewicht van grout zou een verticale groutdrukgradiënt van circa 18,5 kPa/m verwacht worden, echter, ten gevolge van de zwichtspanning en de wrijving tussen het grout en de omringende grond ligt de waarde van de groutdrukgradiënt tussen 8 kPa/m en 11 kPa/m.

79


7.5.7

Groutconsolidatie, verharding Resten bentoniet die vanaf het graafwiel langs het TBM-schild tussen de groutlaag en de grond kunnen komen, vormen mogelijk een zeer ondoorlatend laagje waardoor de consolidatie van het grout nog minder snel kan plaatsvinden. De lengte van het volledig vloeibare grout is mogelijk dus langer dan de 2 m tot 8 m die in de liggerwerkingsmodellen is aangehouden. De groutdrukken achter de TBM hebben slechts een kleine invloed op de waterspanningen in de omringende grond. Grondwaterstroming t.g.v. uitpersen van water uit het grout achter de TBM is verwaarloosbaar. Drukken in de slurry aan het boorfont hebben echter wel duidelijk invloed op de grondwaterstroming. Het verschil tussen boren en niet boren is op een afstand van 100 m vanaf de TBM nog duidelijk waarneembaar.

7.6

Aanbevelingen Naar aanleiding van de bevindingen en conclusies uit het praktijkonderzoek is een aantal aanbevelingen geformuleerd. De belangrijkste aanbevelingen zijn hieronder weergegeven. Het is wenselijk dat er nader onderzoek wordt verricht naar de liggerwerking achter de TBM. Met name de werkelijke verticale verplaatsingen van de tunnel, het gedrag van het grout en de invloed van het grout op de liggerwerking en de daadwerkelijk optredende belastingen op de tunnel, dient verder worden te onderzocht. Voor de bepaling van de belasting op de lining en de mogelijkheid van verticale vervormingen in de tunnel is het van belang om meer kennis te ontwikkelen over de invloed van het grout en de groutcake op de ontwatering. Bij toekomstig boortunnelonderzoek wordt aanbevolen de krachtsoverdracht tussen de TBM en de tunnel te meten. Dit is een belangrijke parameter in de krachtswerking van de tunnel. Door in toekomstig onderzoek op meerdere locaties achter elkaar tiltmetingen te verrichten kan een beter beeld van de verplaatsingen worden verkregen. Het verdient aanbeveling om van een opbouw van de tunnelring met slecht aansluitende segmenten, de normaal- en buigstijfheid van de tunnelbuis te onderzoeken. Belangrijke aandachtspunten voor het vervolgonderzoek zijn: Ten aanzien van de metingen: • Een zorgvuldige installatie van de meetinstrumenten is vereist. Het is verstandig de uitvoering van de installatie in detail te beschrijven in een meetplan en dit zorgvuldig te volgen. Een planning met daarin wat speling om tegenvallers op te kunnen vangen, is vereist. Zorg ook voor een noodplan (terugvaloptie) voor het geval dat de installatie van de instrumenten anders verloopt dan gepland; • Controleer en valideer de instrumenten regelmatig tijdens de metingen. Een validatie van de instrumenten op gezette tijden tijdens de metingen dient in de evaluatiefase als controlemiddel om de meetresultaten op waarde te kunnen schatten;

80


• Gebruik één soort tijdregistratie voor alle metingen. Het UTC-systeem leent zich hier goed voor. Ten aanzien van de verwerking en analyse van de meetresultaten: • Voer een pre-evaluatie uit. Deze pre-evaluatie zorgt voor een éénduidige dataset waardoor de middels modellen verrichte evaluatie beter en sneller kan worden uitgevoerd; • Maak een analyse van elke soort meetresultaten. Voer deze analyse uit op basis van alleen de meetdata om verbanden te leggen en patronen in de meetresultaten te achterhalen en te verklaren; • Maak gebruik van een “tool” (zoals ontwikkeld binnen dit F512-onderzoek) om de verschillende soorten meetresultaten met elkaar te kunnen vergelijken. Ten aanzien van evaluaties middels modelleringen: • Gebruik eenvoudige modellen in plaats van geavanceerde (3D-EEM) modellen om inzicht te krijgen in de heersende processen. Geavanceerde modellen kunnen goed dienen om de eenvoudige modellen te valideren, maar door hun grote complexiteit en lange rekentijden werken ze weinig inzichtelijk. Ook de ingenieurspraktijk vraagt om modellen die eenvoudig te begrijpen en toe te passen zijn; • Wanneer in de ongefaseerde analytische liggerberekening de randvoorwaarden van de gefaseerde liggerberekening worden gebruikt, worden overeenkomstige resultaten gevonden. • Indien het gewenst is de belasting op de tunnel beter te voorspellen, dienen de groutstromingsmodellen te worden verbeterd. • Het is aan te bevelen de stijfheid van de tunnellining als een gesegmenteerd geheel door te rekenen via een aantal verschillende exercities om zo het gedrag vast te leggen, samen met de stijfheid van de grond.

