PRIJS
ONDERZOEKSRAPPORT N510
€ 16,00
RISICO-ANALYSE
BOUWFASE BOORTUNNEL
TUSSENRAPPORTAGE/FMEA & FOUTEN/GEBEURTENISSENBOOM
COB - CENTRUM Het Centrum
ONDERGRONDS
BOUWEN
Ondergronds Bouwen is een Nederlands publiek-privaat samenwerkingsverband.
Een toonaangevend kennisnetwerk dat oog en oor wil zijn voor alles wat met ondergronds bouwen te maken heeft. Vanuit de visie dat ondergronds ruimtegebruik een essentiele bijdrage levert aan een mooi, leefbaar en slagvaardig Nederland, stimuleert het COB de dialoog tussen aile mogelijke partijen die een rol spelen bij de verkenning van belemmeringen en mogelijkheden van het bouwen onder de grond. Naast het (mede) uitvoeren van onderzoeken, is het COB actief op het gebied van communicatie, kennismanagement en onderwijs, onder meer door de ondersteuning van een leerstoel ondergronds bouwen aan de TU Delft. Meer dan honderd organisaties uit het bedrijfsleven, de overheid alsmede kennisinstituten bundelen in het COB hun krachten en expertise. Het COB maakt deel uit van het netwerk van het Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving (CUR) en stemt zijn activiteiten af met andere deelnemers aan dat netwerk, zoals Habiforum (Expertisenetwerk Meervoudig Ruimtegebruik). Daarnaast heeft het COB een Memorandum Of Understanding (MOU) met de Japanse Tunneling Association (JTA) en stimuleert het internationale uitwisselingen met Japan en andere landen. De vele vraagstukken omtrent ondergronds bouwen die nog op ontginning wachten, worden benaderd vanuit zes thema's. De benadering staat garant voor een brede en integrale benadering van de kennislacunes op het gebied van ondergronds ruimtegebruik.
RUIMTELlJK ONTWERP PLANOLOGIE EN BESTUURLlJK BELEVING EN VEILIGHEID NATUUR- EN MILlEUASPECTEN TECHNOLOGIE ECONOMIE EN PROCESSEN
INSTRUMENTARIUM
VOORWOORD
Kennis en ervaring op het gebied van ondergronds bouwen in zachte grand is be1angrijk a1s Nederland de actualiteit wil vo1gen en de (inter)nationa1e positie van de Nederlandse ontwerpers en bouwers wi1 handhaven. Een breed forum van partijen uit bedrijfsleven, overheid en kennisinstituten heeft daartoe in 1994 het Impu1sprogramma Kennisinfrastructuur Ondergronds Bouwen opgesteld. Het doel van dit Impu1sprogramma is te komen tot een duurzame versterking van de kennisinfrastructuur. De kern van deze kennisinfrastructuur wordt gevormd door het Centrum Ondergronds Bouwen (COB), dat onderzoek en ontwikke1ingen op het gebied van ondergrands bouwen initieert en coordineert. COB maakt gebruik van de werkwijze en infrastructuur van het Civieltechnische Centrum Uitvoering Research en Rege1geving (CUR) te Gouda. De activiteiten van het COB worden uitgevoerd onder de noemer CUR/COB. Een 1eerstoe1 "Ondergronds Bouwen" aan de TV Delft is nauw ge1ieerd aan het COB. In CUR/COB participeert een breed scala aan bedrijven, brancheorganisaties, onderzoeksinstellingen, wetenschappe1ijke instituten en overheden. Via een bijdrage van de Interdepartementa1e Commissie Economische Structuurversterking (ICES) in het Impu1sprogramma stimu1eert de overheid de totstandkoming van deze kennisinfrastructuur. Het onderzoek- en ontwikkelingswerk van CUR/COB wordt verricht in het kader van een vee1 omvattend uitvoeringsprogramma. Dit uitvoeringsprogramma kent in eerste instantie vier thema's, te weten "Boren in zachte grond", "Verkennen, voorspellen en monitoren", "Economische tunnelbouw" en "Construeren, beheren en onderhouden". De thema's worden ingevu1d met uit te voeren onderzoek- en ontwikkelprojecten. Dit rapport beschrijft de resultaten van dee1project N51O, "Risico-ana1yse Bouwfase Boortunne1" dat is uitgevoerd a1s onderdee1 van het vierde thema. Aan1eiding hiervoor was het feit dat ervaringen in het buiten1and ge1eerd hebben dat bij het boren van tunnels vee1 activiteiten anders ver10pen dan gep1and, waardoor vertragingen en extra kostenposten kunnen optreden. De verwachting is dat de situatie in Nederland niet beter za1 zijn, in de beginperiode eerder slechter. De Nederlandse bodem moet tot een van de zachtste in de were1d gerekend worden en met dergelijke moeilijke bodems is nog weinig ervaring opgedaan. Er is daarom bij zowe1 bij opdrachtgevers a1s uitvoerders grote behoefte om de verschillende risico's in kaart te brengen, te kunnen beoorde1en en te kunnen beheersen. Bij de op dit moment actuele projecten Tweede Heinenoordtunne1 en Botlektunnel is dat ook gebeurd. Het doe1 van de commissie N51 0 was om de in Nederland en in het buiten1and aanwezige expertise op dit terrein te bunde1en en te zorgen voor een samenhangende methodiek, waarvan men bij toekomstige projecten vruchtbaar gebruik zou kunnen maken. Met nadruk wordt er op gewezen dat hier niet een b1auwdruk 1igt voor een risico-analyse die op ieder toekomstig project zonder verdere overdenkingen kan worden toegepast. Dit is op de eerste plaats niet mogelijk omdat ieder bouwproject zijn eigen bijzondere omstandigheden en werkwijze kent. Het zou ook niet wense1ijk zijn omdat de waarde van een risico-ana1yse juist voor een belangrijk deelligt in het gezamenlijk nadenken en discussieren over de belangrijkste en specifieke gevaren van dat proj ect.
1
Bij het opstellen van het eindrapport was COB-Uitvoeringscommissie N510 als voIgt samengesteld: Holland Railconsult Grondmechanica Delft SAT Engineering CUR/COB
Ir. F. de Boer Ir. RO.F. Calle Ir. F.G. de Haas Ing. P. Kole Ir. S.E. van Manen Ir. M.T. van der Meer Mr.ing. J.H. Rottier Ir. H. van Tienhoven Prof.ir. A Vrouwenvelder Ir. R.F. Woldringh Aan de werkzaamheden
Ri j kswaterstaat
TEC/Fugro Heijmans Beton- en Waterbouw Techno Fysica b.v. TNO Bouw TEC/Fugro van de commissie is verder een bijdrage geleverd door:
Ir. J.AG. Jansen Mw.ir. S. van Kinderen Ir. C.A Messemaeckers-Van Ir. M. Quaak Ir. C.M. Steenhuis Ir. AG. Wiggerts
de Graaff
Articon Twijnstra Gudde (voorheen Rijkswaterstaat) Holland Railconsult Van Hattum en Blankevoort TNO Bouw TEC/Fugro
Als experts zijn geraadpleegd: Eerste
fase:
Ir. C.Th. van Doorn Ir. H.C.W. Duurland Dhr. A Goudriaan Ir. F.J.M. Hoefsloot Ir. W.O. Molendijk Ir. J.L. van der Put Mr.ing. J.H. Rottier Ir. T.H.W. Van Splunder Tweede
fase:
Dhr. F. Barber Dhr. C. Becker Dhr. G. Castello Dhr. P. Diete Dhr. A Finch Dhr. M. van der Griend Ir. H. Hergarden Dr. J. Kampmann Dr. G. Lehmann Prof. dr. B. Maidl Ir. V.L. Molenaar Dhr. Nussbaum Prof.dr.-ing. K. Ullrichs
2
Projectbureau Noord-Zuidlijn Holland Railconsult Grabowsky en Poort Fugro Grondmechanica Delft Rijkswaterstaat Heijmans Beton- en Waterbouw Van Hattum en Blankevoort
Cunningham Int. (UK) Wayss und Freytag (Ger) NFM Framatome (Fr) Philipp Holzman (Ger) Mott McDonald (UK) TCH Grondmechanica Delft CowiConsult (Dk) Herrenknecht (Ger) IMM (Ger) Molenaar Hochtief (Ger) ELE Essen (Ger)
Velen van de experts hebben zich bij de gesprekken laten bijstaan door een of enkelen van hun collega's. CUR/COB bedankt allen die aan de totstandkoming
November 1997
van dit rapport hebben meegewerkt.
Het bestuur van CUR Het bestuur van COB
3
INHOUD SAMENV ATTING
6
INLEIDING Algemeen Werkwijze van de commissie Opbouw van het rapport
7 7 7 7 9 9 9 10 13
2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3
TUNNELBOUWTECHNIEKEN Boortechnieken Het luchtdrukschild Het vloeistofschild Het gronddrukbalansschild (earth pressure balance shield EPBS) Samenvatting kenmerken van een Slunyschield en Earth Pressure Balance Shield Enkele overwegingen bij de keuze van de boortechniek Tunnel-liningtechnieken Meerwandige system en Enkelwandige systemen Lining-typen Staartafdichting
3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.4
BESCHRINING BOUWPROCES Inleiding Voorbereiden Bouwproces Maken hulpconstructies Bouw schachten Starten boren Boren Keren en beeindigen boren Beheer
19 19 19 20 20 20 21 22 28 29
4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.4
BESCHRINING APPARATUUR Bouw schachten Starten en keren boren Boren Graven Steunen Vullen staartspleet Logistiek Scheiden Meten en regelen Aanbrengen lining Onderbreken en obstakels Beeindigen boorproces
30 30 30 30 30 31 31 31 34 34 34 35 35
Hoofdstuk 1 1.1 1.2 1.3 Hoofdstuk 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4
Hoofdstuk 3
Hoofdstuk 4
4
14 14 15 15 15 15 16
Hoofdstuk 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 Hoofdstuk 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 Hoofdstuk 7
ONGEWENSTE GEBEVRTENISSEN EN AFWIJKINGEN Inleiding Decompositie bouwproject en omgeving Onderdelen van het bouwproject en relatie met de omgeving Onderdelen van het bouwproces Faalwijzen en gevolgen Falen van het bouwproces Falen van gebouwde tunneldelen Uitwerking FMEA
36 36 38 38 38 39 39 40 40
OPSTELLEN VAN FOUTENBOMEN Inleiding Uitgangspunten en afbakening Structuur foutenbomen "bouwfase boortunnel" Globale kwantificering van de takken E1 t/m ElO van "Falen Boorproces" Risico reducerende maatregelen
64 64 64 66
SAMENV ATTING EN CONCLUSIES
86
VERKLARENDE
93
WOORDENLIJST
LITERATUVR
72 85
95
IN AP ARTE BAND: BIJLAGEN
Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage
l: Processchema tunnelbouw 2: Omschrijving voorbeeldtunnel 3: Grondonderzoek 4: Foutenbomen; "falen bouwfase boortunnel" 5: Gebeurtenissenboom steunen boorfront 6: Interviews met experts
5
SAMENV ATTING
In dit rapport worden de risico' s die samenhangen met de bouw van een boortunnel in zachte Nederlandse bodem gei"nventariseerd en in onderlinge samenhang in kaart gebracht. Gebruik is gemaakt van technieken als FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) en gebeurtenissen- en foutenbomen. Per onderdeel van het bouwproces is systematisch nagegaan welke onregelmatigheden zouden kunnen optreden en wat daarvan de gevolgen zouden kunnen zijn. Deze gevolgen zijn uitgedrukt in vijf "risico-dimensies", te weten "kosten", "vertraging", "kwaliteitsverlies", "schade aan omgeving" en "milieu" en "tenslotte slachtoffers en schade aan gezondheid". Voor het meest essentiele onderdeel van het bouwen van een boortunnel, te weten het boorproces zelf, is een kwantitatieve uitwerking gegeven op basis van interviews met experts in binnen en buitenland. Uiteraard is deze kwantitatieve uitwerking generiek van aard en moeten de getalwaarden bij toepassing voor een bepaald project aan de daar geldende specifieke omstandigheden en genomen maatregelen worden aangepast.
6
ROOFDSTUK
1
INLEIDING 1.1 Algemeen Ret boren van tunnels is in het buitenland al jaren gebruikelijk. Met name in stevige grond of rots, waarbij geen last wordt ondervonden van grondwater en het risico van instorting klein is, worden al heellang tunnels uitgehakt en geboord. De laatste jaren wordt ook onder moeilijker omstandigheden geboord: in losse material en als zand, leem, klei en veen, en met hoge grondwaterstanden in doorlatende grondsoorten. Ret boren in dergelijk los materiaal betekent tenminste vier belangrijke wijzigingen in het tunnelbouwconcept: (a) (b) (c) (d)
het boorfront is niet meer rechtstreeks bereikbaar; de tunnel heeft een waterdichte wand (lining) nodig; de kans op mechanismen als instabiliteit van het boorfront en blow-out, etc. neemt aanzienlijk toe; het opdrijven van (delen van) de tunnel wordt mogelijk.
Ret doel van project N510 "Risico-analyse bouwfase boortunnel" is het verkrijgen van inzicht in de risico's tijdens de aanleg van een boortunnel in (West)Nederlandse omstandigheden om op verantwoorde wijze effectieve risicobeperkende maatregelen te kunnen nemen. 1.2 Werkwijze van de commissie De commissie heeft in een eerste fase van het project via literatuurstudies, deskundigheid in eigen kring en het raadplegen van deskundigen bij de aangesloten bedrijven een globale Failure Mode and Effect Analysis gedaan en een aansluitende Foutenboomanalyse uitgevoerd. Daarbij speelde de op dat moment actuele voorbereidingen van de tunnelboorprojecten Tweede Reinenoordtunnel en Botlektunnel een belangrijke ro1. In een tweede fase zijn een aantal exteme merendeels buitenlandse experts geraadpleegd met de vraag in hoeverre men zich met de conclusies uit de eerste fase kon verenigen en welke aanvullende informatie men zou kunnen aandragen. Met name werd gevraagd de risico's te rangschikken en waar mogelijk kwantitatieve uitspraken te doen. In veel interviews is gedetailleerd ingegaan op in de praktijk voorgevallen ongewenste gebeurtenissen en hun oorzaken. De commissie heeft de door de verschillende deskundigen gegeven informatie geinterpreteerd en geaggregeerd. Op basis daarvan is het rapport van de eerste fase kwalitatief en kwantitatief aangepast. In de tweede fase is ook de systematiek nog verder ontwikkeld en verbeterd. 1.3 Opbouw van het rapport Ret rapport begint met een technische beschrijving van de tunnelboortechnieken, het boorproces en de de bij dit proces mogelijk te gebruiken apparatuur. In hoofdstuk 4 begint de eigenlijke risicoanalye met een inventarisatie van de mogelijke fouten en ongewenste gebeurtenissen. Riertoe wordt elk onderdeel van het bouwproces in detail bekeken en wordt op een systematische wijze nagegaan wat daarin mis kan gaan. Ret resultaat wordt gepresenteerd in de vorm van een FMEA (Failure Mode and Effect Analysis). Gefocust wordt op dat deel van het bouwproces dat primair met boren te maken heeft. Vervolgens worden in hoofdstuk 5 de verschillende faaloorzaken gepresenteerd in de vorm van een foutenboom. In die boom worden de verschillende faaloorzaken met elkaar in verb and gebracht en worden ook de gevolgen zichtbaar gemaakt. Verder wordt in hoofdstuk 5 een kwantitatieve invulling gegeven. Deze kwantitatieve invulling is bedoeld als een beste generieke schatting zoals die via raadpleging van binnenlandse en buitenlandse experts tot stand is gekomen. 7
In Bijlage 6 wordt uitgebreid op de raadpleging van de experts ingegaan. De gepubliceerde getallen zijn en kunnen niet meer zijn dan een eerste gedachtenbepaling. Bij ieder specifiek project zal over elk getal opnieuw nagedacht moeten worden. Sommige zaken spelen in het ene project niet en in het andere des te sterker. Indien men speciale mitigerende maatregelen neemt, kan men bepaalde kansen verkleinen. Daarop wordt slechts kort ingegaan.
8
HOOFDSTUK
2
TUNNELBOUVVTECHNIEKEN
2.1 Boortechnieken Bij het boren van tunnels wordt gebruik gemaakt van de schildmethode. Het schild is een korte stalen buis waarin de feitelijke ontgravingswerkzaamheden plaatsvinden en waarin de tunnel gebouwd wordt. Tijdens het ontgravingsproces wordt het schild vooruit geschoven. De twee hoofdvarianten in de tunnelbouw zijn de open en de gesloten frontmethode. Bij de open methode staat het boorfront in contact met de atmosferische lucht. Vaak wordt de grond mechanisch gesteund om stabiliteitsverlies te voorkomen. De open mode kan gebruikt worden in combinatie met verschillende graaftechnieken. In vroegere tijden gebeurde dit zelfs gewoon met de hand, tegenwoordig gebruikt men mechanische hulpmiddelen of graafwielen die vergelijkbaar zijn met die van de andere gesloten boortechnieken. In de Nederlandse omstandigheden is de open methode op enkele uitzonderingen na vrijwel uitgesloten. Het gevaar van instorten van het boorfront en binnendringen van water in de tunnel is in de meeste gevallen te groot. Bij de gesloten methoden is er een ruimte achter het boorfront waar een verhoogde druk heerst. Voor het in stand houden van deze druk bestaan verschillende hoofdvarianten [A12]:
. . .
het luchtdrukschild; het vloeistofschild; het gronddrukschild.
In deze paragraaf voIgt een korte beschrijving van de kenmerken van de verschillende gesloten methoden. 2.1.1 Het luchtdrukschild In een boorproces met een luchtdrukschild wordt gebruik gemaakt van verhoogde luchtdruk in een ruimte direct achter het boorfront (zie figuur 2.1). Deze ruimte is via een tussenschot gescheiden van de rest van het schild. De mensen achter het tussenschot gaan meestal alleen in bijzondere gevallen de hogedrukruimte in. De luchtdruk is over de hoogte van het boorfront overal gelijk en er kan dus niet op ieder punt van het boorfront evenwicht worden gemaakt met de aanwezige grond- en waterdrukken. Waar de druk te laag is bestaat gevaar van instorten van het boorfront en binnenstromen van water. De grond moet dus in ieder geval enige mate cohesief zijn en niet erg waterdoorlatend. In doorlatende gronden mag de luchtdruk uitsluitend daarbij worden ingezet voor de opname van de waterdruk en niet voor opname van de gronddruk. De gronddruk wordt in die gevallen door natuurlijke of mechanische ondersteuning opgenomen. Het water in de grond wordt daarbij aan de bovenzijde verdrongen door lucht. Aan de onderzijde kan het water vaak nog binnenstromen. Een gevreesd faalmechanisme bij het luchtdrukschild is blowout. Dit mechanisme kan optreden als de luchtdruk boven in het schild groter is dan de gronddruk en de lucht via een (meestal reeds bestaande) breuk of pijp weet te ontsnappen naar de oppervlakte. am blowout te voorkomen kan de grondwaterstand aangepast worden, ofkan het schild gedeeltelijk met water gevuld worden. Variaties met verlaging van de grondwaterstand en een gedeeltelijke vulling van het schild met water zijn in de praktijk met succes toegepast. Soms wordt ter verkleining van het blowout risico het boorfront met een bentonietsuspensie besproeit, waardoor een enkele millimeters dik membraan gevormd wordt, dat het boorfront vrijwel geheel afdicht. Dit noemt men een membraanschild. Daardoor kan een druk groter dan de heersende waterdruk worden aangebracht, waardoor ook gronddruk door luchtdruk kan worden opgenomen.
9
2.1.2 Het vloeistofschild Voor meer doorlatende bodems zijn vloeistofschilden ontwikkeld. Hierbij wordt het boorfront gesteund door een van de bodemomstandigheden afhankelijke steunvloeistof [A7]. Dit is in het algemeen een suspensie van water met bentoniet (kortweg: bentoniet) of andere kleimineralen, zoals ook bij het maken van diepwanden wordt toegepast. De steunvloeistof wordt in een afgesloten vloeistotkamer gepompt die grenst aan het boorfront. De bentoniet dringt vervolgens de bodem in en verzegelt deze door vorming van een zogenaamde filterkoek. Deze filterkoek is een vrijwel ondoorlatende laag op het ontgravingsfront. Door de filterkoek kan de suspensie tegenover de optredende grond- en waterdruk in evenwicht zijn. Tevens wordt instroming van water en daarmee ook piping voorkomen. De steunvloeistof fungeert bij vloeistofschilden ook als transportmedium. De aan het boorfront losgemaakte grond wordt met de steunvloeistof gemengd en door leidingen naar het maaiveld gepompt. Deze transportfunctie van de steunvloeistof stelt ook bepaalde eisen aan de samenstelling. In de scheidingsinstallatie wordt de vloeistof van de grond gescheiden, naar behoefte met verse steunvloeistof vermengd en weer naar het boorfront terug gepompt. In sommige gevallen worden polymeren als vervanging voor bentoniet gebruikt. De voor vloeistofschilden benodigde scheidingsinstallatie bevindt zich in de regel op het maaiveld in de nabijheid van de start schacht. Indien, om welke reden dan ook, de scheidingsinstallatie niet in de buurt van de startschacht gesitueerd kan worden dan is een verder gelegen lokatie mogelijk. Bij tunnels met een grote diameter (zeg meer dan 10 m) is het ook mogelijk de scheidingsinstallatie in de tunnel te situeren. De omvang en complexiteit van de scheidingsinstallatie hang en af van de grondsoort. Afhankelijk van de manier van functioneren worden er drie vloeistofschildtypen onderscheiden:
.
..
Slurry-shield (met als variant het Hydroschild); Hydrojetschild; Thixschild.
Slurry-shield: Bij een slurry-shield wordt de grond losgemaakt door een snijwiel (figuur 2.2). Op dit snijwiel zijn snijdelen aangebracht, bestaande uit messen of tanden die in dubbele rijen en straalvormig zijn gegroepeerd. De grond kan door openingen in het snijwiel worden afgevoerd, waarbij het zich mengt met de steunvloeistof. Dit mengsel wordt naar buiten de tunnel getransporteerd en gescheiden. De breedte van de openingen kan aangepast worden aan de grondsoort. Er zijn varianten met 3, 5 of 7 spaken en varianten met een vrijwel gesloten graafwiel. Er zijn ook varianten waarbij de maten van geslotenheid regelbaar is. Bij het gesloten graafwiel treedt dus enige mechanische ondersteuning van het boorfront op. Nadelen hiervan zijn de slechtere bereikbaarheid van het boorfront (bijvoorbeeld bij de ontmoeting van obstakels) en de grotere grondweerstand waardoor het benodigd aandrijfmoment groter is. In het geval van een open snijrad is er een rooster voor de opening van de afvoerleiding nodig om niet transporteerbare delen tegen te houden. Voor het rooster wordt vaak een steenbreker aangebracht die niet transporteerbare stenen tot een transporteerbare grootte terugbrengt. Voor grotere stenen en andere objecten kan een speciale steensluis worden gebruikt. Materiaalophopingen voor het rooster wordt voorkomen door stroming op te wekken met nieuw aangevoerde suspensie. Afhankelijk van het benodigde draaimoment van het snijwiel wordt het wiel over een as (center shaft type), langs de omtrek (drum type) of via schoren ongeveer in de kwartpunten van het snijwiel (center cone type) aangedreven. Bovenin de boorruimte wordt de steunvloeistof toegevoerd en onderin, in de nabijheid van een mengschroef wordt deze afgevoerd. De mengschroef dient afzettingen te voorkomen en voor een homo gene transportvloeistof te zorgen. 10
Bij het in Duitsland ontwikkelde "Hydroschild" wordt de vloeistofdruk geregeld via een aparte luchtkamer in de ontgravingskamer (zie figuur 2.3) [A7]. Daarmee kunnen over een relatief groot tolerantiebereik verliezen van steunvloeistof (bijvoorbeeld door contact met holle ruimtes) zonder verlies van de steundruk aan het boorfront opgevangen worden. Ook veranderingen in de stroomsnelheid van de suspensie kunnen zonder direkte invloed op de steundruk plaatsvinden wanneer dit uit transport overwegingen nodig is. Hydrojetschild Het hydrojetschild maakt gebruik van gerichte vloeistofstralen in plaats van een snijwiel voor het ontgraven van grond. Dit heeft als voordeel dat bij kleine schilden het boorfront nog toegankelijk is, zodat een handmatige verwijdering van obstakels mogelijk is. Thixschild De combinatie van steunvloeistof gecombineerd met plaatselijke ontgraving staat bekend als Thixschild [A7]. De ontgraving vind daarbij plaats met een in de drukwand gelegen telescopische graafarm waardoor de losgegraven grand direct afgevoerd wordt (cutterbagger). De snijkop houdt daarbij gelijk de niet transporteerbare delen weg van de in het binnenste van de snijkop gelegen afvoerleiding. Een interessant voordeel is dat met dit principe ook andere dan cirkelvormige doorsneden kunnen worden gemaakt. Op dit schildtype zal niet nader worden ingegaan.
11
////A
""W//A~
7
2
+---
3 Figuur 0.1: Luchtdrukschild
9 6
5
1
~2~II Figuur 0.2: Slurry schild
.iiII
--8 --9
----~---
5
17 211 4
3
Figuur 0.3: Hydroschild
--8 --9 5
6
10
Figuur 0.4: EPBS
'>";:::::()
()
()
9
()
()
()
6
1 2 3 4
= = = =
12
schild graafwiel drukwand duikwand
5 = lining 6 = vijzels 7 = ruimte met luchtdruk 8 = aanvoer bentoniet
9 = afvoer grond en bentoniet 10 = schoefvijzel
5
2.1.3 Het gronddrukbalansschild (earth pressure balance shield -EPBS) Bij de gronddrukbalansschilden (ook wel Earth Pressure Balance Shield kortweg EPBS genoemd) wordt de door het graafwiel ontgraven grond eerst opgevangen in een daaraan verbonden trommel (figuur 2.4) [A7]. Uit deze trommel wordt de grond verwijderd door een in een buis ondergebrachte schroefvijzel. Om de grond onder druk te houden en een waterdichte afsluiting te verkrijgen bestaan verschillende technische oplossingen. In de eenvoudigste vorm wordt de grond uit deze buis gelaten door een kleine instelbare opening waardoor de grond in de buis gecomprimeerd wordt. Een altematief is om een tweetal schroefvijzels met verschillende snelheden te laten draaien. Bij de overgang van de een naar de andere vijzel ontstaat dan een prop. De verdere afvoer van de grond naar buiten gebeurt via een transportband of met betonpompen, [A7]. Bij gronddrukbalansschilden is een scheidingsinstallatie veelal niet noodzakelijk omdat de grond relatief droog uit de tunnelboormachine (TBM) komt (er wordt standaard geen bentoniet gebruikt). Normaal gesproken wordt een EPBS toegepast in weinig doorlatende gronden met bijvoorbeeld minstens 30 procent klei. Het gronddrukbalansschild kan echter ook in een grofkorrelige grond gebruikt worden. Om waterbezwaar te voorkomen moet dan de grond in de ontgravingsruimte van de tunnelboormachine minder waterdoorlatend en beter verwerkbaar te maken. Dit kan o.a. gerealiseerd worden door gebruik te maken van een toevoeging van een high density slurry (kleimineralen) in de ontgravingsruimte. Om de afgegraven grofkorrelige grond te kunnen hergebruiken kan het dan economisch zijn om gebruik te maken van een scheidingsinstallatie. Een altematief voor kleimineralen zijn de zogenaamde foams. De modeme foams zijn volledig afbreekbaar en milieuvriendelijk. De foams verhogen de plasticiteit en verlag en de waterdoorlatendheid. Tenslotte bestaat in de mogelijkheid om in de transportbuis een afsluiter aan te brengen. Bij het gronddrukbalansschild is de gronddruk in principe moeilijker te regelen dan bij een slurry shield omdat grond niet zo homogeen is als een vloeistof. De regeling vindt plaats via de snelheid van de graafkop, schroefvijzels en voortstuwingsvijzels. Hiervoor zijn echter betrouwbare computergestuurde systemen ontwikkeld. Er zijn op dit moment minstens 4 system en bekend waarmee het graafwiel van een EPBS aangedreven kan worden: -intermediate -centre shaft -cutter drum -center cone
cutter support support support
support system; system; system; system.
De grondslag waarbij geboord wordt bepaalt de keuze.
13
2.1.4 Samenvatting kenmerken van een Slurryshield en Earth Pressure Balance Shield Voar de Nederlandse omstandigheden zijn een slurry shield en EPBS beide interessant. Hieronder voIgt samenvattend de kenmerken van een hydroschild en EPBS in tabelvorm:
Slurry Shield (Duitse bouwmethode) III de Door een vloeistofvulling graafkamer, geregeld via een luchtkussen achter de duikwand.
Kenmerken graaffront ondersteuning
W aterdichtheid
Door steunvloeistofsysteem.
Afgraafmethode
open spaakwiel, Meestal een eventueel door platen afsluitbaar. Hydraulisch, het inbouwen van een steenbreker is mogelijk scheidings- installatie nodig Door een luchtsluis in kruin van de tunnelboormachine met achter de duikwand een beschermde ingang en een verlaagd steunvloeistofniveau plus luchtdruk in de graafkamer.
Afvoer van grond
Toegang tot graafkamer
de
Earth Pressure Balance Shield (standaard -uitvoering) grondvulling m de een Door geregeld Via graafkamer, een ontgraving en afstemming van afvoer. propvormmg III het Door vijzelsysteem. Meestal een relatief dicht snijrad. Via vijzels en transportband: steenbreker vaak niet nodig; scheidingsinstallatie niet nodig. Door een sluis langs de rand luiken in de "snijradtrommel"
en
Opgemerkt wordt dat bovenstaande beschrijving zeer globaal is. Van beide typen schilden bestaan vele varianten en ook zijn er in de praktijk duidelijke mengvormen aan te wijzen. 2.1.5 Enkele overwegingen bi} de keuze van de boortechniek De keuze van een EPBS ligt meer voor de hand bij homo gene ondoorlatende goed vervormbare grond en die van een slurry shield voor doorlatende gronden met veel inwendige wrijving. Beide systemen hebben echter in de loop van de tijd hun applicatiegebied via hulpmiddelen en additieven aanzienlijk opgerekt zodat een groot overlappingsgebied is ontstaan. Een in het oog springend nadeel van een slurry shield is de benodigde scheidingsinstallatie: deze is duur, kost energie, neemt veel ruimte in beslag en vraagt voortdurend aandacht tijdens het bouwproces. De bentoniet dient ook steeds aan de boorfront-omstandigheden te worden aangepast. Daar staat tegenover dat het ontgravingsproces zelf eenvoudiger verloopt met name bij inhomogeniteiten, minder energie vraagt en minder slijtage kent. Ook is een eventueel betreden van de boorkamer in het geval van storingen eenvoudiger. De nieuwe ontwikkelingen en de vele variant en maken dit soort uitspraken echter tot een hachelijke ondememing. Feit is wel dat slurry shields tot nu toe met name bij grotere diameters meer zijn toegepast dan de earth pressure shields. Dit geldt met name bij grotere diameters. In Japan is de trend echter om steeds vaker EPBS toe te passen. Indien er gassen (CH4, H2S, CO) in de grond aanwezig zijn kunnen deze in de tunnelbuis komen als het grondtransportsysteem niet gesloten is. Bij een EPBS moet derhalve voor het ontwerp van de ventilatie hiermee rekening worden gehouden. Bij een slurry shield moet men hiermee rekening houden bij het ontwerp van de scheidingsinstallatie. Indien er in een verontreinigde grondslag geboord moet worden dan gaat de voorkeur uit naar een EPBS omdat dan alleen de afgraven grond gesaneerdlgereinigd hoeft te worden. Bij het gebruik van een slurry-shield zal in dit geval ook de steun- en transportvloeistofverontreinigd raken. Hierdoor zal
14
de materiaalhoeveelheid die gereinigd moet worden 10 a 14 keer zo hoog zijn als dat bij een EPBS het geval geweest zou zijn [125]. 2.2 Tunnel-liningtechnieken De primaire functie van een tunnellining is weerstand bieden tegen de korreldruk en tegen de waterdruk, als er een deel of de gehele tunnel onder het grondwatemiveau ligt. Tijdens de aanleg van de tunnel dient de lining ook de reactiekrachten van het schild op te nemen. Uiteraard is in Nederland de waterdichtheid van de tunnel een van de belangrijkste eisen, die aan de tunnellining gesteld wordt [A7]. De twee hoofdgroepen van liningtechnieken zijn [A7], [A4]:
.
.
meerwandige systemen; enkelwandige systemen.
2.2.1 Meerwandige systemen Bij meerwandige systemen wordt de totale lining opgebouwd uit twee of meer wanden. De eerste wand wordt direct in het schild gemonteerd en heeft de volgende functies:
. .
.
weerstand bieden tegen gronddruk; opnemen vijzelkracht uit het schild; tijdelijke kering van het grondwater.
De noodzaak van een tweede wand is in hoofdzaak gelegen in het feit dat het in het verleden moeilijk bleek een waterdichte enkelwandige lining te maken. Naast waterdichtheid dient een tweede wand ook voor bescherming van de eerste wand. De extra kosten van een tweede wand zijn een groot nadeel. De volgende twee technieken om de tunnel waterdicht te maken zijn beschikbaar:
. .
Waterdichte laag tussen de eerste en de tweede wand. Binnen de eerste wand wordt een waterdichte laag aangebracht door middel van bitumen of kunststoffolies. Hiema wordt een tweede laag van beton aangelegd. De eerste wand draagt geheel of gedeeltelijk de gronddruk. De tweede wand draagt de eventuele rest van de gronddruk en de volledige waterdruk, Waterdichte tweede laag. Inmiddels is het mogelijk om enkelwandige waterdichte betonnen linings te maken. Hierdoor is de noodzaak van een aparte waterdichte laag niet meer aanwezig.
2.2.2. Enkelwandige systemen Bij de enkelwandige systemen worden alle functies door dezelfde wand vervuld, zowel in de bouwfase als in de gebruiksfase. Betonnen segmenten worden het meest gebruikt. Deze zijn waterdicht gemaakt door aan de segmenten een neopreen profiel of hydrofiel rubber te bevestigen. Maattoleranties dienen in dit geval beheerst te worden. 2.2.3 Lining-typen De keuze van het lining wordt bepaald door de diameter, de bodemomstandigheden, de belastingen, de waterdichtheidseisen, het schild, de vijzelkrachten en de kosten. De lining van een tunnelwand kan op twee manieren gemaakt worden [A7]: 1. 2.
met behulp van prefab-segmenten; met behulp van geextrudeerd (staalvezel) beton.
ad 1: prefab-segmenten: De segmenten kunnen uit de volgende materialen gemaakt worden:
.
gewapend beton;
15
. .
.
staalbeton; staal; ductiel gietijzer.
Aanvankelijk konden alleen gietijzeren segmenten voldoende nauwkeurig gemaakt worden om als enkelvoudige waterdichte mantel te dienen. Tegenwoordig worden de betonnen segmenten het meest toegepast. Directe aanleiding hiervoor is de hoge prijs van de gietijzeren segmenten. Gietijzer wordt nog wel toegepast in combinatie met gewapend betonnen elementen, met name ter plaatse van zwaar belaste delen als bijvoorbeeld dwarsverbindingen tussen twee tunnelbuizen of voor extra lange elementen. Staal wordt toegepast bij dubbelwandige liningtechnieken en in composiet constructies (staalbeton). Voor de 'slappe' gronden in Nederland is de geboute en gegroute waterdichte, enkelvoudige gewapend betonnen lining een goedkope oplossing [A12]. Na de keuze van het materiaal moeten de afmetingen vastgesteld worden. De gebruikelijke breedte (maat in langsrichting) van de segmenten varieert van 1,2 tot 1,8 meter. De breedte zal zo groot mogelijk gekozen worden met als doel de voortgangssnelheid van de tunnelboormachine te optimaliseren. Er moet echter rekening gehouden worden met de maximale lengte van de vijzels (capaciteit, uitknikken), de beschikbare ruimte voor transport en het plaatsen van de segmenten en het maximale gewicht dat door de erector kan worden gehanteerd. Bovendien moeten de segmenten binnen een bepaalde maattolerantie vallen. Een groter segment zal grot ere afwijkingen hebben en dus is de kans groter dat de maattolerantie overschreden wordt. De lengte van een segment wordt bepaald door het aantal delen, waarin een volledige ring wordt opgedeeld. Het aantal delen wordt be'invloed door de beschikbare ruimte voor het transport en plaatsen van de segmenten, het maximale gewicht dat door de erector kan worden gehanteerd, het aantal handelingen bij de fabricage en montage en de krachtswerking in de elementen. Het aantal delen is doorgaans tussen de zes en acht elementen. Nadat de lengte en breedte van de elementen bepaald is, kan de dikte van de elementen vastgesteld worden. De volgende factoren zijn hierop van invloed: de krachtswerking in de elementen, de grootte van de vijzelkrachten vanuit het schild op de elementen (bepaalde boortechnieken gaan gepaard met grotere afzetkrachten op de lining dan andere technieken, hetgeen invloed heeft op de dikte en in geval van beton de hoeveelheid splijtwapening), de detaillering van de voegen in verband met de afdichting en de krachtsoverdracht tussen de segmenten en de wijze waarop de segmenten onderling worden verbonden. De dikte van de segmenten varieert gebruikelijk tussen de 250 en 400 mm (figuur 2.5). ad 2: geextrudeerd (staalvezel)beton: Op basis van het extrusieprincipe zijn methoden in ontwikkeling, waarmee in het minder stevige ondergronden mogelijk is ter plaatse gestorte linings te maken. De waterdichtheid vormt hierbij mogelijk nog een probleem, evenals de afzetmogelijkheden van de tunnelboormachine.
2.3 Staartafdichting Er ontstaat een spleet tussen de buitenkant van de tunnelboormachinemantel en de buitenkant van de lining tengevolge van oversnijding. Deze ruimte wordt met het oog op mogelijke zettingen achter de boormachine opgevuld met grout (figuur 2.6). Tijdens het boorproces kan echter water vanuit de omringende grond via de spleet de tunnel indringen. am dat te voorkomen wordt een waterdichte staartafdichting gebruikt (figuur 2.6) [A4], [Al2]. Bij de modeme tunnelboormachines wordt onder atmosferische druk gewerkt. De staartafdichting van de tunnelboormachine moet dus het verschil kunnen opnemen tussen de buitendruk en de atmosferische binnendruk [Al2]. Omdat de dikte van de staartspleet over het tunneltrace kan varieren, moet de staartafdichting ook flexibel op deze verandering kunnen reageren. Een versleten tunnelstaartafdichting moet tijdens de aanleg van de tunnel vervangen kunnen worden. 16
Een rubberen staartafdichting en een staartafdichting door middel van staalborstels zijn de meest toegepaste systemen. Een rubberen staartafdichting is een massief neopreen profiel met een dunne neus. Het profiel wordt scharnierend aan de binnenzijde van het schild van de tunnelboormachine gemonteerd. De neus van het profiel glijdt over de buitenzijde van de tunnellining. Door een voorspanning ten gevolge van het aandraaien van de bout en het heersende drukverschil tussen binnen- en buitenzijde van de tunnellining wordt het profiel tegen de tunnel wand aangedrukt. Direct achter de staartafdichting monden de groutinjectiespuiten uit. Deze pijpen komen uit de schildmantel van de tunnelboormachine. De gei'njecteerde grout vult de ruimte die vrijkomt als de tunnelboormachine naar voren gaat. Bij staartafdichting door middel van staalborstels worden de staalborstels in tenminste twee rijen achter elkaar met een onderlinge afstand in lengterichting van de tunnelas van circa 0,3 meter gemonteerd. De uiteinden van de staalborstels glijden over de buitenkant van de tunnellining en kunnen flexibel reageren op onregelmatigheden in de geometrie van de staartspleet. De ruimte tussen de staalborstels wordt opgevuld met vet. Dit vet wordt onder druk gehouden. Bij gebruik van een staartafdichting met staalborstels en vetafdichting kunnen hechtingsproblemen ontstaan tussen de grout en de tunnellining ten gevolge van een vetfilm op de lining. Tevens kunnen de borstels dicht gaan zitten met grout en is het vet milieubelastend. De vervanging van de staalborstels is echter eenvoudiger dan het vervangen van een rubberen staartafdichting. Naast de reguliere staartafdichting moet ook een nood-staartafdichting aanwezig zijn. Deze noodstaartafdichting kan bestaan uit een met lucht te vullen slang, die in opgevouwen toestand in een sleuf aan de binnenzijde van het schild ligt. Bij eventueel niet goed of niet functioneren van de reguliere staartafdichting kan de slang worden opgepompt.
Figuur 2.5: Prefab betonnen lining elementen
17
staal borstels
lining
Figuur 2.6: Staartafdichting
18
en grout-injectie
HOOFDSTUK BESCHRIJVING
3
BOUWPROCES
3.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt het tunnelbouwproces besproken. De mate van gedetailleerdheid is daarbij bepaald door de eisen van de later uit te voeren risico-analyse. Onderdelen waarvan de risico's op voorhand klein worden geacht zijn alleen in globale termen beschreven. Onderdelen waar de risico's groot worden geacht worden meer gedetailleerd behandeld. Het bouwproces van een boortunnel kan worden onderverdeeld in een aantal activiteiten. In tabel3.1 zijn voor de diverse fasen van een de tunnel (voorbereiding, bouwen en beheer) de belangrijkste activiteiten weergegeven. In de volgende hoofdstukken zal voor de verschillende onderdelen van de risico-analyse steeds van deze indeling worden uitgegaan. Voorbereiding en beheer worden daarbij slechts globaal besproken omdat deze niet behoren tot de scope van werkzaamheden van de commlSSle. De meeste aandacht gaat in het kader van deze studie uiteraard uit naar het bouwproces zelf, en met name het feitelijke boren en het starten en beeindigen daarvan. Verder zijn in tabel 3.1 als hoofdactiviteiten de bouw van hulpconstructies, de bouw van de start en ontvangstschacht en de afwerking opgenomen. Tabel 3.1: Activiteiten
voor de bouw van een tunnel
VOORBEREIDEN
Financieren Bodemonderzoek Ontwerpen Verzekeren Aanbieden Aanbesteden Vergunningen Plannen
BOUWPROCES Nevenwerkzaa mheden en huIDconstructies Drooghouden Grondwerk Werkterrein inrichten Prefabricage lining Maken boorunit
Bouw schachten
Starten boorproces
Boren
Beeindigen boorproces
Inrichten en afwerken
Grondwerk Heien Betonstorten Staalwerk
Monteren boorunit Passeren wand
Graven Steunen Vijzelbeweging Vullen staartspleet Logistiek Scheiden Meten Aanbrengen lining Verlengen Onderbreken
Passeren wand Demonteren boorunit Keren
Inrichten Afwerken Dwarsverbinding Opleveren
3.2 Voorbereiden De voorbereidende werkzaamheden activiteiten: financieren; . bodemonderzoek; . ontwerpen; . verzekeren; . aanbieden; . aanbesteden; . vergunmngen
.
.
BEHEER
Inpecteren Onderhoud
met betrekking tot tunnelbouw bestaan uit de volgende
plannen.
Met betrekking tot het bodemonderzoek wordt opgemerkt dat de resultaten van dit onderzoek bepalend zijn voor de te gebruiken boormethode, de eventuele noodzaak van een scheidingsinstallatie en de krachten/belastingen op de tunnellining. Relevante gegevens die uit het bodemonderzoek volgen zijn:
19
. . . . .
samenstelling, waaronder aanwezigheid van obstakels als stenen [HI]; waterdoorlatenheid; sterkte/stijtheid; grondwaterstand; aanwezigheid van bodemgassen.
Het spreekt vanzelf dat bodemonderzoek in de voorbereidende fase van een tunnelbouwproject een bijzondere plaats inneemt. De essentiele vraag is: hoeveel onderzoek moet gebeuren. Indien men te weinig onderzoek doet kan men later voor (meestal onaangename) verrassingen komen te staan. Aan de andere kant kan er voor grondmechanisch onderzoek natuurlijk ook geen onbeperkt budget worden vrijgemaakt. 3.3 Bouwproces 3.3.1 Maken hulpconstructies Alhoewel bij het bouwproces de primaire aandacht uitgaat naar het boorproces zelf, dienen daaraan voorafgaande en of geIijktijdig nog de nodige werkzaamheden plaats te vinden, zoals:
. . . . .
drooghouden; grondwerk; werkterrein inrichten; prefabricage lining; maken boorunit.
Uiteraard is de kwaliteit van de uitvoering van deze activiteiten van groot belang voor het welslagen van het project. Er wordt echter van uitgegaan dat er geen bijzondere risico's aan verbonden zijn en een gedetailleerde beschrijving blijft daarom achterwege. 3.3.2 Bouw schachten De algemene werkwijze bij een boortunnel is dat men een startschacht maakt in de vorm van een bouwput, een caisson of eventueel een luchtdrukcaisson. In deze startschacht wordt de tunnelboormachine geplaatst en kan via een opening in de bouwput (damwand of diepwand) het graafproces een aanvang nemen. De tunnelboormachine wordt opgewacht door een ontvangstschacht [A7]. De startschacht dient tijdens het ontgraven als uit- of toe gang voor [A7]:
... . . .
afgegraven grond; de tunnellining, prefab segmenten, toeslagstoffen en/of grout en beton; bentonietsuspensie (bij vloeistofschilden); kabels en leidingen t.b.v. elektrische energie, communicatie apparatuur, perslucht en water e.d.; materiaal en materieel t.b.v. de atbouw van de tunnel; personeel.
Activiteiten die bij het bouwen van de start- en ontvangstschacht
. .
. .
20
grondwerk in de vorm van graven, grondverbeteren heien van damwanden; storten van beton en onderwaterbeton; bouwen van stalen stempelconstructies.
kunnen worden onderscheiden
en grond aanbrengen;
zijn:
Het bouwen van de start- en ontvangstschachten vonnt geen bijzondere risicovolle activiteit. In het kader van de risico-analyse wordt in hoofdstukken 3 en 4 wel aandacht gegeven aan de start van het boorproces vanuit de startschacht en het naderen van de ontvangschacht 3.3.3 Starten boren
3.3.3.1 Monteren boorunit De eerste fase in het feitelijke boorproces is de opbouw van de boorunit (tunnelboonnachine en start trailer) in de startschacht. De verschillende delen moeten in de start schacht worden gebracht en worden op het schildzade1 aan elkaar gemonteerd. De ruimte hiervoor kan erg krap zijn met de risico's van dien. Tijdens en na assemblage wordt het schild naar voren geduwd met vijzels die zich dan nog afzetten tegen de bouwkuip. Wanneer het schild op zijn plaats staat, wordt aangevangen met de opbouw van de afzetconstructie. Als de afzetconstructie gereed is, kan met boren gestart worden. In deze fase worden zowel de boonnachine als de hulpconstructies uitgetest. 3.3.3.2 Passeren wand Er bestaan verschillende
methoden voor het passeren van een wand.
Meestal wordt eerst de grond achter de wand waterdicht gemaakt, bijvoorbeeld via het injecteren met grout. Men spreekt van een zogenaamd dichtblok. Vervolgens wordt de wand van de startschacht doorgebrand en kan het schild passeren (zie figuur 3.1). De boorunit boort zichzelf na het passeren van de wand een weg door deze geYnjecteerde grond. De definitieve dichting van het systeem als de tunne1boonnachine verder boort is een punt van aandacht [A12]. Een altematieve methode voor stabiliseren van de grond bij het maken van het gat is opbouw van druk in de schacht. De startschacht wordt van de buitenwere1d afgesloten. Vervolgens wordt zoveel druk opgebouwd dat het gat in de schacht gemaakt kan worden zonder gevaar van verlies van stabiliteit van de grond [A12].
TBM
voorbewerkte grand
onderwaterbeton
Figuur 3.1: Passeren van de wand
21
Een Japanse methode in ontwikkeling is het zogenaamde "Novel material shield-cuttable tunnel-wall system" (NOMST). De essentie van dit systeem is dat de schacht gemaakt wordt uit een composiet materiaal dat eenvoudig door de snijarmen van de boorunit doorboord kan worden. De benodigde gronddruk wordt direct opgebouwd vanuit de boorunit. [124]. Tijdens en direct na het passeren van de wand, dient de boorunit de gronddruk te kunnen opnemen. Dit geschiedt meestal door de boorunit af te zetten tegen de startschacht. Riervoor worden specifieke voorzieningen getroffen. Pas nadat de unit de wand van de startschacht gepasseerd is, kan worden afgezet tegen de tunnellining. Zolang de unit nabij de startschacht is, zal de kracht via de tunnellining worden overgebracht op de startschacht. Deze afzetkracht zet zich om in een kracht die de lining onder "voorspanning" zet, naarmate de boorunit zich van de schacht verwijderd. 3.3.4 Boren Bij het boren wordt, zoals ook uiteengezet in 2.3, gebruik gemaakt van de schildmethode. Ret schild is een stalen cilinder waarbij aan de voorzijde de grond wordt afgegraven en aan de achterzijde de tunne1mante1 wordt gebouwd.
Ret boorproces is in wezen een zich steeds herhalende cyc1us. De boormachine zet zich met behulp van vijze1s af tegen het reeds bestaande tunne1deel en graaft zich zo verder naar voren. Nadat de boormachine een bepaalde slag gemaakt heeft wordt deze stil gezet. Een voor een worden de vijzels ingetrokken en worden de elementen van de tunnellining aangebracht. Zodra het eerste segment geplaatst is, kunnen de vijzels weer tegen het segment gezet worden. Daama wordt het tweede segment geplaatst enz. tot en met de sluitsteen waama de ring gereed is. Daama worden de segmenten, al dan niet tijdelijk, vastgebout. Soms wordt ook voorspanning aangebracht. Omdat de diameter van de tunne1boormachine meestal groter is dan die van de uiteindelijke tunnel is een "staartafdichting" nodig en wordt tijdens het vooruitbewegen grout in de vrijkomende ruimte gebracht. Tijdens het graven en eveneens tijdens de montage van de tunnelelementen, dient het boorfront gesteund te worden. Riervoor moet men over het algemeen actief reageren op de consistentie en stabiliteit van de aanwezige grond. De afgegraven grond moet via de tunnel naar buiten worden getransporteerd. Indien bij het ontgraven of transport chemische of fysische hulpmiddelen zijn gebruikt moeten deze over het algemeen eerst weer worden verwijderd ofteruggewonnen alvorens de grond verder kan worden gebruikt of gestort. De verschillende activiteiten die zich in deze cyc1us afspe1en zullen nu een voor een nader worden besproken. In bijlage I staan de verschillende activiteiten en deelactiviteiten in overzichten schematisch weergegeven. 3.3.4.1 Graven Ret verloop van het graatproces is afhankelijk van de boorfrontmethode gevallen is er echter sprake van een tweetal hoofdactiviteiten:
. .
22
het draaien van het graafwie1; het afvoeren van de grand.
die gekozen is. In de meeste
Daamaast dient, al dan niet afhankelijk van de gekozen methode en de grondsoort steunvloeistof of additieven te worden aangevoerd en met de grond in de ontgravingskamer gemengd te worden. Om het gehele proces te kunnen beheersen dienen de nodige metingen te worden uitgevoerd, met name de druk in de ontgravingskamer en de positie en voortgangsrichting van het schild. Afgezien van defecten aan de graafmachine of de aan- en afvoer van materiaal, wordt de voortgang tijdens het graafproces voor een belangrijk deel bepaald door de weerstand en consistentie van de afgegraven grand in het schild, de nog af te graven grond voor het schild en de grond aan de buitenzijde van het schild. Zaken waarmee bij het ontwerpen van de boormachine en tijdens het boorpraces rekening gehouden moet worden zijn:
.. . . . . .
. . .
.
de weerstand van de grond op de mantel; de weerstand van de grond tegen ontgraven; het kleven van de klei aan bewegende delen; de transporteerbaarheid van de grand; de capaciteit van de lining om de reactiekrachten op te nemen; de waterdichtheid van het systeem; de waterdichtheid van het boorfront; boorfrontstabiliteit; het volume aan afgegraven grond in verband met mogelijke zettingen aan het maaiveld; obstakels die niet via het normale systeem kunnen worden afgevoerd; vervuilde grond.
In vrijwel alle gevallen is het mogelijk passende maatregelen te nemen. De kemvraag is steeds welke (verdere) maatregelen nog genomen moeten worden als de kans op bepaalde verstoringen gezien de omstandigheden of de reeds genomen maatregelen klein is. 3.3.4.2 Steunen Bij het vloeistofschild wordt ten behoeve van het probleemloos verlopen van het graafproces stabiliteit van het graaffront verzekerd door een onder druk staande steunvloeistof in ontgravingskamer. Indien dit proces faalt kan instabiliteit van het boorfront optreden met mogelijke gevolgen: ongecontroleerde zettingen, piping of te grate hoeveelheden vaste substantie de bodem van de ontgravingskamer.
de de als op
Ais deelprocessen van het aanbrengen van de steunvloeistof kunnen worden onderscheiden:
. . .
. . .
aanmaken van de steunvloeistof; transport van de steunvloeistof naar de ontgravingsruimte; druk en hoeveelheid instellen; feitelijke toevoeging; afvoer van het grond bentoniet mengsel; meten van de relevante parameters ten behoeve van het sturingsproces.
Bij EPBS wordt de steun van het boorfront geregeld via de juiste afstemming van de snelheid van het graafwiel, de schroefvijzel en de voortstuwingsvijzels. In sommige gevallen worden echter ook additieven aan de grond in de ontgravingskamer toegevoegd. Daarvoor geldt in beginsel hetzelfde praces als hierboven beschreven. 3.3.4.3 Vijzelbeweging Bij het boorproces zet het schild zich af met behulp van de vijzels tegen de bestaande tunnel oftegen het afzetframe. Het schild beweegt het zodoende naar voren totdat de vijzels volledig zijn uitgeduwd en een volgende ring van elementen worden aangebracht. De vijzels worden per set teruggetrokken
23
en de ring segment voor segment geplaatst. De vijzels zetten zich af op de ring en het schild duwt zich opnieuw vooruit. De besturing van de vijzels tijdens het graven hangt afvan: - het gewenste alignment van de tunnel (bijvoorbeeld - de druk in de ontgravingskamer - de druk in de vijzels
in verband met bochten of correcties)
De correcties die via vijzelplaatsing en vijzelslag kunnen worden uitgeoefend zijn begrensd en worden onder andere beperkt door de afmetingen en sterkte van de lining elementen. 3.3.4.4. Groutvulling staartspleet Om zettingen te voorkomen wordt de spleet tussen de buitenkant van de mantel en de buitenkant van de lining (oversnijding) met grout gevuld. Daartoe worden groutdrukleidingen langs de schildmantelomtrek opgenomen. Deze lopen door tot de buitenzijde van staartafdichting. Ret aanbrengen van de groutvulling kent de volgende deelactiviteiten:
. . .
. .
aanmaken van grout transport van grout druk en hoeveelheid instellen feitelijk injecteren tijdens de voortbeweging van het schild meten ten behoeve van juiste aanmaak en instelling
Van groot belang is dat de staartafdichting en het grout proces op elkaar zijn afgesteld. Bij staalborstels kan het vet aanleiding geven tot hechtingsproblemen van de grout. Bij een te hoge druk in slappe bodem zal het grout een onregelmatige schil vormen.
3.3.4.5 Logistiek De logistiek van personen, hulpmiddelen en materialen is in veel gevallen bepalend voor de voortgang van het gehele proces. Dit geldt des te sterker voor lange tunnels waarbij het "ophalen van iets van buiten" een tijdrovende aangelegenheid kan zijn. De logistieke afstemming dient minstens.te omvatten:
. .
. . . . .
fabricage van elementen transport naar de bouwplaats bij de beginschacht kwali tei tscontro Ie opslag vervoer naar het boorfront vervoer van het materiaal van het boorfront naar de beginschacht afvoer van grond en materiaal naar verdere be stemming
Vervoer in de tunnel kan door middel van leidingen, transportband en treinen. De keuze hangt vaak samen met de methode van ontgraven. Voor de af te voeren grond ligt het voor de hand te kiezen voor een transportband in het geval van een EPBS en voor een leiding bij een Vloeisofschild. 3.3.4.6 Scheiden Vloeistofschilden De voor vloeistofschilden om meerdere redenen gewenste scheidingsinstallatie scheidt het aangevoerde bentoniet-grond-watermengsel naar korrelgrootte zodat het gescheiden materiaal verder
24
gebruikt kan worden. Bij kleinere granddeeltjes wordt de scheiding van de bentoniet en de ontgraven grond moeilijk of zelfs onmogelijk waardoor er veel bentonietvloeistofverloren kan gaan. Uiteindelijk houdt men een hoeveelheid bentonietvloeistof en eventueel met bentoniet vermengde grand over waarvoor een stort moet worden gezocht. In het algemeen is het afgewerkte bentoniet als niet toxisch te beschouwen, maar aan het zonder meer dumpen kunnen toch milieubezwaren kleven. De consistentie van het afgewerkte bentoniet is het eigenlijke probleem. De bentoniet suspensie kan maar moeilijk of soms helemaal niet ontwateren (het blijft lang een slurry). De mogelijkheid bestaat om de afgewerkte bentoniet-slurry met kalk te vermengen opdat het water gebonden wordt. Het gebruik van cement leidt tot vergelijkbare resultaten maar is veel kostbaarder. EPBS schilden
Teneinde de grand zo nodig verwerkbaar te maken, wordt deze geconditioneerd, bijvoorbeeld met bentoniet, water of foam. In het geval van bentoniet kan ook een scheidingsinstallatie worden overwogen. In het geval van foams is dat meestal niet nodig [Il6], [IlO].
3.3.4.7 Meten en regelen Metingen worden verricht om in staat te zijn verschillende aspecten van het boorpraces te kunnen monitoren. Van belang zijn onder andere: Positie: Hiermee wordt gecontroleerd of de tunnel en de tunnelboormachine zich op de juiste plaats bevinden en of in de juiste richting wordt geboord. Zettingen: Het optreden van zettingen is gerelateerd aan variaties in gronddrukspanning tengevolge van het boorpraces. De orde grootte van zettingen zoals die plaatsvinden aan het maaiveld is 0,01 tot 0,10 m. Door het optreden van de zettingen te monitoren en een feed-back te geven aan de schilddruk, kan het optreden van zettingen gecontraleerd worden. Waterspiegel. Variaties in (grond)waterspiegel hebben invloed op de benodigde druk op het boorfrant. In sommige gevallen kunnen sterke fluctuaties optreden in de waterspiegel, bijvoorbeeld door getijdebewegingen. Met het meten van de waterspiegel kan een relatie worden gelegd met de benodigde druk vanuit het schild op het boorfrant. Rekken, scheurvorming etc. in lining. Een tunnellining vormt met omsluitende grand een constructie, waarbij de grand tegelijk als belasting en als draagconstructie fungeert. Tevens neemt een lining vijzelkrachten op vanuit de boorunit. Door meting en te verrichten kan worden nagegaan in hoeverre de modelvorming overeenstemt met de werkelijke situatie. Metingen kunnen ondermeer worden verricht door het aanbrengen van drukopnemers en snaarrekopnemers. Trillen van onderdelen van de graafmachine Wentellagers kunnen van buiten worden bemeten door een versnellingsopnemer op het lagerhuis te plaatsen. De trillingen maken het mogelijk een beoordeling van dit lager te verrichten, met in achtname van een aantal meet- en analysetechnieken. De keuze van het type versnellingsopnemer is afhankelijk van het toerental van de machine en de daarmee verband houdende frequentie gebied dat bewaakt moet worden. In het algemeen geldt: hoe hoger het toerental hoe hoger het meetbereik. In deze dient vermeld dat er verschillende zogenaamde lagerdetectie methodieken zijn die een gebied monitoren waarvan gesteld wordt dat dit representatief is voor een maxim ale detectie kans van fouten.
25
Glijlagers kunnen worden beoordeeld op het gedrag van de as in het lager. Daartoe dienen verplaatsingsopnemers (2 stuks onder een hoek van 90 graden met elkaar) deze asbewegingen te meten. Op basis van een analyse van de asbeweging kunnen conclusies worden getrokken ten aanzien van de conditie van het lager. Indien gebruik wordt gemaakt van wervelstroomopnemers, dan kan gemeten worden vanaf stilstand. Dit wordt ook gebruikt om de opnemers af te stellen. Het meetbereik loopt tot ca. 10kHz, doorgaans meer dan voldoende. Bij glijlagers zijn de lagere frequenties van belang: hiermee kan de olie-film in het lager worden beoordeeld. Een altematief zou gevonden kunnen worden in een rekenmodel, al dan niet gekoppeld aan een rekstrookmeting. Op basis van de optredende spanningen kan met een rekenmodel een levensduur berekend op grond van een historie, hierbij dient bedacht te worden dat de benodigde instrumentatie in de fabriek dient te worden aangebracht. In dit model worden de bedrijfsomstandigheden (belasting als percentage, opgenomen-geleverd vermogen, temperatuurverloop, etc.) als rekenbasis genomen. Op deze wijze ontstaat een benaderingsmodel van een zich ontwikkelende historie die doorgerekend wordt naar de toekomst. De foutenmarge zal aanzienlijk kunnen zijn omdat waarschijnlijk veel gegevens niet bekend zijn. Indien een of meerdere opnemers gemonteerd zijn, dan kunnen de volgende verschijnselen worden gemeten; onbalans, uitlijn onvolkomenheden, tandingrijpfrequentie(s) van een tandwielkast, elektromagnetische krachten, resonantie(s), koppelingfouten, lagerproblemen, seal problemen, zelfexciterende trillingen, schoepproblemen, aanloopverschijnselen, omgevingsinvloeden en machine opstellingsfouten. Indien met behulp van rekstrookjes wordt gemeten ontstaat inzicht in de dynamische belasting van lagers en assen. Hiermee kan al in een vroeg stadium worden beoordeeld of er al dan niet sprake is van overbelasting met alle gevolgen van dien. Stabiliteit boorfront De stabiliteit van het boorfront kan geregeld worden door de steundruk van het front te manipuleren. De grootte van de steundruk kan bepaald worden op basis van meetgegevens. Hoe gemeten wordt is afhankelijk van de boorfrontmethode. Hieronder zijn voor een aantal methoden de verschillen weergegeven: Bij Vloeistofschild Aangezien de massadichtheid van de steunvloeistof in een vloeistofschild meestal lager is dan die van de grond die gesteund moet worden lukt het nooit helemaal de steunvloeistof in evenwicht te laten zijn met de gronddruk. Vooral bij grotere diameters is een analyse van de frontstabiliteit nodig. Door monitoring van de steundruk met behulp van elektrische drukopnemers en door sturing van de pompen moet de stabiliteit van het front binnen toelaatbare grenzen worden gehouden. Dit is een gevoelig proces waarvoor men meestal aanvullende installaties als regelbare pomp en, ventielen of luchtkussens nodig heeft [115], [110]. Bij EPBS Bij gronddrukschilden wordt vaak een zogenaamde massacontrole uitgevoerd. Hierbij wordt het ontgravingsvolume of het ontgravingsgewicht gemeten en vergeleken met het theoretische volume of gewicht zoals dat afgeleid kan worden uit voortbewegingsnelheid en de ontgravingsdiameter. De massacontrole biedt de mogelijkheid om zettingscurven, extra ontgravingen en ongewilde oversnijding te analyseren en te interpreteren. De massabalans kan ook gebruikt worden om de stabiliteit aan het boorfront te regelen. Als stuurgrootheden dienen de voortbewegingssnelheid van het schild en de draaisnelheden van graafwiel en avegaar. Door de voortbewegingssnelheid te verhogen of de draaisnelheid van de avegaar te verkleinen neemt de steundruk toe. Door de voortbewegingssnelheid te verlagen of de draaisnelheid van de avegaar te vergroten neemt de steundruk af.
26
Voor betrouwbaardere uitspraken over de boorfrontstabiliteit is echter een continue meting van de gronddruk in de ontgravingskamer noodzakelijk. Deze kan plaats vinden door drukdozen die in het oppervlak van de drukwand bevestigd zijn. Nieuwe ontwikkelingen en verbeteringen van de gronddrukmeetdozen maken een precieze sturing van de steundruk aan de hand van een gewenste drukcurve mogelijk [110]. 3.3.4.8 Aanbrengen lining Zoals reeds eerder gezegd kan een lining zijn opgebouwd uit prefab elementen of uit geextrudeerd (glasvezel) beton. Een lining van prefab segmenten wordt in de lengte in ringen en in de omtreksrichting in segmenten opgedeeld. De segmenten worden aangevoerd door het gerealiseerde tunneldeel en worden een voor een geplaatst door een erector [AI2]. De te onderscheiden deelactiviteiten zijn voor de plaatsing van prefab e1ementen zijn:
. . . . . . . .
aanvoer van de segmenten; plaatsen op de lopende band; transport over de lopende band; segment laten oppakken door erectoren; intrekken vijze1s; plaatsen van het element; vijze1s plaatsen en op druk brengen; bouten.
Een belangrijk aspect van de lining is de waterdichteid [A4]. Deze wordt gewaarborgd doordat de neopreen profielen, die aan ieder segment bevestigd zijn, onder druk worden gehouden. Tijdens de montage wordt deze druk geleverd door de verbindingsmiddelen en de vijzels. Na de montage zorgen de heersende langs- en normaalkrachten in de lining hiervoor. Ook kunnen hydrofiele rubbersoorten worden toegepast. Wanneer deze in aanraking komen met water, zullen zij met een factor 7 it lOin volume toenemen en de waterdichtheid verzekeren. Een eis hierbij is dat het rubber gedurende de gehele levensduur in aanraking met water blijft. Na het plaatsen worden de e1ementen met bouten onderling en aan de voorafgaande gemonteerde tunnelring verbonden. Ais de tunnel een stuk verder af is, kunnen deze bouten eventueel teruggewonnen en opnieuw gebruikt worden. Voor geextrudeerd (staalvezel) beton geldt dat tijdens het bouwen plastisch betonspecie achter het schild tussen de grond en een binnenbekisting geperst wordt. De binnenbekisting dient de reactiekracht van het schild op te nemen. De tunnel wordt meestal voorzien van een tweede wand om de waterdichtheid te garanderen en in sommige gevallen dient deze ook om een deel van de uitwendige be1asting in de gebruiksfase op te nemen. 3.3.4.9 Verlengen Ais het totaal aantal geplaatste en geboute segmentringen een bepaald aantal heeft bereikt, worden de rails en leidingen (benodigd voor de aan- en afvoer van materiaal, materieel en mensen) verlengd.
27
3.3.4.10 Onderbreken en obstakels; betreden werkkamer De benodigde hoeveelheid onderhoud en andere onderbrekingen is ondermeer afhankelijk van de belasting op de hoofdlagers en de snij-elementen en de mogelijke ontmoeting met obstakels die verwijderd moeten worden. De te onderscheiden deelactiviteiten zijn:
... . .
positioneren van het graafwiel aanpassen van het grondsteunsysteem betreden ontgravingskamer door personeel en gereedschap uitvoeren van de werkzaamheden meten en controleren van de diverse druksystemen
Bij Vloeistofschild In geval van reparatiewerkzaamheden in de boorkamer van een vloeistofschild wordt de bentoniet geheel of gedeeltelijk verwijderd. Tijdens deze werkzaamheden kan men het boorfront steunen door luchtdruk, waterdruk, bevriezen [125] of injecteren. Bij het betreden van de ontgravingskamer, waarbij het ontgravingsfront gesteund wordt door luchtdruk, is het gevaar van een lokale instorting van het ontgravingsfront groter en een betrouwbare controle van de waterhuishouding [II 0] problematischer dan bij injectie ofbevriezing. Indien gewerkt wordt met een vrijwel gesloten graafwiel of met beweegbare schotten is er naast de vloeistofdruk ook een mechanische ondersteuning van het boorfront aanwezig. Toegang tot het boorfront (bijvoorbeeld voor de berging van obstakels) is dan echter alleen mogelijk door de daartoe bestemde luiken. Bij het hydroschild is via een in de nok van het schild geplaatste sluis de luchtbel achter de duikwand bereikbaar. Daarmee wordt ook het verwijderen van obstakels in vergelijking met andere slurryshields een stuk eenvoudiger. Ten behoeve van het verwijderen van obstakels, maar ook voor inspectie van of reparaties aan het snijwiellaat men de suspensie uit de ontgravingskamer weglopen en vervangt men deze door luchtdruk geheel of gedeeltelijk. Het boorfront is daarbij afgedicht door de bentonietsuspensie, waardoor het boorfront met alleen luchtdruk kan worden gesteund. am het luchtdrukverlies door de bentonietkoek, die bij uitdroging verschrompeld, te beperken moet de bentonietsuspensie regelmatig ververst worden bijvoorbeeld door besproeien van de filterkoek met een bentonietsuspensie of door het onder laten lopen van de kamer. Bij EPBS Het betreden van de ontgravingskamer is bij EPBS problematischer omdat de gehele kamer gevuld is met een grondbrij. Deze dient onder vervanging van andere frontstabilisering vaak met de hand verwijderd te worden alvorens toegang tot het graaffront kan worden verkregen. 3.3.5 Keren en beeindigen
boren
De activiteiten bij het mogelijk keren, zijn vergelijkbaar met die van het inbrengen van de tunnelboormachine voor de eerste buis. Aandachtspunt bij het bdSindigen van het boren is de aanwezigheid van drukspanningen in de lining ten gevolge van de tegendruk die het schild dient te geven aan de grond. Naarmate de boormachine de eindschacht nadert, zal de gronddruk in het boorfront afnemen. Tegen de tijd dat het boorfront bij de eindschacht aangekomen is, is de gronddruk niet meer aanwezig. Toch kan het, afhankelijk van het lining systeem, gewenst zijn druk in de lining te houden, bijvoorbeeld in verb and met waterdichtheid.
28
3.3.6. lnrichten en afwerken Na het beeindigen van het boorproces wordt de tunnel ingericht en afgewerkt. Dit betreft gewoonlijk activiteiten die niet specifiek zijn voor de boortechniek. We1 bijzonder en bijzonder risicovol is de aanleg van eventue1e dwarsverbindingen tussen twee eerder geboorde tunnels. Riennee kan men bij lange tunnels overigens reeds beginnen als het boorproces van de tweede tunnel nog gaande is. In dit rapport wordt verder niet op het bouwen van de dwarsverbindingen ingegaan. Wel wordt aangeraden aan dit onderdeel bijzondere aandacht te besteden bij het opzetten van risico-analyses bij concrete projecten. 3.4 Beheer Na ingebruikname van de tunnel, treedt de beheersfase in. Ret noodzakelijke onderhoud vindt plaats op basis van een onderhoudsplan. Dit plan wordt eventueel bijgesteld op basis van inspecties. Aan deze fase zijn geen risico's verbonden anders dan voor andere -bestaande- tunnels. Derhalve richt deze risicoinventarisatie zich niet specifiek op deze fase.
29
ROOFDSTUK BESCHRIJVING
4
APP ARATUUR
Ret totale proces van de bouw van een tunnel bestaat uit verschillende activiteiten, varierend van de voorbereiding, het maken van hulpconstructies tot het beheren van een tunnel na ingebruikname. Veel van deze activiteiten zijn niet specifiek voor tunnelbouw. Dit geldt niet voor het boorproces zelf. Om deze reden richt dit hoofdstuk zich zuiver op de specifieke apparatuur benodigd voor het boren van een tunnel. 4.1 Bouw schachten De schachten kunnen gebouwd worden als bouwput, als open caisson of als luchtdrukstation. De afmetingen worden vaak bepaald door de benodigde ruimte in de bouwfase. Ret bouwen hiervan geschiedt in beginsel met standaardapparatuur. 4.2 Start en en keren boren Ret inhijsen van de verschillende onderdelen van het schild (graafwiel, schildmoot, middenmoot, erector en staartmoot) vindt plaats met een kraan, welke direct naast de schacht wordt opgesteld. V oor de stabiliteit van de kraan kunnen hulppalen geplaatst worden.
Ret schild wordt in bovengenoemde stukken op het schildzadel geplaatst en geassembleerd. Tijdens en na assemblage wordt het schild naar voren geduwd met vijzels, die zich afzetten op het schildzadel. Wanneer het schild op zijn plaats staat, wordt aangevangen met de opbouw van de afzetconstructie. Als de afzetconstructie gereed is, kan met boren gestart worden. 4.3 Boren 4.3.1 Graven Ontgravingsmechaniek In de meeste gevallen wordt ontgraven met behulp van een vrijwel gesloten graafwiel of met een spakenwiel met drie, vijf of zeven spaken. De as van het wiel maakt meestal een kleine hoek met de lengte as van de tunnelboormachine.
Ret graafwiel en de graafspaken zijn van snijdelen voorzien, die zo gerangschikt zijn dat het hele boorfront gelijkmatig afgegraven wordt. Snijdelen kunnen bestaan uit snijmessen, snijtanden, beitels of discs, al naar gelang de te verwachten grondsoort. De snijdelen kunnen vanuit de ontgravingskamer vanaf de achterzijde van het wiel vervangen worden. De aandrijving van het graafwiel bestaat uit een stelsel van motoren en lagers die statisch en dynamisch zwaar worden belast. Meting van deze belasting kan bijdragen tot een beter inzicht in de conditie van het aandrijfsysteem op een bepaald moment. Omdat de gedetailleerde inrichting van de tunnelboormachine afhankelijk is van de specifieke eisen van ieder project, wordt hieronder als voorbeeld de inrichting van de tunnelboormachine, die gebruikt gaat worden bij het boren van de 2e Reinenoordtunnel beschreven [R7]. Ret snijrad, hoofdlager, aandrijfhuis en de hydraulische aandrijfmotoren zijn in een blok samengesteld. Een sferisch kip- en glijlager kan axiaal verschuiven en kan kleine rotaties opnemen (bolschamier). Rierdoor is een oversnijding van 50 mm mogelijk. Drie drukgroepen, waarvan de vijzelslag wordt gecontroleerd en gesynchroniseerd, houden het snijrad in de gewenste positie. De vijzels zijn beveiligd tegen overdruk. Indien bijvoorbeeld tijdens het boorproces het snijrad tegen een
30
hard obstakel stuit, blijft de functie van de vijzels behouden. De hydraulische aandrijfmotoren kunnen met verschillende draaisnelheden in beide richtingen draaien. De drie maal gelagerde ophanging van de as van het snijrad heeft een rekentechnische levensduur van 6000 uur bij 2 omwentelingen per minuut en een excentrische belasting van 75% van de maximaalwaarde. Ret lager kan in noodgevallen zonder veel problemen worden vervangen. Retzelfde geldt voor de hoofdlagerdichtingsprofielen. Deze zijn van voren toegankelijk en kunnen eventueel worden verwijderd. Ret snijrad is een open spaakwielconstructie met 5 graafspaken. In natte cohesieve grond bestaat het gevaar van kleven van gronddeeltjes aan het ontgravingsmaterieel. Dit kan worden voorkomen door spuitlansen op het snijrad [Il 0]. Aandrijvingshydrauliek Tijdens het boorproces en de ringbouw drukt het schild met drukvijzels op de tunnelring. De drukvijzels kunnen met drukschoenen tot een aantal drukeenheden samengevoegd worden. Voor de regeling van de stuurrichting kunnen de aandrukvijzels in onafhankelijke drukgroepen verdeeld worden. De resulterende drukverschillen tussen de naast elkaar liggende drukgroepen moet door de lining worden opgenomen. De toepassing van meerdere parallel geschakelde hydrauliekpompen staat kleine trapsgewijze aanpassing van de voortgangssnelheid toe. Tijdens de ringbouw kan een overdrukventiel de oliedruk van de vijzels begrenzen om zo te verhinderen dat het schild vooruit schuift. Gelijktijdig wordt een terugschuiven van de tunnelboormachine onder de werking van de steundruk ook bij ingetrokken vijzels verhinderd. Een samenschakeling van aIle oliestromen bewerkstelligt een snellere vijzelbeweging dan tijdens het boorpoces. Een drukreservoir in de olietoevoerleiding van de vijzel verzekert een constante druk van de drukvijzels tijdens de ringbouw. Om verdraaiing van het schild te voorkomen kunnen de drukvijzels op een lagerpunt tangentiaal worden versteld. Ieder vijzelpaar zit aan het voorste druklager in een hydraulisch tangentiaal verschuifbare slee. Ret achterste lager heeft elastische gummiedelen, die bij uitschuivende vijzels tijdelijk meegeven en daarmee de buigbelasting van de vijzelstang wezenlijk verkleinen. 4.3.2 Steunen
Slurry shield Bij het slurry shield wordt het boorfront gesteund door de bentoniet. Deze bevindt zich in de ontgravingskamer en in de werkkamer. Ret onder druk houden van de bentoniet vereist een stelsel van op elkaar en op de grondsituatie afgestelde pompen. Bij het hydro schild wordt de druk mede geregeld via het luchtkussen in de luchtkamer (zie hoofdstuk 0.3).
EPBS Ret steunen bij het EPBS gebeurt via de gronddruk, die op zijn beurt geregeld wordt door de m.b.v. monitoring en computersturing bereikte afstemming van graafsnelheid, draaisnelheid van de schroejVijzel(s) en de voortstuwingsvijzels. Mechanisch steunen Tijdens onderhoud, maar ook tijdens boren kan geheel of gedeeltelijk worden gesteund met behulp van stelbare steunplaten. Zo kunnen de open driehoeksvlakken tussen de spaken van het bovenste deel van het snijrad in veel gevallen bij betreding van de graafkamer worden bedekt met 2 steunplaten. Ret werken in de graafkamer kan daardoor in veiligere omstandigheden plaatsvinden. Tijdens het boorproces zijn de platen ingetrokken en vergrendeld op de buitenzijde van de duikwand. Druk- en duikwand 31
De scheiding tussen de onder druk staande graaf- en werkkamers en de onder atmosferische druk staande tunnel heet de drukwand of drukschot. In de drukwand zijn doorgangen aanwezig namelijk:
.
.
in de kruin: openingen ten bate van een sluis en toevoerleidingen;
in de as en voet: openingen ten bate van spoel- en afvoerleidingen. Bij het hydro schild sluit een duikschot de graafkamer af. Meerdere naar achter sluitende luiken geven toegangsmogelijkheid tot het snijrad. Aan de voet is er een opening in de duikwand die de graafkamer met de drukkamer verbindt. 4.3.3 Vullenstaartspleet Als iedere aangesloten leiding door een eigen pomp aangedreven wordt, kan op verschillende hoogten over de schilddiameter de groutdruk worden aangepast. De capaciteit van de groutpompen moet zo ontworpen zijn dat zelfs bij uitval van enkele groutleidingen de voortgang zonder problemen en met voldoende groutdruk doorgang kan vinden. Schoonmaken van de groutleidingen is mogelijk. 4.3.4 Logistiek 4.3.4.1 Grondafvoer Slurry schield
De aan het graaffront losgemaakte grond wordt aan de voet van de tunnelboormachine afgezogen. Voor de afzuigmond kan een roosterltraliewerk bevestigd worden zodat te grote gronddelen niet in de afvoerleiding terecht kunnen komen. Spuitlansen kunnen verhinderen dat het ontgraven materiaal voor het tralierooster zich ophoopt [110]. De suspensie wordt afgevoerd vanuit de graafkamer naar
een a.fvoerpompop een trailer en vervolgens via buizen, met eventueel tussenpompen, naar de scheidingsinstallatie. Na scheiding van het grond en ondersteuningsvloeistof wordt de vloeistof bijgemengd met verse bentoniet en weer hergebruikt in het hydraulische systeem. De toe- en afvoerleiding die door de drukwand lopen kunnen met afsluiters worden afgesloten. Voor de installaties is het van belang dat deze mobiel zijn. In de Heinenoordsituatie bijvoorbeeld zijn de aan het schild geschakelde installaties op 3 trailers ondergebracht [H4]. De trailers hebben brede kunststofbanden. Op de trailers (ca 10 m lang) zijn (van voren naar achteren) ondergebracht:
.
Trailer 1 het segmentoverdrachtssysteem, waaronder de 2 tijdelijke werkplateaus segmentmontage; . de centrale hydraulicverzorging met aan- en afvoer van pompen en tank;
..
voor
de
Trailer 2
. .
. . .
de segmentkraan;
de groutdrukpompen + grouttank; de afvoerpomp en afvoerpijp van het hydraulisch
een reservoir voor speciale steundruksuspensie; apparatuur ten bate van de electrische
transport;
energievoorziening
zoals
kabelhaspels,
trafo, verdeelkast; elektrisch distributiestation; een kleine werkplaats.
Het aanvoerspoor loopt via een sleepspoor op trailer 1 naar trailer 2 over. Trailer 3 materieel ten bate van verlenging van de volgleidingen zoals telescoopbuizen, slangovergangen, buizen- en railsmagazijn;
32
Tussen de trailers 2 en 3 is een telescopische buis gemonteerd. Trailer 3 staat stil tijdens het boren en wordt slechts bij het intrekken van de telescopische buis weer naar de tunnelboormachine getrokken. EPBS De grondbrij uit de drukkamer wordt door een schroe.fvijzel in een grote buis afgevoerd. De grond valt door een, in grootte instelbare, opening uit de schroefvijzelconstructie bijvoorbeeld op een transportband. Afhankelijk van de grootte van deze opening wordt de grond in het huis van de schroefvijzel gecomprimeerd. Hierdoor ontstaat een vrijwel waterdichte afsluiting tussen de drukkamer en de rest van de tunnelboormachine. Bij hoge grond- en waterdrukken worden ook wel dubbele schroefvijzels toegepast. 4.3.4.2 Voorzieningen in de tunnelbuis ten bate van het boorproces De voorzieningen in de tunnelbuis zijn [H4]:
.
leidingen
. .
luchtverversingssystemen; HSP-kabel voor de energie-voorziening; een lichtkabel met tunnelverlichting; een telefoon- en datacommunicatiekabel; een waterleiding; een toe- en a.fvoerleiding van het hydraulisch systeem; eventueel een watera.fvoerleiding.
.. .. .
voor aan- en a.fvoer van slurry;
Deze leidingen worden vanuit veiligheidsoogpunt opgehangen aan de zijwand van tunnel. Op de voet van tunnel ligt een spoorrails waarover de grout, segmenten, verbindingsmaterialen en person eel worden getransporteerd. De luchtverversingskoker wordt in de tunnelkruin opgehangen. Aile bouwmaterialen voor de bouw van een ring worden op zo'n wijze met een trein getransporteerd. De standaardtrein is opgebouwd uit een groutwagon, een segmentenwagon, een materiaalwagon en een locomotief. 4.3.4.3 Voorzieningen in de schacht en op het maaiveld ten bate van het boorproces De voorzieningen in de schacht zijn: groutmenginstallatie met bijbehorende silo's: deze wordt indien mogelijk aan de tunnelingang opgesteld zodat de per vrachtwagen aangeleverde bouwstoffen zonder tussentransport in de silo's kan worden gestort. De silos voeden van daaruit de mixer. De mixer voorziet de wagon van het tunneltransport; . batterijoplaadstation: bij toepassing van een elektrische locomotief. Op de schachtbodem opgesteld om kraantransport te vermijden; . spoorrails in de schacht: ten behoeve van het laden, reinigen en wisselen van de treinwagonnen; tussenvoorraad van segmenten: als buffer en aanbrengen van uitrusting op segmenten.
.
.
De voorzieningen op het maaiveld zijn: . omslagkraan: om de gehele bouwplaats te bedienen. Naast de bevoorrading van de tunnel met
. . .
.
bouwstoffen (segmenten) en bouwhulpstoffen (leidingen, kabels, spoorrails, planken etc.) lost deze kraan materialen; mechanische werkplaats: een goed uitgeruste werkplaats t.b.v. onderhoud, kleine reparaties en herstel van graafwerktuigen; compressiestation: voor de druklucht in het schild en de druklucht van segmentmontagewerktuigen; ziekensluis: indien geen goed uitgerust ziekenhuis in de onmiddellijke omgeving aanwezig is noodstroomverzorging: bij uitval van het stroomnet schakelt deze automatisch aan en voorziet de bouwplaats van de minimaal benodigde stroom.
33
4.3.5 Scheiden Vloeistofschilden
Bij vloeistofschilden wordt afgegraven grand van de steunvloeistof gescheiden in een scheidingsinstallatie [A7]. Voor grond met kleine korrelgraottes is de scheiding lastig. De korrelgrootte van de toevoegingen en de afgegraven grond liggen soms dicht bij e1kaar. De scheidingsinstallatie is niet in staat om de gewenste en ongewenste kleinere korre1deeltjes te onderscheiden zodat er een compromis met betrekking tot de scheidingsintensiteit moet worden gemaakt. Afhankelijk van de benodigde ruimte, de opstelvoorwaarden en de ontwateringsmogelijkheden is er een duidelijk onderscheid van de scheidingsapparatuur. Scheiding van grotere korrelfracties geschied met een hydrocycloon met een aangekoppelde ontwaterinstallatie. Ter bescherming van de cyc100n worden de grootste grondde1en eerst door een zeef gescheiden van de suspensie. De scheiding van de fijnere korrelfracties vereisen een grotere inspanning. Een vlokkingsbekkenmet aangekoppelde gronddroging in centrifuges of filterpersen brengen hoge investerings- en bedrijfskosten met zich mee. Altematieven zoals storten of mengen van de restvloeistofkunnen lokaal economisch aantrekkelijke oplossingen zijn.
EPBS Bij gronddrukbalansschilden is een scheidingsinstallatie veelal niet noodzake1ijk omdat de grond re1atief droog uit de tunne1boormachine komt [A7]. lndien het granddrukbalansschild in een grotkorrelige grond komt, ontstaat de noodzaak om de grond in de ontgravingsruimte van de tunnelboormachine minder waterdoorlatend en beter verwerkbaar te maken. Dit kan door gebruik te maken van een toevoeging van kleimineralen, bentoniet of schuim in de ontgravingsruimte. Om de grond te hergebruiken kan het dan economisch zijn om toch gebruik te maken van een scheidingsinstallatie. 4.3.6 Meten en regelen Stuurcabine
Alle bedieningse1ementen van het schild zijn in de stuurcabine ondergebracht. De stuurcabine kan ondergebracht worden op een plateau aan de zijkant in de tunne1boormachine. Ret stuurpaneel heeft verschillende modulen waarop de volgende functies staan afgebeeld:
. . .
boorproces
.
positionering
ontgraven graaffront ondersteuning
positie, beweging en druk van de vijze1s; positie, sne1heid en vermogensafname van het snijrad; steundruk, suspensie-spiegelniveau, mengsel circulatie in de verschillende leidingen, pompcontrole; schild- en ringpositie.
4.3. 7 Aanbrengen lining De erector is bevestigd als ringerector om zijn draagconsole, die aan het verstijvingskruis van het
schild is bevestigd. Door het vrije midden lopen alle verbilldingsleidingen van het schild naar de trailers. De driedelige vacuiim-tilkop voor de segmenten is bevestigd op een hefbrug. Door langsverschuiving over de draagconstructie, de rotatie, de slag van de brugvijzels en een aantal verstelbare vijzels aan de vacuum-tilkop kan het element nauwkeurig worden geplaatst. Twee centreerconussen op de vacuum-tilkop vergemakkelijken de ovemame van de transporttafel en voorkomen het vall en van het segment bij een defect aan het vacuumsysteem. Alle bewegingen van de erector worden hydraulisch met ventielen traploos geregeld. 4.3.8 Onderbreken
34
en obstakels
Vloeistofschild,
algemeen
Ret breken van stenen en andere obstakels voor het schild gebeurt in eerste instantie door de snijdelen op het graafwiel. Grotere stenen die uit het boorfront kunnen vallen, worden m.b.v. een steenbreker in de ontgravingsruimte gebroken. Als met een graafschijf gegraven wordt, is een steenbreker in de ontgravingskamer niet zinvol; grotere stenen kunnen onder norm ale omstandigheden niet door de relatief kleine openingen. Stenen of ander obstakels moeten door de snijdelen op het graafwiel verbrijzeld worden of door de tunnelboormachine opzij geduwd worden. lndien dit niet mogelijk is moeten de obstakels manueel verwijderd worden. Riertoe moeten de stalen platen of luiken van de graafschijf verwijderd worden [Al2].
EPBS Stenen en andere obstakels worden in eerste instantie door de beitels op het graafwiel kapot gesneden. lndien de stenen zich makkelijk van hun omgeving los maken en indien de afmetingen voldoende klein zijn, worden ze met de grondbrij afgevoerd. Grote stenen kunnen problemen veroorzaken. Ret is niet duidelijk of er ooit steenbrekers in een grondmengkamer bij een EPBS toegepast zijn. De afmetingen van de schroefvijzel moet voldoende groot zijn om de te verwachten steenafmetingen te kunnen afvoeren. De schroefvijzelbuizen zijn bijna altijd uitgevoerd met een steenval (bouldertrap). 4.4 Beeindigen boorproces Voor het beeindigen van het boorproces, danwel het keren van de boormachine is een voorziening nodig om de tunnelboormachine te plaatsen nadat deze de tunnel verlaten heeft. Dit is wederom het zogenaamde schildzadel.