81


82


8 Literatuurlijst

8.1

Rapporten COB F512; Tunnelconstructie Boortunnel Groene Hart Ref.nr.

Titel

Opsteller

Kenmerk

[1]

Praktijkonderzoek Boortunnel

COB/F512

F512.7.1

F512, Predictie verticale verplaat-

T&E Consult,

F512-O-02-064

sing Vluchtschacht N11,

Holland Railconsult

Boortunnel “Groene Hart”

en Royal Haskoning

N11 emergency shaft: nails on

Bouygues/Koop

Surv-726-70011

capping beam monitoring

E. Monsillon

rev 35

Measurement programme

GeoDelft

F512-O-03-084

IV-Infra

F512-O-03-085

TNO

F512-O-03-086

TNO

F512-O-03-105

IV-Infra

F512-O-03-106

GeoDelft

F512-O-03-107

Groene Hart Deelprojectplan F512 Tunnelconstructie (definitief, 30-08-02) [2]

[3]

[4]

pore water pressures ‘Groene Hart’ tunnel [5]

Experimental set-up to determine the deformation and rise of the tunnel construction directly behind the TBM in the Groene Hart Tunnel

[6]

Experimental set-up for the measurement of strains in the Groene Hart Tunnel

[7]

Meetrapport rekmetingen en groutdrukmetingen COB F512

[8]

Meetrapport van metingen ter bepaling van de vervormingen en opdrijving van de tunnel constructie direct achter de TBM in de Groene Hart Tunnel

[9]

Resultaten deelonderzoek F512 “Tunnelconstructie” Waterspanningsmetingen, feitelijke rapportage

83


Ref.nr.

Titel

Opsteller

Kenmerk

[10]

Metingen maaivelddeformaties bij

Fugro-Inpark

F512-O-03-108

TNO

F512-O-03-110

Pre-evaluatie meetdata COB-

Bouwdienst

F512-O-04-126

onderzoek Groene Harttunnel,

Rijkswaterstaat

Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart - Tunnelconstructie [11]

Leveringsrapport rekmetingen en groutdrukmetingen COB F512

[12]

Verslag en resultaten [13]

IJking groutdrukopnemers

GeoDelft

F512-O-04-127

WL|Delft Hydraulics

F512-O-05-003

GeoDelft

F512-O-05-004

Grontmij en Fugro

F512-06-03

Fugro

F512-06-11

Nadere Analyse Hellingmetingen,

Bouwdienst

F512-06-12

COB F512: Boortunnel Groene Hart

Rijkswaterstaat

Evaluatie F512 tweede fase:

WL|Delft Hydraulics,

Ontwerpparameters bij krachts-

GeoDelft en Fugro

GHT, Resultaten metingen [14]

Beweging van de tunnel en reactiekracht grout bij boortunnel Groene Hart

[15]

Analyse wateroverspanningen naast tunnel, Invloed groutstroming op waterspanning

[16]

Eindrapport Evaluatie Liggerwerking, COB/F512; Boortunnel Groene Hart

[17]

Analytische Oplossing Liggerwerking, COB F512: Boortunnel Groene Hart

[18]

[19]

F512-07-02

werking, groutdruk en invloed beweging tunnelbuis [20]

84

Eindrapportage F512

Movares

F512-07-03


8.2

Rapporten andere COB-commissies Ref.nr.

Titel

Opsteller

Kenmerk

[21]

F511; Boortunnel Groene Hart

Stichting COB,

F511-06-04

eindrapportage trillingen (fase G)

Gouda

F340; Totaaloverzicht ligger

TNO Bouw

F300-W-053

Holland Railconsult

F300-W-046

F220; 4D Groutdrukmodel,

Fugro, GeoDelft,

F220-O-04-120

eindrapport

TEC

[22]

berekeningen Botlekspoortunnel [23]

F340 Montagespanningen en dwarsverbindingen; Eindrapportage deelprojectcommissie F340

[24]

8.3

Overige literatuur Ref.nr.