Bij aankomst in de schacht aan de andere kant boort de tunnelboormachine voort tot op een verplaatsbaar schildzadel. Wanneer het schild zich volledig bevindt op het schildzadel worden de trailers afgekoppeld en wordt het schildzadel met schild gedraaid tot voor de andere tunnelbuis. Wanneer het schild gedraaid is, wordt een afzetframe achter het schildzadel opgebouwd. Tevens wordt in de schacht een geleiding aangebracht voor de trailers tot aan de achterzijde van de schacht. De eerste trailer wordt vervolgens met een lier uit de tunnelbuis getrokken en in de schacht gedraaid. De eerste trailer wordt aan het schild gekoppeld. De overige trailers worden uit de tunnel getrokken en aangekoppeld zodra in de schacht ruimte is ontstaan. Na aankomst in de eindschacht wordt het schild in delen uit de schacht gehesen. De bovenbouw van de trailers wordt gedemonteerd, waama de trailers door de toerit naar maaiveld gebracht worden.
35
HOOFDSTUK ONGEWENSTE
GEBEURTENISSEN
5 EN AFWIJKINGEN
5.1 InIeiding Als aanzet tot het opstellen van een gebeurtenissen- en foutenboom is oon Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) uitgevoerd voor de bouw van een boortunnel. Het doel van de FMEA is een zo volledig mogelijk boold. geven van ongewenste gebeurtenissen en gevolgen bij de bouw van een boortunnel. Via oon analyse van oorzaken en gevolgen kan in een later stadium bepaald worden welke acties nodig zijn om de faalkans te verkleinen. Een andere toepassing van de risicoanalyse kan zijn dat voordat de defmitieve werkwijze en lokatie wordt vastgesteld verschillenden altematieven worden vergeleken met behulp van een faalkansanalyse. Het inventariseren van mogelijk ongewenste gebeurtenissen en afwijkingen kan voor een belangrijk deel worden uitgevoerd aan de hand van ervaringen opgedaan bij de diverse reeds eerder in binnenen buitenland uitgevoerde projecten. Voor een ander deel wordt een beroep gedaan op de verbeeldingskracht van deskundigen. Voor een zo volledig mogelijke inventarisatie van de risico's tijdens de bouwfase van een boortunnel is oon systematische aanpak vereist. De verschillende activiteiten die plaats vinden dienen aan de hand van een analyseschema op systematisch wijze op oorzaken en gevolgen te worden nagelopen ten behoeve van de FMEA BouwfaseBoortunnel. Een dergelijk analyseschema "activiteiten bouwfase boortunnel" wordt hieronder afgeboold:
input
sturing
Figuur 5.1: Analyseschema "Activiteiten bouwfase boortunnel"
36
output
Voor elke activiteit dienen de input, de sturing en de output systematisch te worden nagelopen, door elk aspect te confronteren met eventuele oorzaken van falen en de gevolgen daarvan te bepalen. Ten aanzien van de oorzaken van een risico valt te denken aan:
- ontwerpfout; - menselijke fout (bediening apparatuur) - sterkte kleiner dan toelaatbare belasting. Ten aanzien van de gevolgen zijn de belangrijkste in deze studie gekozen categorieen:
- kostenverhoging; - vertraging; - kwaliteitsverlies; - milieu- en omgevingschade; - slachtoffer(s) en gezondheidsschade.
K T Q M S
Met kosten worden alle werkelijk gemaakte extra kosten bedoeld die ontstaan door ongewenste en niet geplande gebeurtenissen. De kosten zijn inclusief de betalingen die aan eventueel benadeelde partijen gedaan moeten worden. Vertraging is elke vorm van tijdverlies die door een ongewenste en niet geplande gebeurtenis ontstaat. Onder kwaliteitsverlies (van de tunnel) worden die zaken verstaan die niet via extra tijd en geld hersteld kunnen worden. lndien kwaliteitsverlies binnen het project volledig hersteld wordt, is het dus een kostenpost, mogelijk een vertraging, maar geen kwaliteitsverlies. Onder milieu- en omgevingsschade worden alle negatieve gevolgen voor de omgeving van de tunnel verstaan voor zover deze niet tijdens het project weer teniet zijn gedaan (dat leidt dus wel tot kosten en vertraging). Onderscheiden worden: (sterke) vervormingen van de bodem en daarin of daarop aanwezige objecten verontreiniging van grond of grondwater overlast door trillingen en/of geluid verandering van de (geo-)hydrologische situatie Uiteraard hangt de schade sterk af van de omgeving.. De volgende omgevingstyperingen kunnen worden onderscheiden: U I p N W S
en, etc.
Tabel 5.1 geeft aan hoe de verschillende omgevingseffecten kunnen doorwerken naar de omgeving en aanleiding kunnen geven tot kosten, vertraging (bijvoorbeeld door stilleggen van het werk), kwaliteitsverlies, blijvende milieuschade en slachtoffers.
37
Tabel 5.1: Relatie tussen omgevingseffecten
en omgevingsschaden,
afhankelijk van omgeving
Omgevingseffect
K (kosten)
T (tijd)
Q (kwaliteit)
M(ilieu)
S(1achtoffers)
deformaties
VI
VI
VI
V
VI
verontreinigingen
VPNS
VPNS
VPN
W
trillingen
VI
VI
VI
N
V
geohydrologie
VI
VI
N
Tenslotte worden onder Slachtoffers en gezondheidsschade verstaan de doden en gewonden die bij het personeel of buitenstaanders kunnen vall en, alsmede de gezondheidsproblemen die op langere termijn kunnen optreden als gevolg van permanente of incidentele omstandigheden tijdens de bouw van de tunnel Indien de risico's als te groot worden beoordeeld, kan er een terugkoppeling plaatsvinden. In deze terugkoppeling worden maatregelen afgewogen tegen de kosten. Doordat de risicobronnen bekend zijn, kunnen maatregelen getroffen worden die specifiek de grootste risico's reduceren, waarmee een aanvaardbaar risiconiveau bereikt kan worden. In paragraaf 6.5 zal hier nog kort op worden teruggekomen. 5.2 Decompositie
bouwproject
en omgeving
5.2.1 Onderdelen van het bouwproject en relatie met de omgeving Ret bouwen van een boortunnel bestaat niet alleen uit het vervaardigen van de boortunnel. De boortunnel sluit op een aantal plaatsen aan op overige onderdelen van het bouwproject, zoals: aan de beide uiteinden de start- en ontvangstschacht; aan de bovenzijde het maaiveld of een waterbodem, die mogelijk door middel van grondaanvullingen worden opgehoogd; in het geval van onvoldoende draagkrachtige of stijve bodem een grondverbetering, bijvoorbeeld ter stabilisatie van belendingen; in het geval van twee parallelle tunnelbuizen een ofmeerdere dwarsverbindingen (vluchtwegen); bij langere tunnels ventilatieschachten. Daamaast is het bouwproces als geheel onderdeel van een grotere omgeving. Invloeden vanuit die omgeving kunnen het bouwproces verstoren. Vaak kruisen tunnels bijvoorbeeld (primaire) waterkeringen. Ret bezwijken van zo'n waterkering tijdens de bouw kan leiden tot gewijzigde randvoorwaarden en belastingen op de in aanbouw zijnde boortunnel, hetgeen falen in kan leiden. 5.2.2 Onderdelen van het bouwproces Ret bouwproces is beschreven in hoofdstuk 3. In algemene zin kan dit bouwproces worden onderverdeeld in drie fasen met de volgende hoofdactiviteiten: fase 1: voorbereiding fase 2: feitelijke bouwproces met als hoofdactiviteiten: - Nevenwerkzaamheden (maken hulpconstructies) - Bouw schachten - Starten boorproces - Boren - Beeindigen boren, eventueel keren tunnelboormachine - Inrichten en afwerken
38
fase 3: beheer
Deze hoofdactiviteiten met de verder te onderscheiden activiteiten kunnen in tabelvorm als voIgt worden weergegeven: TabeI5.2.oActiviteitenschema bouwproces boortunnel VOORBEREIDEN IA!
BOUWPROCES 18 tlm G) Nevenwerk. zaarnheden IB! 0
- Financieren 11} - Bodemonderzoek 12! (3) - Ontwerpen - Verzekeren 14} (5) - Aanbieden - Aanbesteden 16} - VerguRningen
m
- Plannen IS!
- Drooghouden
(1)
I
I30UW scha-
chten IC)
- Verrichten
grondwerk (2) (1) - Grondwer1< - Werkterrein inrichtenl3! - Fabricage liningeiernenten (4)
I3EHEER IH!
- Heien 12} - Betonwerk 13! Staalwerk 14!
- Maken tUMetboormachine (5)
Start en I
Boren IE}
boren ID! .
- Montaran -Ontgraven tunnelboormachine (1)
- Passeren (2) wand
-
!1J
Steunen boornont 12} Afzetten vijzels (3) Vutlen staartspleet (4) Logistiek (5) Scheiding (6) Meten alignment (7)
Beemdigen boren, evt. keren tunnelboorrnachine IF! Passeren wand 11! Demonteren tunnelboorrnacl'line 12} - Keren tunnelboorrnachine 13!
-
Inrichten en afwerken tunnel IG) - Inrichten . Afwerken
(1) (2)
- Maken dwarsver-
binding 13!
-(4)Opleveren
Inspecteren 11! - Onder houd(2)
tunnel
- Aanbrengen liningelementeR (8) - Vertengen materieet 19! (10) - Onderhoud
In de kolom "Boren" is als II-de deelactiviteit de faaloorzaak "mechanismen tunnelaanleg" opgenomen. Strikt genomen is dit uiteraard geen activiteit maar verzamelingen van faaloorzaken die kunnen optreden omdat er in de ondergrond een fysisch object wordt geconstrueerd dat met de omgeving IDteracteert. Gedacht wordt aan mechanismen als opdrijven, bezwijken van de tunnelwand (lining), zettingen in de omgeving, etc. Deze faaloorzaak geldt ook al dan niet gemodificeerd voor de meeste andere bouwfasendan boren, hetgeen is duidelijk gemaakt door het betreffende yak over de naburige kolommen te laten doorlopen. Verder is op de onderste regel nog een set "externe oorzaken" opgenomen zoals "overstromingen, staking en, epidemieen, etc." Deze externe oorzakenkunnen in elke fase van het bouwproces en ook ij de beheersfase leiden tot schade en vertraging. In de verdere FMEA is dit opgenomen als "activiteit I". 5.3 Faalwijzen engevolgen 5.3,] Falen van het bouwproces Bij de FMEA van het bouwproces worden aIle deelprocessen geanalyseerd op mogelijke afwijkingen, die vervolgens kunnen worden geanalyseerd op mogelijke oorzaken en gevolgen. Mogelijke ongewenste gevolgen in dit verband zijn: calamiteiten (brand, explosies, ..) instorten bouwfouten . vervuildegrondsiag lekkage onderhoud (ongepland) defecten en storingen (uitvallen stroomvoorziening, overmatige slijtage) vertragingen door niet technische oorzaken (staking, ontbreken vergunning, etc.) materialen of afmetingen die niet aan de gestelde kwaliteitseisen voldoen. .
39
5.3.2 Falen van gebouwde tunneldelen
Naast het bouwproces als zodanig kan ook de in aanleg zijnde tunnel bezwijken of anderszins falen. Uitgaande van de beschrijving van de aanleg van de tunnel dient derhalve de faalkans te worden geschat voor de verschillende grenstoestanden als gevolg van de optredende belastingen: eigen gewicht grond- en grondwaterdrukken gewicht door rail en wegconstructie gewicht van hulpconstructies transportbelastingen stootbelastingen vijzelbelastingen Van elke belasting dient het effect op de in aanbouw zijnde constructie en boortunnelbouwapparatuur te worden nagegaan, rekening houdend met de gevolgde bouwwijze. De werkwijze verschilt niet essentieel van die van het ontwerp van de tunnel in de eindfase, al kunnen belastingen en omstandigheden natuurlijk in detail wel veel verschillen. De vraag die natuurlijk gesteld kan worden is of de methoden van beoordeling voor de eindfase voldoen. Veel mechanismen als opdrijven en opbarsten zijn zowel vanuit mechanica- als vanuit betrouwbaarheidsanalytisch oogpunt nog niet bevredigend ontwikkeld. Zo wordt bijvoorbeeld weinig gerekend aan het echte bezwijkstadium en wordt de grond nog (te) vaak als homogeen beschouwd. Een aanvullende beoordeling kan plaats vinden op basis van: analyse van de vigerende "ontwerp-praktijk"; nagaan waar veiligheidssystemen zitten. Bij voorkeur worden beide in combinatie gedaan. 5.4 Uitwerking FMEA In Tabel 5.3 is een FMEA van het bouwproces weergeven. Er is een opsomming gemaakt van ongewenste gebeurtenissen (afwijkingen) die betrekking hebben op de hoofdactiviteiten A tot en met H zoals eerder weergegeven in de tabellen 3.1 en 5.2. Tabel 5.3.I bevat een overzicht van zogenaamde externe onzekerheden. Hiernaar wordt een aantal malen verwezen. Per hoofdactiviteit wordt aandacht geschonken aan ieder van de in de tab ellen 3.1 en 5.2 genoemde activiteiten. Per "activiteit" worden mogelijke afwijkingen, mogelijke oorzaken en mogelijke gevolgen aangegeven. Daarbij wordt, overeeenkomstig het schema van Figuur 5.1, systematisch gekeken naar wat achtereenvolgens mis kan gaan met:
. . .
.. .
40
de input de in te zetten apparatuur
de uit te voeren handelingen de bouwcondities de externe omstandigheden en de output
Beschouw bij wijze van voorbeeld Hoofdactiviteit E "Boren", Activiteit E8 "Aanbrengen Liningelementen". Gerelateerd aan elk van de bovengenoemde trefwoorden vindt men onderstaand de mogelijke afwijkingen die in de FMEA zijn opgenomen. Trefwoord
Mogelijke Afwijking in FMEA , Activiteit E8, "Aanbrengen lining"
input
elementen niet gereed logistiek faalt toleranties niet gehaald elementen passen niet erector faalt bedieningsfout vervormingen te groot onvoldoende waterdicht onvoldoende sterkte boutverbinding faalt opdrijven, aardbeving, etc afkeuren elementen roblemen met herstel
apparatuur handelingen bouwcondities
exteme omstandi output
Als hulpmiddel bij het opstellen van de FMEA is voor de Hoofdactiviteit "Boren" verder nog gebruik gemaakt van de de nadere uitsplitsing van de activiteiten als weergegeven in Bijlage 1. Sommige afwijkingen komen meerdere malen in de FMEA voor omdat ze het gevolg of de oorzaak zijn van een andere afwijking. Voor een aantal failure modes wordt aan het einde van de tab ellen een korte toelichting gegeven.
41
Tabel 5.3 A: FMEA Activiteit: Financieren Mogelijke
Voorbereiding (A 1 ) afwijking
A1*01
voor proiect
A1*02
financier
Activiteit: A2*01 A2*02 A2*03 A2*04 A2*05
Mogelijke
geen financiers
gaat tijdens
te vinden
bouwfase
failliet
Bodemonderzoek (A2) Mogelijke afwijking
- risico's te groot slechte - economisch
Mogelijke - slechte
onderzoeken
- landeigenaar
onvoldoende
tijd
oorzaak
ontbreken van overzicht aanwezige informatie en onderzoeken geen toestemming voor betreden te terreinen
Mogelijk
oorzaak
T (project
gaat niet door)
T (nieuwe
financier
Mogelijke
gevolg
loopt achter - vergunningprocedure ligt dwars
T
- te weinig
K, T (aanbieders grondonderzoek)
- geen goede lokatiekaart faalt - lokalisatiesysteem
Onderzoekslokatie
-
vervaring
zoeken)
K, T (grondonderzoek uitgevoerd)
projectleiding
inzicht in de te onderzoeken parameters boringen en sonderingen op verkeerde plaats gemaakt onbereikbaar
gevolg
met boortunnels
geen terreinverkenning
uitgevoerd
Q (resultaten lokatie) K, T
dubbel
willen
meer
behoren niet bij
vooraf A2*06
Afwijking
aan apparatuur
K, T, Q (interpretatiefout)
- bedieningsfout
apparatuur deugt niet - onvoldoende voorbereidend -
A2*07
obstakel
on-
derzoek A2*07a
leiding
- onvoldoende
onderzoek
A2*07b
kabels funderingsresten blindganger
- onvoldoende
onderzoek
- onvoldoende - onvoldoende
(archief)
onderzoek
(archief)
onderzoek
K (omleggen en repareren) T (omleggen en repareren) M (schadelijke stoffen in milieu)
S (ontploffing A2*07c A2*07d
bij gasleiding)
K, T K, T K, T (obstakel
te verwijderen)
S (ontploffing) - moeilijke
sondeerstang
omstandigheden
K, T,(obstakel in trace boortunnel) K, T, S (gevaar bij boren)
A2*08
afgebroken
A2*09 A2 * 1 0
obstakel niet opgemerkt grondgegevens voor meer dan een uitleg vatbaar
- techniek niet voldoende - niet eenduidig
A2 *11
te weinig bodemonderzoek
- variatie
A2 *12
te veel bodemonderzoek boor- en sondeergaten niet goed afge-
- variatie bodem niet goed ingeschat niet goed - voorschriften
K
dicht
- nalatigheid aannemer onderzoek - onvoldoende
uitvoering) K, T, M
bodem
niet goed
ontwikkeld
Q (interpretatiefout ontwerpfout) ingeschat
K, T (problemen tijdens de aanleg bijv.: benodigde verlaging niet gehaald binnen onttrekki
A2*13 A2*14
Activiteit: A3*01 A3*02 A3*03 A3*04
holle ruimten door verwijderde funderingselementen Ontwerpen Mogelijke
(A3) afwijking
Mogelijke
oorzaak
- te weinig grondonderzoek communicatie - slechte
aannemer blijft in gebreke maatgevende belastingcombinatie het hoofd gezien
- te weinig over
kennis in huis
- te
weinig ervaring - gebrek aan relevante
kennis
A3*05
rekenkundige modellen nig met werkelijkheid
A3*06
kwaliteitscontrole onvoldoende
A3*07
te late vaststelling eisen brandwerendheid, ventilatie en andere voorschriften
- gebrek
A3*08
ontwerp
- aanvullende richtlijnen - ontwerptijd te kort
Activiteit: Verzekeren
42
tijdens
te laat klaar
(A4)
stroken
te we i-
ontwerpfase
- modelfout - ontwerpfout aan relevante
kennis
ngsvergunni ng)
K, T, M (problemen tijdens de
Mogelijke
onvoldoende gegevens beschikbaar opdrachtgever onvoldoende betrokken, ontwerp voldoet niet aan eisen
leidt tot
gevolg
T, Q K, T, Q T
K, T, S (calamiteit tijdens bouw) K, T, Q (problemen tijdens de aanleg van de tunnel) K, T, Q (fout tijdens uitvoering) T
T
Mogelijke afwijking (bijna) niet te verzekeren A4*01 Activiteit: Aanbieden (A5) Mogelijke afwijking A5*01
onvoldoende gegevens volgens aannemers
A5*02
geen bieders te vinden
project
A6*02 A6*03 A6*04 A6*05 A6*06 A6*07
aannemers vinden informatie onvoldoende bouwaanbieding onvoldoende beperkte concurrentie tussen aanbieders onvoldoende inzicht bij opdrachtgever in criteria selectie aannemer onbekendheid met buitenlandse cultuur bij opdrachtgever aannemer niet in staat aan te vangen op afgesproken datum aannemer gaat failliet
Activiteit: Vergunningen (A7) Mogelijke afwijking wijziging bestemmingsplan A7*01 tracewijziging leidt tot nieuwe be noA7*02 digde vergunningen vertraging vergunningsaanvragen als A7*03 gevolg van onvoorziene bezwaarschriften en beroepsprocedures onteigeningsprocedure vertraagd A7*04 ambtelijke fout in vergunningsverwerA7*05 king geen afgifte schone grond verklaring A7*06 (vereist voor verkrijgen bouwvergunning) nodige vergunningen niet tijdig aanweA7*07 zig
A7*OS A7*09
Activiteit: AS*01 AS*02
AS*03 AS*04 AS*05
tussentijdse wijziging van eisen in vergunningen overschrijden van geldigheidstermijn van vergunningen
Plannen project (AS) Mogelijke afwijking geen maatschappelijk draagvlak bestemmingsplan of vergunningensysteem voor ondergronds bouwen is nog niet ontwikkeld onteigeningsprocedure loopt uit fouten in projectplanning besluitvorming
loopt uit
IMogelijke IK
Mogelijke oorzaak voor aanbieding
Activiteit: Aanbesteden (A6) Mogelijke afwiiking A6*01
Mogelijke oorzaak - risico' s te groot
- risico te groot met aangeboden onderzoek - niet de juiste parameters bepaald - onvoldoende ervaring - risico te groot
gevolg
Mogelijke gevolg K, T
K, T
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- opdrachtgever voorbereid
T
onvoldoende
K
- calculatiefout - eisen opdrachtgever
te hoog
- geen ervaring - geen ervaring - voorbereiding niet gereed - aannemer niet gereed - ovoldoende reserves
K Q (niet de beste aanbieding gekozen) Q (niet de beste aanbieding gekozen) K, T K, T (opnieuw aanbesteden)
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- externe oorzaak - tracewijziging
T
- bezwaarschriften
T (onvoldoende
T
vooroverleg) - externe - externe
oorzaak oorzaak
- onvoldoende
milieukundig onderzoek
T T T
- te lange doorlooptijd vergunning verlenende instantie - te laat aangevraagd (over - vergunning niet aangevcraagd het hoofd gezien) - fout bij aanvraag (onvoldoende vooroverleg)
T
- nieuwe richtlijnen bevoegd gezag
T
- vertraging in de voorbereiding - vertraging in de bouw - aangevraagde doorlooptijd te kort
T
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- slechte communicatie - bevoegd gezag faalt
T
verlopen stroef - onderhandelingen - juiste werkwijze onvoldoende bekend - politieke aangelegenheid
T T
T
T
43
Toelichting ad.A2*09
Obstakel niet opgemerkt Als dit gebeurt dan zal dit pas worden opgemerkt tijdens de uitvoering.
ad.A6*04
Onvoldoende inzicht bij opdrachtgever in criteria selectie aannemer De opdrachtgever heeft onvoldoende kennis en ervaring in huis (gehaald) om te kunnen oordelen welke van de aannemers(combinaties) de voor het project beste aanbieding doet.
ad.A7
Vergunningen Zowel voorafgaand aan als lopende het bouwproject zijn tal van vergunningen benodigd. Ret is van belang om tijdig een goed overzicht te hebben van: aIle benodigde vergunningen; het bevoegd gezag; de procedures (termijnen, inspraak etc.); vergunningvoorwaarden; geldigheidstermijn.
ad.A7*07
Nodige vergunningen niet tijdig aanwezig De vergunningen welke benodigd zijn zuIlen per project verschillen. vergunningen waaraan gedacht moet worden zijn: bouwvergunning; kruisingsvergunning (wegen, leidingen, waterwegen); lozingsvergunning; bemalingsvergunning, ontgrondingsvergunning; milieuvergunning; VBA ontheffing; vergunning rivierenwet (bij kruisen waterweg); uitwegvergunning; kapvergunning; vergunning waterhuishouding. Vergunningen gelden vaak maar voor een onderdeel van het project. Zo kan het voorkomen dat er aparte vergunningen nodig zijn voor bijvoorbeeld de tunnel, de bouwkeet, en de scheidingsinstaIlatie.
ad A8*02
Bestemmingsplan of vergunningensysteem voor ondergronds bouwen is nog niet ontwikkeld. Er is op dit moment geen wetgeving voorhanden die bepaald wat, waar en hoe ondergronds mag/moet worden gebouwd.
44
Tabel 5.3 B:
FMEA Bouwproces,
Hoofdactiviteit
B, Maken hulpconstructies
Activiteit:
Bemaling (B1) Mogelijke afwijking
Mogelijke oorzaken
Mogelijk gevolgen
B1*01
benodigde vergunningen te laat (lozingsvergunningen, bemalingsvergunning) logistiek probleem benodigd materieel niet beschikbaar obstakel geraakt tijdens aanbrengen installatie
- planningsfout
T
B1*05 B1*06
bedieningsfout apparatuur storing apparatuur
B1*07
verlaging niet gehaald
B1*08
debiet waarvoor vergunning is verleend wordt overschreden extreme en langdurige koudeperiode grondwater ernstiger vervuild dan gedacht
-
B1*02 B1*03 B1*04
B1*09 B1*10
B1*11 B1*12
zettingen a.g.v. grondwaterstandsdaling overschrijden berekend maximum extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Activiteit:
Grondverbeteren (B2) Mogelijke afwijking
B2*01 B2*02 B2*03 B2*04
te verbeteren lokaties niet bekend logistiek probleem benodigd materieel niet beschikbaar niet op juiste plaats
B2*05
obstakel
B2*06 B2*07
plaats voor apparaat storing apparatuur
B2*08 B2*09
bedieningsfout apparatuur zetting/opheffing van grond
B2*10
waterdichtheid
B2*11
sterkte voldoet niet
B2*12
extern probleem
geraakt
niet bereikbaar
voldoet niet
(zie tabel 5.2.1)
Activiteit: Werkterrein inrichten (83) Mogelijke afwijking B3*01 B3*02 B3*03 B3*04 83*05 B3*06 B3*07 B3*08 B3*09 B3*10
benodigde vergunningen te laat werkterrein niet beschikbaar logistiek probleem benodigd materieel niet beschikbaar beschadiging ondergrondse infrastructuur onverwachte obstakels onverwachte bodemvervuiling aangetroffen weer zit tegen bedieningsfout apparatuur extern probleem (zie tabel 5.2.1)
(afwijking A8)
- slechte bereikbaarheid - onjuiste planning - onvoldoende onderzoek
(afw. A2.9)
uitvoeringsfout electriciteit valt uit brandstof op apparatuur defect geohydrologische parameters onjuist capaciteit installatie onvoldoende lekkage onjuiste inschatting parameters
- ongunstige planning - onvoldoende onderzoek
- onjuiste inschatting
(afw. A2.9)
parameters
- externe oorzaak
Mogelijke oorzaak -
slechte communicatie slechte bereikbaarheid onjuiste planning (afw. A8)
-
onjuiste fasering onvoldoende brandstof defect uitvoeringsfout te hoge injectiedruk
-
geen goede samenstelling geologie wijkt af van (afw. A2.9) geen goede samenstelling geologie wijkt af van
lokatie systeem faalt menselijke fout onvoldoende
T T K, T (leiding beschadigt of kapot) S (ontploffing) T T, S (opbarsten bouwput)
K (extra materieel vereist). T
T (werk wordt stilgelegd) K, T K, T (aanvullende analyses & aanpassingen aan verleende vergunningen vereist) K, T (beschadiging ondergrondse infrastructuur) K,T, Q,S
Mogelijke gevolg K, T
T T T, Q (problemen
K, T (leiding beschadigd kapot) S (ontploffing) T T
onderzoek
T K (schade belendingen en ondergrondse infrastructuur) T, Q (problemen bij boren) T, Q (problemen
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- planningsfout - geen toestemming (afw. A2.2) - slechte bereikbaarheid - onjuiste planning (afw. A8) - onvoldoende onderzoek (afw. A2.9)
T T T
- onvoldoende - onvoldoende
T, S (ontploffing) T
- ongunstige planning - uitvoeringsfout - externe oorzaak
of
bij boren)
K, T, Q,S
externe oorzaak
onderzoek onderzoek
bij boren)
(afw. A2.9) (afw. A2.9)
.
T K, T, S
T (vorstverlet) T K, T, Q,
S
45
Activiteit: Fabricage liningelementen (B4) Mogelijke afwijking B4*01
juiste gegevens
niet bekend
B4*02 B4*03
materiaal van lining niet goed mallen niet goed
B4*04
niet de juiste bouwstoffen
B4*05 B4*06 B4*07
apparatuur defect bedieningsfout apparatuur
voorhanden
extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Activiteit: Maken tunnelboormachine (B5) mogelijke afwijking
B5*03
technisch ontwerp laat menselijke fouten toe met ernstig gevolg ontwerp in strijd met bestaande patenten bouw tunnelboormachine te duur
B5*04
oplevering TBM te laat
B5*05
TBM voldoet niet aan gestelde
B5*01 B5*02
46
eisen
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
-
planning (afw. A8) tolerantie eisen niet bekend produktiefout produktiefout
T
-
staking logistiek storing uitvoeringsfout externe
oorzaak
T, K (onvoldoende sterkte) T, K (maatafwijkingen te 9 root) T T T K, T, Q, S
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- ontwerpfout
ernstig gevolg
- bouwer niet op de hoogte van patenten
T
- extra voorzieningen vallen duurder uit K dan voorzien T - ontwerpwijzigingen - wijziging specificaties - foutieve planning (afw.A8) K, T - niet getest tijdens/na fabricage
Tabel5.3.C:
FMEA bouwproces, Hoofdactiviteit
Activiteit: Grondwerk (C1) Mogelijke afwijking C1 *01 C1*02
geen tijdige toestemming zaamheden logistiek probleem
begin werk-
C1*03 C1 *04 C1 *05
juiste materieel niet tijdig beschikbaar obstakel beschadiging ondergrondse infrastructuur
C1*06 C1*07 C1*08
defect apparatuur bedieningsfout apparatuur schade aan omgeving
C1*09 C1*10
tegenkomen van verontreinigde grond extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Heien (C2) afwijking Heien palen voorbereiding niet op tijd klaar C2*01 logistiek probleem C2*02 juiste materieel niet tijdig beschikbaar C2*03 C2*04 elementen voldoen niet aan tolerantieeisen C2*05 obstakel
C, Bouw van de schachten
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- vergunning
T
te laat aangevraagd
- planning - staking - planning - onvoldoende onderzoek - onvoldoende onderzoek - onjuiste gegevens - onjuist lokatiesysteem - technische storing - uitvoeringsfout - grondwerk veroorzaakt vervormingen in ondergrond
T
- onvoldoende onderzoek - externe oorzaak
K, T, M, S K, T, Q, S
T T, S (ontploffing) K (schade aan omgeving)
M
T K (schade aan omgeving), K, T
T
Activiteit:
I Mogelijke
berekend funderingsniveau blijkt niet reeel apparatuur defect C2*07 bedieningsfout apparatuur C2*08 C2*09 schade aan omgeving C2*10 extern probleem (zie tabel 5.2.1) Heien damwandplanken grote vervormingen tijdens heien damC2*11 wandplanken spleten tussen planken C2*12 C2*06
C2*13
niet heibaar
C2*14
ovoldoende
Activiteit:
betonwerk (C3) Mogelijke afwijking
waterdichtheid
-
problemen planning planning
C3*04
geen basismateriaal
te krijgen
C3*05
onderwaterbeton sluit niet goed aan op dam/combi/diepwand
C3*06
vloer barst op
bij werk
T K, T (nieuwe of aangepaste funderingselementen nodig) K, T S (ontploffing, schade aan materiaal) K, T (nieuwe of aangepaste funderingselementen nodig) T T K, T (trillingshinder) K, T,Q,S
- onvoldoende onderzoek - onverwacht obstakel - ontwerpfout -
technische storing uitvoeringsfout zwaar heiwerk externe oorzaak
- planken onvoldoende -
gevolg
T T
fabricage-fout
stijf
planken lopen uit slot te grote vervormingen grondgesteldheid obstakels slechte maatvoering onjuist materieel uit het slot lopen beschadigde slotvulling slotontwerp voldoet niet
IMogelijke
onderwaterbetonvloer logistiek probleem C3*01 juiste materiaal niet tijdig beschikbaar C3*02 C3*03 beton niet de juiste samenstelling
IMogelijke
Mogelijke oorzaak
K, T (planken niet op diepte; extra maatregelen nodig) K, T (niet zand- en waterdicht, zettingen, lekkage) K, T
K, T, Q (Iekkage, te groot waterbezwaar)
Mogelijke gevolg
oorzaak
- planning - planning - produktiefout
T T T (problemen wand)
bij doorboren
- planning - constructiefout - grindnest - te hoge spanningen - slibinsluiting - evenwichtsberekening paalberekening)
K, T (inundatie start/ontvangst, tunnel)
fout (bv. trek-
K, T (inundatie start/ontvangst, tunnel)
47
I
- extreem hoge waterspanning
beton C3*07
scheurvorming
C3*08
onvoldoende
sterkte
C3*09
onvoldoende
waterdichtheid
diepwanden instabiliteit C3*10
-
sleuf
C3*11
onvoldoende
waterdichtheid
C3*12
onregelmatigheden
C3*13 C3*14
materieel defect extern probleem
aan oppervlak
(zie tabel 5.2.1)
Activiteit: staalwerk (C4) Mogelijke afwijking
C4*03
logistiek probleem juiste materieel & materiaal niet beschikbaar start/ontvangstschacht bezwijkt
C4*04
obstakel
C4*05
lekkage of start/ontvangst
C4*06 C4*07
bedieningsfout apparatuur onvoldoende sterkte stempelraam
C4*08
te grote vervormingen
C4*09
onvolkomenheden
C4*10
extern probleem
C4*01 C4*02
48
bij aanbrengen
grondkering
schacht
stempelraam
in maatvoering
(zie tabel H.3)
K, T, Q (lekkage te weinig sterkte)
temperatuur samenstelling zettingen krimp kruip samenstelling wapening
I
beton
verdichting grindnest onvoldoende verdicht ontmenging bij storten onvoldoende wapening
K, T, M, S (bezwijken, rvorming)
scheu-
K, T, Q (lekkage, te weinig sterkte)
te hoog - grondbelastingen - bentonietniveau te laag - bentoniet samenstelling niet goed slechter dan ver- grondgesteldheid wacht - onzorgvuldige uitvoering
K, T, M (lokale zettingen te groot, schade aan wegen, kabels en leidingen)
- betonsamenstelling niet goed - verdichting onvoldoende - maaswijdte wapening te groot - voegen tussen panelen niet goed - slechte aansluiting op vloer - betonsamenstelling niet goed leidt tot proble- grondsamenstelling men - onzorgvuldige uitvoering - onvoldoende onderhoud - externe oorzaak
K, T (waterbezwaar
K,T, Q T
Mogelijke oorzaak - planning - planning
T T
- belasting op schacht (actieve gronddruk, waterdruk) - uitvoeringsfout schacht - interactie met boorproces - ontwerpfout - onvoldoende onderzoek
- schachtwand + vloer niet voldoende waterkerend - lekkage aansluiting vloer - wanden - lekkage aansluiting met lining - uitvoeringsfout - afwijkingen grondparameters en grondwaterstanden en - afwijkingen grondparameters grondwaterstanden - onjuiste dimensies
- externe
oorzaak
te groot)
K, T, Q (wanddikte betonwanden onvoldoende)
Mogelijke gevolg
K (schade tunnel) K (schade omgeving) T (vertraging boorproces) S (gevaar mensenlevens) K (beschadiging materiaal) T (damwand/combiwand loopt uit slot) S (ontploffing) K, T, S (inundatie tunnel)
K, T, S K, T, S K, T, Q K, T (vervormingen, zettingen in omgeving en eventueel bezwijken) T
Toelichting ad.C3*06
Beton niet de juiste samenstelling Voor de schacht kan een diepwand worden gebruikt. Omdat de tunnelboormachine de wand moet doorboren moet dit beton locaal minder hard zijn dan gebruikelijk is zodat de tunnelboormachine er doorheen kan boren.
49
Tabe15.3. D: FMEA bouwproces, Hoofdactiviteit Activiteit:
Installatie tunnelboormachine Mogelijke afwijking
01 *01
beschadigingen
D, Starten boren
(01) Mogelijke oorzaak
tijdens transport
- calamiteit - onvoldoende transport
zorgvuldigheid
Mogelijk gevolg tijdens
T (onderdelen herstellen, onderdelen vervangen)
01 *02 01 *03
delen arriveren te laat delen van tunnelboormachine passen niet door schacht naar startvloer
- calamiteit - communicatie tussen tunnelbouwer en ontwerper schacht onvoldoende
T T (aanpassen hulpconstructie, aanpassen delen tunnelboormachine)
01 *04
delen passen niet op elkaar
- constructiefout
01 *05
hulpconstructie voor inbrengen delen tunnelboormachine faalt testprogramma faalt
T (aanpassen onderdelen, vervangen onderdelen) T, S (schade tunnelboormachine) T (vervangen onderdelen, aanpassen onderdelen)
01 *06
01 *07 01 *08
onder-
hulpconstructie faalt door proefbelasting machine extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Activiteit:
Passeren wand (02) Mogelijke afwijking
02*01 02*02
storing machine benodigd vermogen
02*03 02*04
onvoldoende reactiekracht schacht waterdichtheid van scherm onvoldoende
02*05
juiste beginrichting
02*06
afdichtblok
schachten
te sterk
02*07
afdichtblok kwaliteit
schachten
onvoldoende
02*08
extern probleem (zie tabel 5.2.1)
50
te groot
niet te halen
van
-
defect overbelasting procedurefout apparatuur defect onjuiste bediening ontwerpfout foute aannames berekening externe oorzaak
K, T (schade belendingen of ondergrondse infrastructuur) K,T, a,s
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- apparatuur defect - ontwerpfout - grondslag anders - drukwand vervormd - grondverbetering voldoet niet - maatvoering is niet voldoende nauwkeurig - grond te slap - hulpconstructie vervormt te veel - te veel cement c.q. harder toegevoegd
T T
- ge'injecteerde kolommen te klein - uitvoeringsmethode niet geschikt onvoldoende - materiaaleigenschappen externe oorzaak
K, T (schade aan belendingen) K, T, S (inundatie bouwplaats) K, T (grondverbetering noodzakelijk) K, T (grotere slijtage boormaterieel) K, T (Iekkage langs boormachine naar schacht) K,T,a,S
Toelichting ad.D 1*05 Hulpconstructie voor inbrengen onderdelen tunnelboormachine faalt lndien ervoor wordt gekozen om het transport van bouwmateriaal, grondstoffen en personen te laten plaatsvinden via de startschacht kunnen problemen ontstaan als stagneren liften, stagneren verticale transporteur, stagneren pompen, slijtage leidingen (bij bochten in leiding). ad.Dl *06 Testprogramma faalt Voordat met boren wordt beg onnen wordt een testprogramma (in den droge) uitgevoerd. Tijdens dit programma kunnen onderdelen van de tunnelboormachine worden bijgesteld. ad.D2
Problemen bij passage wand startschacht Bij het starten met boren moet een gat worden gemaakt in de damwand. Omdat anders de gehele bouwkuip volloopt met water wordt de grond rondom het startpunt meestal bevroren, gegrout of chemisch gelnjecteerd. Na het passeren van de tunnelboormachine moet de ruimte definitief waterdicht worden afgesloten. Dit is een kritisch detail van de tunnel.
ad.D2 *03 Onvoldoende reactiekracht Bij de start wordt de vijzelkracht van de tunnelboormachine afgedragen aan een hulpconstructie of de schachtwand. De vijzels van de tunnelboormachine moeten zich in voldoende mate kunnen afzetten tegen deze constructies ad.D2 *04 Waterdichtheid van scherm onvoldoende am lekkage te voorkomen zullen er ter plaatse van aansluiting tussen schachtwand en lining maatregelen worden genomen om lekkage te beperken (afsluitmateriaal). Lekkage kan optreden door het falen van afsluitmateriaal of door vervormen van schachtwand of lining.