Titel

[25]

Bouma, A.L. 1993. Mechanica van Constructies. Delft The Netherlands: Delftse Uitgevers Maatschappij

[26]

Bogaards, P.J., Bakker K.J. 1999. Longitudinal bending moments in the tube of a bored tunnel. Numerical Models in Geomechanics Proc. NUMOG VII: p. 317-321

[27]

Consolidation of grout, elements tests, GeoDelft report 403050/03, January

[28]

Nakken, D. 2003. Veiligheid van de lining van boortunnels bij extreme groutdrukken. MSc Thesis TU Delft

85


86


Bijlage 1 Predicties verplaatsingen Onderhoudsschacht De bouwfasering van onderhoudsschacht N11 is als volgt: ophogen van het terrein, maken bouwputwand d.m.v. diepwanden, ontgraven van de bouwput, aanbrengen onderwaterbeton, storten lage sterkte betonplug, droogzetten bouwput, bouwen inwendige constructie in de betonplug, volzetten bouwput, TBM boort tot in betonplug, TBM boort verder en tot slot het definitief droogzetten van de bouwput. De bouwfasering veroorzaakt verschuivingen in het verticale evenwicht hetgeen zwelling dan wel inzakking van de bodem tot gevolg heeft. Voor het bodemonderzoek zijn verschillende proeven gedaan. De bovenste grondlagen tot 12 m -NAP bestaan uit slappe holocene klei- en veenlagen met het grondwater op circa 2,2 m -NAP. Door middel van triaxiaalproeven zijn van vier holocene monsters de sterkteparameters, de oedometerstijfheid en de ontlastingsstijfheid bepaald. Op monsters afkomstig uit de dieper gelegen pleistocene zandlagen zijn twee triaxiaal proeven en een dilatometerproef uitgevoerd. Een vergelijking van het gedrag van onderhoudsschacht N11 van de Boortunnel Groene Hart en de startschacht van de Sophiaspoortunnel laat zien dat de bodemopbouw niet gelijk is, maar dat er wel overeenkomsten zijn zoals een bouwput gefundeerd op staal en de diepte van de bouwput. Bij de Sophiaspoortunnel zijn de verticale verplaatsingen gemeten vanaf het moment dat de bouwput leeg gepompt werd. De gemeten verplaatsingen van de bouwputvloer bedroegen totaal circa 13 mm en voor de wanden circa 8 mm. De predicties met Plaxis bij de Boortunnel Groene Hart laten een verplaatsing van onderhoudsschacht N11 zien van 3 tot 6 mm. De verschillen tussen de predicties van de Boortunnel Groene Hart en de metingen bij de Sophiaspoortunnel zijn te verklaren uit het verschil in constructie en de aanwezigheid van een zwelgevoelige kleilaag bij de Sophiaspoortunnel. Daarom mag aangenomen worden dat de orde van grootte van de berekende verplaatsingen goed is. Wel moet rekening worden gehouden met het feit dat de reducerende invloed van de aanwezigheid van de tunnelbuis niet is meegenomen in de modellering. Door de zeer geringe verticale verplaatsingen van de onderhoudsschacht is de liggerwerking van de aan de onderhoudsschacht gebouwde tunnelbuis waarschijnlijk moeilijk te bepalen. De resultaten van de metingen die de aannemer heeft uitgevoerd tijdens de bouw van de onderhoudsschacht van de Boortunnel Groene Hart komen goed overeen.

87


88


Bijlage 2 Leermomenten metingen Uit de ervaringen van het praktijkonderzoek kunnen de volgende lessen worden getrokken.

Total station metingen: • aanwezige obstakels in de tunnel maken het inmeten van meetprisma’s lastig omdat die niet “zichtbaar” zijn; • de combinatie van de verschillende metingen op de twee meetringen en de daarmee samenhangende hoeveelheid kabels, dataloggers en leidingen hebben de ovalisatiemetingen bemoeilijkt naast de volle volgwagens 1 en 2; • er zit te veel tijd tussen het moment van meten van de hoeken van de segmenten en het vervolgens inmeten van de referentiepunten, waardoor de betrouwbaarheid beperkt is; • de tweede meting van ring 2118 is niet uitgevoerd omdat door een vertraging bij het boren en de inbouw van ring 2117 en 2118 er ten tijde van de meting geen mensen beschikbaar waren om de meting uit te voeren.