51
TabeI5.3.E:
FMEA bouwproces, Hoofdactivitieit
Activiteit: Ontgraven (E1) Mogelijke afwijking
E, Boren tunnel
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- installatie loopt vertraging op - bij testen treedt vertraging op - verstopping - fout apparatuur - bedieningsfout - onjuist of onvoldoende onderzoek - geen onderzoek - geen stenen verwacht -onvoldoende grondonderzoek
T
E1 *01
boormachine
E1*02
falen aanvoer steunvloeistof
E1*03
aantreffen
E1*04
steenbreker
E1 *05
- onvoldoende
onderzoek
E1 *06
aantreffen onverwachte vervuilde grond en/of grondwater overmatige slijtage schild
- onvoldoende
onderzoek
E1*07
onvoldoende
E1*08
klei kleeft te veel aan schild
E1 *09
E1*12
onvoldoende tangentiele reactiekracht van de grond afstemming voortgang-afvoer-steundruk voldoet niet boorkop niet voldoende geschikt voor grondslag bedieningsfout
-
E1*13
pompen ten behoeve
E1* 14 E1 * 15
hoofdlager faalt / versleten vervormingen/scheuren graafwiel
E1*16
andere storingen
E1*17
ontgraven veroorzaakt gen te grote oversnijding
E1 * 10 E1 * 11
E1 * 18
niet tijdig gereed
obstakels ontbreekt
of voldoet niet
torsiekracht
schild
van lekwater
falen
boormachine excessieve
trillin-
E1 19 *
grond rondom tunnel ontspant
E1*20 E1 21 * E1*22
hoger volumeverlies dan voorzien voortgangsprognose niet gehaald tunnelboormachine zakt weg
E1*23
E1*24
vervormingen in de grond te groot (zowel verticale als horizontale vervorming mogelijk) falen afvoer materiaal
E1*25
passeren
E1*26 E1*27
veengas extern probleem
52
te veel
van grenslagen
(zie tabel 5.2.1)
defect tunnelboormachine onvoldoende electrisch vermogen bediening tunnelboormachine faalt grote weerstand grond adhesie-probleem additief voldoet niet mantel TBM vast door zwelling klei onjuiste inschatting ontwerpfout stabiliteitsprobleem
K, T (zetting)
T, S (ontploffing) K, T (betreden noodzakelijk) K, T
K, T (extra onderhoud noodzakelijk) K, T (aanpassen tunnel boormachine)
T (additief noodzakelijk)
K, T (tunnelboormachine draait) K, T
- ontwerpfout
T
- onlogische bediening - geen goede handleiding - ondeskundig personeel - stroomstoring - te klein vermogen - storing - bedieningsfout - niet voldoende duurzaam -krachten verkeerd geschat -sterkte verkeerd geschat - onvoldoende onderhoud - ontwerpfout - machine trilt te veel - grond gevoelig voor trillingen - afwijken boorkop - bediening - grond reageert anders dan voorspeld
zetti ng
- volumeverlies te groot - steundruk te laag - slechte afstemming - probleem bij uitvoering - grond te slap - machine te zwaar - grond reageert anders dan voorspeld - invloed van boorproces groter dan gedacht - verstopping - fout apparatuur - bedieningsfout -stuurprobleem -scheidingsprobleem -onvoldoende grondonderzoek - brand/explosie
van boorkamer
T (wateroverlast)
T (vervanging K, T, M
noodzakelijk)
K, T K (schade aan omgeving) K (zetting)
K, T (funderingen van belendende gebouwen falen) K, M (zetting) K K, T (grondverbetering noodzakelijk) K, T, M (zetting aan het maaiveld, schade aan ondergrondse infrastructuur) T (maaiveldheffing)
K, M K,T, M K
Activiteit:
Steunen boorfront (E2) Mogelijke afwijking
E2*01
blow-out
E2*02
piping
E2*03
aan en afvoer additieven/steunvloeistof voldoen niet
E2*04 E2*05 E2*06
waterafsluiting faalt onvoldoende capaciteit onvoldoende capaciteit
E2*07
stabiliteit boorfront
E2*08
lokale instabiliteiten
E2*09
verlies grote hoeveelheden
E2*10
additief/steunvloeistof goed
E2 * 11
mechanische
E2*12
luchtdrukregeling
E2 * 13
meet en regelsysteem
E2*14
bedieningsfout
E2*15
extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Mogelijke oorzaak - druk te hoog - dekking te gering - volumegewichten lager dan geschat - ontgraving boven tunnel - oud boorgat - oude peilbuis - sondeergat (oude - verwijder funderingselement palen, anker) - ontgraving boven tunnel -
buffer pompen
onvoldoende
slurry
functioneert
ondersteuning
niet
faalt
faalt
faalt
E3*04 E3*05
vijzels defect
E3*06 E3*07
uitknikken vijzel meet en regelsysteem
E3*08
bedieningsfout
E3*09
onvoldoende
E3*03
K, T (stabiliteitsverlies front)
bedieningsfout meet en regelsysteem faalt verkeerde pomp uitgeschakeld verstopping in aan- en/of afvoerpunt ontwerpfout machine ontwerpfout ontwerpfout
defect
vijzelkracht
aan
K, T, S (inundatie tunnel) T K, T (verlies steundruk; zetting) K, T, M (zetting)
K, T (zetting)
- doorlatendheden te groot - druk te hoog (langs schild, piping) -grindconcentraties
T (verlies druk; zetting)
- samenstelling niet passend bij aangeboorde situatie - bentonietverlies groter dan voorzien - onvoldoende aangebracht -niet sterk genoegr -meet/regelsysteem faalt -pompen falen -Iekken
K, T, M (stabiliteitsverlies; verlies steunvloeistof)
-
stroomstoring apparatuur defect bediening faalt
K, T (zetting [te lage drukJ, heffing [te hoge druk])
onlogische bediening geen goede handleiding
K, T (zetting)
ondeskundig personeel schade in omgeving
- ontwerpfout; lining
constructieve
K, T K, T
K, T, a, S
Mogelijke oorzaak
onvoldoende axiale reactiekracht van de lining grond kan reactiekracht niet leveren (reacctiekracht of bocht») vijzels en/ofaxiale druk beschadigen liningelementen lekkage hydrauliek
E3*02
T (verlies steundruk)
- loopzand - steundruk voldoet niet laagscheidingen - (onverwachte) -grindconcentraties (grind- geologische omstandigheden lagen)
Activiteit: Afzetten vijzels (E3) Mogelijke afwijking E3 *01
Mogelijke gevolg K, T, M (zetting, schade aan belendingen, schade aan ondergrondse infrastructuur)
Mogelijke gevolg K, T
aspecten
- ontwerpfout
a (vervorming
- elementen niet juiste sterkte - bedieningsfout - ontwerpfout - onvoldoende onderhoud - te weinig onderhoud - geen robuust ontwerp - ontwerpfout - stroomstoring - ontwerpfout - onlogische bediening - geen goede handleiding
T (elementen moeten worden afgekeurd) K, T (drukval; frontinstabiliteit; zetting) K, T
- ondeskundig personeel - ontwerpfout - wrijving tunnelboormachine/mantel
lining)
K, T T a,s
K, T te
53
E3*10
extern
probleem
(zie tabel 5.2.1)
Activiteit:
Vullen staartspleet Mogelijke afwijking
E4*01
aanvoer
E4*02
grout voldoet
E4*03
injectiedruk
materiaal
9 root - falen hydrauliek - sabbotage - terroristische aanslag - schade als gevolg van aardbeving
K, T,Q,S
(E4) Mogelijke faalt
niet en -debiet
vet niet juist
Mogelijke
oorzaak
gevolg
T
- bedieningsfout - logistiek probleem - onjuiste samenstelling - situatie niet goed ingeschat - storing apparatuur
T,Q K, T, M (milieuschade,
water-
afsluitendheid in gevaar; verstoring grond; extra zetting) E4*04
lekkage langs borstels profielen
E4*05
verstopte
E4*06
injectiedruk
en -debiet
E4*07
staalborstels
versleten
E4*08
cq. neopreen
toevoerleidingen
rubbers
grout
niet juist
hoger dan berekend - waterdruk voldoen niet aan - liningelementen tolerantie eisen elementen geplaatst - beschadigde - harding te vroeg - mengsel niet goed meetapparatuur - afwijking - bedieningsfout - elementen te ruw aan buitenzijde - borstels deugen niet - niet tijdig vervangen - elementen te ruw aan buitenzijde - rubbers te slijtagegevoeJig
versleten
- niet
E4*09
debietmeting
van zowel grout als vet
K, T, S (innundatie
tunnel)
K, T K, T, Q (verstoring K, T, Q (lekkage;
grond) extra onder-
houd noodzakelijk) K, T (lekkage;
extra onder-
houd noodzakelijk
tijdig vervangen
- storing
K, T, Q (verstoring
apparatuur
grond)
faalt E4*10
groutschil
E4* 11
grout ontsnapt front
E4*12
extern
Activiteit:
Logistiek Mogelijke
(aan- en afvoer van personeel, afwijking
E5 *01
materieel
niet tiidig beschikbaar
E5*02
te transporteren
E5*03
zeer onregelmatige
probleem
vorm
langs schild naar boor(zie tabel 5.2.1)
materiaal
energievoorziening
niet aanwezig
- druk te hoog - grond te slap - druk te hoog - grond te slap
Q
- brand/explosie
K,T,Q,S
materieel Mogelijke
en materiaal) oorzaak
- kabel toe- en/of
E5*05
ventilatiecapaciteit
E5*06
problemen temen
E5*07
trein ontspoort
E5*08
trein kan niet stoppen
E5*09
afvoerleiding
verstopt
onvoldoende
bij aanbrengen
transportsys-
op helJing
materieel voor transport
functioneert
T
geraakt
54
materiaal
beschadigt
tijdens
transport
K, T (problemen faalt
bij falen
bij uitvoering)
van
bovengrondse bij werkzaamheden T (problemen T T
K. T. S
- remmen falen - stroomstoring
T
defect, geen vervangende of onderdelen aanwezig
- rails niet goed - materiaal niet goed bevestigd materieel
met steundruk)
K, T, Q, S (schade nel)
- bedieningsfout - iets op de rails - fout in wissel - defect aan trein - rails Jigt niet goed - rails te glad
apparatuur E5*10
gevolg
site
- onvoldoende menging grond plasticiteit grond - onvoldoende - ontwerpfout - geen rekening mee gehouden bij ontwerp
- apparatuur
niet
Mogelijke T
- blikseminslag installaties E5*04
(E5)
- planning - planning - bereikbaarheid faalt - centrale - noodvoorziening centrale
faalt
Q
K, T op
aan tun-
E5 * 11
botsing twee treinen (indien er twee aanwezig zijn)
E5*12
bedieningsfout
E5*13
extern probleem
Activiteit:
Scheiding (E6) Mogelijke afwijking
E6*01 E6*02
installatie scheiding hergebruik capaciteit doende apparatuur
E6*03 E6*04
(zie tabel 5.2.1)
niet tijdig beschikbaar niet nauwkeurig genoeg t.a.v. materiaal scheidingsinstallatie onvoldefect
E6*05
gescheiden afgezet
materiaal
kan niet worden
E6*06 E6*07
vervuilde grond bedieningsfout
E6*OS
extern probleem
Activiteit:
Meten alignment (E7) Mogelijke afwijking
E7*01
storing aan meetsysteem
E7*02
bedieningsfout
E7*03
meetsysteem
E7*04
onnodige richtingscorrectie
E7*05
extern probleem
(zie tabel 5.2.1)
ES*01 ES*02
liningelementen logistiek faalt
ES*03
elementen
ES*04
tolerantie
eisen niet gehaald
ES*05
sluitsteen
past niet (goed)
passen niet (goed)
ES*07
bedieningsfout
ES*OS
erector faalt
ES*09
hulpapparatuur
faalt
-
niet goed K, T, S
ondeskundig personeel brand/explosie
Mogelijke oorzaak - planning - apparatuur kan gestelde halen - ontwerpfout
K, T, S (schade aan tunnel; schade materieel)
K,T, Q,S
Mogelijke gevolg
T eisen niet
K K, T
stroomstoring te weinig onderhoud geen robuust ontwerp geen vergunning grondafvoer gebrek aan opslagruimte verontreiniging groter dan gedacht
K, T (boorproces)
onvoldoende onderzoek onlogische bediening geen goede handleiding ondeskundig personeel brand/explosie
K, T, M K
- meet- en stuursysteem fout geprogammeerd - bedieningsfout - stroomstoring - interferentie met andere apparatuur - externe oorzaak
K
K, T, Q,S
Mogelijke gevolg T, Q (tunnel niet op juiste plaats) K
Q, (tunnel niet op juiste plaats) Q, (tunnel niet op juiste plaats)
K,T, Q
(ES)
niet voorhanden
extreme
seinsysteem functioneert onlogische bediening geen goede handleiding
apparatuur defect meetsysteem niet voldoende robuust interferentie met andere apparatuur onlogische bediening geen goede handleiding ondeskundig personeel apparatuur voldoet niet instelling niet correct
(zie tabel 5.2.1)
Activiteit: Aanbrengen liningelementen Mogelijke afwijking
lining vertoont
-
let niet op of is ondeskun-
Mogelijke oorzaak
te onnauwkeurig
ES*06
- personeel dig
vervorming
Mogelijke oorzaak - planning -
materiaal faalt personeel faalt kwaliteitssysteem faalt ontwerpfout kwaliteitssysteem faalt fabricage te onnauwkeuri kwaliteitssysteem faalt
-
ontwerpfout
- horizontale drukken te groot in vergelijking met verticale - ontwerpfout - sterkte lining overschat - onlogische bediening - geen goede handleiding - ondeskundig personeel - stroomstoring - defect apparatuur - defecte machine - geen bouten aanwezig/passen niet
Mogelijke gevolg K, T K, T T,Q T T,Q K, T, Q
T, S
T, S K, T
55
E8' 10 E8'11
boutverbinding lekkage lining
E8'12
instraom water tijdens verwijderen afgekeurd element of elementen t.b.v. dwarsverbinding tunnels sterkte lining onvoldoende tunnel drijft op
E8'13 E8' 14
E8'15 E8 ' 16
faalt
element of dwarsverbinding wordt afgekeurd extern probleem (zie tabel 5.2.1)
Activiteit: Verlengen leidingen en materieel (E9) Mogelijke afwijking juiste materieel niet tijdig voorhanden E9'01 leiding past niet E9'02 lekkage E9'03
E9'04 ES'05
hijswerktuig faalt verbindingsmaterieel
E9'06
extern probleem (zie tabel 5.2.1)
faalt
Activiteit: Onderhoud (E10) Mogelijke afwijking
E10'05 E10'06
brand door werkzaamheden
E10'02 E10'03 E10'04
E10'07 voorzieningen voor ondersteuning neel in mengkamer vallen weg (communicatie, perslucht e.d.)
K,T,a,M K, T (schade materieel; derhoud noodzakelijk)
- ontwerpfout - onjuiste inschatting volumiek gewicht grand - diepteligging onjuist - gewicht lining onvoldoende - ontgraving boven tunnel -onvoldoende kwaliteit
S K,T,a
- brand/explosie
K,T, a,s
Mogelijke oorzaak planning afmeting niet gecontraleerd
Mogelijke gevolg T T T, S
-
afsluiters niet goed dicht verkeerde afsluiters open en dicht aansluiting lekt/past niet goed storing niet de juiste afmetingen niet de juiste sterkte logistiek probleem
perso-
K, T K, T, S T
-
K, T
storing apparatuur straomvoorziening faalt vonken bij laswerkzaamheden open brandstof
K,T, a, S (schade aan aangelegde gedeelte van tunnel en tunnelboormachine, slachtoffers) T, S
- storing
E11'01
opdrijven van de tunnel
- granddekking verwijdert - ontwerpfout - extreem hoog water - grand wijkt af - ontspanning van ondergrand zwelling slappe lagen
56
lining onvoldoende
T, S T (lekkage)
- defect - afdichting voldoet niet - afwijking apparatuur
door de aanleg van de tunnel (11) Mogelijke oorzaak
E11'03 sterkte
K,T
- niet in voorzien
Mechanismen welke worden veraorzaakt Mogelijke afwijking
tunnel werkt als drain
K, T, S (inundatie tunnel met water en grand)
Mogelijke gevolg K, T
Activiteit:
E11'02
on-
K,T, a,s
externe oorzaak
Mogelijke oorzaak
juiste apparatuur, onderhoudspersoneel, reserveonderdelen niet voorhanden drukkamer functioneert niet lekkage langs drukschot graafwiel niet in juiste positie voor betreden boorfrant onderhoudsapparatuur faalt
E10'01
- oonvoldoende sterkte - elementen niet goed geplaatst - vervorming lining grater dan aangenomen - afsluitende prafielen voldoen niet aan eisen - tolerantie eisen niet streng genoeg - ontwerpfout - onvoldoende waterdichtheid gecreeerd met hulpwerk
leidt tot
Mogelijke gevolg K, T, S; - maaiveldheffing - falen tunnel - slachtoffer(s) - financiele schade
- afdichting tussen elementen functioneert onvoldoende - te grate vervorming voor afdichting a.g.v. extreme zetting tunnelbuis
K, T; - zetting - schade aan de omgeving
- belastingen grater dan aangenomen - lining te zwak uitgevoerd - zinkend schip op rivierbodem
K, T, a; - extreme lining
vervorming
van de
zetting in de omgeving welke tot schade aan belendingen leidt (gebouwen/leidingen) E11'05 aanleg tunnel verstoort lokale geohydrologie
- teveel verstoring van de ondergrond - geen beheersing tunnelboorproces
E11'06
- tunnel aangelegd in grondlagen met grote verschillen in zettingsgevoelige eigenschappen - ontwerpfout - grond reageert anders dan voorspeld
E11 '04
E11'07
zettingsverschillen tussen tunneldelen leidt tot grote belastingen aanleg van tweede tunnelbuis heeft groter effect dan verwacht op eerste tunnelbuis
- afsluiten watervoerende laag - omleggen en afsluiten waterlopen
K, T; M nood- tegenmaatregelen zakelijk M - verandering grondwaterstanden Q - schade
aan lining
Q
Toelichting
ad.E1 *01
Prablemen bij installatie tunnelboormachine Onder installatie tunnelboormachine wordt verstaan: het inbrengen van de tunnelboormachine op de juiste plaats in de start schacht. Voor dit proces zijn hulpconstructies nodig, zoals kranen en lieren, afhankelijk van de installatiemethode. De installatiemethode zal ook invloed hebben op de dimensionering van de schacht.
ad.E1 *03
Obstakels of afwijkingen in het grandprafiel die kunnen voorkomen zijn: t.a.v. verlies steunvloeistof: - slecht of met afgedicht boorgaten; - peilfilters, oude pompputten; - oude leidingen, rioleringen; - zand-,grindkolommen; - verstoord bodemprafiel a.g.v. vraegere graaf- ofbaggeractiviteiten; t.a.v. explosiegevaar: - blindgangers WO-II; - bodemgas; t.a.v. vastlopen tunnelboormachine: - leidingen; - grautankers; - damwanden; - heipalen; - ducdalven; - resten oude funderingen, archeologische vindplaatsen; - puinJafvaVscheepsresten; - oerbos, boomstammen; - achtergelaten apparatuur na onderhoud in mengkamer. Elk obstakel kan zijn eigen gevolgen teweegbrengen. D invloed van het raken van een blindganger welke ontploft is waarschijnlijk veel grater als de invloed van het raken van een boomstam.
ad E1 *19
Ontspanning grand Bij het aanbrengen van een fundering op palen zal als gevolg van het heien er opspanning van de grand plaatsvinden random de paal en de paalpunt. Als deze opspanning teniet wordt gedaan zou de fundering kunnen vervormen onder de belasting die op de palen wordt uitgeoefend.
ad.E2*01
Blowout Bij stabilisatie door middel van luchtdruk bestaat gevaar voor een zgn. "blow-out". Bij een grate diameter is de waterdruk aan de voet van het boorfront veel hoger dan aan de bovenkant. Als men de luchtdruk gelijk kiest aan de druk aan de voet, wordt het water 57
aan de bovenkant weggeperst en kunnen luchtbeIlen ontsnappen als de grond doorlatend is. Deze luchtbeIlen kunnen de grond doen opbarsten en omgekeerd water doen toestromen. ad.E2 *02
Piping Door opbarsten van de grond of via een oud boorgat kan een verbinding ontstaan tussen het water voor het boorfront en buitenwater. lndien de waterdruk niet hydrostatisch is kan dit problem en opleveren. Ook bij hydrostatische waterdruk kan er echter waterbezwaar in de boorkamer of (bij het gronddrukschild en bij de open methode) in de tunnel optreden. Omgekeerd kan ook het onder druk staande bentoniet bij het boorfront naar de oppervlakte worden geperst. Bij een ondiepe ligging van de tunnel speelt dit probleem eerder dan bij een diepe ligging. Ais er aan het boorfront een piping calamiteit optreedt, kan het bovenwater ook de tunnel inunderen en via de tunnel wellicht ook de omgeving van de bouwkuip. Dit hangt af van de hoogte van de bouwkuip of een eventueel daaromheen aangebrachte dijk.
ad.E2*03
Aan en afvoer steunvloeistof voldoet niet Afhankelijk van de samenhang van de bodemgesteldheid kan aan het boorfront instabiliteit van grond ontstaan. Bij gebruik van een bentonietschild wordt middels de bentoniet een steundruk aangebracht om instorten van ongemengde grond te voorkomen. Bij aIle soorten schilden dient men op de een of andere wijze de druk in de ruimte voor het boorfront te regelen en zo goed mogelijk te voldoen aan de eisen van de stabiliteit. Hiervoor wordt aanvankelijk een schatting gemaakt (streefwaarde, maximum, minimum), maar het proces is uitermate gevoelig en in de praktijk kan het nodig zijn te reageren op afwijkingen van het veronderstelde gedrag. Dit geldt minder naarmate er meer grondonderzoek is gedaan. Dit vereist een zorgvuldig opgesteld protocol.
ad.E2 *04
Palen waterafsluiting boorfront Het graafproces vindt plaats in een afgesloten ruimte. Wanneer al gevolg van onderhoud aan schild of verstopping aan/afvoerleidingen reparatie moet plaatsvinden zal deze afgesloten ruimte toegangkelijk moeten worden gemaakt voor monteurs en onderhoudsmaterieel. Tijdens of na afloop van de reparatie kan ontoelaatbare lekkage optreden doordat er onvoldoende maatregelen zijn getroffen om het water te keren.
ad.E2*lO
Palen meet- en regelsysteem steundruk Hieronder wordt verstaan: drukmeters, regelsysteem regelsysteem afvoer (gemengde) ontgraven grond.
ad.E3 *02
pompen
bentoniettoevoer
en
Grond kan reactiekracht niet leveren De tunnelboormachine zet zich af op pas aangelegde tunnelsegmenten. Deze geven de kracht die benodigd is voor het afzetten van de tunnelboormachine door aan de tunnel en de tunnel moet deze kracht weer kwijt aan de omliggende grond. lndien de grond zeer slap is zou het mogelijk kunnen zijn dat de grond deze kracht niet kan opnemen zonder te vervormen. Met name in "scherpe" bochten zou dit kunnen optreden.
Ad.E3 *09 Onvoldoende vijzelkracht (axiaal) De vijzelkracht moet voldoende zijn om het boorfront met een bepaalde snelheid in beweging te zetten. Hierbij moeten de wrijving tussen tunnelboormachine-mantel en grond en de steundruk aan het boorfront ruimschoots worden overwonnen. ad.E4*lO
58
Groutschil zeer onregelmatige vorm
Een te lage stijfheid van de grand kan lijden tot ongecontroleerde grautverliezen tijdens het injecteren van de staartspleet. Een onregelmatige grautschil kan leiden tot een onregelmatige spanningsverdeling rond de tunnel. ad.E*06
Scheiding Scheiding van het ontgraven materiaal kan ook in de tunnelbuis zelf plaatsvinden. Vooral bij langere tunnels levert dit voordeel op (alleen materiaal dat niet kan worden hergebruikt hoeft te worden afgevoerd over de volle lengte van de ontgraving). De trein achter de tunnelboormachine waarap de ondersteunende diensten plaatsvinden wordt echter aanzienlijk langer.
ad.Ell *01 Opdrijven Het opdrijfmechanisme treedt op als de dekking boven de tunnel onvoldoende is. Plaatsen met geringe dekking zijn in het algemeen: de passage van een rivier, start- en eindpunt van het tunneltrace. ad.EII *02 am de waterdichtheid van de tunnel te kunnen garanderen worden eisen gesteld aan de maximaal toelaatbare vervorming van de tunnel (lees: de maximaal toelaatbare hoekverdraai'ing van de liningelementen). am aan deze eisen te voldoen moet de grond een bepaalde stijfheid bezitten. ad.ElI *03 Hierbij moet onderscheid gemaakt worden in sterkte m.b.t. axiale belasting (buigsterkte, druksterkte) en sterkte m.b.t. niet gelijkmatig verdeelde radiale belasting. Als gevolg van te grate horizontale gronddruk kan de lining ovaliseren. Verder kan dit echter de inleiding zijn tot ofversterking van andere mechanismen als opdrijven en lekkages. Belastingen welke een ral spelen bij het beoordelen van grenstoestanden zijn: - belasting door granddruk; - belasting door waterspanning; - belasting door eigen gewicht; - belastingen vanuit funderingen of ander gebruik van de bodem; - belasting door weg- ofrailconstructies; - belasting door plaatsonnauwkeurigheden; - belasting door axiale voorspanning; - belasting door kruip en krimp van de lining; - belasting door consolidatie en kruip van de grand; - veranderlijke belasting door weg- ofrailverkeer; - veranderlijke belasting door temperatuurverschillen; - veranderlijke belasting door exteme bouwactiviteiten. Voor het beoordelen van bijzondere belastingcombinaties zijn nog van belang: - explosies; - brand; - aanrij dingen; - gezonken schepen, vallende ankers - aardbevingen. Bij een geringe dekking kan de totale horizontale kracht op de zijkant van de tunnel grater zijn dan de totale vertic ale kracht aan de bovenzijde van de tunnel. In een dergelijk geval zal de tunnel willen ovaliseren.
59
Tabel5.3 F: FMEA bouwproces,
Hoojdaciviteit
Activiteit: Passeren wand (F1) Mogelijke afwijking F1*01
F, Beeindigen
IMogelijke
boren
oorzaak
Mogelijk gevolg
I
zie tabel 5.2 D
Activiteit: Demonteren (F2) Mogelijke afwijking F2*01 F2*02
delen passen niet door schacht bedieningsfout kraan
Activiteit:
Keren tunnelboormachine Mogelijke afwijking
F3*01
machine past niet door schacht
F3*02 F3*03
onvoorziene onderdelen versleten schade aan tunnelboormachine bij keren
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- ontwerpfout - uitvoeringsfout
T T, S
(F3) Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
- schacht niet gedimensioneerd op elementen tunnelboormachine anders dan gedacht - omstandigheden - bedieningsfout hijskraan
T K, T K, T - schade chine
aan tunnelboorma-
Toelichting
ad.F3 *01
60
Machine past niet door schacht De schacht bestaat uit wanden en een vloer. Voor de wanden en de vloer kunnen verschillende oplossingen worden bedacht. In veel gevallen is door de grate diepte van de schacht een stempeling vereist. Deze kan het moeilijk maken grote onderdelen van de tunnelboormachine op zijn plaats te krijgen onderin de schacht.
Tabel5.3
G: FMEA bouwproces, Hoofdactiviteit
Mogelijke
(G 1 ) afwijking
G1*01
inrichting
voldoet
G1*02
bedieningsfout
Activiteit: Inrichten
G1*03
apparatuur
G1*04
extern
Activiteit: G2*01
niet (zie tabel H.3)
I Mogelijke
(G2) afwijking
I afwerking
voldoet
Activiteit:
Maken dwarsverbinding Mogelijke afwijking
G3*01
lekkage
Activiteit: G4*01
tunnel
T
- externe
K, T,O,S
oorzaak
oorzaak
falend kwaliteitssysteem
I Mogelijke
gevolg
IK,T
(G3) Mogelijke
oorzaak
faalt - grondverbetering - uitvoering faalt - delen passen niet op elkaar
Mogelijke
gevolg
K, T, S (innundatie
tunnel)
(G4) Mogelijke
afwijking
opleveringsdatum
gevolg
T handleiding
T
-
bij aanbrengen
Opleveren
I Mogelijke
Mogelijk
- ondeskundig personeel - stroomstoring - apparatuur defect
Mogelijke niet
en afwerken
oorzaak
- ontwerpfout - geen (goede)
bij inrichten
probleem
Afwerken
Mogelijke niet
werkt
G, lnrichten
niet gehaald
oorzaak
- legio (zie tabellen)
I Mogelijke
gevolg
IK
61
Tabel5.3 H: FMEAfase beheer Activiteit:
Inspecteren (H) Mogelijke afwijking
Mogelijke oorzaak
Mogelijk gevolg
H1 *01 H1 *02 H1 *03
afwijking als gevolg van bouwfout robuustheid onvoldoende extern probleem (zie tabel 5.2 I)
- fa lend kwaliteitssysteem - fa lend kwaliteitssysteem - externe oorzaak
K K, Q T
Activiteit:
Onderhouden Mogelijke afwijking
Mogelijke oorzaak
Mogelijke gevolg
H2*01 H2*02
ondeugdelijk ontwerp t.a.v. onderhoud versnelde slijtage a.g.v. onderhoud
- ontwerpfout - ontwerpfout
Q
62
K
Tabel 5.3 I: Ex/erne oorzaken afwijking
Mogelijke 11*01
oorlog
11*02
terroristiche
Mogelijke -
- project
activiteit
11*04
milieuramp; bijv. gifwolk, wolk overstroming
11*05
aardbeving
radioactieve
11*07
uitkopen door derden van belangrijk soneel omkoping van boorploeg
11*08
staking
11*Og
massale ziekte ziektegolf)
11 * 10
voorwerp door tunnelbuis; horizontale boring, e.d.
11*06
11 11 *
van personeel
anker (bij tunnel
personeel
(epidemische bijv. heipaal,
onder watergang)
schip (bij tunnel
gerealiseerd opinie
- calamiteit
per-
11*12
zinkend gang)
onder water-
11 13 *
externe calamiteiten welke uitvoering van werken verhinderen of bemoeilijken; bijv. neerstortend vliegtuig
gevolg
K, T, Q, M, S
publieke 11*03
Mogelijk
oorzaak tegen wil van
omliggende
industrie
K, T, S (explosie) K,T,
Q, S
- extreem hoog water - falen waterkering - gaswinning
K, T, Q, S (overstroming tunnel) K, T, Q, S;
- natuur
- lekkage tunnel - bezwijken tunnel T,Q
t.b.v.
ander vergelijkbaar
project
- milieuactivisten - slechte werkomstandigheden - zelfde kantine/eten - lokatie
- tunnel kaart
K, T, Q T K, T
niet "afgeschermd"
K, T, Q, S;
niet aangegeven
- inundatie tunnel - slachtoffers K, T, Q;
op water-
- calamiteit
- schade aan tunnel - lekkage, inundatie K, T, Q, S;
- calamiteit
- extra bovenbelasting K,T,Q,M,S
63
HOOFDSTUK OPSTELLEN
6
VAN FOUTENBOMEN
6.1 Inleiding De foutenboom is het middel bij uitstek om de gevolgen van een bepaalde afwijking in combinatie met de gevolgen van een afwijking in andere processen, te onderkennen. En het zijn vaak juist combinaties van afwijkingen die de grote ongewenste gebeurtenissen genereren (zie het voorbeeld van de Storebaelt: "piping / ongesteund boorfront" in combinatie met "afsluitluiken niet gesloten"). Bij de foutenboom wordt uitgaande van een ongewenste topgebeurtenis systematisch geinventariseerd welke combinaties van aanleidinggevende ongewenste gebeurtenissen noodzakelijk zijn om deze topgebeurtenis mogelijk te maken. Vervolgens wordt dit proces herhaald voor de gevonden aanleidinggevende gebeurtenissen, net zolang tot verdere uitsplitsing niet meer zinvol geacht wordt. Dit kan zijn omdat het betreffende deelproces niet verder uitgesplitst kan worden of omdat de faalkans van het deelproces uit ervaring bekend is of berekend kan worden. Deze gebeurtenissen, op het "laagste" niveau, worden basisgebeurtenissen genoemd. Ongewenste topgebeurtenissen op het hoogste niveau hebben te maken met begrippen als vertraging, extra kosten, schade aan omgeving, kwaliteitsverlies van eindproduct, falen van het project als geheel en verlies aan mensenlevens. Deze gevolgen van algemene aard worden op hun beurt geinitieerd door zowel organisatorische onvolkomenheden (vergunning niet geregeld, staking, onvoldoende keypersoneel) als door technische gebeurtenissen (bezwijken, lekkage). Het opstellen van de foutenboom is nauw gekoppeld aan het uitvoeren van de FMEA zoals besproken in hoofdstuk 5. In wezen is het opstellen van een foutenboom een ordening van de gebeurtenissen in de FMEA. In dit hoofdstuk wordt met name de (hoofd)structuur van de foutenbomen vastgelegd, en de wijze waarop deze dienen te worden gekwantificeerd. 6.2 Uitgangspunten en afbakening De foutenbomen in dit hoofdstuk worden tot op zekere hoogte "generiek" opgezet en beperken zich tot de hoofdlijnen. De getallenvoorbeelden hebben voomamelijk betrekking op een tunnel als omschreven in Bijlagen 2/3. Voor deze situatie stond de Tweede Heinenoord-tunnel voor een belangrijk deel model. Dit betekent onder andere dat een hydroschild TBM met bentonietspecie als steunvloeistof in Nederlandse grondomstandigheden voor ogen is gehouden. Bij de afbakening van de foutenboom-analyse wordt ervan uitgegaan, dat bij het ontwerp en de uitvoering van het bouwproject kwaliteits- en veiligheidssystemen worden toegepast (zie ook paragraaf 6.5). Eventuele risico-beperkende maatregelen zijn niet in de foutenbomen verwerkt. Deze risico-beperkende maatregelen, zoals een kwaliteitssysteem en een veiligheids- en gezondheidsplan, zijn projectspecifiek en kunnen pas na kwantificering van de foutenboom worden ontworpen. De risico's worden uitgedrukt in de volgende "risicodimensies" (zie hoofdstuk 5.1 voor een gedetailleerde omschrijving) K: kostenverhoging T: vertraging Q: kwaliteitsverlies M: milieuschade S: mogelijke slachtoffers Deze risicodimensies worden vervolgens verdeeld in een aantal "klassen" die elk een verschillend nivo van gevolgschade aangeven (zie 6.4). 64
Fouten tijdens de bouw van de boortunnel kunnen leiden tot ongewenste gevolgen. Deze gevolgen hoeven zich niet noodzakelijk te manifesteren tijdens de bouwfase, maar ook pas in een later stadium (gebruiksfase van de tunnel), bijvoorbeeld doordat als gevolg van bouwfouten een kwalitatief onvoldoende eindproduct wordt geleverd. Een goed werkend kwaliteitssysteem zal in voldoende mate moeten garanderen dat het eindproduct bruikbaar en veilig is. De kans op deze laatste categorie van "gevolgen op termijn" wordt in de risico-analyse meegenomen als de kans op "kwaliteitsverlies" in de bouwfase. Daamaast kunnen gevolgen betrekking hebben op het bouwproject zelf en op de omgeving van het bouwproject, bijvoorbeeld als gevolg van een ontoelaatbare beinvloeding van het ecosysteem. In de foutenbomen wordt dit meegenomen als de schade niet tijdens de bouw hersteld wordt.
.
Gekozen is voor het uitwerken van de foutenbomen in het foutenboomprogramma RISK SPECTRUM, beschikbaar gesteld door de Bouwdienst Rijkswaterstaat. Alleen tak E van de foutenboom is geheel numeriek uitwerkt. Per risicodimensie en per gevolgschadeklasse is een volledige foutenboom gemaakt. De getalwaarden zijn vastgesteld mede op basis van interviews met experts in binnen- en buitenland. De werkwijze wordt toegelicht in paragraaf 6.4 en bijlage 6.
65
6.3 Structuur foutenboom "bouwfase boortunnel" De hoofdstructuur van de foutenboom is gegeven in figuur 6.1. De topgebeurtenis van de foutenboom is "falen bouwfase boortunne1", waarbij dit falen zich zowel tijdens de bouwfase als in de gebruiksfase kan openbaren.
ALEN BOORTUNNEL
: kostenverhoging : vertraging Q: kwaliteitsverlies I: milieu schade S: slachtoffers
ITijdens GEBRUIKSF ASE alen Beheer IExteme oorzaken :ezwijkmechanismen
) Falen van de VOORBEREIDING
E) Falen van het BOORPROCES zie figuur 6.2
) Falen van de NEVENWERKZAAMHEDEN
C) Falen van de BOUW SCHACHTEN
) Falen van het BEEINDIGEN BOORPROCES
IG) Falen bij het INRlCHTEN EN AFWERKEN
) Falen van het STARTENBOREN
I) Externe Oorzaken
Figuur 6.1 Hoofdfoutenboom 'Jalen bouwfase boortunnel" Falen tijdens de bouwfase kan worden veroorzaakt bovenstaande hoofdtakken, die voortvloeien uit de procesbeschouwing, zoals reeds is vastgelegd in TabeI5.2. Zoals reeds in 6.2 aangekondigd zal de verdere analyse in dit hoofdstuk zich concentreren op de hoofdactiviteit Tak E "Boren". De gedachte is dat de meeste andere hoofdactiviteiten een risiconiveau hebben dat niet afwijkt van die van gewone bouwwerken. Het is bij uitstek tak E die voor een boortunnel bijzonder is. De verdere detaillering van de foutenboom voor tak E gebeurt aan de hand van de FMEA van hoofdstuk 5. Begonnen wordt met het onderscheiden van een aantal kenmerkende situaties waarin e1ke activiteit kan worden uitgevoerd. Deze te onderscheiden situaties zijn: graven; plaatsen van de lining; een onderbreking, meestal in de vorm van gepland of niet gepland onderhoud. Dit is nodig omdat de kans op falen van een activiteit ofwe1 de gevolgen van falen van die situatie af kunnen hangen. Tabel 6.1 geeft een overzicht.
66
Tabel6.1
Relevante situaties per activiteit voor het boorproces Situatie
~Graven
Plaatsen segment
(tak E van de hoofdfoutenboom) Stilstand (onderhoud/boorstop/obstakel)
No.
Activiteit ,j,
E.l
ontgraven
E.2
steunen
boorfront
X
X
X
E.3
afzetten
vijzels
X
X
X
EA
vullen staartspleet
X
E.5
logistiek
X
X
X
E.6
scheiding/bereiding
X
X
X
E.7
meten alignment
X
X
E.8
plaatsen segmenten
X
E.9
verlengen
X
E.l0
onderhoud
E.ll
gebouwde deel tunnel
X
bentoniet
materieel/materiaal
X X
X
X
Een onderbreking kan plaats vinden als een geplande situatie (gepland onderhoud) of ten gevolge van een storing in een van de processen (niet geplande onderbreking). Verder kan de onderbreking aanleiding zijn om van steunen met slurrydruk over te stappen op steunen met luchtdruk. In figuur 6.2 is de hoofdstructuur van tak E "falen van het boorproces" gegeven, met "doorverwijzingen" naar de sub-foutenbomen in de figuren 6.3,6.4,6.5 en 6.6, voor zover relevant. In figuur 6.6 is de hoofdstructuur van tak Ell "falen van gebouwde deel tunnel" gegeven. Falen van het reeds gebouwde tunneldeel wordt bepaald door de faalmechanismen opdrijven, lekkage, deformaties en bezwijken. De faalkans voor dit type mechanisme wordt bepaald door sterkte en belasting als stochastische variabelen op te vatten en de kans P( R<S ) uit te rekenen. De belangrijkste parameters (belasting en/of sterkte) volgen uit een analyse van de betrouwbaarheidsfunctie. In verband met de beperkingen van het foutenboomprogramma wordt in plaats van de convolutie de faalkans per mechanisme benaderd met een OF-poort; dit leidt tot te grote faalkansen en is dus een bovengrensbenadering.
67
IE) Falen van het boorproces
fie figuur 6.31
fie figuur 6.3
fie figuur 6.41 I
11 Het gebouwde deel van de tunnel faalt
Figuur 6.2 Foutenboom Hoofdactiviteit
68
"boren" (tak E van de hoofdfoutenboom))
ralen deelproces I
alen tijdens laatsen lining
Figuur 6.3
Deelfoutenboom takken E2, E3, E5, E6: onderscheid naar situatie voor "Steunen boorfront faalt ", "Afzetten vijzels faalt ", "Logistiek faalt" en "Scheiding bentoniet faalt"
Figuur 6.4
Deelfoutenboom
tak E7: onderscheid
naar situatie voor "Metenalignmentfaalt"
69
alen tijdens !onderbreking
'ander l
slurrydruk
!Gepland I .onderhoud I(PO) Figuur 6.5 Deelfoutenboom:
iet gepland onderhoud (NPO) l
l
ander luchtdruk
Gepland onderhoud (PO)
'falen tijdens onderbreking"
iet gepland onderhoud (NPO) (bij E6 ontbreekt rechter deel)
IE.I I ) Ret gebouwde deel van de tunnel faalt
[Lekkage
Ontwerpfout
Figuur 6.6 Deelfoutenboom
70
Te Onvoldoende kwaliteit deformaties
tak Ell: falen van gebouwde deel tunnel
Samenvatting
van de Foutenboom
In figuur 6.7 is de gehele boom voor zover die tot nu toe is ontwikkeld nog een keer samengevat. De nummers verwijzen naar de regels in tabe1 6.6.
~~ ~=
~I 1P6-l~ ~~
PO (EIOS)
NPO (E106)
~ Figuur 6.7 Samenvatting
van de foutenboom
voor falen tijdens de bouwfase
71
6.4 Globale kwantificering van de takken El tot en met EIO van "Falen Boorproces" De foutenboom zoals die in hoofdstuk 6.3 is ontwikkeld is ingevoerd in het foutenboomprogramma "RISK SPECTRUM" van Rijkswaterstaat. Hierdoor wordt het mogelijk om de foutenboom ook kwantitatief te analyseren. Om het programma te starten moeten dan de kansen op de diverse basisgebeurtenissen worden ingevoerd. Dit is gedaan en het resultaat is vermeld in Bijlage 4. In dit hoofdstuk zullen we stilstaan bij de invoer voor takken EI tot en met EIO, dat zijn de takken die het falen van het boorproces beschrijven, met uitzondering van de gebeurtenis dat het reeds gebouwde deel van de tunnel faalt gedurende constructie (Ell). In hoofdstuk 6.3 zijn deze takken uitgewerkt tot het nivo van de activiteiten "ontgraven (EI) ", "steunen boorfront (E2) " etc. voor de situaties "graven", "lining plaatsen" en "onderbreken". Om de foutenboom numeriek te kunnen uitwerken dienen derhalve op dit nivo de kansen op basisgebeurtenisssen te worden gespecificeerd. Om de drie onderscheiden situaties te kunnen beoordelen moet per ongewenste gebeurtenis worden bekeken of de onderliggende basisgebeurtenissen wel kunnen optreden en zo ja, in welke vorm. Het resultaat hiervan is gegeven in Tabel6.2. In wezen is dit Tabel5.3E uit hoofdstuk 5, voor de gebeurtenissen EI tot en met EIO uitgesplitst voor de genoemde situaties en met korte aanduiding van de failure mode.
72
Tabel6.2
FMEA boorproces
(tak E) , uitgesplitst naar situatie
EllOI El102 Ell03 Ell04 EllOS E 1106 Ell 07 EII08 Ell09 ElllO Ellil
1. Ontgraven 1.1 Graven boormachine te laat beschikbaar geen bentonietaanvoer obstakel steenbreker voldoet niet vervuilde grond overmatige slijtage schild vermogen onvoldoende problemen door kleef klei onvoldoende tangentiele reactiekracht grond onvoldoende afstemming afvoer/aanvoer slurry boorkop voldoet niet
Ell12 Elll3 Elll4 EllIS El1l6 Ell17 Ell18 Ell19 El120 Ell2l El122 Ell23 El124 El12S Ell26 Ell27
bedieningsfout pompen t.b.v. lekwater falen hoofdlager faalt vervormen/brekenlscheuren graafwiel ander onderdeel boormachine faalt boren veroorzaakt excessieve trillingen oversnijding te groot grond ontspant teveel volumeverlies hoger dan voorzien onvoldoende voortgang boormachine zakt weg grondvervorming te groot falen afvoermateriaal passeren van grenslagen veengasontwikkeling extern probleem (brand, explosie)
E2102 E2l03 E2104 E2l0S E2106 E2107 E2108 E2109 E2110 E2113 E2114 E2llS
2. Steunen 2.1 Graven piping aan/afvoer steunvloeistofvoldoet niet afsluiting schild faalt capaciteit buffer onvoldoende capaciteit pompen onvoldoende stabiliteit boorfront onvoldoende lokale instabiliteiten verlies grote hoeveelheden slurry additief/steunvloeistof functioneert niet goed meet- en regelsysteem faalt bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E2202 E2203 E2204 E2207 E2208 E2209 E2210 E22l3 E22l4 E22lS
2.2. Aanbrengen lining plpmg aan/afvoer steunvloeistof voldoet niet afsluiting schild faalt stabiliteit boorfront onvoldoende lokale instabiliteiten verlies grote hoeveelheden slurry additief/steunvloeistof functioneert niet goed meet- en regelsysteem faalt bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E2302 E2303 E2304 E2307 E2308 E2309 E2310 E2313 E23l4 E23lS
3. Onderbreking onder slurrydruk of gronddruk/p piping aanlafvoer steunvloeistofvoldoet niet afsluiting schild faalt stabiliteit boorfront onvoldoende lokale instabiliteiten verlies grote hoeveelheden slurry additief/steunvloeistof functioneert niet goed meet- en regelsysteem faalt bedieningsfout extern probleem (brand, explosie) 2.4 Onderbreking als 2.3
E2S0l E2S04 E2S07 E2S08 E2Sl2 E2S13 E2Sl4 E2SlS
onder slurrydruk/np
2.5 Onderbreking onder luchtdruk/np blowout afsluiting schild faalt stabiliteit boorfront onvoldoende lokale instabiliteiten luchtdruk-regeling faalt meet- en regelsysteem faalt bedieningsfout extern probleem (brand, explosie 2.6 Onderbreking als 2.5
onder luchtdruk/p
73
3.6 Onderbreking onder luchtdruk/np viizeldruk te groot hydraulica faalt viizels defect uitknikken viizels meet- en regelsvsteem defect bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E3403 E3404 E3405 E3406 E3407 E3408 E3410
3. Vi.izelen 3.1 Graven E3603 onvoldoende axiale reactiekracht van de lining E3604 grond kan reactiekracht niet leveren E3605 vijzeldruk te groot E3606 hvdraulica faalt E3607 vijzels defect E3608 uitknikken viizels E3610 meet- en regelsysteem defect bedieningsfout onvoldoende vijzelkracht extern probleem (brand, explosie) E4101 E4102 3.2 Aanbrengen linin!!: E4103 viizeldruk te groot E4104 hvdraulica faalt E4105 viizels defect E4106 uitknikken viizels E4107 meet- en regelsysteem defect E4108 bedieningsfout E4109 extern probleem (brand, explosie) E4110 E4111 3.3 Onderbreken onder slurrydruk of E4112 gronddruk/p viizeldruk te groot hvdraulica faalt viizels defect uitknikken viizels E5101 meet- en regelsysteem defect E5102 bedieningsfout E5103 extern probleem (brand, explosie) E5104 E5105 3.4 Onderbreken onder slurrydruk of E5106 !!:ronddruk/np vijzeldruk te groot E5107 hvdraulica faalt E5108 vijzels defect E5109 uitknikken viizels E5110 meet- en regelsysteem defect E5111 bedieningsfout E5112 extern probleem (brand, explosie) E5113
E3503 E3504 E3505 E3506 E3507 E3508 E3510
3.5 Onderbreking onder luchtdruk/p viizeldruk te groot hvdraulica faalt viizels defect uitknikken vijzels meet- en regelsvsteem defect bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
5.2 Aanbrengen lining materieel niet tiidig beschikbaar te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en lof afvoerleiding verstopt ventilatiecapaciteit onvoldoende falen aanbrengen/installeren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tijdens transport botsing twee treinen bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E3101 E3102 E3103 E3104 E3105 E3106 E3107 E3108 E3109 E3110
E3203 E3204 E3205 E3206 E3207 E3208 E3210
E3303 E3304 E3305 E3306 E3307 E3308 E3310
74
E5201 E5202 E5203 E5204 E5205 E5206 E5207 E5208 E5209 E5210 E5211 E5212 E5213
4. Staart afvullen/afdichten 4.1 Graven aanvoer materiaal faalt grout voldoet niet iniectiedruk en/of debiet vet niet iuist lekkage langs afdichting verstopte toevoerleidingen debiet/druk grout oniuist staalborstels profielen versleten I breken af neopreen profielen versleten I breken af debietmeting grout/vet faalt groutschil zeer onregelmatig grout ontsnapt langs schild naar boorfront externe oorzaak (brand, explosie)
5. Lo!!:istiek 5.1 Graven materieel niet tiidig beschikbaar te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en lof afvoerleiding verstopt ventilatiecapaciteit onvoldoende falen aanbrengen/installeren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tiidens transport botsing twee treinen bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E5301 E5302 E5303 E5304 E5305 E5306 E5307 E5308 E5309 E5310 E5311 E5312 E5313
5.3 Onderbreking onder slurrydruk of I!:ronddruk/p materieel niet tijdig beschikbaar te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en /of afvoerleiding verstopt ventilatiecapaciteit onvoldoende falen aanbrengenlinstalleren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tijdens transport botsing twee treinen bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E5605
ventilatiecapaciteit onvoldoende
E5606 E5607 E5608 E5609 E5610 E5611 E5612 E5613
falen aanbrengenlinstalleren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tijdens transport botsing twee treinen bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E6101 E6102 E6103 E6104
6. Scheiding 6.1 Graven installatie niet tijdig beschikbaar scheiding niet nauwkeurig genoeg capaciteit installatie onvoldoende installatie defect
E5401 E5402 E5403 E5404 E5405 E5406 E5407 E5408 E5409 E5410 E5411 E5412 E5413
5.4 Onderbreking onder slurrydruk of I!:ronddruk/np materieel niet tijdig beschikbaar te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en /of afvoerleiding verstopt ventilatiecapaciteit onvoldoende falen aanbrengenlinstalleren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tijdens transport botsing twee treinen bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E6105 E6106 E6107 E6108
gescheiden materiaal kan men niet kwijt vervuiIde grond bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E6201 E6202 E6203 E6204 E6205 E6206 E6207 E6208
6.2 Aanbrengen lining installatie niet tijdig beschikbaar scheiding niet nauwkeurig genoeg capaciteit installatie onvoldoende installatie defect gescheiden materiaal kan men niet kwijt vervuiIde grond bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E5501
5.5 Onderbreking onder luchtdruk/p materieel niet tijdig beschikbaar
E5502 E5503 E5504 E5505 E5506 E5507 E5508 E5509 E5510 E5511
te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en /of afvoerleiding verstopt ventilatiecapaciteit onvoldoende falen aanbrengenlinstalleren transportsystemen trein ontspoort trein kan niet stoppen op helling transportmaterieel faalt materiaal beschadigt tijdens transport botsing twee treinen
E6301 E6302 E6303 E6304 E6305 E6306 E6307 E6308
6.3 Onderbreking onder slurrydruk of ~ronddruk/p installatie niet tijdig beschikbaar scheiding niet nauwkeurig genoeg capaciteit installatie onvoldoende installatie defect gescheiden materiaal kan men niet kwijt vervuiIde grond bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
E5512 E5513
bedieningsfout externe oorzaak (brand, explosie)
E5601 E5602 E5603 E5604
5.6 Onderbreking onder luchtdruk/np materieel niet tijdig beschikbaar te transporteren materiaal niet aanwezig energievoorziening faalt toe- en /of afvoerleiding verstopt
E6401 E6402 E6403 E6404 E6405 E6406 E6407 E6408
6.4 Onderbreking onder slurrydruk of gronddruk/np installatie niet tijdig beschikbaar scheiding niet nauwkeurig genoeg capaciteit installatie onvoldoende installatie defect gescheiden materiaal kan men niet kwijt vervuiIde grond bedieningsfout extern probleem (brand, explosie)
75
E7101 E7102 E7103 E7104 E7105
7. Metingen 7.1 Graven storing aan meetsysteem bedieningsfout meetsysteem te onnauwkeurig onnodige richtingscorrectie extern probleem (brand, explosie
EnO I En02 En03 En05
7.2 Aanbrengen lining storing aan meetsysteem bedieningsfout meetsysteem te onnauwkeurig extern probleem (brand, explosie
E820 I E8202 E8203 E8204 E8205 E8206 E8207 E8208 E8209 E8210 E8211 E8212 E8213 E8214 E8215 E8216
8. Plaatsen 8.2 Lining elementenlbouten niet beschikbaar vervoer transport elementen in tunnel faalt elementen passen niet goed tolerantie eisen niet gehaald sluitsteen past niet lining vertoont extreme vervorrning bedieningsfout erector faalt apparatuur vastzetten bouten faalt boutverbindign faalt lekkage lining instroom water tijdens vervangen sterkte lining onvoldoende tunnel drijft op afgekeurd element c.q. dwarsverbinding extreme oorzaak (brand, explosie)
EnOl E9202 E9203 E9204 En05 E9206
76
9 Verlengen 9.2 Plaatsen juiste materieel niet tijdig beschikbaar leiding past niet lekkage van leidingen benodigde apparatuur faalt verbindingsmateriaal faalt extern probleem (brand, explosie)
EI0301 EI0302 EI0303 E10304 E10305 E10306 El 0307
10. Onderhoud 10.3 Onder slurrydruk of gronddruk/np materieel en personeel niet voorhanden drukkamer functioneert niet lekkage langs drukschot graafwiel niet in juiste positie benodigde apparatuur faalt brand door werkzaamheden voorzieningen ondersteuning personeel faalt (communicatietiemiddelen, perslucht, etc)
EI0401 EI0402 El 0403 EI0404 E10405 E 10406 E10407
10.4 Onder slurrydruk of gronddruk/np materieel en personeel niet voorhanden drukkamer functioneert niet lekkage langs drukschot graafwiel niet in juiste positie benodigde apparatuur faalt brand door werkzaamheden voorzieningen ondersteuning person eel faalt (communicatietiemiddelen, perslucht, etc)
E10501 EI0502 EI0503 EI0504 El 0505 EI0506 EI0507
10.5 Onder luchtdruk/p materieel en person eel niet voorhanden drukkamer functioneert niet lekkage langs drukschot graafwiel niet in juiste positie benodigde apparatuur faalt brand door werkzaamheden voorzieningen ondersteuning personeel faalt (communicatietiemiddelen, perslucht, etc)
E10601 E10602 E10603 E10604 E10605 E 10606 E 10607
10.6 Onder luchtdruk/np materieel en personeel niet voorhanden drukkamer functioneert niet lekkage langs drukschot graafwiel niet in juiste positie benodigde apparatuur faalt brand door werkzaamheden voorzieningen ondersteuning personeel faalt (communicatietiemiddelen, perslucht, etc)
Zoals reeds is venneld in hoofdstuk 6.2 kunnen de aldus benoemde gebeurtenissen diverse gevolgen hebben (risicodimensies). Bovendien kunnen voor elke risicodimensie nog verschillende nivo's van gevolgschade worden onderscheiden, immers de kans op een grote vertraging is in beginsel kleiner dan die op een kleine vertraging. am de exercitie beperkt te houden is er voor gekozen voorlopig niet meer dan twee nivo' s per risicodimensie te onderscheiden, waardoor in het totaal 10 klassen van gevolgen ontstaan: Tabel 6.3
K. T. . M. S.
Risicodimensies en nivo 's van gevolschade
Kostenverhogin Vertraging Kwaliteitsverlies Milieuschade Slachtoffers
nivo 2 orde van de bouwsom of !!roter meer dan 0,5 jaar functionaliteit komt in !!evaar rote milieuschade ewonden of slachtoffers
Dit betekent dus dat er sprake is van in totaal 10 foutenbomen, elk met dezelfde basisgebeurtenissen maar met verschillende, geschatte, basiskansen. De in de analyse voor takken El tot en met ElO geschatte kansen op deze gebeurtenissen zijn weergegeven in Tabel 6.6. In wezen is elke kolom in deze tabel een volledige set invoergegevens voor een enkele foutenboomanalyse. De kansen in Tabel 6.6 horen op hun beurt aan een gedetailleerde analyse ontleend te worden. In bijlage 5 is een voorbeeld gegeven hoe uitgaande van het activiteitenschema volgens Bijlage 1 de systematiek van de gebeurentenissenboom voor dit doel gebruikt kan worden. In Tabel 6.5 wordt als altematieve werkwijze voor elke regel uit de FMEA de kans van het op optreden van een afwijking bepaald, alsmede de kans dat een bepaald schadenivo wordt gehaald, gegeven het optreden van de afwijking. Het voorbeeld is uitgewerkt voor activiteit El, ant graven, risicodimensie "Kosten". De totalen van tabel 6.5, zijnde 0,018 en 0,003 respectievelijk, worden omgerekend naar de (negatieve) macht van 10, dat wil zeggen 2,0 en 2,8 respectievelijk. Deze getallen zijn vervolgens terug te vinden in Tabel 6.6, eerste regel, kolom A en B. In tabel 6.6 worden overigens de getallen 1.0 en 1.8 genoemd. Dit zijn de uitkomsten o.b.v. de interviews. Bij de analyse van de omgevingseffecten is in het algemeen nog een complex ere redenering noodzakelijk. Per omgevingsaspect (defonnatie, trilling, verontreiniging, geohydrologie) moet men zich afvragen of een effect van dien aard mogelijk is en zoja, in welke mate. Vervolgens hangt het dan van de aard van de omgeving (landelijk, stedelijk , natuurgebied, etc.) af of dit leidt tot kosten, tijdverlies, kwaliteitsverlies, blijvende milieuschade of schade aan de gezondheid. Voor de meerderheid van de getallen in Tabel 6.6 is echter een iets vereenvoudigde werkwijze gehanteerd. Per regel van de FMEA is direct een schatting gemaakt voor het overschrijden van de gevolgschade per risicodimensie. De getallen zijn bepaald op basis van interviews met binnen- en buitenlandse experts. In beginsel is de experts gevraagd welke regels uit de FMEA volgens hen het belangrijkst waren. Vervolgens is gevraagd een uitspraak te doen over de mate van waarschijnlijkheid met betrekking tot de gevolgschade voor de verschillende risicodimensies. In sommige gevallen gaven de experts zelf een expliciete schatting over de ordegrootte van de kansen, in andere gevallen zijn de uitspraken van de experts door de werkgroepleden uit de verbale uitspraken gelnterpreteerd. Daarbij zijn verbale omschrijvingen als voIgt in "kansklassen" ingedeeld:
77
Tabel 6.4
Gehanteerde kansklassen
klasse
omschrijving
orde
1
goed voorstelbaar
10-1
2
komt wel eens voor
10-2
3
k1eine kans
10-3
4
zeer k1eine kans
10-4
5
vrijwe1 verwaarloosbaar
10-5
6
gehee1 verwaar100sbaar
10-6
Waar moge1ijk is de k1asse x zoveel mogelijk geassocieerd
met een kans van p = lO-x.
Nadat voor elk van de experts een schatting is vastgeste1d moeten deze schattingen worden gemidde1d. In dit rapport is er voor gekozen de kansen te middelen: 1 P=-LPi n
1 =-L!O-Xj n
Men zou er ook voor kunnen kiezen om de exponenten te midde1en: 1 n
x = - LXi De midde1ing van de kansen is theoretisch zuiverder, maar heeft we1 het nadee1 dat de pessimistische expert zijn stempel drukt op het eindresultaat. Voorbeeld:
Twee experts A en B geven als hun schatting respectievelijk
XA = 2 en XB = 3. De
middeling van de kansen geeft (0.01 + 0.001)/2 = 0.005; de midde1ing van de exponenten geeft (2+3)/2 = 2.5 ofwel een kans van 0.003. De middeling van de kansen geeft hogere kansen voor het eindantwoord, met andere woorden, de grootste kans weegt zwaarder. Voor detailinformatie over de interviews met de experts en de daaraan door de werkgroepleden verbonden conclusies, zie bij1age 6.
78
Tabel 6.5
Voorbeeld van een berekening
am te komen tot de kansen in Tabel 6.6
Ontgraven (E. 1)
E1101 E1102 E1103 E1104 E1105 E1106 E1107 E1108 E1109 E1110 E1111 E1112 El113 El114 El115 E1116 Ell17 El118 E1119 E1120 E1121 E1122 E1123 E1124 El125 El126 E1127
Afwijking
Basis kans
TBM te 1aatbeschikbaar Geen bentoniet aanvoer Obstake1 Steenbreker ontbreekt/faalt Vervui1de grond Overmatige sliitage schild Onv. Torsievermogen Kleef k1ei Onv. tangentie1e reactiekr. Stagn. aanlafvoer bentoniet Boorkop faalt Bedieningsfout Pompen 1ekwater fa1en Hoofd1ager faalt vervormen graafwie1 Ander onderdee1 TBM faalt Excessieve trillingen Te grote oversniiding Grond ontspant te vee1 Groter vo1umeverlies Voortgang niet gehaa1d Boormachine zakt weg Vervorm. grond te groot Afvoer materiaa1 faalt passeren grens1agen veengasontwikke1ing extern prob1eem Totalen
0.0001 0.01 0.01 0.001 0.0001 0.0001 0.0005 0.01 0.0005 0.01 0.0001 0.01 0.001 0.0001 0.0001 0.001 0.001 0.0050 0.01 0.01 0.1 0.0001 in 1119 in 1104 en 0.001 0.01 0.01
Effecten Kostenoverschri j ding orde 10% Condit. Basis * kans Conditio nee1 1 0.0001 0.001 0.00001 0.5 0.005 0.1 0.0001 0.1 0.00001 1 0.0001 0.00045 0.9 0.2 0.002 0.00045 0.9 0.01 0.0001 1 0.0001 0.01 0.0001 0 0 1 0.0001 1 0.0001 0.1 0.0001 0.1 0.0001 0.5 0.0025 0.2 0.002 0.2 0.002 0.01 0.001 0.9 0.00009 1110 0.01 0.01 0.01
0.00001 0.0001 0.0001 !Syntaxis
fout, (
Kostenoverschrij dingen orde bouwsom Condit. Basis * kans Conditioneel 0.3 0 0.1 0.01 0.01 0.6 0.3 0.05 0.3 0 0.6 0.001 0 0.3 0.3 0.01 0 0.1 0.005 0.005 0.0001 0.9
0.00003 0 0.001 0.00001 0.000001 0.00006 0.00015 0.0005 0.00015 0 0.00006 0.00001 0 0.00003 0.00003 0.00001 0 0.0005 0.00005 0.00005 0.00001 0.0009
0.001 0.0001 0.0001
0.000001 0.000001 0.00001 !Syntaxisfout, (
Be1angrijk is om op te merken dat de faa1kansen in Tabel 6.6 voor de situaties "Graven" en "P1aatsen Lining" betrekking hebben op een volledig project. De faa1kansen voor de situatie "Onderbreken" ge1den daarentegen voor een enke1e onderbreking. De kans op fa1en voor een project komt tot stand door vermenigvu1diging met de kans op (ofhet aanta1 van) onderbrekingen per project. De kansen op fa1en tijdens de onderbreking hangen verder af (ofkunnen afhangen) van het feit of een onderbreking gep1and of niet gep1and was en of tij dens de onderbreking a1dan niet wordt overgestapt van een slurrydrukondersteuning naar een 1uchtdrukondersteuning van het boorfront. Dit 1eidt dus tot een vierta1 te onderscheiden mogelijkheden: p1anmatige onderbreking (PO) onder niet p1anmatige onderbreking (NPO) p1anmatige onderbreking (PO) onder niet p1anmatige onderbreking (NPO)
slurrydruk; onder slurrydruk; 1uchtdruk; onder 1uchtdruk.
79
v oor
iedere situatie wordt dus een kans op falen geven in de tabel.
Om de foutenboomanalyse te kunnen uitvoeren dient behalve de kans op falen tijdens de onderbreking ook de frequentie van de genoemde onderbreking bekend te zijn. Voor het geplande onderhoud is dat redelijk bekend, bijvoorbeeld eenmaal per maand of om de kilometer. In deze analyse wordt aangehouden: gepland onderhoudlonderbreking gepland onderhoudlonderbreking
onder slurrydruk: onder luchtdruk:
40 maal per project 8 maal per project
De niet geplande onderbreking komt voor een deel voort uit obstakels en voor een deel uit storingen van de deelprocessen. De frequenties zijn voor de hier uitgevoerde numerieke uitwerking als voIgt ingeschat: niet gepland onderhoudlonderbreking niet gepland onderhoudlonderbreking
onder slurrydruk: onder luchtdruk:
20 maal per project 1 maal per project
Voor een concreet project kunnen deze schattingen uiteraard anders uitpakken.
80
Tabel6.6
Overzichtstabel basiskansen falen boorproces (p = planmatig, np = niet gepland) Opm: in de situaties "graven" en "lining" geld en de kansen voor het project; in de situatie "onderbreking" gelden de kansen per onderbreking.
activiteiten situatie
kosten
vertraging
kwaliteit
omgeving
slachtoffers
niv1 A 1.0
niv2 B 1,8
niv1 C 1,0
niv2 D 1,8
niv1 E 2,2
niv2 F 2,9
niv1 G 1,7
niv2 H 2,7
niv1 I 2,6
niv2 J 3,2
slurry/p slurrv/np luchtlp luchtlnp
1,8 3,0 3,3 2,9 2,1 2,2
3,2 3,6 3,5 3,3 3,1 3,5
1,9 2,8 3,3 2,9 2,2 2,3
3,2 3,4 3,5 3,3 3,1 3,6
2,1 3,6 3,4 2,8 1,9 2,7
3,2 3,6 3,5 3,4 3,3 4,1
2,0 3,0 3,5 2,9 2,1 2,4
3,1 3,6 3,5 3,4 3,3 4,1
2,8 3,5 3,5 3,4 1,8 2,4
3,1 3,6 3,5 3,4 2,8 3,4
E11**
ontgraven
Qraven
E21** E22** E23** E24** E25** E26**
steunen
Qraven lininQ onderbreking
E31** E32** E33** E34** E35** E36**
vijzelen
Igraven lining onderbrekinQ slurry/p slurry/np luchtlp luchtlnp
1,6 2,1 2,2 2,2 2,7 2,7
3,3 3,2 3,4 3,4 3,4 3,4
1,6 2,1 2,5 2,5 2,8 2,8
3,4 3,2 3,5 3,4 3,4 3,4
2,5 1,9 2,2 2,2 2,7 2,7
3,5 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
3,0 3,1 3,4 3,3 3,3 3,3
3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
2,7 3,1 3,4 3,3 3,3 3,3
3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
E41**
vullen staart spleet
graven
1,0
3,0
2,0
3,0
2,7
3,0
2,0
5,0
5,0
5,0
E51** E52** E53** E54** E55** E56**
logistiek
IQraven lining onderbrekinQ slurrv/p slurrv/np luchtlp luchtlnp
1,8 1,6 3,9 4,0 3,6 3,1
4,5 3,2 5,0 4,7 4,7 4,0
1,7 2,1 3,8 3,5 3,5 2,5
4,5 4,5 5,1 4,8 4,8 4,0
3,7 3,7 4,7 4,2 3,7 2,7
5,7 5,7 5,7 4,7 4,7 3,7
3,7 3,7 4,7 4,2 3,7 2,7
5,7 5,7 5,7 4,7 4,7 3,7
3,7 3,7 3,7 3,7 3,2 1,7
5,7 5,7 4,7 4,7 4,7 2,7
E61** E62** E63** E64**
scheiden
IQraven lininQ onderbreking
1,0 0,7 3,8 3,8
4,4 4,4 4,7 4,7
0,9 0,7 3,7 3,7
3,8 3,8 4,7 4,7
4,7 4,7 3,7 3,7
5,7 5,7 5,7 5,7
1,7 1,7 3,7 3,7
3,7 3,7 5,7 5,7
2,7 2,7 3,7 3,7
4,7 4,7 5,7 5,7
E71** E72**
meten
araven lininQ
3,6 2,8
5,0 4,5
3,5 4,3
5,0 4,9
3,0 2,5
5,0 4,9
E82**
plaatsen
lininQ
0,9
2,7
1,1
3,1
1,3
3,1
1,6
3,2
2,0
3,3
E92**
verlenaen
lining
5,0
5,0
5,0
5,0
E103** E104** E105** E106**
onderhoud onderbreking
2,4 2,4 2,5 2,5
3,3 3,4 3,3 3,3
2,9 2,9 2,9 2,9
4,4 4,4 4,5 4,5
3,4 3,4 3,5 3,5
5,4 5,4 5,5 5,5
2,9 2,9 2,9 2,9
5,4 5,4 5,5 5,5
2,9 2,9 2,9 2,9
5,4 5,4 5,5 5,5
slurry/p slurrv/np
slurry/p slurrv/np luchtlp luchtlnp
81
In bijlage 4 zijn, op basis van de in Tabel6.6 gegeven kansen, voor de voorbeeldtunnel van Bijlage 2 (hydro schild) de frequenties van optreden van de 10 topgebeurtenissen met behulp van RISK SPECTRUM berekend. Ret gaat hier om frequenties per project en de resultaten zijn gegeven in TabeI6.7. Tabel 6.7
Frequenties
risicodimensie kosten vertraging kwaliteit milieu slachtoffers
van de 10 klassen ongewenste topgebeurtenissen
faalfrequentie nivo I 1.5 1.0 0.6 0.4 0.3
per project nivo 2 0.11 0.08 0.05 0.05 0.07
AIs we dit vergelijken met de ervaringscijfers voor de periode 1980 tot 1985 als omschreven in lit. [14] dan blijkt dat de experts aan de pessimistische kant zijn: Tabel6.8
Kansen op grote en kleine gevolgen, zoals gegeven in
[I4}
slurry shield earth oressure shield In deze Tabel kan P(partial collapse) vergeleken worden met "nivo I" en P(trouble) met "nivo 2". Uit de berekening in bijlage 4 zijn ook direct de grootste bijdragen tot deze faalfrequenties te destilleren. Aile bijdragen zijn gegeven in bijlage 4 en in Tabel 6.9 zijn de belangrijkste nog eens samengevat.
82
Tabel6.9
Resultaten foutenbomen
topgebeurtenis
I
kosten
niv.2
vertraging
niv.2
kwaliteit
niv.2
omgevmg
Iniv.1 niv.2
slachtoffers niv.2
t.a. v. falen boorproces
Dominerendeactiviteit-in-situatie (1) E33** E23** E13** E103** E33** Ell ** E23** E62** E33** E61** Ell ** Ell ** E23** E33** E24** E33** E34** E25** E33** E23** E34** E24** E25** E103** E33** E23** E34** E24** E25** El03** E33** E23** E25** E34** E24**
vijzels/ onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr./ slurry/gepland onderhoud/s1u / eland onderhoud/s1urry/ gep1and vij ze1s/onderbr./ slurry /gep1and
ontgraven steunen/ onderbr./ slu scheiden/lining vij zels/ onderbr./ slurry /gep1and
scheiden/ graven ont raven ontgraven steunen/ onderbr./ slurry /gep1and
vijzels/onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr./ slu /niet eland vijzels/ onderbr./ slurry/gepland vijzels/onderbr./slurry/niet gepland steunen/onderbr./1ucht/ eland vijzels/ onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr./ slurry/gepland vijzels/onderbr./slurry/niet gepland steunen/ onderbr./ slu /niet eland steunen/ onderbr ./lucht/ gepland onderhoud/s1u / eland vijzels/onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr./ slurry/gepland vijzels/ onderbr./ slurry/niet gep1and steunen/ onderbr./ slu /niet eland steunen/ onderbr./lucht/ gep1and onderhoud/slu / eland vijzels/ onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr./ slurry/gepland steunen/ onderbr ./lucht/ gepland vijzels/ onderbr./ slurry/niet gepland steunen/ onderbr./ slu /niet eland
I%in freq. 16 14 11 19 14 13 11 21 11 11 11 21 17 15 13 36 18 15 25 22 16 13 19 15 25 22 16 13 35 16 21 19 19 13 12
Toelichting: (1) bijdrage van activiteit-in-situatie in totale faalfrequentie groter dan 10%
83
Conclusies
M.b.t. topgebeurtenissen niveau 1, d.w.z. nog geen rampzalige gevolgen: betrekkelijk hoge frequentie, orde Ix of meer per project; worden gedomineerd door falen tijdens een onderbreking, in de meeste gevallen gepland (door de hoge opgeven frequentie), met betrekking tot de activiteiten steunen, vijzels en onderhoud. Naast de activiteiten tijdens gepland onderhoud levert ook de activiteit scheiden een significante bijdrage aan de totale faalkans; ten opzichte van de resultaten uit het Tussenrapport wordt voor de topgebeurtenis "kosten" een hogere faalfrequentie gevonden (1,5 in plaats van 0,7). Ook voor "vertraging" en "kwaliteit" wordt een hogere faalfrequentie gevonden. Voor "slachtoffers" wordt een lagere faalfrequentie gevonden (0,3 in plaats van 1,0). M.b.t. topgebeurtenissen niveau 2, d.w.z. rampzalige gevolgen: faalfrequentie in de orde 1 a 10 % per project; worden eveneens gedomineerd door falen tijdens een onderbreking, wederom meestal gepland, met betrekking tot de activiteiten steunen, vijzels en onderhoud. Naast de activiteiten tijdens gepland onderhoud levert ook de activiteit ontgraven een significante bijdrage aan de totale faalkans; ten opzichte van de resultaten uit het Tussenrapport wordt voor de topgebeurtenis "kwaliteit" een hogere faalkans gevonden (0,05 in plaats van 0,003). Voor "slachtoffers" wordt een lagere faalfrequentie gevonden (0,07 in plaats van 0,15) In de groslijst (bijlage 4) kan worden nagegaan welke gebeurtenissen bepalend zijn voor de toegekende basiskansen voor de dominante activiteiten '**/onderbr.l**/gepland'. Hieruit blijkt bijvoorbeeld het volgende: Topgebeurtenis kosten, niv.1, vijzels/onderbr.lslurry/gepland (E33**) De basiskans 0,01 per onderbreking wordt gedomineerd door de grote kansschattingen op falen als gevolg van een te grote vijzeldruk (groslijst E3303: expert 11 geeft een kans van 0,16 per project. Bij een frequentie van 40 geplande onderbrekingen per project is dat een kans van 0,004 per onderbreking). Topgebeurtenis slachtoffers, niv.2, vijzels/onderbr.lslurry/gepland (E33**) en steunen/onderbr.l slurry/gepland (E23**) De basiskansen liggen hierbij in de orde van 0,003 per onderbreking en worden gedomineerd door falen als gevolg van een bedieningsfout bij de activiteiten steunen en vijzels (E2314 en E3308, expert 12). Vit deze tabel blijkt dat het al dan niet geplande onderhoud de grootste bijdrage levert aan de faalkans. Men moet daaruit natuurlijk niet concluderen dat men onderhoud beter achterwege kan laten. Wel moeten onderhoudsacties kennelijk beter worden voorbereid.
84
6.5 Risico reducerende maatregelen Mogelijkheden tot risico-vennindering worden aangegeven; interessant zijn wordt in dit stadium niet aangegeven.
of deze economisch
werkelijk
Tijdens de uitvoering zuHen veiligheids- en kwaliteitscontrolesystemen worden gehanteerd. In figuur 6.8 wordt schematisch de functie van deze systemen weergegeven ten aanzien van de reductie van risico's in de uitvoeringsfase en de gebruiksfase van de boortunneL Figuur 6.8 Functie van veiligheids- en kwaliteitscontrole +
+
+
[veiligheids-
[
[beperkte
+-+-isysteem iOK
+
+
+
j
Jbouwfout
:
Irnerkbaar
+
I
I
I
falen
!
I lIgen
I
I
I
+
+
I
J
VQar de
I
uitvoering)
+ + Iniet
I
merkbaar
Ide +
I in
+
+
+
+
I
I
I
I
I +
I I
I
kwaliteitszorgsysteem
10f niet laanwezig +
het bouwproject
De
wordt,
veiligheidssystemen
hebben wordt
j
I I
J
in bouwfase
+ + I
!
I
I (risico's!)
I
I +
lin +
+
+
+ Ibeperkte
gebruiksfasel + schadel en/of
I
omgeving
IOK
I
I
I
J
I in
+
+
I
bouwfase
I
+
+
effect, dat de kans
het risico in de gebruiksfase
zelf als voor de omgeving
diverse veiligheidssystemen
effect. Onder
zodat
I
I +-+--Itunnel
heeft als risico-reducerend
gereduceerd
+
schade
+ + Ikwaliteits-
I
+-+-Icontrole
de bouwfase
+
faalt +-+--Iverlies
+ Ikwaliteits-
Het
I
bouwfase
lomgeving
+ +
[
[ [
+-+-- [tunnel en/of
I
aanwezig
I
+
uitvoering)
I
+
+ + Ikwaliteits+-Icontrole
I
(geen +-+-Ifalen Igevolgen voor
I
+
lof niet
+ +
+ schade
+-+--[tunnel en/of [[ omgeving
Iveiligheids+-[systeem faalt
+---+-[ (directe gevol-+
systemen
op "niet merkbaar
gereduceerd
wordt,
falen" in zowel
voor
van het bouwproject.
een direct op
de
bouwfase
betrokken
risico-reducerend
verstaan:
"hardware": redundancy
in ontwerp
bewakingssystemen etc. "software": handboek
boorprocedure
storingshandboek handboek
externe
calamiteiten
noodprocedures veiligheids-
In de onderhavige een fout gemaakt is om
standaard
laten evalueren
en gezondheidsplan
studies als een van wordt
plan)
de belangrijkste
tijdens een niet-geplande
in elke niet geplande door
(V &G
een
team
van
risicomechanismen
onderhoudssituatie.
stilstand de eventuele deskundigen.
Deze
naar voren Een
mogelijk
gekomen middel
reparatiewerkzaamheden
dienen
een aantal
controles
dat er
hiertegen
en ingrepen
te
uit te voeren
vergelijkbaar met die van een geplande situatie. Uiteraard zijn er aan een dergelijke werkwijze tijdverliezen
en daannee ook kosten verbonden.
men mag echter verzachten
dat de faalkansen een
orde 2
of 3 zuBen dalen als gevolg van een dergelijke maatregel. Vervolgens kan men afwegen of een dergelijke actie zin heeft en de kosten opwegen tegen de vennoedelijke baten.
85
6.5 Risico reducerende maatregelen Mogelijkheden tot risico-vennindering worden aangegeven; interessant zijn wordt in dit stadium niet aangegeven.
of deze economisch
werkelijk
Tijdens de uitvoering zullen veiligheids- en kwaliteitscontrolesystemen worden gehanteerd. In figuur 6.8 wordt schematisch de functie van deze systemen weergegeven ten aanzien van de reductie van risico's in de uitvoeringsfase en de gebruiksfase van de boortunnel. Figuur 6.8 Functie van veiligheids- en kwaliteitscontrole + [veiligheids-
systemen +
+
+-+-Isysteem IOK
I
[
+
+ [bouwfout
[
+
+
I
Imerkbaar
+- --+-
i
[ I
I
I
falen
+
i
[
[
(directe gevol-+ [ gen voor de
I
I
I
I ui
+
+
I
+ +
tvoering)
[niet
+-+-[falen
I
(geen
+ I
I
I
I
+
+
I
+
+
+
+
in bouwfase
+
[[schade
niet
faalt
I
lomgeving
I
I in
+ +
+ + Ikwaliteits-
I
I (risico
I
lin
+ +
+ + i
+ + !beperkte
i
I
I + + !
[
faalt +-+--Iverlies I
[OK
i
en/of
bouwfase
lof niet 1aanwezig
[kwaliteits+-+-Icontrole
I
+
+-+-- i tunnel
+ + Ikwaliteits+-Icontrole
voar Igevolgen Ide uitvoering)
I
i systeem J aanwezig
I
I
[veiligheidslof
+ + merkbaar
+ +-
+
[ [beperkteschadel +-+--Itunnelen/of I ! lomgeving
IS!)
I
gebruiksfase!
+ + schadel
+-+--ltunnel en/of
I
lomgeving
I
I
I in
+
+
+
bouwfase
1 I
I +
Ret kwaliteitszorgsysteem heeft als risico-reducerend effect, dat de kans op "niet merkbaar falen" in de bouwfase gereduceerd wordt, zodat het risico in de gebruiksfase gereduceerd wordt, zowel voor het bouwproject zelf als voor de omgeving van het bouwproject. De diverse veiligheidssystemen hebben een direct op de bouwfase betrokken risico-reducerend effect. Onder veiligheidssystemen wordt verstaan: "hardware": redundancy in ontwerp bewakingssystemen etc. "software": handboek boorprocedure storingshandboek handboek exteme calamiteiten noodprocedures veiligheids- en gezondheidsplan (V&G plan) In de onderhavige studies als een van de belangrijkste risicomechanismen naar voren gekomen dat er een fout gemaakt wordt tijdens een niet-geplande onderhoudssituatie. Een mogelijk middel hiertegen is om standaard in elke niet geplande stilstand de eventuele reparatiewerkzaamheden en ingrepen te laten evalueren door een team van deskundigen. Deze dienen een aantal controles uit te voeren vergelijkbaar met die van een geplande situatie. Uiteraard zijn er aan een dergelijke werkwijze tijdverliezen en daannee ook kosten verbonden. men mag echter verzachten dat de faalkansen een orde 2 of 3 zullen dalen als gevolg van een dergelijke maatregel. Vervolgens kan men afwegen of een dergelijke actie zin heeft en de kosten opwegen tegen de vennoedelijke baten.
85
ROOFDSTUK SAMENVATTING
7
EN CONCLUSIES
7.1 Inleiding In Nederland staat een aantal boortunnelprojecten op stapel. Deze projecten zijn nieuw voor Nederland terwijl de omstandigheden ook afwijken van wat in het buitenland gebruikelijk is. Dit, gevoegd bij het gegeven dat zich tijdens diverse buitenlandse tunnelboorprojecten in het recente verleden problemen hebben voorgedaan is voldoende aanleiding om voor de feitelijke start van het bouwen ruime aandacht te geven aan de risico's die deze bouwwijze met zich meebrengt. Ret onderhavige rapport beschrijft de resultaten van de werkzaamheden van CUR/COB commissie N510 "risico-analyse bouwfase boortunnel". Ret doel van het door deze commissie uitgevoerde project is de diverse risico's op een overzichtelijke wijze in kaart te brengen, zowel kwalitatief als kwantitatief. Ontwerpers en uitvoerders zouden op basis daarvan afwegingen kunnen maken of en zo ja welke maatregelen ter vermindering van de risico's genomen zouden moeten worden. Ret gehele werkprogramma
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
van CUR/COB N510 bestaat uit de volgende stapp en:
Beschrijving van het bouwproces Beschrijving apparatuur Inventarisatie ongewenste gebeurtenissen en afwijkingen (FMEA) Opstellen foutenlgebeurtenissenbomen Uitwerking grondmechanische aspecten Uitwerking werktuigkundige aspecten Uitwerking constructieve aspecten Uitwerking uitvoeringsaspecten Nadere detaillering en kwantificering van de foutenbomen Conclusies
Bij de uitwerking van de stappen 5 tot en met 8 is daarbij gebruik gemaakt van de kennis van een groot aantal experts, zowel binnen als buiten de commissie en zowel binnen als buiten Nederland. Opzet risico-analyse De risico's kunnen verdeeld worden in twee hoofdgroepen:
..
de risico's die samenhangen met de gerealiseerde delen van de tunnel de risico's die samenhangen met het bouwproces van de tunnel
De eerste groep risico's is in wezen op dezelfde wijze te benaderen als die van het eindproduct. Belastingen als eigen gewicht, grond en waterdrukken moeten door de tunnel kunnen worden opgenomen. Ret verschil is dat de tunnel in een steeds in andere geometrische toestand verkeert en dat verschillende processen (consolidatie) nog niet op hun eindwaarde zijn aangekomen. De te beschouwen ongewenste gebeurtenisseri en de daarmee samenhangende grenstoestanden zijn dezelfde als bij de gewone constructies: belasting lokaal of globaal groter dan sterkte, te veel doorbuiging, onvoldoende waterdichtheid etc. De tweede groep hangt samen met de activiteiten die nodig zijn om de tunnel te kunnen bouwen. Voar iedere activiteit bestaat daarbij de mogelijkheid dat deze niet gaat zoals gepland is, bijvoorbeeld door mechanismen als:
. .
86
stagnerende aanvoer aanvoer van onvoldoende
kwaliteit
.. .
falende apparatuur verkeerde metingen verkeerde handelingen
In dit rapport is de risico-analyse opgezet door het tunnelbouwproces (samengevat in de hoofdstukken 2, 3 en 4) op te delen in de verschillende activiteiten en deelactiviteiten en vervolgens per deelactiviteit na te gaan op welke wijze volgens bovenstaande "mechanismen" falen zou kunnen optreden (de Failure Mode and Effect Analysis). Daama is per failure mode gekeken naar kansen van optreden en gevolgen. Activiteitenschema Ret daartoe ontwikkelde hoofdschema van activiteiten en deelactiviteiten is opgenomen in de volgende tabel: Tabel 7.1: Activiteitenschema VOORBEREIDING
Financieren Bodemonderzoek Ontwerpen Verzekeren Aanbieden Aanbesteden Vergunningen Plannen
*
BOUW
PROCES
BEHEER
Maken hulpconstructies
Bouw schachten
Starten boorproces
Boren
Beeindigen boorproces
Inrichten en afwerken
Drooghouden Grondwerk Werkterrein inrichten Prefabricage lining Maken boorunit
Grondwerk Heien Betonstorten Staalwerk
Monteren boorunit Passeren wand
Graven Steunen Vijzelbeweging Vullen staartspleet Logistiek Scheiden Meten Aanbrengen lining Verlengen Onderbreken
Passeren wand Demonteren boorunit Keren
Inrichten Afwerken Opleveren
De deelactiviteiten bij boren kunnen plaats vinden in drie "situaties": onderhoud/stilstand; onderhoud/stilstand kent daarbij nog een aantal varianten.
graven,
lining
Inpecteren Onderhoud
aanbrengen
en
FMEA en Foutenboom De Failure Mode en Effect Analysis is beschreven in hoofdstuk 5. Van elke deelactiviteit is op basis van figuur 7.1 nagegaan welke faalmechanismen kunnen optreden en wat daarvan de gevolgen zijn. Vervolgens is op grond daarvan een foutenboom opgesteld. De top van de foutenboom voor het bouwproces is weergegeven in figuur 7.1. Voor het onderdeel "falen boorproces is de boom weergegeven in figuur 7.2. De uiteindelijke gevolgen in de risico-analyse laten zich opdelen naar:
.
vertraging . kosten . . .
kwaliteit milieu slachtoffers
Bij de gevolgen moet steeds onderscheid gemaakt worden naar gevolgen voor de tunnel zelf en gevolgen voor de omgeving. Verder kent ieder falen nog indirecte gevolgen, dat wil zeggen als gevolg van het falen treedt een situatie op die op zich niet nadelig is maar die wel een vergroot risico kan inhouden.
87
Kwantificering Er is in dit project ook een poging gedaan voor een kwantificering van de risico's. De bomen zijn daartoe ingevoerd in het programma RISK SPECTRUM van RWS, waarbij als voorbeeld is uitgegaan van de "Tweede Reinenoord" tunnel met een hydro schild met een bentonietsuspensie. Bij de kwantificering is voor de omvang van het gevolg steeds uitgegaan van twee klassen. Aangezien elke klasse en elk gevolgtype een aparte boom vraagt (getallen zijn anders, mogelijk ook de structuur van de boom zeIt) leidt dit tot IO bomen. In tabel 7.2 is aangeven wat een mogelijke invoer voor de bomen zou kunnen zijn. V oor iedere deelactiviteit van het boorproces wordt aangegeven wat de kans is op een bepaald gevolg (soort en omvang). Deze waarden zijn gebaseerd op interviews met experts. De uitspraken van de experts zijn door de commissie geinterpreteerd en geaggregeerd. V oor de diverse delen kunnen in specifieke gevallen de kansen verder onderbouwd worden met meer gedetailleerde risicoanalyses. Conclusies
De door CUR/COB N510 uitgevoerde studie heeft geleid tot een uitgebreid overzicht van mogelijke faaloorzaken en gevolgen voor in Nederlandse omstandigheden te bouwen boortunnels. Deze lijst kan gebruikt worden als checklist bij toekomstige projecten. Voor de activiteit "boren" is het overzicht verder ontwikkeld tot een foutenboom. Voor de verschillende basisgebeurtenissen in de foutenboom is via interviews met experts voor een aantal klassen van gevolgen een getalsmatige uitwerking gegeven. De experts die geraadpleegd zijn hadden veel waardering voor de poging in het project CUR/COB N510 om de verschillende risico's zo overzichtelijk mogelijk in kaart te brengen en te kwantificeren. Medewerking via het verstrekken van concrete informatie bleek in veel gevallen echter toch op problemen van vertrouwelijkheid van die informatie te stuiten. Deze constatering geldt zowel voor de buitenlandse experts als voor experts van bij het COB aangesloten Nederlandse bedrijven. Vit de analyses is gebleken dat het volgende scenario een belangrijke bijdrage aan de kansen op grote gevolgen kan leveren:
. .
eerst is er een relatief kleine onregelmatigheid en deze leidt tot een onderbreking en/of onderhoudsactie vervolgens worden bij deze onderbreking vervolgfouten gemaakt die tot de echte calamiteit aanleiding geven.
De conclusie zou derhalve kunnen luiden dat de "improvisatie-acties" op een hoger niveau van analyse en expertise zouden moeten worden doorgedacht, vergelijkbaar met de normale activiteiten. Ook de "gewone" onderhoudsactie leidt vaak tot problemen. De conclusie moet dan natuurlijk niet zijn het onderhoud te verminderen (afgezien van "onnodig onderhoud") maar om de onderhoudsaCties kritisch te reviewen. Ret onderhavige rapport kan gebruikt worden voor het uitvoeren van risico-analyses voor toekomstige projecten. Ret kan deze risico-analyses niet vervangen. Door verschillende experts is erop gewezen dat juist het uitvoeren van de analyse op zich zelf uitermate waardevol is als middel om over de specifieke risico's van een bepaald project te kunnen communiceren. Met name de gegeven generiek getalwaarden dienen in dit licht te worden bezien. Ret is niet mogelijk om voor elke omstandigheid een daarop toegesneden getal af te geven. De getallen kunnen alleen maar startpunten voor een verder denk- en afweegproces zijn: welke zaken spelen bij dit project in het bijzonder, welke bijstellingen naar boven of naar beneden kunnen worden gemaakt op basis van genomen maatregelen, etc. 88
Zeer belangrijk als risico-beperkend middel zijn verder de aanwezigheid van ervaren personeel warbij van hoog tot laag in de organisatie een goede verstandhouding en communicatie verzekerd is. Verantwoordelijkheden moeten helder geregeld zijn, maar mogen beslist niet leiden tot verstarde hierarchische verhoudingen waarbij de "hogere" altijd per definitie gelijk heeft en niet kan worden tegengesproken door vaak beter geYnformeerde mensen op de werkvloer. Dit soort aspecten zijn uitermate belangrijk maar het verwerken ervan in een objectieve risico-analyse is uiteraard nauwelijks mogelijk. Aanbevelingen Aanbevolen wordt dat bij toekomstige projecten in Nederland opdrachtgevers een risico-analyse voor hun projecten eisen deze risico-analyses zijn waardevol als communicatiemiddel en als beslisinstrument voor mitigerende maatregelen. lndien het huidige rapport daarbij systematisch als uitgangspunt wordt genomen groeit er een zekere mate van homogeniteit in de toepassing. De ervaringen bij het opstellen van de risico-analyses alsmede de ervaringen tijdens het uitvoeren van toekomstige projecten kunnen dan dienen om de nu gepresenteerde methode aan de hand van de praktijk verder te ontwikkelen. Bij een vakgebied als deze is er slechts een vage grens tussen het onderzoek en de toepassing in de praktijk: de praktijk kan profiteren van zeer recent onderzoekresultaten en iedere toepassing in de praktijk heeft door het gebrek aan routine op dit gebied ook een duidelijk ontwikkelingskarakter. Een dergelijke aanpak voor de verdere ontwikkeling lijkt overigens goed te passen in de opzet en programmering van COB-2.