Flesjeswaterpas: • afwijkingen van het meetplan kunnen in een intensief gebruikte omgeving als een boortunnel leiden tot schade aan de instrumenten; houd je aan het meetplan; • vertragingen in de bouw kunnen leiden tot onvoorziene situaties zoals het niet beschikbaar zijn van een meetploeg; zorg dat een eventueel ingezette reserveploeg goed ingewerkt is en bekend is met de problematiek; • controle op lekkage van het systeem is aan te raden; wees alert op fouten van het meetsysteem; • doorsnijden van kabels resulteert direct in het stoppen van de meting, ook van de nog wel werkende opnemers; • de resultaten van de waterpasmetingen blijken afwijkende waarden te geven in vergelijking tot de Total stationmeting en de berekeningen; in een vervolgonderzoek dienen betrouwbaardere technieken te worden toegepast.

EL Tiltmeter: • meetresultaten die op het eerste gezicht onlogisch lijken, kunnen door nadere analyse toch inzicht geven in de processen rond de metingen; • de helling van een segment is niet per definitie gelijk aan de helling van de hele tunnel op die locatie. Lokale invloeden als het bewegen van een segment in de ring heeft invloed op de meetresultaten; • bij de tiltmetingen is een pulsvormige schommeling geconstateerd die in het onderzoek niet verklaard kon worden; onderzoek naar de oorzaak is nodig om in het vervolg betrouwbare metingen te kunnen doen; • t.g.v. een storing in de logkast is zijn de metingen op 5 juni onbetrouwbaar, zie groutdrukmetingen hieronder.

89


Rekmetingen: • de rekmetingen laten een soort (“luxaflexvormige”) ruis zien waarvoor geen verklaring is gevonden; de oorzaak moet worden gezocht om de ruis bij volgende metingen te voorkomen; • tijdens het schoonspuiten van de wand door de aannemer is er water in een aansluitkastje gelopen waardoor de betreffende opnemer ongeveer 24 uur niet heeft gemeten; • in een relatief groot aantal, namelijk bij 10 van de 32 opnemers, is een onverklaarbare storing opgetreden.

Groutdrukmetingen • t.g.v. de consolidatie van het grout zijn de groutdrukmetingen maar een beperkte periode betrouwbaar; • op 5 juni is tijdens het schoonspuiten van de wand door de aannemer water in een aansluitkastje gelopen waardoor deze opnemer ongeveer 24 uur niet heeft gemeten. Doordat het dezelfde logkast betrof als waarop de tiltmeters waren aangesloten, heeft ook deze meting gedurende deze periode geen bruikbare resultaten opgeleverd.

Waterdrukmetingen • de meetresultaten van de drukopnemers, die moesten dienen als referentie, laten ondanks hun grote afstand (100 m) toch de beïnvloeding door het boorproces zien.

Maaiveldzettingen: • de zakbaken hebben niet alleen de maaiveldverplaatsingen onder invloed van de zettingstrog gemeten maar ook een in de tijd fluctuerende dikte van het grondpakket; • de baken die dienden als vaste referentiepunten hebben waarschijnlijk zelf ook verplaatsingen ondergaan. Bij vervolgonderzoek moet worden gewaarborgd dat de referentiepunten voldoende diep zijn gefundeerd zodat ze geen invloed ondervinden van verplaatsingen van het maaiveld of van het boorproces.

90


Bijlage 3 Deelnemers commissie F512 Naam

Organisatie

Functie

ir. F.B.J. Gijsbers ir. A.G. Tolboom ing. R. Boer dr.ir. K.J. Bakker ir. R.J. van Beek ir. A. Bezuijen ir. A. van Eck dr. ir. W. Broere ir. Y.M.J.J. Hollman ing. W.P. Hoogen ing. B.K.J. Obladen ir. J.T. van der Poel dr.ir. A.M. Talmon dr.ir. J.A.M. Teunissen ir. C. van der Vliet ing. E.P.J. de Winter A. Zeilmaker ir. W.C. Dotinga

TNO Bouw en Ondergrond DHV B.V. COB TU Delft TEC Tunnel Engineering Consultants Deltares Royal Haskoning A. Broere’s Aannemingsmij. BV BouwRisk Inventarisatie & Management B.V. Movares Nederland B.V. Strukton Engineering Grontmij Nederland B.V. Deltares Deltares ARCADIS Nederland BV TEC Tunnel Engineering Consultants Rijkswaterstaat Bouwdienst MNO Vervat

voorzitter secretaris coördinator lid lid lid lid lid lid lid lid lid lid lid lid lid lid corresponderend lid

91

COB – Nederlands kenniscentrum voor ondergronds bouwen en ondergronds ruimtegebruik Het Nederlands kenniscentrum voor ondergronds bouwen en ondergronds ruimtegebruik (COB) heeft tot doel om kennis, kunde en innovatie voor ondergronds ruimtegebruik en ondergronds bouwen te ontwikkelen. Dit doet COB door praktijkonderzoek en door samenwerking binnen een netwerk van deskundigen. Kennis komt tot stand in een publiekprivate, maatschappelijke context, om te komen tot resultaten die breed worden geaccepteerd en die leiden tot een verantwoorde toepassing met maatschappelijk en economisch rendement. COB bestaat sinds 1995 en maakt deel uit van CURNET.