89
Figuur 7.1: Hoofdfoutenboom "fa1en bouwfase boortunne1"
ALEN BOORTUNNEL
: kostenverhoging : vertraging !Q:kwa1iteitsverlies : mi1ieuschade S: slachtoffers
ITijdens GEBRUIKSF ASE a1en Beheer IExterne oorzaken ezwijkmechanismen
) Fa1en van de VOORBEREIDING
IE) Fa1en van het BOORPROCES zie figuur 6.2
90
) Fa1en van de NEVENWERKZAAMHEDEN
C) Fa1en van de BOUW SCHACHTEN
) Falen van het BEEINDIGEN BOORPROCES
IG) Fa1en bij het INRICHTEN EN AFWERKEN
) Falen van het STARTEN BOREN
I) Externe Oorzaken
Figuur 7.2: Foutenboom 'falen van boorproces' (tak E)
Lmmg (E22) r~m.1
~~ ~=~=
~~I 1P6-l~
~~
PO (EIOS)
NPO (E 106)
~
91
Tabe17.2:
Overzichtstabel basiskansenfalen boorproces (p = planmatig, np = niet gepland) Opm: in de situaties "graven" en "lining" gelden de kansen voor het project; in de situatie "onderbreking" gelden de kansen per onderbreking.
activiteiten situatie
kosten
vertraging
kwaliteit
omgeving
slachtoffers
niv1 A 1.0
niv2 B 1,8
niv1 C 1,0
niv2 D 1,8
niv1 E 2,2
niv2 F 2,9
niv1 G 1,7
niv2 H 2,7
niv1 I 2,6
niv2 J 3,2
slurry/p slurry/np luchtlp luchtlnp
1,8 3,0 3,3 2,9 2,1 2,2
3,2 3,6 3,5 3,3 3,1 3,5
1,9 2,8 3,3 2,9 2,2 2,3
3,2 3,4 3,5 3,3 3,1 3,6
2,1 3,6 3,4 2,8 1,9 2,7
3,2 3,6 3,5 3,4 3,3 4,1
2,0 3,0 3,5 2,9 2,1 2,4
3,1 3,6 3,5 3,4 3,3 4,1
2,8 3,5 3,5 3,4 1,8 2,4
3,1 3,6 3,5 3,4 2,8 3,4
slurrv/p slurry/np luchtlp luchtlnp
1,6 2,1 2,2 2,2 2,7 2,7
3,3 3,2 3,4 3,4 3,4 3,4
1,6 2,1 2,5 2,5 2,8 2,8
3,4 3,2 3,5 3,4 3,4 3,4
2,5 1,9 2,2 2,2 2,7 2,7
3,5 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
3,0 3,1 3,4 3,3 3,3 3,3
3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
2,7 3,1 3,4 3,3 3,3 3,3
3,4 3,3 3,5 3,4 3,4 3,4
E11**
ontgraven Igraven
E21** E22** E23** E24** E25** E26**
steunen
E31** E32** E33** E34** E35** E36**
vijzelen
E41**
vulien staart spleet
graven
1,0
3,0
2,0
3,0
2,7
3,0
2,0
5,0
5,0
5,0
E51** E52** E53** E54** E55** E56**
logistiek
Igraven lining onderbreking
slurry/p slurrv/np luchtlp luchtlnp
1,8 1,6 3,9 4,0 3,6 3,1
4,5 3,2 5,0 4,7 4,7 4,0
1,7 2,1 3,8 3,5 3,5 2,5
4,5 4,5 5,1 4,8 4,8 4,0
3,7 3,7 4,7 4,2 3,7 2,7
5,7 5,7 5,7 4,7 4,7 3,7
3,7 3,7 4,7 4,2 3,7 2,7
5,7 5,7 5,7 4,7 4,7 3,7
3,7 3,7 3,7 3,7 3,2 1,7
5,7 5,7 4,7 4,7 4,7 2,7
E61** E62** E63** E64**
scheiden
slurry/p slurry/np
1,0 0.7 3,8 3,8
4,4 4,4 4,7 4,7
0,9 0,7 3,7 3,7
3,8 3,8 4,7 4,7
4,7 4,7 3,7 3,7
5,7 5,7 5,7 5,7
1,7 1,7 3,7 3,7
3,7 3.7 5,7 5.7
2.7 2.7 3,7 3,7
4,7 4,7 5,7 5,7
E71** E72**
meten
Igraven lining
3,6 2,8
5.0 4,5
3,5 4,3
5,0 4,9
3,0 2,5
5,0 4,9
E82**
plaatsen
lining
0,9
2.7
1,1
3,1
1,3
3,1
1,6
3,2
2,0
3,3
E92**
verlengen
lining
5,0
5,0
5,0
5,0
E103** E104** E105** E106**
onderhoud onderbreking
2,4 2,4 2.5 2,5
3,3 3,4 3,3 3,3
2.9 2,9 2,9 2,9
4,4 4,4 4,5 4,5
3,4 3,4 3,5 3,5
5,4 5,4 5,5 5,5
2,9 2,9 2,9 2,9
5,4 5,4 5,5 5,5
2,9 2,9 2,9 2,9
5,4 5,4 5,5 5,5
92
Igraven lining onderbreking
Igraven lining onderbreking
Igraven lining onderbreking
slurry/p slurry/np luchtlp luchtlnp
VERKLARENDE Additief Alignment
Bentoniet Blow-out
Bentoniet
Bentonietsuspensie Blow-out
Boorfront Dichtblok
Doorbraaklichaam
Drukwand Duikwand EPBS Erector Filterkoek
Graaffront Gronddrukbalansschild
Grout Grouten Groutschil HDI HDI blok
Hydroschild
Lining Lining element
WOORDENLIJST
Toevoeging (bedoeld als toevoeging aan de grond in ontgravingskamer om de grond afvoerbaar te maken). Verloop in lengterichting; wordt bepaald door het traject dat de TBM aflegt (langs- en dwarshellingen, horizontale en vertic ale boogstralen). Stabiliteitsverlies (instorten) van het boorfront tijdens het boren door een stroming van bentoniet naar de oppervlakte via een open verbinding. Een natuurlijke klei die voor een belangrijk deel bestaat uit het kleimineraal montmorilloniet en die na bevochtiging sterk zwellende eigenschappen heeft. Suspensie van water met bentoniet. Stabiliteitsverlies (instorten) van het boorfront door een stroming van lucht naar de oppervlakte via een open verbinding (reeds bestaande breuk of een pijp, ontstaan door stroming van lucht die de grond voor het boorfront uitdroogt). De steundruk kan niet gehandhaafd worden en het boorfront stort in. Raakvlak tussen nog afte graven grond en voorkant graafwiel. Doorbraaklichaam; tussen de startdamwand en een extra geslagen damwand wordt ontgraven en de dan ontstane ruimte wordt met beton gevuld. Grondverbetering (waterondoorlatende laag) achter de startdam wand. Deze kan gemaakt worden door bijvoorbeeld injectie (HDI blok) of bevriezen. De TBM begint met boren door deze waterondoorlatende laag. Scheiding tussen de onder druk staande ontgravingskamer en de tunnel, die onder atmosferische druk staat. Scheiding tussen de ontgravingskamer en luchtkamer (alleen bij Hydroschild). zie gronddrukbalansschild Apparaat dat de segmenten van de lopende band pakt en op de betreffende plaats in de ring plaatst. Ondoorlatende laag op het boorfront bestaande uit bentoniet (kleideeltjes). De filterkoek ontstaat door indringen van de steun vloeistof in de grond. zie boorfront. Schild waarbij de ontgraven grond eerst in een trommel achter het graafwiel komt en vervolgens wordt verwijderd door een in een buis aangebrachte schroefvijzel. Mengsel van water en cement. O.a. vullen van de staartspleet met grout. Schil van grout om de tunnelmantel. Hoge druk injectie Doorbraaklichaam, gemaakt door mortel achter de startdamwand te injecteren. Soort vloeistofschild; de druk van de ondersteuningsvloeistof wordt geregeld door een aparte luchtkamer in de ontgravingskamer. zie tunne1wand. zie segment.
93
Mengkamer
Ondersteuningssuspensie Ontgravingsfront Ontgravingskamer Ontvangstlichaam Opdrijven
Oversnijding
Scheidingsinstallatie Schild
Schildzadel Schroefvijzel Segmenten Silt Sluitsteen Slurryschild Staartafdichting Staartspleet
Staartvulling Startschacht Steenbreker Steundruk Steunvloeistof
TBM Tunnellining Vloeistofschild Werkkamer
94
Ruimte waar de net ontgraven grond terecht komt en gemengd wordt met bentoniet of een ander additief om afgevoerd te kunnen worden. zie steunvloeistof zie boorfront Ruimte waar de net ontgraven grond terecht komt. zie doorbraaklichaam Omhoogkomen van de tunnel doordat geen evenwicht wordt bereikt met de bovenliggende grond. Het meer ontgraven dan de diameter van het schild (door uitstekende snijtanden aan het graafwiel, het volgen van het alignment ofboren onder een verticale hoek). Installatie die de bentonietsuspensie van de ontgraven grond scheidt. Korte stalen buis, waarin de feitelijke ontgravingswerkzaamheden plaatsvinden en waarin de segmenten worden geplaatst. Onderdeel van de tunnelboormachine. Hulpconstructie, waarop het schild wordt geassembleerd. Vijzel waarmee grond kan worden verpompt. Onderdelen van beton of staal waaruit de lining bestaat. Zeer fijne bestanddelen in grond, in korrelgrootte liggend tussen klei en zand Wigvormig segment, dat gebruikt wordt ter sluiting van een ring. Soort vloeistofschild; schild met open snijwiel of gesloten graafschij f. Afdichting om de ruimte binnen het schild en de buitenkant van de net geplaatste lining af te sluiten. Spleet tussen de buitenkant van de tunnelboormachinemantel (schild) en de buitenkant van de lining. Deze ontstaat doordat de diameter van de TBM groter is dan de diameter van de tunnel. Grout, waarmee de staartspleet gevuld wordt. Bouwput van waaruit het boorproces start. Apparaat dat niet transporteerbare stenen terugbrengt tot een transporteerbare grootte. Druk, die via steunvloeistof (vloeistofschild) of net ontgraven grond (EPBS) de stabiliteit van het boorfront regelt. Vloeistof, die onder druk de ondersteuning en dus de stabiliteit van het boorfront verzorgt. Vaak bestaande uit water en kleimineralen met een grotere massadichtheid dan water. Tunnel Boor Machine; schild, ontgravingsschijf of -wiel en alle apparatuur die binnen het schild gemonteerd is. zie lining Schild, waarbij het boorfront gesteund wordt door een van de bodemomstandigheden afhankelijke steunvloeistof. zie ontgravingskamer
LITERA1lJUR Algemeen. Nederlands [AI] Inventarisatie constructieve ontwerpaspecten boortunnels December 1995. TNO. [A2] Brink, F. Geboorde tunnels voor infrastructuurprojecten in Nederland De ingenieur II (1992),22-29. [A3] Broere, W. Risico's en storingen bij geboorde tunnels'.TU Delft 1994. [A4] Kinderen, S. van, Risico-analyse van een geboorde tunnel Delft/Zoetermeer juni 1995. TU Delft. [A5] Molendijk, W.O. Inventarisatie geotechnische ontwerpaspecten boortunnels Grondmechanica Delft, 1994 In opdracht van Bouwdienst Rijkswaterstaat. Beschrijving van potentiele mechanismen en rekenmodellen. [A6] Hoefsloot, F.J.M. Geotechnische en geohydrologische aspecten t.b.v. delndustriele tunnelbouw methode. Diverse interne deelrapportages Fugro, Fokker Sace & Systems, Begemann, IHC, Wirth, VNC en Hoogovens (1995). [A7] KIVI-rapport Boren van tunnels voor rail- en wegverbindingen. [A8] Eindrapportage studiereis Japan, boortunnels en hangbruggen, gezamenlijke uitgave Bouwdienst Rijkswaterstaat, Rijkswaterstaat directie Zeeland, Provincie Zeeland directie Milieu en Waterstaat, februari 193, status openbaar. [A9] Bisschop F., Mastbergen D.R. Notitie Ontgraving, (Boren van Tunnels en Leidingen) Rapport WL, 1994 [AIO] BTC NS-IB Technische haalbaarheid schildboortunnel Delft Intern rapport [All] CUR-rapport 177 Invloed op boortunnel op paalfundering [AI2] Brink, F. en anderen Tunnelbouw met de schildmethode. Polytechnisch tijdschrift/bouwkunde Wegen en Waterbouw 34, 1979, pag. 624650. Algemeen Buitenland [II]
[12] [13] [14] [15]
[16] [17] [18] [19]
[II 0]
Pauwels, G. en Willems, P., Tunnelboorwijzen en risicoanalyse op tunnelsecties' Leuven, 1993. KU Leuven. Reynolds, P., 'Storebaelt Saga'. Construction Today (dec, 1992), 14-20. 'Shafts to save Storebaelt TBMs'. Construction Today (nov, 1992),4 aug.1994, Fujita, K., 'Soft ground tunnelling and buried structures'. New Delhi, India, 1994. Krause, T Schilvortrib mit fliissigkeits und erdgestiitzter Ortbrust Mitteilungen des Instituts fur Grundbau und Bodenmechanik,TU Braunschweig,1987,Heft24 Openbaar, te verkrijgen bij TU Braunschweig. Boorfrontstabiliteit, schadegevallen die zijn opgetreden. Proc. World Tunnel Congress, Stuttgart, May 6-11,1995, waarin o.a. Alternatives and Experiences with hard Rock Tunneling, The Hallandsasen Railay Tunnel. Stig Oestfjord. Openbaar, ITA documenten Fugro Risico-analyse foutenbomen Oresund Link Attewell P.B., Yeates J., Selby A.R. Soil Movements Induced by Tunnelling and their Effects on Pipelines and Structures Boek Blackie 1986 Babenderende S. Conceptional Requirements for Soft-Ground Tunnel Boring Machines Artikel; Options for Tunneling 1993
95
[Ill]
[I12]
[I13]
[I14]
[I15]
[I16]
[I17]
[I18]
[I19]
[120]
[121]
[122] [123] [124] [125]
Babenderende S Tunneling Machines in Soft Ground: a Comparison of Slurry and Earth Pressure Balance Shield Systems Artike1; Tunnelling and Undergr. Space Techn. Vo1.6, pp.169-174 1991. Fang Y.S., Lin S.J., Lin J.S Time and settlement in Earth Pressure Balance Shield tunnelling Artike1; Tunnels & Tunnelling, November 1993 pp.27,28 Fujita K. Prediction of settlements by shield tunneling Artike1; Proc. Int. Conf. of Soil Mech., Mexico, Vol 1, pp. 239-246,1982 Fujita K. and "Comittee on Underground Construction in Soft Ground" Underground Construction in Soft Ground in Japan Rapport; JSSMFE Hirokawa H., Nisthitake S. Slurry Shield machine (automatic operation and control Artikel; ?, pp. 37-44, 1993 Kuribashi Y., Yagi K., Ishimoto H. The PMF Super Shield tunnelling process -Expanding applications for Earth Pressure Balance Shield tunneling Artikel; Options for Tunneling '93, pp.411-420, 1993 Moor de EK, Taylor R.N. Ground response to construction of a sewer tunnel in very soft ground Artikel; Proc. Conf Tunneling '91 Inst. Mining and Metal, 1992 New B.M., O'Reilly M.P. Tunneling Induced Ground Movements, Predicting their Magnitude and Effects Artikel; Proc 4th Int. Congres on Ground Movements and Strustures, pp.671697, London 1992 H. Duddeck Safety Analysis and risk Assessment for Underground Structures, p 787-793. Eurock 1993, Ribeiro e Sousa & Grossman (eds), 1993 Ba1kema, Rotterdam 90 5410 339 6. Klaus H. Ostenfeld, Ian. H. Elliot, Ian F. Hartley, Ole Damgaard Larsen Bored Railway Tunnel under the Eastern Channel of the Great Belt, Denmark. International Tunneling Association Congress on Tunnels and Water, Madrid, 1988. Publication no. 588. S.D. Eskesen, S.C. Richards Great Belt East Tunnel: Designer's Review of Construction Works. The Third Symposium on Strait Crossings Alesund, Norway, June 1994. Publication no. 935. Maidl, Herrenknecht, Anheuser Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb, 1995, Ernst & Sohn Verlag, Berlin Maidl Handbuch des Tunne1- und Stellenbaus, Verlag Gliickauf, Essen, 1988. Matsumoto and Nakamura, "Novel material shield-cuttable tunnel-wall systems", Underground Transportation Infrastructures, 1193, page 333-341. Becker, C. The Choice between EPB and Slurry shields. Selection criteria by partial aspects. Proceeding options for tunnelling, Amsterdam 1993.
Heinenoord [HI] Manen, S.E. van, Langzaam-verkeertunnel Heinenoord, Risico's en veiligheid - een analyse Bouwdienst Rijkswaterstaat, Utrecht,1994 [H2] Ontwerp Boortunnel Heinenoord, Risicoanalyse Combinatie Bouwdienst Rijkswaterstaat, Ballast Nedam Beton en Waterbouw, Van Hattum en Blankevoort, Hollandse Beton- en Waterbouw en Wayss & Freytag, 1994 [H3] Poel, J. van de. Tweede Heinenoordtunnel, rekenregels voor het ontwerp geboorde tunnel Grondmechanica Delft in opdracht van Bouwdienst Rijkswaterstaat, 1994 Beschrijving van rekenregels voor ontwerp m.b.t. minimale slurrydrukken t.b.v. boorfrontstabiliteit, toelaatbare boordrukken i.v.m. blowout, opdrijfrisico, aspecten tunnellining. Gebaseerd op Duitse ervaringen en rekenregels, met aanpassingen voor Nederlandse situatie. [H4] Put, v.d. Standaardberekeningen boortunnel Heinenoord (concept) Bouwdienst Rijkswaterstaat. Utrecht, juli 1994 [H5] Put, v.d., 'Keuze tunnelboonnachine 2e Heinenoordtunnel Bouwdienst Rijkswaterstaat, Utrecht, februari 1995
96
[H6] Ir. M.Th.J.H. Smits, e.a. Fugro rapport D-300 I-A (1990). Risico-analyse in de bouw- en gebruiksfase is uitgevoerd voor een afzinkvariant voor de langzaamverkeerstunnel Heinenoord. Deze tunnel is 80 a 100 m ten zuidoosten van de bestaande Heinenoordtunnel onder de 500 m brede Oude Maas geprojecteerd en bestaat ter plaatse van de rivier uit stalen tunnelelementen die in een te baggeren zinksleuf worden afgezonken. Binnen de kanteldijk, die dient ter beschenning van de open afrit tegen hoge waterstanden op de rivier, worden de afrit-elementen afgezonken in een bouwsleuf. Aan landzijde sluit het laatste stalen open afrit-element aan op een vliesconstructie. Beschikbaarheid: uitsluitend met toestemming opdrachtgever (Ingenieursbureau Veth). Westerschelde Oververbinding [WI] Vrijling, J.K., 'Westerschelde Oeververbinding, Risicoanalyse van het ontwerp, de bouw, de tinanciering en de exploitatie'. Delft, 1994. TU Delft. [W2] Aanbiedingen Westerschelde Oeververbinding, opgesteld door Kombinatie Middelplaat Westerschelde, status: vertrouwelijk. De aanbieding omvat ondermeer een ontwerpnota en uitvoeringsnota en een onderhoudsplan. Noord-Zuidliin [Nl] T Zitman Noord-zuidlijn Amsterdam, Bijlage over risico-analyse Inventarisatie van risico's verbonden aan de aanleg van de Noord-zuidlijn te Amsterdam. Foutenboom, gevoeligheidsanalyse, vertrouwelijk. [N2] Projectbureau Noordzuidlijn Risico-analyse proefpalenproject Noord-zuidlijn op locatie Tweede Heinenoordtunnel Inventarisatie van risico's, kosten en gevolgen verbonden aan de uitvoering en gebruiksfase van het proefpalenproject (het boren onder en naast paalfunderingen; het uitvoeren van grondonderzoek in en pal naast het te boren trace) Foutenboom, gevoeligheidsanalyse, te nemen maatregelen. Vertrouwelijk, evt. in overleg beschikbaar. [N3] Fugro Risico-analyse Noord-zuidlijn Amsterdam Botlektunnel
[B1] Messemaeckers van de Graaff, C.A. Invloed van het boorproces op zettingen. Aanbevelingen ter beheersing. Holland Railconsult, Studie Botlektunnel [B2] Aanbiedingen Botlektunnel, op te stellen door Tubecon v.o.f. (samenwerkingsverband Koninklijke Boskalis, Heijmann, Hochtief, Philipp Holzmann, NBM-Amstelland), status: hoogst vertrouwelijk. Spoortunnel
Riiswiik
[Rl]
Grondmechanica Delft Risico-analyse spoortunnel Rijswijk [R2] Ir. L. de Quelerij, e.a. Risico-analyse verdiepte spoorbaan. Fugro rapport M -0048 (1990). Een kwantitatieve risico-analyse gecombineerd met een second opinion met betrekking tot de haalbaarheid van een verdiepte ligging van het spoorbaantrace te Rijswijk volgens het poldersysteem zowel technisch als economisch. Uitsluitend met toestemming opdrachtgever (Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde). Willemspoortunnel
[S1] Gemeentewerken Rotterdam NS, Dienst van Infrastruktuur RWS, Directie Sluizen en Stuwen Risico-analyse van de kruising van de Willemsspoortunnel met de hoofdwaterkeringen op de rechter Maasoever te Rotterdam, Rapport, mei 1986
97
BIJLAGEN Behorend bij CUR/COB-rapport N510-01
1 Processchema tunnelbouw 2 Omschrijving voorbeeldtunnel 3 Grondonderzoek 4 Foutenbomen; "falen bouwfase boortunnel" 5 Gebeurtenissenboom steunen boorfront 6 Interviews met experts
2 3 9 10 11 12
Bijlage 1: Processchema tunnelbouw
2
Ten behoeve van de afdichting van de voegen zijn de segmenten rondom van een neopreen dichtingsprofiel voorzien. Indien dit profiellokaal niet geheel sluitend is en er lekwater in de tunnel zichtbaar wordt, zal op die plaatsen een tweede dichtingsprofiel in de voeg worden aangebracht. De segmenten zijn in langs- en omtreksrichting tijdens de bouw van de tunnel tijdelijk met elkaar verbonden door middel van twee bouten per voeg. Deze zijn nodig om te verzekeren dat de neopreen dichtingsprofielen tijdens de bouw een minimale initiele indrukking behouden. De segmenten worden aangevoerd door het gerealiseerde tunneldeel. B.2.0.3 Grondopbouw Globaal worden de volgende grondsoorten aangetroffen in de boordoorsnede van het geotechnisch profiel:
.
.
Holocene lagen tot NAP -18 m bestaande uit klei, zwak humeus, met dunne zandlaagjes, kleizandig tot zand-kleiig, zand plaatselijk met dunne klei- en veenlaagjes; Pleistoceen zand vanaf NAP - 18 m: zand, middel grof tot matig, soms grindig.
Het grondonderzoek (zie bijlage 3) vertoont wisselende zand- en kleilagen langs het boortrace. Stenen van noemenswaardige grootte zijn niet te verwachten. In de doorlatende zandlagen wordt een grondwaterdruk tot de volle hoogte van de waterstandhoogte in de rivier verwacht. B.2.1
Beschrijving
bouwproces
B.2.1.1 Opbouw Na de fabricage zal de tunnelboormachine per schip naar de bouwlocatie worden gevaren en met diepladers naar de bouwplaats worden gebracht. Het inhijsen van de verschillende onderdelen van het schild (graafwiel, schildmoot, middenmoot, erector en staartmoot) vindt plaats met een kraan, welke direct naast de start schacht wordt opgesteld. Voor de stabiliteit van de kraan worden hulppalen geplaatst. Het schild wordt in bovengenoemde stukken op het schildzadel geplaatst en geassembleerd. Tijdens en na assemblage wordt het schild naar voren geduwd met vijzels, die zich afzetten op het schildzadel. Wanneer het schild op zijn plaats staat, wordt aangevangen met de opbouw van de afzetconstructie. Onderdeel van de scheidingsinstallatie is de aanmaakinstallatie van verse bentoniet, opslagbakken voor de verse bentoniet voor het rijpen en een voorraadreservoir voor bentoniet. De uitkomende vaste stoffen worden in een tijdelijk depot opgeslagen. De gereinigde bovenafvoer uit de cyclonen wordt in de voorraadbak van steunvloeistof geleid. De damwand achter het dichtblok wordt na verharding van het dichtblok getrokken en de combiwand wordt voor de doorvoering van de tunnelboormachine doorgebrand. De combibuizen worden met stalen platen afgesloten ter voorkoming van wegvloeien van de boorvloeistof . B.2.1.2. Start boren Het schild zet zich met behulp van een deel van de vijzels af tegen het afzetframe en beweegt zich naar voren totdat de vijzels volledig zijn uitgeduwd. Vervolgens worden de vijzels per set van vier stuks teruggetrokken en de eerste hulpring segment voor segment geplaatst. De vijzels zetten zich af op de hulpring en het schild duwt zich opnieuw 1.5 meter vooruit. Deze handeling herhaalt zich, zodat in totaal 7 hulpringen worden gebouwd. Vanaf dit moment worden de eerste tunnelringen gebouwd. De bevoorrading van segmenten en mortel vindt plaats over een spoor op het grindbed. Door de grote helling wordt geen gebruik gemaakt van een locomotief, maar van een lier. Wanneer de tunnelboormachine ongeveer 50 meter tunnel heeft geboord wordt het grindbed weggehaald en een 4
horizontaal spoor gebouwd, waarop ook de locomotief wordt geplaatst. De bevoorrading wordt vanaf dit moment verzorgd door de locomotief met twee segmentenwagons en een mortelwagon. Ret laden vindt plaats op een horizontale vloer uit het oogpunt van veiligheid. B.2.1.3 Boorproces Aan het boorfront wordt met een graafwiel onder beschenning van bentoniet grond afgegraven, dat vervolgens door de bentoniet via een buis naar de bovengrondse scheidingsinstallatie wordt geleid. Dit proces wordt door drie ploegen gedurende 24 uur per etmaal, vijf dagen per week uitgevoerd. Bij de vloeistofondersteuning houden de brede spaken de naar de tunnelvoet zinkende gronddeeltjes in beweging. De met het snijrad meedraaiende "vloeistofschijf' voert gronddeeltjes langs het graaffront en rondom het schild totdat het gronddeeltje door het raster voor de afzuigmond de . afvoerpijp in wordt gezogen. B.2.1.4 Aankomst en keren in ontvangstschacht Bij aankomst in ontvangstschacht boort de tunnelboonnachine voort tot op het verplaatsbaar schildzadel. Wanneer het schild zich volledig op het schildzadel bevindt, worden de trailers afgekoppeld en wordt het schildzadel met schild gedraaid tot voor de tweede tunnelbuis. Dit vindt plaats door luchtkussens onder het schildzadel te plaatsen en deze op te pompen. Ret draaien wordt verzorgd met kabels naar ankerpunten, welke ingestort zijn in de constructievloer. Wanneer het schild gedraaid is, wordt het afzetframe achter het schildzadel opgebouwd. Tevens wordt in de schacht een geleiding aangebracht voor de trailers, zie paragraaf Fout! Verwijzingsbron niet gevonden., tot aan de achterzijde van de schacht. De eerste trailer wordt vervolgens met een lier uit de tunnelbuis getrokken en in de schacht gedraaid. De eerste trailer wordt aan het schild gekoppeld. Trailer 2 en 3 worden uit de tunnel getrokken en provisorisch gekoppeld met trailer 1, waarna zover de tweede tunnelbuis wordt geboord, dat in de schacht ruimte is ontstaan om de tweede trailer achter de eerste te plaatsen. Opnieuw wordt zover geboord, dat de derde trailer achter de tweede geplaatst kan worden. De aanvoer van bentoniet en afvoer van de slurry wordt verzorgd met twee buizen via tunnelbuis 1. Eveneens worden de lO-kV kabel en infonnatiekabels uit tunnelbuis 1 doorgetrokken in tunnelbuis 2. De aanvoer van mortel en segmenten wordt verzorgd met de trein door tunnelbuis 1. De tweede tunnel wordt op dezelfde wijze geboord als de eerste. B.2.1.5 Werkmethode riviergedeelte Een ballastbed verzorgt de beschenning van de rivierbodem tegen erosie, zodat de gronddekking boven de tunnel verzekerd is.. Op een geotextiel met een doorlatendheid van 10 liter/m2s wordt een net van wiepen rond 100 mm aangebracht, waarop een meter dikke laag breuksteen wordt gestort.
B.2.2
Beschrijving
apparatuur
B.2.2.1 Tunnelboormachine Gekozen is voor toepassing van het hydro schild. De grond wordt afgeschraapt door een draaiend graafwiel met vijf spaken. Ret geboorde gedeelte bevindt zich geheel onder het grondwaterniveau. De dubbele buis heeft een diepste ligging op ca. 35.0 m - NAP. De bovenste grondlagen zijn opgebouwd uit veen-, klei- en zandlagen of mengelingen van zand en klei, de diepere grondlagen zijn opgebouwd uit zand en klei. Ret ontgraven geschiedt in een met een steunvloeistof gevulde ruimte. De werkkamer is door een drukschot afsluitend gemaakt zodat water niet kan binnentreden. De steunvloeistof is een
5
bentonietsuspensie die door een persluchtinstallatie onder druk wordt gehouden en snel aan de optredende grond- en waterspanningen kan worden aangepast. Bij onderhouds- of inspectiewerk is het noodzakelijk dat de werkkamer door personeel wordt betreden. Dit gebeurt onder toepassing van verhoogde luchtdruk die de boorvloeistof verdringt en het front stabiel houdt. Bij een hydro schild werkt de op het ontgravingsfront achtergebleven bentonietcake als een ondoorlatend membraan dat de luchtdruk op het front overbrengt. De ondoorlatendheid beperkt het gevaar van luchtdrukverlies en verbetert de frontstabiliteit tijdens ontgraving. B.2.2.2 Schild Ret spaakvormige graafwiel is een samenstel van de boorkop, de hoofdophanging en het aandrijfblok. De ruimte tussen de spaken kan gedeeltelijk door middel van afsluitplaten worden gesloten. De platen kunnen per stuk door ingebouwde vijzels verplaatst worden, tot de tussenruimte tot de naastliggende spaak volledig afgesloten is. Op deze wijze wordt het ontgravingsfront mede ondersteund tijdens de spiegelverlagingen ten behoeve van inspectie- en onderhoudswerk. De voortgang van de tunnelboormachine wordt verzorgd door 14 groepen van 2 vijzels, welke zich voortduwen tegen de laatst gebouwde ring. B.2.2.3 Overige installaties Trailers In trailer 1 is onder ruimte, waar de segmentenwagons via draaitafels ontladen worden. Aan de bovenzijde van trailer 1 zijn de powerpacks geplaatst. In trailer 2 is aan de onderzijde de slurrypomp geplaatst voor de afvoer van de bentoniet met grond. Tevens is hier de positie, waar de volle morteltank uit de mortelwagon gewisseld wordt met de lege morteltank. Op de bovenbouw bevinden zich het elektrisch distributiestation en de mortelpompen. In trailer 3 bevinden zich een loopkat voor het lossen van materialen en de verlengingsinstallatie voor de bentoniet- en slunybuis. Tevens bevinden zich hier kabeltrommels voor de 10 KV -kabel, water, lucht en informatiekabels en de uitstroomopening van het ventilatiesysteem. am de gehele bouwplaats van luchtdruk te kunnen voorzien wordt een bovengronds compressorstation geplaatst. Ret boorschild is van twee onafhankelijke leidingsystemen voorzien. Aanvoer materiaal De aanvoer van bentonietsuspensie vindt plaats via buizen, die langs het looppad in de tunnelbuis worden geleid. Langs dezelfde wijze wordt perslucht en water vanuit de schacht naar het schild gevoerd. De lO-kV kabel en informatiekabels lopen bovenlangs het looppad. De aanvoer van segmenten, mortel en hulpmateriaal geschiedt via een trein. Deze trein bestaat uit een locomotief, twee segmentenwagons die ieder een halve ring kunnen vervoeren en een mortelwagon, die twee morteltanks kan vervoeren. De segmentenwagons worden in de start schacht geladen met de portaalkraan door twee hijsen van ieder een halve ring. De mortel wordt vanuit de morte1centrale met een slang in de mortelwagon gepompt. Ret hulpmateriaal wordt in de derde trailer uitgeladen. Scheidingsinstallaties De scheidingsinstallatie is benodigd ten behoeve van het bereiden en terugwinnen van de steunvloeistof. De installatie is op het maaiveld geplaatst nabij de startschacht. Ret mengsel wordt eerst door een trilzeef ontdaan van de grovere delen. Vaste delen, voomamelijk grind en klei, tot ca. 4 mm passeren de zeef. Met behulp van een hydrocycloon worden zandfracties van 4 mm tot 150 mu afgescheiden. In een tweede hydrocycloon worden fijnere zand en slib delen van 150 tot 20 mu gescheiden. Ben hydrocyloon is gebaseerd op het scheiden van zwaardere delen van lichtere door
6
middelpuntvliedende krachten. Met behulp van een centrifuge worden de fijnste delen tot 5 mu gescheiden van de suspensie. Onderdeel van de scheidingsinstallatie is de aanmaakinstallatie van verse bentoniet, opslagbakken voor de verse bentoniet voor het rijpen en een voorraadreservoir voor bentoniet. De uitkomende vaste stoffen worden in een tijdelijk depot opgeslagen. De gereinigde bovenafvoer uit de cyclonen wordt in de voorraadbak van steunvloeistof geleid en door de voedingspomp samen met vers gemengde bentoniet naar het schild teruggepompt. De bentoniet- en slurryleidingen tussen de scheidingsinstallatie en het schild zijn stalen buizen rand 300 mm. Segmentenhal De segmentenhal heeft een afmeting van 64 x 17 m2 met een opslagcapaciteit van 98 halve ringen. De hal is voorzien van verschuifbare dakdelen, zodat met de portaalkraan halve ringen uit de hal opgepakt kunnen worden en in de schacht neergelaten kunnen worden. In de hal is een verwarmingsinstallatie geYnstalleerd. De segmenten worden per vrachtwagen naar het werk getransporteerd, waarna ze in de segmentenhal worden voorzien van voegbanden, strippen etc. De prefabricage van de tunnelsegmenten zal niet op het bouwterrein plaats vinden. De nauwe toleranties die aan de betonkwaliteit en de maatvoering worden gesteld vereisen een goed gecontroleerd en geconditioneerd fabricageproces wat in een daartoe gespecialiseerde betonprefabfabriek zal plaatsvinden. Menginstallatie voor de injectiemortel De menginstallatie voor de injektiemortel wordt direct naast de schacht Noord geplaatst. Deze lokatie is bereikbaar met vrachtwagens, om de centrale van zand, cement, vuller en bentoniet te kunnen voorzien. De zandopslag bestaat uit een zandhoop, de overige componenten worden opgeslagen in silo's. De mortel wordt aangemaakt in charges van ongeveer 800 liter en via een slang verpompt naar een morteltank van 6 m3. Wanneer de mortelwagon uit de tunnel gereden is, kan de lege morteltank vervangen worden door de volle.
7
Figuur Bl: Situatietekening
8
Bijlage 3: Grondonderzoek
Sonderingen Daar waar mogelijk is ter weerszijden van het trace elke vijfentwintig meter een sondering uitgevoerd.. De verkende diepte varieert van circa NAP -30 tot NAP -50 meter. Alle sonderingen zijn uitgevoerd overeenkomstig de NEN 3680 met meting en registratie van conusweerstand, lokale wrijvingsweerstand en de hoekafwijkingen ten opzichte van de verticaal. Bij een gedeelte van de sonderingen is ook de waterspanning nabij de conus, tijdens het penetreren geregistreerd. Bij een aantal sonderingen zijn dissipatietesten uitgevoerd. Boringen Ter verkenning van de ondergrond, voor het nemen van grondmonsters ten behoeve van laboratoriumonderzoek en voor het plaatsen van peilbuizen zijn totaal 18 boringen gemaakt, tot een diepte van circa NAP -30 m Laboratoriumonderzoek Aile grondmonsters zijn geclassificeerd en beschreven volgens NEN 5104. Na bestudering van sonderingen en boorstaten is op een geselecteerd aantal grondmonsters laboratoriumonderzoek verricht. De totale hoeveelheden laboratoriumonderzoek (inclusief proeven op monsters uit boringen welke zich nu buiten het trace bevinden) zijn vermeld in onderstaande tabel. Aantal 74 35 44 16 59 27 27 10 15 Veldmetingen In of nabij de meeste boorgaten peilbuizen zijn geplaatst met filters in zowel de holocene, als de pleistocene grondlagen. Op drie locaties zijn elektrische waterspanningsmeters geplaatst in de holocene kleilagen.Ter bepaling van de in-situ doorlatendheid zijn op 4 locaties in totaal 14
doorlatendheidsproeven(Falling head test) uitgevoerd in het 1e watervoerendpakket. Ter bepaling van de in-situ ongedraineerde schuifsterkte van de grond zijn verdeeld over zes locaties, in totaal 54 vinproeven uitgevoerd volgens NEN 5106. Ter verificatie van de in het laboratorium bepaalde elasticiteitsmoduli van de grond zijn op een viertallocaties pressiometerproeven verricht met een cone-pressiometer. Milieukundig bodemonderzoek Naast het geotechnisch grondonderzoek is ook een milieukundige bodemonderzoek verricht. De resultaten van dit onderzoek zijn separaat gerapporteerd.
9
Bijlage 4: Foutenbomen "falen bouwfase boortunnel"
10
Bijlage 5: Gebeurtcnissenboom
11
stcunen boorfront
Bijlage 6: Interviews met experts
B.6.0 Inleiding In chronologische volgorde is de volgende procedure gevolgd om te komen tot de overzichtstabel basiskansen zoals gepresenteerd in hoofdstuk 6 van de hoofdtekst van dit rapport. 1.
2. 3.
5. 7. 8.
Door verschillende commissieleden zijn in de eerste fase van de studie overall-kansschattingen gegeven voor de verschillende activiteiten in de verschillende situaties, er zijn hierbij geen kansschattingen gegeven voor afzonderlijke gebeurtenissen. Van de verschillende kansschattingen is het rekenkundig gemiddelde bepaald. Daarmee werd een eerste invulling van tabel 6.6 ("basiskansen") in de hoofdtekst van het rapport verkregen. De basiskansen zijn ingevoerd in de foutenboom. De uitkomsten van deze eerste foutenboomanalyse zijn gerapporteerd in de interimversie van dit rapport. In de tweede fase van het onderzoek zijn aan de hand van deze uitkomsten van deze eerste foutenboomanalyse interviews voor experts opgesteld, met als doel te komen tot nader onderbouwing van de kansschattingen. De resultaten van de interviews zijn door de commissieleden vertaald naar kansschattingen. Deze kansschattingen zijn verzameld in een groslijst. Vit de individuele kansschattingen zijn vervolgens nieuwe basiskansen (tabel6.6) bepaald, daarbij is een middelingsprocedure gehanteerd. Met deze nieuwe basiskansen is opnieuw een foutenboomanalyse uitgevoerd.
Deze bijlage bevat de samenvattingen van interviews met binnenlandse en buitenlandse experts op het gebied van het ontwerpen en bouwen van geboorde tunnels en experts op het gebied van risico-analyse van geboorde tunnels en de aan de hand van deze interviews bepaalde groslijsten van kansschattingen. Benadrukt dient te worden dat deze kansschattingen tot stand zijn gekomen door interpretatielbewerking van de risico-inschattingen die door de experts zijn gegeven. Daarbij zijn ook andere suggesties van de kant van deze experts meegenomen. De uiteindelijke kansschattingen zijn echter voor verantwoordelijkheid van de leden van de uitvoeringscommissie N51O. Er zijn 15 experts uitgenodigd uit vijfverschillende "vakgebieden", namelijk: Algemene aspecten m.b.t. risico's bij boortunnels Geotechnische aspecten Vitvoeringsaspecten en relatie met arbeidsomstandigheden Constructieve aspecten Werktuigkundige en electro/electronische aspecten. Door de meeste uitgenodigde experts is welwillend en enthousiast gereageerd, zij worden in het rapport genoemd. Er zijn dertien interviews afgenomen, waarvan de resultaten in de studie zijn verwerkt. In deze bijlage worden achtereenvolgens
gegeven:
B.6.1.
De uitnodigingsbrief die naar de experts is gestuurd, samen met Bijlage 1 bij deze brief met algemene informatie over de opzet van de risico-analyse. Deze bijlage is naar alle experts gestuurd. De verschillende bijlagen 2 met specifieke vragen betreffende "Algemene Aspecten", "Geotechnische aspecten", "Vitvoeringsaspecten en relatie met arbeidsomstandigheden", "Constructieve aspecten" en "Werktuigkundige aspecten". Iedere expert ontving alleen de bijlage voor zijn eigen vakgebied.
B.6.2
Samenvattingen van de interviews; deze zijn overwegend in het Engels opgesteld. Om anonimiteit (voor zover mogelijk) te waarborgen zijn de namen van de gei'nterviewden niet bij de samenvattingen vermeld.
B.6.3
Groslij st van kansschattingen,
12
voorzien van een korte inleiding.
B.6.1
Uitnodigingsbrief
aan experts
De volgende brief is met annex 1 en de relevante annex 2 in maart 1997 aan de experts gestuurd:
Dear...... The construction of tunnels in the Netherlands is traditionally based on the cut and sink method. The reason for this practice is the relatively low depth of tunnels in combination with the extremely soft soil conditions. In recent times, however, the technique of boring has become more and more suitable for soft soils. Given the many advantages of tunnel boring compared to the cut and sink procedure (especially in urban areas) a number of tunnel boring projects are now under development. It is well known that this type of tunnel construction is not without risks. Many projects in many countries have suffered from minor and major accidents, resulting in often large delays and additional costs. The situation in the Netherlands may then even be worse (at least different) from other locations. The parties involved in Dutch tunnel construction activities (industry as well as government) have therefore decided to setup a systematic risk research project into the accidents and break downs that can be expected during tunnel construction. The project is part of the CUR COB program. For more information, see the included leaflet. The project is now half way. General information is presented in Annex 1. We have studied the international literature and discussed the matter with many experts in the Netherlands. However, it is the feeling that such an investigation cannot be complete without the consulting of a number of international experts. We have therefore selected a number of experts (see attachted list) in various fields of expertise and have planned to have an interview with them. You are one of the selected persons. We hope that you are willing to cooperate. The interview will take about half a day at your office or if possible in The Netherlands. You will be confronted with a list of possible "accident type events" that may happen during construction. A list of events, related to your field of expertise (i.e. construction/structuraVgeotechnicalimechanical), is presented in annex 2. We have a number of questions concerning the possible causes, consequences and likelihoods of these events. These questions will be discussed during the interview. We may also discuss other events that you consider as being equally or even more important. Annex I gives some information about the tunnel situations we have in mind and some information about the set up of our risk analysis. Your answers may be based on experience, statistics or engineering judgement. We do not expect you to take much time for preparation of the interview. If some kind of follow up is desirable, arrangements can be agreed.
13
The results will be summarized in an English written report that will be made available to all participating experts. If you are willing to cooperate, please fill out the response sheet and return it by fax. Your contact person will make further arrangements. Sincerely yours,
Ir. W.L. Leendertse Program Manager CUR COB
Included: list of invited experts annex 1: general infonnation annex 2: questions related to specific field of expertise (generaV construction/structuraV geotechnics/mechanical) response sheet
14
Annex 1: General infonnation on the CUR/COB proiect Risk Analvsis Bore tunnel Construction In the project the following subprocesses are distinguished:
1 Preparation efund raising egeotechnical investigations edesign etendering emsurance epennits eplanning 2 Preparation eproduction of lining elements eproduction of boring unit eground excavation works epreparation of the building site 3 BuUdin!! of shafts eground excavation work epiling efabrication of concrete in situ esteel construction
4 Start of boring proces emounting of the boring unit estarting of the boring process 5 Borin!! eboring ebore front support system ejacking systems ebore unin tail systems elogistics eseparation of soil and bentonite emeasurements emounting of lining elements eforward movement einterrupts 6 End of boring eend of tunnel part edemounting of boring unit 7 Finishing 8 Inspection and maintenance For every subprocess the question is posed: what might go wrong? Key items to be considered are: - the supply (quantitative, qualitative) to the subprocess
15
- the outlet/removal from the subprocess - the machinery used - the measurements done - human errors made
In addition the structure itself, loading conditions as well as failure modes for the ever changing configuration, have to be followed in every stage of the building process. Consequences of failure can be related to:
a
b
c
d
e
Increase of construction costs: * level 1: moderate exceedence of budget, say < 10 million Dfl * level 2: extreme exceedence of budget, say> 10 million Dfl Increase of construction time: * level 1: moderate violation of planning, say less than 6 months * level 2: strong violation of planning, more than 6 months Decrease of quality of final product: * level 1: violation of specifications * level 2: significant loss of functionality Human safety: * level 1: health risks, violation of safety regulations * level 2: casualties, catastrophes Environmental impacts (damage to houses, pollution of soil, etc.) * level 1: repairable damage, violation of regulatory tolerances * level 2: unrepairable damage, pennanent decay of environment
The project aims in finding likelihoods for various intensities of the consequences depending on the circumstances and safety measures typical for a particular project. As classes of likelihood we think of the following verbal or numerical classes. Very likely
1
Not very likely
10-1
Possibly
10-2
Unlikely
10-3
Very unlikely
10-4
Negligible
10-5
The typical circumstances we are thinking of are a river crossing and an urban environment (see the sketches on the next page). The drilling method may be either EPB or Slurry Shield Method.
16
ill
River crossing cross section 2 0 13 m length 2 km depth 24 m
(2) Urban environment cross section 2 0 8 m length 10 km depth 2.5 m
17
Annex 2: General Aspects INTRODUCTION
In the first stage of the study fault trees have been constructed and analyzed. Based on rough and intuitive estimates of probabilities of failure at an aggregate level, the most risk contributing events have been identified. During the present stage of the study it is aimed to improve the risk analysis with the help of expert opinions. Information about the general set up of the risk analysis is given in Annex I. QUESTIONS TO BE DISCUSSED DURING THE INTERVIEW 1
Are you aware of similar ongoing or completed risk analyses somewhere analyses heen puhlished, or are they accessible otherwise?
2
What is your opinion about the set up of our analysis?
3
The following activities or systems are selected as the most important probability offailure is high or the consequences are large:
else? Have these
risk items, i.e. either the
-starting of the boring process - boring - bore front support -bore unit tail system -logistics - mounting of lining elements -interupts Do you agree with this selection?
4
18
Do you have relevant quantitative information during tunnel construction processes?
on the occurrence
of accidents and break downs
Annex 2: Geotechnical Aspects INTRODUCTION
In the first stage of the study fault trees have been constructed and analyzed. Based on rough and intuitive estimates of probabilities of failure at an aggregate level, the most risk contributing events have been identified. During the present stage of the study it is aimed to improve the risk analysis with the help of expert opinions. In this annex the questions to geotechnical experts. Geotechnical aspects which have been identified as the most risk contributing in the first analysis are:
1 2 3 4 5
instability of drilling front and related aspects such as blowout, piping etc. uplift of the tunnel tube occurrence of obstables which may interrupt the drilling process (tree-trunks, boulders, unexploded bombs, remainings of anchors, foundations, etc.) incorrect estimation of required jack forces or reaction forces excessive settlements and deformations of the soil in the vicinity of the tunnel
In this study risk is defined as the probability of occurrence of undesired consequences of failure events. The top undesired have been defined in annex 1. QUESTIONS Question 1 (general): Are there other geotechnical aspects which may be more risk contributing than the items listed above? Could you, based on experience or engineering judgement, rank the list of geotechnical aspects in order of decreasing likelihood of occurrence; could you assess indicative estimates of likelihood (see table in annex 1). Could you, assuming the occurrence of each of the risk sources 1 to 5, give indicative estimates of the likelihood of occurrence of each of the ten consequences mentioned in annex 1? According to your experience, which geotechnical aspects were involved in real occurred failures in the past?
Question 2 (concerning instability of drilling front): Instability of the drilling front may occur during various activities of the building process. Main activities are: drilling 11 construction of lining 111 interrupts of drilling process (front supported by slurry pressure, during regular or irregular maintenance or repair) IV interrupts of drilling process (front supported by air pressure) According to your experience or judgement, instability of the drilling front? Potential causes have been identified:
a b c d
19
occurrence of piping supply/removal of bentonite slurry in disorder sealing of shield inadequate stability of front inadequate
which main activities may involve the greatest risks of
e f g h J
significant loss of bentonite slurry consistency of slurry or additions inadequate control system fails human errors capacity of system inadequate blowout (during air pressure support) Is the list of potential causes correct and complete; what may be other causes? Which are the most important causes for front instability, according to your experience? Could you arrange the list in order of decreasing likelihood? If possible, distinguish between different situations, such as (very) soft soil conditions like in Holland and other soil conditions. Occurence of a potential cause does not necessarily imply occurrence of instability. Could you indicate likelihood of implication for each of the potential causes? According to your opinion, are well developed and verified calculation model available? Is it possible to detect initial unstable behavior of the drillingfront; which counter measure may be effective to stabilize? How effective are these counter measures (in terms of likelihood of success)?
Regarding the effects of instability of the drillingfront: What are the (possible) consequences of instability? Are mitigating measures possible and how effective are they? Are well developed calculation models available to predict settlement and deformations of the soil, as a consequence of unstable behavior of the drillingfront?
Question 3 (concerning uplift of the tunnel tube): Could you think of situations in which uplift of the tube is an uncontrolable risk? How likely is this mechanism to occur? What may be the consequences of uplift and can mitigating measures be taken?
Question 4 (concerning obstacles during drilling):
What kind of obstacles pose serious problems? Are they allways removable? What are the procedures for removal? What kind of risks are involved? In what kind of areas (or deposits) can obstacles be expected, and how likely may they cause problems? Are good survey methods available or under development to detect obstacles in advance?
Question 5 (concerning incorrect estimation of required iack and reaction forces): According to your judgement, is this an important source of risk? Could you think of soil conditions in which it may be important and soil conditions in which it is not? Are, according to your opinion, well developed and verified calculation models available? Has it, according to your knowledge, ever played a significant role in tunnel projects? If so, did it concern incorrect estimation of required jack forces, or required support forces? What were the causes and what were the consequences? How would you indicate the likelihood of occurrence of this source of risk and how would you the likelihood that it affects the consequence items a to d, listed in the introduction.
20
Question 6 (concerning environmental
impacts):
What magnitude (~f' settlements may he expected regularly? What magnitudes could he characterized as excessive? How likely do excessive settlements and deformations (~lthe soil imply the undesired consequenses listed in the introduction. What measures can he taken to limitate or control settlements and deformations of the soil in the vicinity (?f'the tunnel? What may he the most important causes of excessive settlements or deformations? How likely are they to occur, especially in very .wdi soils? Are well developed and vert/ied calculation models availahle to predict settlements and deformations? Is it possible to detect initiation (~f'excessive settlements and deformations in an early stage?
21
Annex 2: Construction aspects/relation labour-conditions INTRODUCTION
In the first stage of the study fault trees have been constructed and analysed. Based on rough and intuitive estimates of probabilities of failure at an aggregate level, the most risk contributing events have been identified. During the present stage of the study the aim is to improve the risk analysis with the help of expert opinions. This annex contains the questions to experts on the subject of construction. The activities considered for the construction aspects are given in table 1.
PREPARATION (A)
CONSTRUCTION (B tJm G)
Preparation (B)
- pennits - planning
- production of lining elements
Building of shafts (C)
INSPECTION AND MAINTENANCE (H) Start of boring process (D)
Boring (E)
End of boring (F)
Finishing (G)
- mounting of boring unit
- boring
- start of the
system - measurements of aligmnent
- end of tunnel part (passing of shaft wall) - demounting of boring unit - turning of boring unit
- making of lateral connection
boring process (passing shaft wall)
- bore
ftont support
- forward
movement
Table 1: Activity scheme construction process bore tunnel construction aspects In this study risk is defined as the probability of occurrence of undesired consequences in failure events. There are five kinds of consequences distinguished in two levels. For the consequences and the discerned levels see annex 1. The construction aspects contributing to the risks as preliminary by us discerned are: 1 2 3 4 5
organisation en logistics polluted soil damage to underground structures non foreseen obstacles damage to nearby objects
22
QUESTIONS Question lA (general)
a b c d
Are there any constroction aspects which may be more risk contributing than the items listed above. Could you, based on experience or engineering judgement, arrange the aspects in order of decreasing contribution to the possibility of failure? Could you, assuming the occurrence of each of the constroction aspects risk sources 1 to 5, give indicative estimates of the likelihood of occurrence of each of the consequences. According to your experience, which constroction aspects were involved in actual occurred failures in the past.
Questions
IB (general)
For the in questions 2-6 considered activities (risk sources), there are five general questions: a Are there other activities which may be more risk contributing than the items listed above? Are there any other possible consequences which may occur? b Could you, based on experience or engineering judgement, arrange the activities (unless there is only one) in order of decreasing contribution to the possibility of failure; could you assess indicative estimates of likelihood (for the classes of likelihood to consider see annex 1). c Could you give other causes for problems in the mentioned activities? Could you, assuming the occurrence of each of the activities, give indicative estimates of the likelihood of occurrence of each of the consequences (for the classes of likelihood to consider see annex 1). d According to your experience, which activities were involved in real occurred failures in the past? e Which measures can be taken to prevent the consequences? How effective are these counter measures in terms of likelihood of success. f Which measures can be taken to minimize the effects of the consequences, under the condition that failure has occurred? Question 2 (organisation and logistics)
The next activities concerning the aspect organisation and logistics are divided in the possible causes of problems (in brackets behind the activities): a getting permits (late application, unfamiliarity with all necessary permits, slow processing of the permit delivery) b planning (protests, blockades, unfamiliarity with the type of work and the circumstances) c production of lining elements (design parameters too late, production errors, bad moulds) d mounting of the boring unit (damages during transport, late delivery) e start of boring (seal block too strong or too weak, IBM too weak) f boring (insufficient possibilities to remove soil due to insufficient capacity of the waste storage or missing permits) g bore front support system (pressure checks insufficient, failure supply support fluid) h measurements of alignment (mistakes) k forward movement (insufficient material at the site) 1 end of tunnel part (seal block too strong, TBM too weak) m demounting of boring unit (damage to TBM, carriages or shaft) n turning of tunnel boring unit (damage to TBM, carriages or shaft) 0 making of lateral connection
23
Question
3 (polluted
soil)
If there is polluted soil or water detected during the construction, there might be problems concerning removal of the soil. The next activities concerning the aspect of polluted soil are discerned, with between brackets possible causes of problems:
a
boring (removal of soil problematic, no permits, no waste storage)
Question 4 (damaging of underground
structures)
The next activities concerning the aspect of damaging of underground structures are discerned, with between brackets possible causes of problems: a boring (boring unit too near to the underground structures) b bore front support system (blow-out, piping, failure supply of support fluid: all causes can lead to settlements with, as a result, damaged structures) Question
5 (unforeseen
obstacles)
The next activities concerning the aspect of unforeseen obstacles are discerned, with between brackets possible causes of problems: a boring (unforeseen obstacles) Question 6 (damaging of nearby objects)
The next activities concerning the aspect of damaging nearby objects are discerned, with between brackets possible causes of problems: a b
24
boring (stress release of the soil at the bore front) bore front support system (blow-out, piping, failure supply of support fluid: all cause can lead to settlements with as a result damaged structures)
Annex 2: Structural aspects INTRODUCTION
In the first stage of the study fault trees have been constructed and analyzed. Based on rough and intuitive estimates of probabilities of failure at an aggregate level, the most risk contributing events have been identified. During the present stage of the study it is aimed to improve the risk analysis with the help of expert opinions. This annex deals with the items concerning the structural aspects of tunnel linings. The aspects which have been identified as the most risk contributing in the first analysis are:
2 3 4
Failure of the tunnel lining by reaching an Ultimate Limit State, caused by (almost) collapsing of the lining. Failure of the tunnel lining by reaching a Serviceability Limit State, caused by extreme leakages. Failure of a tunnel segment by reaching an Ultimate Limit State, caused by jack forces. Failure of a cross passage between two tunnel tubes by reaching a Limit State, caused by instability, collapsing, extreme leakages, extreme deformations, local failure.
Questions A) Concerning general aspects: Are there other structural aspects which may be equal or even more risk contributing than the ones in the above-mentioned list? Please arrange this list in order of decreasing likelihood of occurrence, using the table of annex 1 containing the indicative estimates of likelihood. Please give, assuming the occurrence of each of the above-mentioned risk sources 1 uk 4, indicative estimates of the likelihood of occurrence of each of the ten consequences mentioned in annex 1.
B) Failure of the tunnel lining (ULS): Failure of the tunnel lining with regard to the ULS concerns (almost) collapsing of the lining by exceeding stresses, due to extreme loads combined with a poor material or system, or local failure by peak stresses. Can you give exact definitions of failure of the tunnel lining, a segment or a zone with regard to the ULS ? Linings can be built up in many ways, elementary choices concern amongst others:
... . .
Concrete (segments/ extruded) or steel Single or double Number of segments, location of the key-stone key segment Type of radial joint; application of bolts Type of circumferential joint; number, location and characteristic
of joints
Which are the most preferable lining built-ups for situations in the Netherlands during construction, during different construction stages. Could you list thefailure of these systems in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the estimates of the likelihood of occurrence of the consequences. See also item A) for the method. 25
Which calculation models are suitable for the above-mentioned system'). How do these models coincide with reality, in term\' of likelihood of success? Could you list the important influences (specific loads, unexpected soil conditions. influence of the second tube, tolerances etc.) influencing failure in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the likelihood of consequences. Which measures can be taken to prevent and detect these influences, how effective are these counter measures in term'i of likelihood of success? Which measures can be taken to minimize the effects of the consequences, on the condition that failure has occurred?
C) Failure of the tunnel lining (SLS): Failure of the tunnel lining with regard to the SLS concerns more leakages than expected, due to poor joints combined with extreme deformations. Can you give an exact definition of failure of the tunnel lining with regard to leakages? In what way are these related to deformations of the lining? The remaining questions of B) apply here as well. Thereby these questions concern not only the system'i in general (with regard to the global deformations), but the joints as well (with regard to the local details). D) Failure of a tunnel segment (ULS):
Failure of a tunnel segment with regard to the ULS concerns local failure by peak stresses, introduced by extreme jack forces during tunnelling combined with a poor material or configuration of segments. Please give an exact definition of this failure, which mechanism'i can be distinguished?
Elementary choices concerning the structural system with regard to jacking are amongst others: . Number and place of jacks, configuration of connections, placing of bolts . Intermediate material between jack and segment Configuration segment (shape, steel bars, fibres, steel stiffening plates)
.
Are there other elementary choices which are not mentioned in the above? Which are the most preferable system'i during different construction stages (for situations in the Netherlands). Could you list the failure of these system'i in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the estimates of the likelihood of occurrence of the consequences. Which calculation models and codes are suitable for the above-mentioned system'i. How do these models coincide with reality, in term'i of likelihood of success? Are only extreme jack loads calculated, or are there more sophisticated methods? How would you indicate the likelihood of exceeding this calculatedjack load in practice? Could you list the important influences (extreme jacking loads, uneven jacking loads, other loads, tolerances etc.) influencing failure in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the likelihood of consequences. Which measures can be taken to prevent and detect these influences, how effective are these counter measures in term'i of likelihood of success? Which measures can be taken to minimize the effects of the consequences, under the condition that failure has occurred?
26
E) Failure due toj.I)1~_~i!!gta cross passa~e between two tunnel tubes (ULS):
Failure due to (making) a cross passage between two tunnel tubes with regard to the limit states concerns failure caused by instability, (almost) collapsing, extreme leakages, extreme deformations, local failure, etc, in several construction stages. Failure is due to extreme stresses and deformations combined with poor materials and structural systems. These systems concern the cross passage, as well as the changed system of the tunnel tubes. Please give exact definitions of this failure, subdivided passage itself and the connecting tunnel tubes.
in ULS and SLS, and in the cross
The elementary choices concern from a structural point of view: Deviating tunnel rings, see also B) for elementary choices. Soil improvement (method, building stages, structural system). Transition construction between tube and cross passage (method, building stages) Lining cross passage, see also B) for elementary choices. Are there more elementary stages/ sub-systems than the ones mentioned above? Please indicate the most preferable systems for dutch circumstances, during different construction stages. Could you list the failure of these systems in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the estimates of the likelihood of occurrence of the consequences. See also item A). These lists should concern a system as a whole, as well as the above-mentioned stages/ subsystems. Which calculation models are suitable for the above-mentioned systems. In what way do these models coincide with reality, in terms of likelihood of success? Please distinguish between an entire system, and the stages/ sub-systems mentioned above. Could you list the important influences (unexpected loads, incorrect soil improvement, tolerances, etc.) influencing failure in order of decreasing likelihood of occurrence, as well as the likelihood of consequences. Please subdivide to the above-mentioned stages/ sub-systems. Which measures can be taken to prevent and detect these influences, how effective are these counter measures in terms of likelihood of success? Which measures can be taken to minimize the effects of the consequences, under the condition that failure has occurred? In what way does making cross passages disturb the normal tunnelling, on the condition this system does not fail? With respect to the number of cross passages, could you list the estimates in order of the likelihood of occurrence of the consequences?
27
Annex 2: Mcchafli~~LA~Q<;ts INTRODUCTION
In the first stage of the study fault trees have becn constructed and analyzed. Based on estimatcs of probabilities offailurc at an aggrcgatc lcvel, the most risk contributing events have bccn identificd. During the present stage of the study it is aimcd to improve the risk analysis with help of expcrts opinions. In this anncx the qucstions concerning risks due to engineering and machinery failure rates and its consequences. The aspects which havc been identificd as the most risk contributing in the first analyses are:
1. 2. 3. 4. 5.
construction of Tunnel Boring Machine (TBM) on site; combined with (dis)mounting on other side oftunneI. process of boring maintenance: scheduled and not-scheduled electrical (power supply and power generation); electronics (monitoring and process control) miscellaneous (including hydraulics).
QUESTIONS: 1
General
*
Could you ir!form us about certain design criteria of the Tunnel Drilling Machine (abbreviated TBM)? This means the mechanical forces taken into account for designing the TBM for application in the Netherlands? If these criteria differ substantially, can you identifY the riskM?
*
If certain forces would be higher in reality, compared with the maximum forces used for calculation, what risks could this have on the safety aspects? Could you indicate these consequences? Could you indicate and validate the possibility of exceeding safety factors during operations in Dutch circumstances (please, use the indicators mentioned above).
*
2.
Construction of TBM on site During mounting, construction and dismounting on the building site (on both sides of the tunnel) of the TBM, the possibility exists that certain parts will be mounted (or connected) wrongly. That means to say: the construction of certain parts could be done in such a way that bolts will be overstressed, bearing housing mounted with the wrong torque, electronics mounted to the wrong voltage etc. etc. *
*
*
* 3.
According to your experience, could you indicate
the probability of some of these aspects? Can you, based on your experience, indicate if these errors have an effect on the risks involved in boring? Can you give an estimate of the influence of human errors during the construction phase on the quality of the TBM? Can you, based on your experience, indicate the influence of maintenance in the (dis)mounting of the TBM?
Process of boring
In general, during the process of boring, all mechanical installations should perform according to the design criteria. In case a part fails, it will be considered to influence a certain risk. Next to
28
that, it is possible to make a difference between the TBM itself (including all sorts of accessories) and the supporting activities such as power generation for the auxiliaries.
* *
*
* *
4.
In case the power supply fails, for example, then the diesel will have to supply the electrical power. Is operating under these conditions considered to he a difrerent risk than when a pump (?(the TBM hreak.\' down"! Can you estimate the risk involved when the TBM is working according 'to the hook' (that is: when new) and a situation just hefore scheduled regular maintenance"! (lthere is no d(frerence. please indicate the overall risk. Some parts (?l the TBM are considered to have a more then usual wear-and-tear. This could il!fluence the risk of a hreak-down. Do you have experience with this and how could we estimate the risk? Which risk factors are in overstressing certain parts during start-up or coast-down (?lthe installation? In order to keep risks (l event at an acceptahle level, would it he useful to monitor the material stresses during operating?
Maintenance In general: maintenance is a necessity, if scheduled and planned it keeps the installation in safe and good working order. However, all kind of risks are involved during service, inspection and maintenance.
* * *
* *
Based on your experience, can you inform us about the risks involved in maintenance, both scheduled and not-scheduled. Can you inform us about the risks of mechanical errors and/or failures (due to maintenance) versus human errors during maintenance activities? In the design phase, are these human and mechanical factors taken into consideration in order to by-pass them or in order to minimize the effects of them? Is it possible to give data on this? Can you estimate the number of errors, due to service, inspection and maintenance activities; can you relate them to consequences, bearing in mind the TBM. Unforeseen maintenance is usually triggered by some sort of trouble or breakage. Is there a difference in risk between regular and unforseen maintenance? Can you indicate these differences?
One of the main items in a TBM is the main bearing. Different forces are acting on it: radial, tangent, axial and torsional directions.
* 5.
Based on your experience, can you give an estimate of risks, and the consequences, of maintenance activities on this main bearing?
Electrical!
electronics
In today machines the electronics playa very important role: almost anything is measured, regulated and controlled during the boring process.. This means that the risks of a failure (even in a fail-safe design) in this system almost certainly will have effects on the safety of the installation.
* * *
*
29
Is there a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) for the electrical and/or electronic circuitry? Do you think it is necessary and/or useful to do so? Which parts are critical in case offailure? Please indicate risk factors. What precautions have been taken in order to minimize the effects of possible failures? Can you give information concerning the fail-safety of the electrical/electronic system?
6.
Others In the complexity of a TBM a lot of different system are combined, from the mechanical point also 'others' playa role. The TBM is an integration of different machineries, so within 'other' following aspects are meant: hydraulic system, pneumatic system, monitoring system etc. * * *
B.6.2
re there any items you think (~fto be of risk other than the ones mentioned in par 1 till 5 '! Ifso, can you quant(fj; the risk.\' (~{these? Is it possible to name the cause and efFect on the safety and casualties aspects, the costs, the environmental effects, the quality and delay aspects?
Samcnvattingen
van interviews
Overzicht: Expert Expert no. 4
Onderwerp Algemene aspecten
Expert no. 5
Algemene aspecten
Expert no. 6
Algemene aspecten
Expert no. 9
Algemene aspecten
Expert no. 1
Geotechnische
aspecten
Expert no. 2 Expert no. 3
Geotechnische Geotechnische
aspecten aspecten
Expert no. 9
Uitvoeringsaspecten
Expert no. 7 Expert no. 8 Expert no. 10
Uitvoeringsaspecten Uitvoeringsaspecten Constructieve aspect en
Expert no. 1 ]
Constructieve aspecten
Expert no. 13 Expert no. ] 2
Werktuigbouwkundige Werktuigbouwkundige
30
aspecten aspecten
Interviewers A. Vrouwenvelder S. van Kinderen A. Vrouwenvelder S. van Kinderen S. van Kinderen A. Vrouwenvelder E.Calle F. de Haas E.Calle W. Molendiik E.Calle E.Calle W. Molendiik F. de Haas E.Calle F. de Haas F. de Haas J.Jansen S. van Manen J.Jansen A. Vrouwenvelder H. van Tienhoven H. van Tienhoven
ALGEMENE
Datum Interviewers
AS!)I~CTt~~~I\rv1EI'1.Y ATTING INTERVIEW
EXPERT NR. 4
: 10 april 1997 : A. Vrouwcnveldcr (TNO)/ S. van Kindcrcn (RWS)
--- --- --- --- ---- -- --- - -- - -- - -- - --- -- - -- --- --- - -- --- --- ---- --- -- --- --- - --- -- --- --- ---
-- - -- -
--- - --
-- --- --- - ---
--------General: The work of expert's
linn is to evaluate damages related to building construction activities and to lind
out whether insurance companies have to pay, given the nature of the damage and the text of the insurance policy. Doing this work expert finds himself involved in a large number of cases, including many tunnel danlages. Most of the infonnation, however, is highly confidential. No company is happy to show mistakes and losses open to the public. Expert's finn does not give advice on premiums and policy contents. It seems that the premium for tunnel boring is in the order of I .5 percent, which is nonnal for building activities. This could indicate that tunnel boring is not considered as a particular extreme risky activity for the insurance business. However, maybe insurance companies have not a very good insight into the risks of tunnel boring. For this infonnation it might be worthwhile to contact the "Ruckversicherungen" in Miinchen and Zurich. One should also keep in mind that not all damage is covered by the policy: e.g. bad design or bad workmanship are not covered. This means that the insurance companies do not pay for all the losses: in some cases the losses are paid for by the owner or the contractor. So the actual losses may be higher. In most insurance policies placed currently, the defective element of design or workmanship is excluded, but damage which occurs to other (previously sound) components would be covered.
Damage to the TBM can be insured. The real problems come when it appears that no physical damage has occurred to the TBM or the "Works" (i.e. the tunnel lining etc.). This may occur where misalignment or sinking ot the TBM is encountered. The Contractor will still have to spend money to rectify the situation, but in the absence of physical damage, the policy may not operate About our project:
Expert showed appreciation for the risk analysis approach as carried out by CUR COB N51O. In his opinion such an activity should in fact have already been started a long time ago. All activities of the "top ten risk list" are recognised as being important. As an order of importance in consequences is suggested: 1 starting of the boring process (including the learning curve) 2 bore front support 3 boring (settlements) 4 interrupts other items: no preference Some specific remarks:
A broken down boring machine is indeed one of the major risks. In those cases it may be very difficult to do something about it. One may need to build a special shaft to find access to the defective machine. This may be extremely costly if the defect machine is under buildings or under a river. It may be better to
have a machine that can be demounted into pieces and replaced by transport through the tunnel.
Interrupts may lead to:
31
set up processes in the ground which may give problems when restarting the boring process. more settlements: to reduce the settlements it is best to go as last as possible. problems with the tail system when the grout is hardened.
Due to problems with the boring projeet, something in the environment could be damaged and clailT!~ can be put in. Sometimes claims are put in years after the project is finished. The normal grouting (which fills the annulus between the outside of the lining and the soil) should be done as soon as possible after the TBM has passed. It should not normally result in any pressure on the TBM. The longer the delay in filling this annular void with grout, the more the ground will move inwards, and hence the more settlement will show at the ground surface. Hence the best results are obtained when forward progress is rapid, and the void is filled very shortly after it has been created. Compensation grouting beneath buildings to compensate for anticipated settlement is a separate activity, which would occur in a different area. Ideally it should be done continually from when the "S" wave first reaches the building, ahead of the TBM, until after the TBM has passed, and any settlements from the tunnel construction have had time to reach the ground surface. Unfortunately, it seems that compensation grouting close to the line of the tunnel can throw extra stress onto the TBM as it approaches, which leads to difficulties in controlling the TBM itself. Hence in some cases the client has prohibited compensation grouting from being carried out while the machine is within the 'zone of influence' of the compensation grouting operation. Normal back-grouting of the tunnel lining as it is erected would of course continue. The problem is that when the TBM is close to the building, is exactly when the most critical requirement for compensation grouting arises. If the TBM passes by very quickly, it is possible to jack the building up high just before the machine arrives, and the "catch" it again after the machine has passed, but before too much settlement has occurred. If there is an interruption to progress while the machine is very close to the building, then of course you have the worst possible combination, and damage is likely to occur.
Considering the start of the boring process one should always keep in mind that there is some kind of learning curve. Every project has something new and special: it may be the ground, the machine, the (skill of the) crew, the machine or some combination. In fact, one should consider the delays in the first few hundred meters as something regular. Good alignment can be very important with respect to the quality of the tunnel.
The lining is vulnerable while it is being handled on its journey from the surface into its final position in the tunnel. Rubber seals placed on the mating edges of the lining can be damaged by small impacts, resulting in leaks that can be very difficult to seal. The tunnel environment immediately behind the TBM must be kept clean so that no debris becomes trapped between the mating edges of the lining when it is assembled. Debris (small stones) can create stress concentrations that severely damage the lining (especially concrete linings). Uneven loads from the hydraulic rams of the machine can damage the lining. This often occurs when the TBM is being corrected after going off-line, and is a problem that often befalls an inexperienced crew at the start of a tunnel drive. Additional
items:
Missing in the list of most risky activities is the process of entering the end shaft. In one project the penetration of the end shaft wall happened under an angle which exceeded the tolerance. This damaged
32
the sealing system and cause water and ground to enter the shall. next there was some small damage to surface buildings, which however, easily could have been more. Health and Safety Dep
Damage to other underground infrastructure may be an important risk. In London in particular old masonry sewers gave lots of concern. Vibrations due to drilling activities arc often claimed to cause damage to buildings above. In most cases the claims prove to be incorrect. To prove this incorrectness,. however, may require quite some skill. Recommendations: Contact the Ruckversicherungen in Munchen and Zurich. Read "Austrian way" papers in Tunnels and Tunnelling. Read "Great Belt documentation" in the New Civil Engineer, May 96. (Note: The Great Belt project had 5 years of delay: 2 years because of fire and flood, 3 years because of numerous smaller items).
33
ALGEMENE
Date Interviewers
ASYIK.:TEN
- SAMENV
ATTING INTERVIEW EXPERT NR. 5
: 21 april1997 : A. Vrouwenvelder (TNO)/S. van Kinderen (RWS)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------General Expert
has been involved with risk analysis of:
- the Great Belt tunnel; - the Fehmam Belt tunnel; - the Copenhagen metro.
The Great Belt tunnel is now almost completed. It wiII be opened in June 1997. A book describing allimportant aspects will be published next month.
Expert
wiIIlet us know. The key numbers for the Great
Belt are: - the building time for the great belt was more then 7 yr. in stead of 4 yr. planned; - the costs were 5 billion Danish crowns in stead of 3 planned.
The other two projects are in the prepatory stage. Expert's firm assists the client (city, government) in risk related aspects. The procedure is as follows: 1. 2. 3. 4.
5.
expert's firm develops a risk policy; a contractor is obliged to make a qualitative risk analysis when tendering (the contractors have to present their construction in such a way that expert can make a risk analysis); expert compares the work of contractors to the basic document. based on this infonnation the quantitative risk is estimated and this is put as an 'add on' to the tender sum. Such add on may be 10 or 20 percent of the tender sum. The proposal having the lowest sum of risk and price is preferred. The basic idea is that as far as large risks are concerned the client has to take them anyway; after award of the contract, the selected contractor has to produce a detailed and quantitative risk analysis for the method, machine and constructions that has been chosen; mitigating measures shall be indicated.
The approach that is followed is similar to the possible failure modes and consequence classes and risks are added. Differences are: expert has assumed to be present and the analysis of expert
one followed by CUR COB N500. First a list with allis considered (see annex). Then numbers are estimated not produced a complete fault tree (only "OR gates" are is for a specific case, not a generic one).
About our project
As far as the numerical values are considered, no specific infonnation can be given, as most data is
confidential.However,expert is willingto have a look at a number of our estimatesand give comments to that. As part of the meteor project a data reference bank has been set up, containing infonnation about all kind of delays and additional costs for about 100 tunnel projects. Unfortunately this data bank is confidential. There are always risks (additional costs) which are not arranged in the contract. When delay is translated into costs, this can be the biggest part of the risk.
34
Damage to personal properties may have an emotional value; mere economical evaluation of the repair costs may underestimate the real problem. Do not divine the consequences of damage in money only because not only the damage is important but the psychological (and political) effect as well. Environmental problcms can cause trouble.
The most important risk is to have a machine that is not optimal for the ground condition. This is especially important when thc TAM has to handle different soil conditions. This may lead to more and longer stops and maintenance than planned. Much attention have to be paid to get right and proper procedures for maintenance. Another very important risk is the break down of the main bearing.
Logistics and mounting of lining is considered as not so important from a risk point of view: this may cause problems indeed, but never extreme ones that can not be solved with relatively simple changes. Risks to persons should be subdivided into risk to workers and risk to third parties. Recommendations - Have a look at the Great Belt Book; - Let expert have a look at our numbers.
35
ALGEMENE AS.P!i(TEN - SAM ENV ATrING INTER VIEW EXPERT NR. 6
Datum Interviewers --
: 3 april1997 : S. van Kinderen (RWS-BD)/A. Vrouwenvclder (TNO)
-- --- --- --- --- - -- - --- -- - -- --- --- ---- -- - -- ---
-- - -- - -- --- --- - --- -- --- --- --- --- --- --- - -- ---
-- - -- --- - -- --- ----
--------Algemene Opmerkingen:
1.
Risico-analyses moeten vaak in een zeer vroeg stadium worden uitgevoerd, bijvoorbecld als de aannemer en de uitvoeringsmethode nog niet vastliggen t.b.v. politieke besluitvorming, financiering e.d.. In zo'n vroeg stadium is de risico-analyse gebaseerd op statistische informatie, literatuur en expertinschattingen.
2.
Een belangrijke rol van de risico-analyse is dat ontwerpers en uitvoerders cr zelfmee bezig zijn en aetief nadenken over de uit te voeren werkzaamheden, wat daar mis kan gaan en wat daar aan te docn valt, zowel voorafals tijdens. Het handboek moet niet proberen of pretender en deze taak over te nemen.
Opmerkingen over het rapport/risico
3.
inventarisatie:
Expert is van mening dat uiteindelijk vrijwel al1e onge1ukken of vertragingen zijn terug te voeren tot fouten in de organisatie en communicatie. Technische risico's en onge1ukken zijn daar doorgaans een afge1eide van. Er is geen splitsing tussen technische en niet-tcchnische risico's te maken. De oorzaak van 'technische' ongelukken is ze1den zuiver teehnisch. Vaak zijn deze toe te delen aan logistiek en dat is weer te wijten aan organisatie en communieatie. 'Human factors' hebben een hele grote invloed op de risico's. Voorbeelden zijn: verkeerde rege1ing van de verantwoordelijkheden van onderaannnemers organisatie van opdrachtgever en aannemer niet goed afgestemd. te grote koppeling van dee1processen geen mogelijkheden tot correctie ontbreken van buffcrzones
en toeleveranciers.
In het voorstadium is daar iets aan te doen hierop alert te zijn en ook door bijvoorbee1d bij minder ervaren aannemers rekening te houden met extra risieo' s. Naarmate projeeten groter worden (met name langere tunnels) worden deze zaken steeds belangrijker. Door eventue1e prijsconcurrentie (en een lagere prijs) kunnen de risieo's toenemen. Tijdens uitvoering is het be1angrijk dat niet meerdere partijen verantwoorde1ijk zijn voor verschillende onderdelen van een kritiek punt in de uitvoering. 4.
36
Een van de be1angrijkste knelpunten ten aanzien van de algehe1e voortgang in technische zin is de afstemming van de boormachine op de grondconditie. De oorzaak kan zijn dat de grondkarakteristieken niet (goed) bekend zijn of dat de karakteristieken bekend zijn, maar geen goede afstemming verkregen kan worden. Als daar een fout wordt gemaakt kan dat gemakkelijk een factor 2 a 3 op de voortgang schelen. In sommige geval1en heeft men ze1fs een boorkop vervangen of aangepast via het bouwen van een extra schacht. Dit zijn natuurlijk kapitale kostenposten. In de ontwerpfase moet voldoende tijd worden ingepland om de afstemming optimaal te realiseren. De machines zijn in de loop der tijd veranderd. Dit omdat de grondcondities per project verschillen en doordat beter inzieht is verkregen.
5.
Het komt inderdaad wel voor dat (gepland) onderhoud niet op tijd klaar is en er daardoor dus verdere vertl"dgingen worden opgelopen of dat prablemen tijdens de onderhoudswerkzaamheden ontstaan. De onderbreking zelf hoeft geen problemen op te leveren. Ook het opnieuw starten na gcpland onderhoud hoeft niet voor prablemen te zorgen.
6.
Het doorborcn van de startschacht is cen kritiek punt, net als de staartafdiehting.
7.
In het lijstje van 'grootste risico's' mist, volgens Molenaar, de machine zelf. Verder zijn milieueisen een bran van eventuele prablemen (denk bijvoorbeeld aan het seheiden van bentoniet). Ook wanneer de randvoorwaarden van te voren niet volledig bekend zijn, kunncn prablemen ontstaan. Denk hierbij bijvoorbeeld aan regelgeving rand opslag van de ontgravcn grand, die in de loop der tijd kunnen vel"dnderen.
Aanbevelingen:
8.
Kijk nog eens in het KIVI-rapport (vooral hoofdstuk kosten, wanneer de kwantitatieve effecten van evenementen beoordeeld dienen te worden; uitgedrukt in vaste en variabele kosten).
9.
Kijk nog cens in de BTL studies over Blow Out en Zettingen. BTL studies bevatten duidelijk eIementen welke betrekking hebben op risicofactoren. Binnen BTL zou dit meer benadrukt moeten worden.
10.
Micratunneling prajecten zijn erg interessant voor studie naar de uitvoeringstechnieken van grate tunnels. De techniek en vooral het proces is zeer goed vergelijkbaar met boren van tunnels met grate diameter. De enige verschillen zijn het plaatsen van de lining en het feit dat grate diameters meer te maken hebben met het ontbreken van homogeniteit in de grandsoort.
Afspraken: 11.
Vrauwenvelder
12.
Expert gaat nog na of het rapport van Berenschot voor de WOV nog waardevolle elementen voor onze studie bevat, met name met betrekking tot kwantitatieve schattingen.
37
stuurt COB rapport.
ALGEMENE ASI~Ji(:'JEN - SAMENV KITING INTERVIEW EXPERT NR. 9
Datum Interviewers
: 16 apri I 1997 : E. Calle (GD)/ P. de Haas (SAT) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
Are you aware of similar ongoing or completed risk analyses somewhere analyses been published. or are they accessible otherwise?
else? Have these
Usually a project oriented (non-probabilistic) risk analysis is conducted for each project to a more or lesser extent. Respondent is not aware of completed or ongoing general probabilistic risk research studies. 2
What is your opinion about the set up of our analysis? Set up seems
complete. No suggestions for major improvements. For comments on details see
question 3.
3
The following activities or systems are selected as the most important probability of/ailure is high or the consequences are large:
risk items, i.e. either the
starting of the boring process boring bore front support bore unit tail system logistics mounting of lining elements interupts Do you agree with this selection?
Comments (see also annex 1 of letter of invitation):
1. Preparation of design Adequate (soil) survey during this stage of project is essential; most potential problems can be avoided if one is aware of geological environment, in situ soil conditions and relevant historical data. 2. Preparation of construction Production of lining elements: skill and expenence of sub-contractor is essential (moulds, concrete mix, logistics, etc.). Choice of TBM, cutter head: torque, adhesion of clay (change of adhesion properties of clay when mixed with slurry) Preparation of building site: choice of type and capacity of slurry separation unit.
3. Building of shafts Building of shafts (both start and target) is relatively often source of some initial time delay; e.g. in Heinenoord project difficulties with pulling of sheetpiles along sealing block. Inadequate watertightness of shaft walls. Risk of bad link up between building of shafts and start of boring process may be in the order of 10-2.
38
4. Start of borine process Start or boring process does not give real problems. General experience is that at lirst start progress is very ollen less than planned, but as the project proceeds lost time is fully recovered. 5. Borine process Time delay during the drilling process may be due to: ...
...
obstacles
gravcllboulders, if not foreseen: 80-100 mm potential problems with EPB; up to 150 mm through slurry pump; over 150 mm stone breaker. Quality of soil survey is important (awareness of geological conditions). ... adhesion of clay to the cutter head is not a significant delay factor nowadays, provided clay types have been recognized during soil investigation. Instability of drilling front: ... ...
(liquefied) sand pockets in clay layers loss of slurry in gravel pockets
Tail system: not really a problem; worn tail brushes should be replaceable. Logistics: not a significant risk. Interrupts: ... Interrupt time may be 15 % at the average ... ...
...
During interrupts mechanical support of front During air pressure support potential risk of blowout in case of thin ground coverage replacement of cutting teeth every 200 to 300 m., often planned at stabilized "stations" (not relevant for Dutch soil conditions, though planned as an excercise in Heinenoord project)
6. End of borin2 Target shaft: same potential problem as with start shaft.
4
Do you have relevant quantitative information on the occurrence of accidents and break downs during tunnel construction processes?
No general statistics. Sealing blocks of both start and target shafts do not provide adequate sealing in may be 50 % of the cases.
39
GEOTECHNISCIIE
Datum Interviewers
ASPECTEN - SAMENV ATTING VAN INTERVIEW EXPERT NR. I
: 9 april1997 : E. Calle (GO)/ W. Molendijk (GO)
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
General Comments: Usually project oriented risk analyses are performed in the design stage of a tunnel, though not to the extent of quantification in this project. Good soil survey and soil investigation is essential. Most of the geotechnical or related failures could occur because of lack of sufficient information on the subsoil. However, often rather poor survey is accepted in order to enable a competitive bid. Besides slurry shield driven, earth pressure balance (EPB) driven tunneling is an option. The advantage of EPB: no potential problems with face instability. However, measurement and control of the driling process is more difficult than in the case of slurry shields, because earth presssure measurement is less direct. This implies a higher risk of large settlements. Probing ahead should be standard procedure.
Comments to annex 2: Geotechnical Aspects Ouestion
1: General
(Italicsr~(er
to ql/estiolls
ill Allllex
2 Geotechllical
Aspects)
Other geotechnical aspects than listed in annex Most important aspects are listed
2?
Rankingof aspectin order of (decreasing)likelihood: 1 Excessive settlements and deformations (rather often) 2 Obstacles (shallow tunnels; rather often) 3 Loss of face control (slurry shield driven; may happen) 4 Uplift of tube (buoyancy forces: merely design problem) 5 Mis-estimated jack/reaction forces (merely design problem)
40
Implication
of'consequences: likelihood of conscqucncc
(givcn thc oCCUlTcnce of gcotechnicul
Increasc 0 I'Costs
Timc delay
Quality of final product
L1
L1
L1
Human Sa fcty
aspect) EnvimnIm:nt
-log(P) I)
2)
2))
Loss of face control
L2
I
4
I
Obstacles
I
I
1
Mis estimatcd jack forces
3
2
2
Excessive scttkmcnts
I
2
2
Notes:
& dej(Jrm.
L2
I
Uplift of tunnel tube
I) 2) )
L2
0
I
0
I
L1
L2
LI
2
I
2
2
I
I I
P = indicative likelihood of occulTenee L1 = level I, L2 = level 2 n means \0-.
Empty cells should be read as unlikely or very unlikely Assessment
of likelihoods
is interviewer's
interpretation
of discussion
Experienced failures/interrupts and causes: * Loss of face control * Uplift: uplift of 50 mm in grout bedding (slow hardening of grout in annular space) * Obstacles: - boulders (access to face is problem) - timber piles (sometimes remove by hand) - ancient foundations * Mis-estimated jack forces (install additional jacks) * Excessive settlements: have occurred in London (buildings are underpinned) * Excessive wear of cutting tools and shield * Fire in tunnel (overheating of machine) * Leaking of seals: high wear of machine Question 2: Loss of face control Activities involving greatest risk of instability of face: 1. Interrupts with air pressure support 2. Interrupts with slurry pressure (Remark: use locks on jacks to prevent drop of pressure in case of calamities) Potential causes: Other causes than mentioned in annex 2: * Wear of the machine (high push offforces) Most important cause: * Incorrect or not constant slurry pressure (monitoring and control system)
41
L2
Estimated likelihood
(?/'implication
(?lloss ojjace
-log{P)
Description
control:
Remark II
21
a
piping
0-1
definitely
b
supply/removal of sluny in disorder
2
may not
e
scaling of shield inadequate
2
may not
d
stability of face inadequate
0-1
by definition
e
signilieant loss of sluny
2
may not
f
consistency of sluny or additions inadequate
2
may not
g
control system tails
1-2
great threat
h
human emu'S
2
may not 11
i
capacity of syst(:m inadequate
3
not
j
blowout
0-1
by delinition
I) Qualilication by experts 2) Interpretation by intt:rviewer 1) Also: ignorance of procedures and instructions
Are well developed and ver(fied calculation models available? Yes, but they must be combined with good knowledge of the geology. Always keep man on the job to monitor possible differences of geology trom what was expected. How to detect initial unstable behavior and what counter measures may be effective? * probing ahead to detect (and avoid) potential trouble * loss of slurry, loss of air * suspension of soil/slurry is too thick * measured excessive settlements
Counter measures/precautions: * stabilize soil * provide airlocks in case of potential inundation of tunnel Consequences of instability? Increase of costs and time delay.
Are calculation model available to predict (excessive) settlements at the surface? Good models
(well documented)
available;
use of 3-D FEM
Question 3: Concerning Uplift Risk of occurrence is negligible, if properly designed. However, if it occurs it cannot be stopped. Likely huge consequences for costs, time delay, quality of final product. Threat to human safety and environment.
42
Question 4: ConCeI2ll.11J! Ohstacles
What kind (~lohstacles? * Boulders * Emerging bedrock * Piles and f()Undations
Proceduresfhr removal? * Remove by hand Survey methods to detect ohstac:les? * Groundradar not effective * Probing ahead Duestion 5: Concerning estimation of'iack/reaction
forces
/s this an important risk factor? Soil conditions are very important. Bad design may lead to damage of lining. However difficult design problem. Question 6: ConcerninJ! environmental
impacts
What magnitude of settlement can be expected regularly; what is excessive settlement? Rule of thumb: area of settlement trough equals 0.5-1 % off ace area. Excessive when more than double. Likelihood of consequences due to excessive settlements? * urban area: damage to buildings etc. Always make record of state of buildings before drilling. * rural area or below waterways: no significant consequences. Most important cause of excessive settlements? * loss of face control (frequency depends on geology)
Counter measures? * ground injection * ground freezing * compensation grouting * underpinning of buildings How to detect excessive settlements in an early stage? By surface monitoring before and after drilling (in London every 5 m). *
43
GEOTECHNISCIIE
Datum Interviewer -- -- --- -
ASPECTEN - SAM EN VATTING INTERVIEW EXPERTNR.