Consortium DC-COB Door het ondertekenen van de overeenkomst ‘Consortium Ondergronds Bouwen’ d.d. 18 december 2003 bevestigen COB en Delft Cluster de voorgenomen plannen met betrekking tot het uitvoeren vangezamenlijk onderzoek binnen het consortium ‘Ondergronds Bouwen’. Bij de formulering van de onderzoeksactiviteiten binnen beide organisaties voor de periode 2003-2010 leek een verdere afstemming van de activiteiten winst voor beide organisaties te kunnen betekenen. Delft Cluster kan profiteren van de goede relaties die het COB heeft opgebouwd met diverse marktpartijen op het gebied van ondergronds bouwen en ondergronds ruimtegebruik. Deze marktpartijen zijn nood zakelijk om te komen tot een uitvoerbaar Bsik-programma voor de periode 2003-2010. Het COB kan van de samenwerking profiteren omdat het een eerste aanzet betekent naar een gezonde financiële basis voor onderzoeksactiviteiten. Daarnaast biedt de samenwerking voor beide organisaties kansen op het gebied van kennisdeling en kennis verspreiding. Dat is de insteek van de twee projecten: Beheerst Boren in Stedelijk Gebied en Innovatief Ondiep Bouwen.

Gemeenschappelijk praktijkonderzoek boortunnels (GPB) Na het succesvolle verloop van het praktijkonderzoek bij de Tweede Heinoordtunnel en de Botlekspoortunnel bleek het voor vijf nog op handen zijnde Nederlandse boorprojecten efficiënter om het nog b enodigde onderzoek te verdelen. Daarom gaven de opdrachtgevers van vijf Nederlandse boortunnelprojecten en COB half september 2000 door de ondertekening van de Overeenkomst Gemeenschappelijk Praktijkonderzoek Boortunnels (GPB) hun goedkeuring aan een masterplan praktijkonderzoek. Onder de paraplu van het Centrum Ondergronds Bouwen bepaalden zij welk onderzoek waar het beste zou kunnen plaatsvinden. Binnen het masterplan GPB wordt onderzoek gedefinieerd ter plaatse van Westerscheldetunnel (F100), Sophiaspoortunnel (F200), Tunnel Pannerdensch Kanaal (F500), Boortunnel Groene Hart (F510), Noord-Zuidlijn (F530) en RandstadRail (F540). Tijdens de u itvoering van deze boortunnels met grote diameter zullen metingen en experimenten worden uitgevoerd, waarmee de kennis ten aanzien van de geboorde tunnel als bouwmethode wordt vergroot. Hierbij worden ondermeer zaken onderzocht als metingen aan dwarsverbindingen, mogelijkheden tot hergebruik van vrijkomende grond, optreden van zwel van diepgelegen kleilagen, volgen van het boorproces en gerichte evaluatie van meetgegevens. Het betreft dan ook uitvoerings gerelateerd onderzoek met oog op het verkleinen van risico’s en kosten bij toekomstige tunnelprojecten. De partijen vertegenwoordigd binnen het Platformoverleg GPB • Managementgroep Betuweroute van NS RailInfrabeheer, • Projectbureau Noordelijk Holland - Directie HLS-Zuid - Ministerie van Verkeer & Waterstaat, • Projectbureau Noord-Zuidlijn - Dienst Infrastructuur Verkeer en Vervoer van de Gemeente Amsterdam, • Centrum Ondergronds Bouwen (COB), • Projectbureau RandstadRail • Bouwdienst Rijkswaterstaat - Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat - Ministerie van Verkeer & Waterstaat • Delft Cluster

partner curnet Groningenweg 10 2803 PV Gouda

Postbus 420 2800 AK Gouda

T +31 (0)182 - 540 660 F +31 (0)182 - 540 661

[email protected] www.cob.nl

F F512. Praktijkonderzoek Boortunnel Groene Hart. Liggerwerking van boortunnels in de bouwfase

Recommend Documents