2
: 25 april 1997 : E. Calle (GD) --- - -- - --- -- - -- - -- - -- - -- - -- - --- -- - -- - -- - -- - -- --- - --- --- -- - -- - -- --- --- - -- - --- -- - -- --- - -- --- - -- - -- --- - -- - -- - -- ---
--------Duestion
1:
General
(Italics reli'r to 'Il/t',I'timl,I' ill Allllex 2 (ieotechllical
Other geotechnical
Aspects)
aspects than listed in annex 2 may be:
Problems due to variability of soil profiles: gravel layers: loss of bentonite slurry swelling (glacial) clays: high jack forces at restart clay types: adhesion to cutter head transportation of slurry mix: lumping of clay chips Ranking (~laspect in order (~l(decreasing)
I 2 3 4 5 6
likelihood:
Variability of soil profiles: 10-2 Obstacles: 10-2 Loss offace control: 10-3 Jack forces (damage to lining): 10-3 Excessive settlements/deformations: 10-3 Uplift: 10-4
Implication of consequences: likelihood of conscquence (given the occUlTenceof geotechnical aspect) Increase of Costs
Time delay
LI
LI
Quality of final product
Human Safety
L2
LI
L2
LI
I
a-I
2
Environment
-log(P) I)
2)
L2
Variability of soil profiles
21)
a-I
Loss of face control
3
a-I
Uplift of tunnel tube
4
I
Obstacles
2
2
Mis estimated jack forces
3
Excessive settlements
3
I) 2) 1)
Notes:
& dcfonn,
I
I
LI
L2
2 2
2
L2
2
I 2
P = indicative
likelihood of occUlTence LI = level I, L2 = level 2 n means I o-n
Empty cells should be read as unlikely or very unlikely Assessment
I
44
of likelihoods
of concequences
is interviewer's
interpretation
of discussion
Experienced failures/interrupts and causes: Experiences with small diameter tunnels (up to
2-3 m) only (sometimes poor soil investigation) Loss of face control due to: - human error (switch off bentonite pump) - design error (incorrect slurry pressure)
(frequency: 3 out of 30 cases) Effects & applied remcdials:
- shallow tunnel: shall ~ 2 m to surface (fill up shall, remove soil from chamber under air pressure) - deep tunnel (under waterway): excessive settlement 0.3 m under lateral road
2 Pipe jacking: damaged concrete pipe - leakage of water and sand - settlement of pile foundation due to decrease of soil stresses Question 2: Loss o(fcu:e control Activities
I 2
involving greatest risk oj instahility
(fface:
Interrupts with air pressure support Other activities equal risk
Potential causes: Most important cause human errors + failure pressure control system Piping only in combination with other causes (drop pressure) Estimated likelihood
oj implication
oj loss oj Jace control:
Description
-log(P)
a
piping
3
b
supply/removal of sluny in disorder
2
c
scaling of shield inadequate
d
stability off ace inadequate
0
by definition
e
significant loss of slurry (or air)
0
if+ i
f
consistency of slurry or additions inadequate
2
if+ b
g
control system fails
2
h
human errors
2
i
capacity of system inadequate
0
if+ e
j
blowout
2
air pressure
Remark
Are well developed and verified calculation Reliable calculation models are available
models available?
How to detect initial unstable behavior? * measured excessive settlement/displacements
Direct effects? * interrupt of process * settlement & deformations at surface (depending on depth of tunnel)
Measures? * increase support pressure * stabilize soil (injection or freeze), clear chamber and proceed Are calculation
45
model available
to predict
(excessive) settlements at the surJace?
Rules of thumb, based on balance of mass. Duestion 3: Concerninf! Uplift Design/maintenance problem (river morphology, dredging of waterways) Estimated likelihood of occurrence: 10-4 Direct effects: very likely damaged lining and leakage, possibly structural failure Duestion 4: Concerninf!
Obstacles
What kind of obstacles?
* *
Boulders (in glacial clays) Unexploded bombs in weak (holocene) clay and peatlayers
*
Remainings of dolphins in waterways
* Remainings of shipwrecks, anchors etc. below (former) waterways Procedures for removal? * Remove by hand (under air pressure) * Remove from surface (unexploded bombs) Survey methods to detect obstacles?
*
Geological
*
Historical research (ancient structures, bombing area's, etc.)
*
Under development: radar
research
(type offormation
and sediments)
* On suspicionof massiveobstacles:Seismic(crosshole) investigation.
Question 5: Concerning
estimation of iack/reaction
Is this an important
forces
risk factor?
No, if necessary, additional jack capacity can be installed; strength oflining yields limitation of allowable jackforces. Likelihood of occurrence and consequences? Likelihood of occurrence: 10-4(depending on preparation of design) Likelihood of consequences: very likely cost increase and time delay (level I), possibly decrease of quality (level I, damage to lining), likelihood of other potential concequences negligible. Duestion 6: Concerning
environmental
impacts
What magnitude of settlement can be expected regularly;
what is excessive settlement?
Normally up to 0.02 m, excessive when more than 0.05 m. Likelihood Urban
*
*
46
of consequences due to excessive settlements?
area: Likely high costs of repairs (level 1), Possibly time delay (level I): authorities may enforce precautions or stop construction process until adequate solution has been found Likelihood of other concequences negligible.
Rural area or below waterways: no consequences.
Causes (?(excessive settlements and defhrmations? '"
loss of nice control (I O'~)
'" settlement
at tail (10.2) (insufficient
grouting)
How to detect excessive settlements in an early stage?
Only by monitoring settlement
47
GEOTECHNISCIIE
Datum Interviewers
ASPECTEJ:\~-=-SAMENV ATTING INTERVIEW EXPERT NR. 3
: 3 april1997 : E. Calle (G)))/ W. Molendijk (GO)
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
General Comment: Soil survey and soil investigation is essential to avoid financial risks in building stage of bored tunnels. Many examples of mis-estimation of production or interrupts due to unexpected natural obstacles or soil compositions are available; at least part of it could have been foreseen if adequate soil investigation would have been conducted. Yet, soil investigation is too often considered as a cost item that should be diminished. For competitive reasons, the set up of soil survey plans is often minimal and sometimes insufficient to obtain good insight into the spatially varying character of subsoils. Reliable and objective standards for the set up of soil survey is strongly advocated. Comments to annex 2: Geotechnical Aspects Duestion
1: General
(Italics r~rer to qllestionsill Allllex 2 GeotechllicalAspects)
Other geotechnical
* * * *
aspects than listed in annex 2 may be:
speed of advancement
transportationand separationof soil and slurry (lumpingof clay chips in slurry) steering of the shield (especially in very soft soils) loads and reaction forces on lining (in cross sectional plane; estimation of soil parameters
)
Ranking of aspects in order of (decreasing) likelihood: 1 Occurrence of obstacles (both natural or men made): 10-1 2 Excessive settlements and deformations: 10-2 3 Incorrect estimation of required jack forces: 10-2 4 Loss of face control: 10-2 5 Uplift of tunnel tube: 10-4
48
Implicatio11
()f'co11seque11ces: likelihood of conscqucncc (givcn thc occun'cncc of gcotcchn. aspect) Increasc of Costs
Quality of linal product
Time delay
Human Safety
Environmmt
-log(P) I) 2)
L2
L1
L2
L1
L2
Ll
L2
Ll
1.2
0
2
0
2
2
3
I
2
2
3
L1 Loss of face control
2)
Uplift oftunnel tube 41
4
Obstaelcs (isolated)
1
I
3
I
3
2
4
I
3
2
4
Mis estimated jack forces
2
2
3
2
3
3
4
3
4
4
5
Excessive seUlcl11mts & dcltmn.
2
I
3
2
2
3
3
3
4
2
4
Not~'S:
I) 2) )) 41
P indicativc likelihood of oCCUlTcncc Ll ~Icvel1, 12 = Icvel 2 n means 10" has never occUlTed
Assessment of likelihoods of conccquences is interviewer's interpretation of discussion
Experie11cedfailures/interrupts
*
* * *
and causes:
Loss of face control due to: - (liquified) Sand lenses in clay matrix (Berlin) - loss of slurry in coarse gravel (Berlin) - loss of slurry in coarse fill (K6]n, Duisburg) Obstacles: - ancient foundations or structure parts (K6]n, Essen) - boulders (masses of] 00-150 mm stones) in clay (Berlin) - boulders harder than expected Excessive settlements: - various projects (Duisburg, K6]n, Berlin) Excessive mass extraction at front (Essen)
Question 2: Loss of/ace control Activities
]. 2.
involving greatest risk of instability
of face:
Interrupts with air pressure support Drilling (when meeting coarse material)
Potential causes: Other causes than mentioned in annex 2: * Sudden loss of bentonite (sand or gravel pockets) During remova] of big boulders * * Dry up of drilling face (air pressure support) Most important causes (see for designation of events table below): Respondent: j, b+e, i+b, c, a+j, f+b+e; ("+" means in combination with) Colleague: e, f, b, h, i, g, a,j, c
49
Estimated likelihood (?/'implication (d"/oss (dface control: Description
-log(P)
Remark
a
piping
3
air pressure Ihils?
b
supply/removal of slurry in disorder
2
e
scaling of shield inadequate
2
d
stability of Ihee inadequate
0
e
significant loss of slurry
I
f
consistency of slurry or additions inadequate
1-2
g
control system fhils
3
h
human errors
2
i
capacity of system inadequate
I
j
blowout
2-3
by definition
Are well developed and verified calculation models available? Yes, good experiences with Jancsecz's models. How to detect initial unstable behavior and what counter measures may be effective? * loss of slurry, loss of air * suspension of soil/slurry is too thick * measured excessive settlements Counter measures: * lowering water table * increase of pressure * use additives * stop process, stabilize soil Direct consequences of instability? * blocking of pipes: need higher pumping rate * blocking of cutter head: flush, or remove soil by hand * damage of cutting teeth: replace * break through to surface All involve increase of costs and time delay. Are calculation model available to predict (excessive) settlements at the surface? Rules of thumb, based on balance of mass. Question 3: Concerninf! Uplift Uplift is merely a design problem; potential risks may be: * human errors in the design * failure of monitor ingl maintaining weight of coverage (in water-ways) Question 4: Concerninf!
Obstacles
What kind of obstacles? * Boulders (unforeseen massive big stones or, worse, packages of smaller stones 150-200 mm)
50
'" Emerging bedrock '" liard stones (harder than expected) '" Tree trunks (especially when parallel to tunnel axis) '" Unforeseen clay in sand matrix (adhesion of clay to cutting disks, lumping of clay in slurry) '" Ancient buildings (concrete foundations) Whether an object is considered to be obstacle or not depends on type of eutterhead and capacity of TBM. Unexpected conditions of the soil, leading to continuous delay of advancement arc also considered as an obstacle. Proceduresfi}r removal? '" Remove by hand (under air pressure) '" Change cutting tools (under air pressure or slurry pressure) '" Change flush of slurry stream Survey methods to detect ohstacles? '" Geological
research (type of formation and sediments)
'" Historical research (ancient foundations, bombing area's, etc.) '" On suspicion of massive obstacles: Seismic (cross hole) investigation (under development). Question 5: Concernin~ estimation of ;ack/reaction Is this an important
forces
riskfactor?
No, generally resistance is over-estimated. If necessary, additional jack capacity can be installed; potential problem is strength of lining. Likelihood of occurrence and consequences? Likelihood of occurrence: ] 0-2 Likelihood of consequences: ] 0-2 "level I Cost increase", I 0-2 "level I Time delay", other concequences negligible. Question 6: Concerninf!
environmental
imvacts
What magnitude of settlement can be expected regularly; what is excessive settlement? Rule of thumb: area of settlement trough equals 0.5-1 % off ace area. Excessive when more than 2%. Likelihood of consequencesdue to excessivesettlements? '" in urban area: Almost surely repairable damage of buildings etc. * in rural area or below waterways no significant consequences. Causesof excessivesettlements and deformations? * overcut (some 10 %) * insufficient grout injection (some 10 %)
* insufficient slurry pressure
«
10 %)
* incorrecthandlingof steering « 10 %)
* soil losses due to instability of face (some I %) * stops of advancement/new starts (some 10 %) How to detect excessive settlements in an early stage? of settlements. * Only by measurement
51
UlTVOERINGSASPECTEN
- SAMENVATTING
VAN INTERVIEW EXPERTNR.
9
Datum Interviewers
: 16 apri 1 1997 : F. de I laas (SAT)/ E.O.F. Calle (GO) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Answers to the questions of annex 2 (Construction aspect/relation to labour conditions) Question 1A-a No remarks.
Question lA-b Construction aspects, in order of decreasing contribution to the possibility of failure for a river crossing: 1. unforeseen obstacles 2. damage to underground structures 3. organisation en logistics 3. polluted soil 3. damage to nearby objects The last three aspects in sequence were deemed negligible. Remarks concerning the above: 1. unforeseen obstacles: bombs will have to be removed from the surface; stones smaller than 0.8 m in diameter are not a problem, if the right machine, with the right cutting tools (discs), is chosen. Stones larger than 0.8 meter are not expected to be found in The Netherlands. Stones smaller than 0,15 m can be transported by pump. remains of dolphins 2. location of underground structures like pipelines in which dangerous products are transported will be well known. For such structures, sensitive to settlements, precautions can be taken to dig them out, so they can be visually inspected and might be monitored. Settlements might be corrected by jacking up the structure. polluted soil is not expected for a river crossing 3. 4. organisation and logistics are only expected to be troublesome for tunnels with small diameters (not for traffic tunnels) nearby objects are not present 5.
Construction aspects, in order of decreasing contribution to the possibility of failure for an urban environment: 1. polluted soil 2. unforeseen obstacles 3. damage to underground structures 4. damage to nearby objects 5. organisation en logistics Remarks concerning the ordering as given above: 1. the presence of polluted soil depends on the former use of the area. if proper research is done, the risks can be reduced. underground storage tanks might still be present on terrain formerly used for industrial purposes chemicals might influence the properties of the support fluid. This might lead to a loss of stability at the bore front. 2. unforeseen obstacles (stones, foundations) foundations
52
3. 4.
5.
ground research can never be a guaranty that no obstacles will be found sizes or stones are hard to determine based on ground research damage to underground structures damage to nearby objects soil loss should seriously be considered and effects on nearby structures should be analysed. logistics arc only expected to be troublesome for tunnels with small diameters (not for traffic tunnels)
Question lAc (Indicative estimates of likelihood of occurrence of each ofthe consequences)
costs level 1 level 2 time level 1 level 2 quality level 1 level 2 human safety levell level 2 environmental impact level 1 level 2
organisation &Iogistics
polluted soil
damage to underground structures
unforeseen obstacles
damage to nearby objects
5 5
3 5
2 5
2 5
3 5
5 5
5 5
5 5
5 5
3 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
2 5
5 5
5 5
5 5
5 5
2 5
5 5
5 5
Remarks concerning the table: 1. Organisation & logistics: if an experienced contractor is chosen, there will be no problems concerning this aspect. 2. Polluted soil: this will not lead to large delays. Depending on what should be done with the soil, the costs could be high. 3. Damage to underground structures: pipes can lead to dangers for human safety depending on the material, transported in them. Risks are small. 4. Unforeseen obstacles: maximum 48 hours delay (f13000/hour) risks for human safety are limited due to the mechanical support that is demanded. 5. Damage to nearby objects repairs will cost money if due to damages to nearby objects safety measures should be taken before the boring process can be continued, it will cost time & money. The risks are negligible. environmental impact depends on the transported materials. If the preparation is sufficient the consequences will remain in the range of level 1.
53
Question 2 (organisation and logistics) Cosl
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ]1 12 13
production of lining elclllcnts boring start of bOling
end of tunnclpart making oflaterul connl.'Ction
mounting ofborinl! unit bore front support system forward moveml.'IIt
turning of boring unit dismountinl! ofborinl! unit measuremcnts of alignlllcnt
Icvcll 2 2 2 2 4 5 5 5 5 5 5
Quality
Timc lcvel 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Icvell 2 2 2 2 5 5 5 5 5 5 5
Icvel 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Icvell 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Iluman salety level I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Envimnlllcntal
im act level I Icvel 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
getting pcrmits
planning
Remarks concerning the table:
1.
2.
3.
4. 5.
6. 54
Production of lining elements; the first two problems will occur when working with a producer with no former experience in production of lining elements. This is due to higher requirements for tolerances: bad moulds (has occurred) production errors (has occurred) design parameters always in time Boring: capacity of the separation plant can be too small. Soil properties can be estimated. However, due to the boring process the properties can be changed (more fine parts, sticky soil). waste can always be temporarily stored, when problems arise to deposit the waste break down of the boring unit. The largest problems occur when the main bearing breaks down. This is controlled by monitoring the bearing oil. If metal scraps are found in the bearing oil the bearing wears out and measures must be taken. concerning the boring unit, it is common practice in Germany to lay the responsibility for the bore machine with the machine builder. The risks will be for the contractor. The amount of requirements placed on the choice and design of the boring unit by the principal should be limited. Start of boring: in 50 % of the projects the seal block is not watertight (an alternative is to use sheet piles in a block. This improves water tightness, but can give problems when the sheet piles have to be removed). the bore machines are over dimensioned, there will never be a problem with boring through the seal block End of tunnel part: remarks made at point 3 also apply for point 4 Making of lateral connection: making of a lateral connection has no impact on the planning of the project. It might lead to higher costs if a method is chosen which cannot be realised. For one project the ground could not be frozen due to the groundwater current. Another method for making the connection had to be used; In this case injection was applied. if special lining elements are used at the position where the lateral connections must be made, then this might delay the process a little compared to the placements of the standard elements. Mounting of boring unit:
7.
8.
9.
10. 11. 12.
a bore machine can be lost, due to accidents (shipwreck for overseas projects) maximum weight and maximum sizes of the parts arc given by the builder. Position of the cranes can then be established. Bore front support system: variation of the soil properties (angle of internal friction) can lead to problems. Especially with a small earth cover of the machine. changing of tools will bc done approximately evcry 200 to 300 m. In Dutch conditions this might not be necessary. when the earth cover is small, the changing of the tools must be done without changing the support conditions. This can be done but takes a larger amount of time than the usual procedure. an other possibility of changing the tools is to make stations of injected soil in which the machine is stopped to do the planned maintenance at the bore ITont. Forward movement: good arrangements must be made concerning deliverance of elements to prevent delay in progress of the machine Turning of boring unit: turning of the boring machine is not often done. The length of the wiring and pipes doubles. In most projects the machine is disassembled in the end shaft and assembled in the start shaft. It is cheaper to transport the machine to the start shaft than to turn the machine. The start shaft is then for both tunnel tubes the shaft nearest to the separation plant. it has to be considered that the amount of material that has to be transported through the pipes is large, about 14 times the amount of removed soil. Measurements of alignment: with the modern equipment deviations can be limited to approximately 500101. Getting pennits: preparation by principal Planning preparation by principal: ifhe is unfamiliar with the type of work, knowledge is bought
Question 3 (polluted soil) Cost
I 2
boring bore ITont support svstem
level I 4 5
level 2 5 5
Time level I 4 5
level 2 5 5
Quality level I 5 5
level 2 5 5
Human safety level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
2.
55
Bore front support system: chemicals can change the properties of the support fluid. This can cause loss of the support function. Boring: small risk, substantial consequences (cost, time) removal of soil from the boring process is no problem. If pennits are not available, the soil can be placed in temporary storage.
Question 4 (dama~e to underground structures) Cost
I 2
level I 4 5
boring bore frunt support system
Quality
Time level 4 5
level 2 5 5
(
level 2 5 5
level 1 5 5
Human safety level 2 5 5
level 5 5
(
level 2 5 5
Environmental im act level 2 level I 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
Bore front support: no remarks Boring: no remarks
2.
Question
5 (unforeseen
obstacles) Cost
I
boring
level I 2
Quality
Time level 2 4
level I 2
level 2 4
level I 5
Human safety level I 5
level 2 5
level 2 5
Environmental impact level I 5
level 2 5
Remarks concerning the table:
1.
Boring: bombs should be removed from the surface (approximate 4 weeks delay; costs 20*24*fl 3000*lhr=fl 1.440.000 , based on 5 working days of 24 hours a week which costs approximately fl 3000/hour) tree trunks
Question 6 (damage to nearby objects) Cost
I 2
bore lTont support system boring
level I 2 2
level 2 5 5
Quality
Time level I 2 2
level 2 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Human safety
level ( 5 5
level 2 5 5
Environmental im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1. 2.
56
Bore front support system: no remarks Boring: stress release of the soil at the bore front cannot be avoided (settlements wi111essthan 20 rom)
UITVOERINGSASPE(a]~l'L=-£~MENV
Datum Interviewer ---- ---
SITING
INTERVIEW
EXPERT NR. 7
: 25 april1997 : F. de Ilaas (SAT) ---
---------------------------------
----- ------------------ -------------
-
-------------------
---------
Answers to Questions of Annex 2 (Construction Aspects) Question
1A-a
Building of the shaft is not mentioned as a risk aspect. The delay it might cause however is estimated to be three months. This is expected to occur every 10 projects. Question
1A-b
Construction aspects in order of decreasing contribution to the possibility of failure for a river crossing and urban environment: I. organisation and logistics 2. unforeseen obstacles 2. damage to underground structures 2. polluted soil 2. damage to nearby objects Remarks concerning the above:
The most important aspect for the possibility of failure is organisation & logistics. If the organisation is right, problems that might arise due to the last four aspects will be dealt with in an orderly manner and consequences will be limited. Preparations are very important to limit the risks. The risks will be increased if the preparation time is too small. Important in the process are the geology, the people and the machine. Soil research can be performed to determine ground parameters and to determine the presence of obstacles in the soil. The machine is made in a plant under well controlled conditions and the functions that can be tested in the plant will be tested before delivery of the machine to the building site. The people and the way they are organised is the most risk contributing part during the bore process. Important is the flow of information in the process. The responsibility for the boring process should be with experienced people who can make decisions as stopping the bore machine and getting experts to the site, when problems arise. In case of unknown problems the machine should be stopped and experts should be consulted. Scenarios are made and possible consequences are determined. What is the problem? (unknown object, large settlements) What can happen? Solutions? What are the consequences of each solution? Choice of strategy?
57
Question
1Ac (Indicative
costs level 1 level 2 time level 1 level 2 quality level 1 level 2 human safety level 1 level 2 environmen-tal impact level 1 level 2
estimates
of likelihood
of occurrence
of each of the consequences)
organisation &Iogistics
polluted soil
damage to underground structures
unforeseen obstacles
damage to nearby objects
2 4
5 5
5 5
5 5
5 5
2 4
5 5
5 5
5 5
3 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
Remarks concerning the table:
1.
2. 3.
4.
5.
58
organisation & logistics: if the organisation is right, the consequences which might arise due to problems concerning the other aspects will remain within the range of level 1. Polluted soil: this will not cause long delays. Damage to underground structures: pipes, they can be checked for the maximum settlement that is expected. If the pipe cannot endure this settlement the pipe should be supported to prevent the settlement. During the boring process the settlements are monitored and the bore process is stopped if the settlement exceeds a previously determined limit. piles, if piles are found during the boring process and they are part of a foundation, a nearby object might be damaged. Piles can be removed manually at the bore front. Concrete piles might be removed using the cutting tools of the machine. Unforeseen obstacles: maximum 2 days delay (fl50000-fl60000/day) risks for human safety are limited due to the mechanical support that is required. Part of the mechanical support must be removed if obstacles have to be removed. Sometimes extra soil support constructions must be created outside the boring machine to remove obstacles. These support constructions must be removable without causing soil collapse or the machine must be able to bore through the support constructions. bombs are not expected to be found at the depth the tunnel is being built. Damage to nearby objects if near to a (rail)road a tunnel is built the surface should be monitored. Collapse of the soil at the bore front might cause settlements near/under the (rail)road. The (rail)road might collapse due to traffic. Measures as stopping the traffic and stabilising the soil near the road can prevent accidents.
Question 2 (organisation and lo~istics) Cost
I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13
production of lininl( elelllcnts
borinl! start of boring
end oftunncl part makinl( of lateml connection
mountinl! ofborinl! unit bore front support system forward movem(''Ilt
turning ofborinl( unit dismounting of boring unit measurements of alignment getting permits
planning
level 1 3 1-2 3 3 I 5 2 5 5 5 5 5 5
Time level 2 5 3-4 5 5 3 5 4 5 5 5 5 5 5
level I 5 1-2 3 3 5 5 2 5 5 5 5 5 5
level 2 5 3-4 5 5 5 5 4 5 5 5 5 5 5
Quality level I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Iluman safely level I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Environlllental
im act level I level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
Production of lining: high tech concrete
higher requirementsfor tolerances«
Imm).
if tolerances are not met, cracking and splitting of the concrete can occur when the circumferential pressure is applied on the elements. transport of the elements should be done carefully. leakages have to be stopped. This will not cause delays, only extra costs. there are criteria for leakage's and for the measures that should be taken. For the required measures money is reserved (fl 500000/km). The probability of doubling the costs is estimated as 10-3. a rush job with little preparation time will cause an abundance of errors.
2.
3.
4. 5. 6.
59
Boring: the separation plant is a critical factor. Can the specifications of the support fluid be met? Expected delay for trouble with the separation plant is several days. if something goes wrong in the boring process the expected delay that might occur is approximately two months. the man in charge of the machine should regularly have contact with the plant where the machine is being built to get familiar with all aspects of the machine, before starting the boring process. Start of boring: the bore machine can dig its way through a seal block consisting of B35-concrete. Consequence is that the tools have to be changed sooner due to the abrasive wear of the concrete. The expected delay is approx. 2 weeks. the machine builder should guarantee the machine during a test run of 200m. End of tunnel part: Making of lateral connection: the soil should be fit for the methods used for stabilising the soil Mounting of boring unit large settlements of the cradle have occurred in the past. In the past the cradle on which the bore machine was built, was not always made in one piece. Nowadays the cradle is built in one piece.
7.
Bore front support system: if the soil properties are known the support pressure can be calculated. problems might arise because the bore front is not sun1ciently scaled by the support fluid. Support fluid will then be lost in the soil. Loss of support fluid might also oceur due to loosely filled bore holes or wells. if atmospheric pressure is applied to support the bore front it must be done carefully. Atmospheric pressure must be raised or lowered gradually. First the level of the support fluid is lowered to halfway the diameter of the machine. Then the soil is inspected. If unregularities can be seen the support fluid is raised again and the machine will be moved a distance. Thereafter the lowering of the fluid and inspection of the soil can be repeated. There is always a kind of mechanical support present while work is done at the bore front. pressure sickness did not occur in the projects Forward movement: the capacity of the separation plant limits the forward movement. Turning of boring unit: no problems Measurements of alignment: no problems Getting permits: mostly done by the principal before the start of construction. procedures in case Planning: preparation by principal
8. 9. 10. 11.
12.
Question
3 (polluted
soil) Cost
I 2
bore ITont support system
boring
level I 4 5
Quality
Time level 2 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Human safety
level 2 5 5
level I 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
2.
Bore front support system: if no chemical additives are used in the bore process no problems will arise. If additives are used problems might occur with EPB-shield and slurry-shield. it happened once that the machine went through some kind of chemically strengthened soil. Due to the reaction of chemicals in the support fluid and chemicals in the soil, foam appeared. An anti-foaming agent had to be applied. There was no delay, only extra costs for the anti-foaming agent. Boring: procedures must be established to be sure the appropriate institutions are informed/engaged if pollution is found.
Question 4 (damage to underground structures) Cost
I 2
60
boring bore tront support svstem
level I 4 5
Time level 2 5 5
level I 4 5
level 2 5 5
Quality level I 5 5
level 2 5 5
Human safety
level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table: 1. Bore front support: 2. Boring: pipes, cables at the wrong location. Damages might occur. For example if a main water pipe is damaged a large fountain of water with stones might be sprayed into the air. If this happens next to a parking lot cars could be damaged. remains of piles must be removed. When working under air pressure, air might escape along side the pile. Loss of support pressure must be prevented. Removal of a pile eauses a delay of approximately 1 week. wooden piles and steel piles must be removed manually at the bore front concrete piles ean be removed manually at the bore front or they can be reduced by the tools in the cutting wheel. This kind of abrasive wear might make an early change of the tools necessary. if the expected settlements (20 mm) are too large for the concerned structures, support measures must be taken. Question
5 (unforeseen
obstacles) Cost
!
boring
level I 5
I I
Quality
Time level 2
level I
5
5
I I
level 2
level I
5
5
I I
Human safety
level 2
level I
5
5
I I
Environmental
level 2
5
impact level I I level 2 5 I 5
Remarks concerning the table: 1. Boring: bombs rowing boat lying in the path of the bore machine must be manually removed. stops are required to remove this kind of obstacles. roots of trees will be removed by the cutting wheel of the bore machine.
Several
Question 6 (damage to nearby objects) Cost
I 2
bore !Tont support system
boring
level I 4 4
Quality
Time levelZ 5 5
level! 4 4
Jevel2 5 5
level! 5 5
levelZ 5 5
Human safety
level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
level! 5 5
im aet level 2 5 5
Remarks concerning the table: 1. Bore front support system: hollow spaces (loss of support can cause settlements) Boring: 2. see remarks question 4. Removal of piles can lead to loss of stability of the structure above. It must always be known where the boring machine is in relation to the surface. The surface should be monitored.
61
UITVOERINGS~Srl~CTEN
Datum Interviewer - ---
SAMJ~NV KITING
INTERVIEW
EXPERT NR. 8
: 28 april 1997 : F. de Haas (SAT)
--- --- -- - --- -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- --- - --- -- - -- - --- -- - -- --- - --- --- -- - -- - --- --- -- - --- -- - -- - -- - -- --- - --- -- - ---
---------
Answers to Questions or Annex 2 (Construction aspects): Question 1A-a No remarks
Question 1A-b Construction aspects in order of decreasing contribution to the possibility of failure for a river crossing and urban environment: 1. organisation and logistics 2. unforeseen obstacles 3. damage to underground structures 3. polluted soil 3. damage to nearby objects Remarks concerning the above: 1. when there is sufficient preparation time, organisation and logistics are not a problem for a capable contractor. 2. using a slurry shield will create a problem for the separation of soil and bentonite considering the Dutch circumstances (the presence of fine soil particles). With filter and cyclones particles larger than 25/lm are removed. With a centrifuge all particles to lO/lm, but then also the bentonite, will be removed. The soil residue, suspended in water, has to be removed together with the used support fluid that cannot meet the required specs. Due to the fineness of the particles in the soil, the volume of soil suspended in water that has to be removed is high. Ideal is a large settling field in the vicinity of the tunnel in which the residue can remain. In an urban environment there won't be a storage facility and the support fluid that cannot be modified to meet the required specs (water loss, shear strength, weight by volume) must be removed. Depending on the classification of the residual and the required permits it might be costly to find a storage facility for the waste. If an EPB shield is used the volume of residual will be smaller but still a considerable amount of waste has to be removed. 3. unforeseen obstacles as pieces of wood might be found. This will cause only a minor delay of approx. half a day by clogging the drains or by blocking the nozzle of the drain. Other obstacles, like a bomb, are not expected, but the consequences could be disastrous. A device should be developed, which would be able to detect unforeseen objects (like bombs) at a distance of 10m in front of the bore front. Better would be the development of a device that would be able to control the entire trace of the bore tunnel. 4. locations of cables and pipes are well documented in The Netherlands. At the building site the location of cables and pipes is checked. Especially during the building of the shafts cables and pipes might be found. It is not likely that during boring cables or pipes will be encountered. Effect of the boring process consists of settlements occurring at the position of the cables and pipes. Most cables and pipes can endure the expected settlement of20-30mm. unexpected presence of polluted soil is negligible, if sufficient soil investigation has been 5. performed. damage to nearby objects is unlikely (The effect of a bore tunnel in an urban environment is 6. investigated in test-project "2e Heinenoordtunnel").
62
Question lAc (Indicative estimates of likelihood of occurrence
costs level 1 level 2 time level 1 level 2 quality level I level 2 human safety level I level 2 environmental impact level I level 2
of each ofthe consequences)
organisation &Iogistics
polluted soil
damage to underground structures
unforeseen obstacles
damage to nearby objects
1 5
5 5
5 5
3 5
5 5
I 5
5 5
5 5
3 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
5 5
Remarks concerning the table:
1.
2. 3. 4.
5.
63
Organisation & logistics: permits might lead to problems as there is no range of permits specifically for tunnel boring projects. Requirements for permits are for example based on permits given for projects in the chemical industry. incidents causing costs in the range to 5% of the building costs will occur. The contractor however will also have savings within the range of 5% of the building costs. The (dis)advantage will remain within the range of5% of the building costs. Polluted soil (not considered a risk when sufficient soil investigations are performed). Damage to underground structures: see question 1Ab. Unforeseen obstacles wood: see question 1Ab bombs: if a bomb is found, it could cause a delay of approx. 4 months to remove it. Damage to nearby objects: see question 1Ab
Question 2 (organisation and lo~istics) Cost
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
pmduetion
oflininl( eIement~
boring start of boring end of tunnel part making of lateml eonncction
mounting of boring unit bore tront support system
forward mOVeml.'lt turning ofborinl( unit dismounting of boring unit measurements of alil(nment getting permits
planninJ!
level I I I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Time level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level I 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Quality level I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Human safety
level I 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Envinnunentnl
im net level I level 2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
2.
3.
4. 5. 6.
7.
8. 9. 10. 11. 64
Production of lining: learning curve estimated too short. elements were damaged due to factors like the composition of the mix of concrete and the demoulding oil. extra costs are made to repair the damaged elements. extra costs are made to make up for lost of time. delay in the production of the lining elements is approx. 3 months. additional costs are made to prevent delay on the overall planning. Boring: extra costs due to a incorrect estimate of the volume of residual material (soil mixed with support fluid). leakages of the lining repairs are estimated at 1% of the building costs. The risk of doubling the costs is negligible (costs: 600 1Oe6/(945x2xlOO)= f3175/km) the mortar used in the bore unit tail system for the filling of the gap between machine shield and lining sometimes causes minor delays due to machine stops. After approx. 4 hours the mortar can no longer be used and the pipes have to be cleaned. The composition of the mix has been changed several times to produce better results. Start of boring: strength of a seal block made ofLSM (low strength mortar) can be controlled very well. Strength after 28 days 2 MPa. End of tunnel part: remarks start boring Making of lateral connection Mounting of boring unit: lifting materials down to the bottom of the shaft could damage the civil structures. To prevent damage a temporary strut construction could be left in the shaft above a permanent strut construction. Bore front support system: estimated delay in case of instability of bore ITont is 2 months. for inspection of cutting wheel or bore front or changing cutting tools the surface of the support fluid is dropped 1/3 of the diameter (2-2,5m). Forward movement: Turning of boring unit: Measurements of alignment: maximum deviation 100mm Getting permits:
see question I B 12.
Planning
Question 3 (polluted soil) Cost
I 2
level I 5 5
bore fhmt support system
boring
Quality
Time level 2 5 5
level 2 5 5
level I 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Human safety
level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
im lIet level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table: 1. Bore front support system 2. Boring Question 4 (damage to underground structures) Cost
1 2
level I 5 5
boring bore !Tont support system
Quality
Time level 2 5 5
level 2 5 5
levell 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Human safety
level I 5 5
level 2 5 5
Environmental
im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table:
1.
damaging foundations: In the test-project 2e Heinenoordtunnel the effect of the bore tunnel on piles and surface settlements is measured. With the results of the investigations the currently perceived risks can be reduced.
Question 5 (unforeseen obstacles) Cost
1
boring
level I 4
Time level 2 5
level I 4
level 2 5
Quality level I 5
level 2 5
Human safety
level I 5
level 2 5
Environmental
im act level I level 2 5 5
Question 6 (damage to nearby objects) Cost
I 2
bore !Tont support system
boring
level] 5 5
Time level 2 5 5
level I 5 5
level 2 5 5
Quality level] 5 5
level 2 5 5
Human safety levell 5 5
level 2 5 5
Environmental
im act level I level 2 5 5 5 5
Remarks concerning the table
1.
65
In the test-project 2e Heinenoordtunnel the effect of the bore tunnel on piles and surface settlements is measured. With the results of the investigations the currently perceived risks can be reduced.
CONSTRUCJIEYliASj>ECJ:JiN~_SAM
Datum Interviewers
ENV KITING
INTERVIEW EXPERT NR. 10
: 25 april1997 : J. Jansen (Articon)/S. van Manen RWS-BD
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.
General Aspects
Risk analysis, as is performed in the Netherlands on civil structures, is not done (yet) in Germany. Both specialists were confronted with the method in the Netherlands. They feel that it is a very useful tool, especially in the decisions of allocating money to preventive measures. A more objective risk estimation will help to make these decisions, moreover it is an adequate tool to obtain a basic level of consciousness concerning risks during the boring process. They both feel that the risk analysis for bored tunnels is a bit late, since the first tunnel in the Netherlands is already under construction.
In general, the building of a bored tunnel is considered much more dangerous than the in-use situation. The construction of cross passages in the Dutch environment is considered the most dangerous aspect of boring a tunnel, and next the start and arrival of the boring machine into the shafts. The arrival is considered a little more difficult than the start, because of the larger inaccurateness. The absolute value of the risk concerned is very heavily dependent on the applied method. When there is enough space, a large part of the soil can be grouted, or at least improved so that the possibility of leakage is virtually avoided. Leakage in the Dutch situation is considered as the major hazard: many 'normal' bored tunnel operations become dangerous when there is 4 bar of water pressure at the outside.
2.
Structural aspects
Collapse of the lining in normal conditions (Ultimate Limit State) is considered very unlikely (10-5).
Exceeding the Serviceability Limit State is much more likely to occur (10-2), this merely concerns leakages due to local failure. Overload of the jack forces is most likely, at least 10-1per tunnel. This concerns tolerances, local peak loads etcetera. It is of most importance during the starting of the boring process (the first 100 to 200 metres), after that this becomes a minor problem because of the learning process of the crew. With respect to that, training of the crew is of high importance. During construction, elements can still be replaced. Because of the rather small disturbances, the consequences are relatively small. Serious problems with the cross passages are not to be expected (very unlikely (10-4». Remarked is, that only 'safe' designs are used, which are mainly based on long-term experience in Germany, rather than on profound calculations. Principally, making cross passages has to be considered very dangerous during the entire process, this applies in particular to the Dutch soils.
Other risk contributing structural aspects, not mentioned in the annex, are connecting relatively flexible tunnels (in soft soils) to relatively stiff shafts. The longitudinal behaviour then is of importance.
3.
Failure of the tunnel lining (ULS)
Failure of the tunnel lining will only be local (joints), never global (concrete segments), assuming that well-known structural systems are used. These local joints merely concern the radial joints (Nut und Feder; Nock und Topf), particularly when having large (global) displacements. The detailing of these joints is of utmost importance, this directly effects the Serviceability Limit State.
66
The global structural system always is calculated by using frame models with couples rings and loads in confonnity with Duddeck, and a global safety factor for pressure of 2.1. This model has many uncertainties, it is used anyway to link it to practice from earlier projects. Due to this, it is felt that using more sophisticated models for the rings is a waste of time. This applies to the loads to be used in the model as well. Though, remarked is that excavating one halfofthe soil above the tunnel is considered a very important load case that has to be taken into account. When this is forgotten, a well-likely risk may be large horizontal translations of the tubes. A counter measure in such a case may be grouting. Since it must be assumed that excavations will not occur during construction, it is a 10adcase with a negligible risk with regard to this study. During in-use it may be of importance under rivers, avoiding problems here is matter of communication. Uplift of a tunnel tube is considered no problem at all, since this is a problem everyone is well aware of. A global safety factor of 1.1 is used.
Using models to consider the longitudinal behaviour, next to the mentioned frame model, is a new development. It is considered a necessary step to be made, particularly having Dutch soils. Again, this only effects the joints (local failure, leakages). Having soft soils, counter measures concerning stabilization of the tubes are applied rather frequently, to avoid problems in later stages.
4.
Failure of the tunnel lining (SLS)
Global displacements are not relevant, only for the costumer's in-use situation. Displacements are just of importance with respect to the (radial) joints. Circumferential joints hardly cause any risk. The local failure of joints ('Abplatzungen') happens often, especially during the first 100 metres, causing to big leakages. A certain amount of leakage has to be expected all of the time. In case of local failure the elements might have to be replaced, sometimes radical adjustments might have to be taken. When replacement is not possible anymore, injections have to be used. With respect to leakages, cracks in the concrete are of no importance at all, compared to local failure of the joints. Namely, producing the concrete segments is a highly controlled process, moreover there is self-healing of the concrete segments. Local failure is caused by a mixture of to high (unexpected) jacking forces, to big tolerances, an unexperienced crew, and wrong combinations of normal and shear forces at the gaskets. Because of the experience and the built-in safety, this failure can be minimized. With respect to this, the gaskets are not considered sensible to chemicals and ageing, since they are designed to it. ("wenn es ist bekannt, dan ist es gebannt"). Having less experienced designers/ contractors, the risk of local failure is considerable.
5.
Failure by jacking forces
This may be a considerable problem, being the main cause of the local failure. Calculations are made using 2D-models. Several global safety factors are used: 1.2 concerning the (maximum) installed power of the machine, and 1.4 concerning the calculated in-use power of the machine. Nevertheless, larger power is very well possible, up to two times the installed power, being the major cause of axial peak loads. Such situations occur when the machine is temporarily adjusted by the crew, in times of heavy ground conditions. With respect to that, quality management is of high importance.
6.
Failure due to making a cross passage between two tubes
Making cross passages is a very specialized job, it can be done in a rather safe way when 'proven' designs are used. In the past much effort is put in it to reach this level of safety. Making the cross passage with the help of an external shaft in the middle of the tubes is considered common practice. Making the passage from the inside of the tubes is considered much more risky. An external shaft enables better control of soil improvements, and diminishes the consequences of
67
calamities: thc tuhes only need to he opened at the end of the construction stage. Opening the tubes from the inside is considered a very critical activity. Moreover, it disturbs the processes in the tubes, whereas this is not the case making an external shan. In order to be able to open the tuhe, special segments have to be placed. They may be made of steel, or a second lining may he used. A critical part of making a cross passage is the quality of the ground improvement, with respect to the watertightness. The strength and stiffuess of the improved soil is not a problem. Grouting usually is not sufficient, because of the leakages. ] ligh pressure grouting is more suitable, although a very dens mesh is needed. It is a rather safe method, though there is no certainty that it is watertight until the shaH or tunnel is opened. In such a case an external shaft is less risky. In general, needing counter measures (for
repairs) is well likely. The best, and very safe solution to be used may be freezing. This is a very expensive method; in case of high pressures (> 4 bar) there seem to be no alternatives, except for using high air pressure in the tunnels. This last method has considerable risks.
68
CONSTRUCTIEYEASPECTEN
Datum Interviewcrs
- SAMENV ATTING INTERVIEW EXPERT MR/ 11
: 28 april1997 : J. Janscn (Articon)/A. Vrouwenvelder TNO
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------The meeting dealt with general aspects, and secondly structural aspects in particular.
1.
General aspects (annex 1) A risk analyses like this is considered a new activity, similar analyses are not known. Howevcr, risks are discussed in a qualitative way in every project. The CUR/COB program is considered an important initiative, the systematical and fundamental approach is something that should be done in Germany as well. In Germany there is much more practical cxperience, but a lack of initiatives like this risk analyses. Because of the recent activities in the Netherlands, some qualitative analyses have been made ('St6rfal]ana]yse'). The importance of the severa] activities/ systems mentioned in annex]
is considered as follows:
Starting of the boring process: Here there is a considerable risk, not only during starting of the boring process, but also during entering the soil after the passage of the block. Both times there are uncertainties (concerning grout and soil), moreover, the second time there is a considerable risk for the grout at the bore front to blowout at the intersection to the soil. During starting the process one has to consider a 'learning-curve' of the crew (a number of weeks). Starting the second tube, this is only a few days. Boring: Delays during boring are well possible (stones, piles, friction), in some cases they may be excessive. Therefor, much effort is put in it to prevent such events, resulting in 'fail-safe' machines. A minimized risk is considered of major importance, with respect to this the costs hardly are. Borefront support: Monitoring and a skilled crew is of high importance. The probabilities of failure are relatively low, the consequences may be very big in case of a bore front instability or a blow-out. In such a case a new shaft is needed, to re-start the boring process. Another aspect that is related to the bore front support, is settlement due to the tunnelling. In urban environments this consequence is a quite common one, for which counter measures have to be taken. Bore unit tail system: This is an important activity. When the system is used well, the settlements can be minimized. Inaccurate use often causes local pressure, which as a consequence may lead to local failure of segments. Logistics:
This is considered a very important activity, it is important to build in some flexibility in the
process. Mounting
of lining elements: This is considered a well-controlled
activity, since lasers are used. Hereby,
the reference is the interior of the machine. A problem may be an erector with too little degrees of freedom to handle all situations; in that case the situation is a little less well-controlled.
69
Interrupts:
(Planned) restarts have some consequences, on which must be counted: more friction,
causing higher or extreme jacking J{)rccs; extra settlements at the ground level; and differential stiJ1'ness between rings, which could lead to local Jailure. An interrupt of two days every 7 days is considered a long period, and rather frequent. Another important activity/ system is making cross passages, with a relatively low probability of failure, but with large consequences.
The ending of the boring process is not considered a big problem, since at that time more experience is obtained compared with the starting of the process. Inaccurateness in boring direction is not considered a problem, as corrections can be made during the last 50 metres. Another possibility is to build the block just when it is reached. Moreover, the bore front pressure can be lowered in steps while entering the block.
2.
Structural aspects
2.1
General
The probability of failure of several structural aspects is considered as follows: ULS (global failure): negligible SLS (watertightness): possible ULS Gacking forces): repair: very often; replace: not very often Cross passages (ULS and SLS): in clay: quite often; in sand: possible. All this applies to solutions from ground level; other solutions are considered more risky.
2.2
ULS/SLS
Only the construction stage is of importance, after that the situation only improves.
Global failure is of no importance, only the detailing of the segments Uoints) is of importance. This depends on a large number of parameters, which require an integral approach. Failure is only local failure near joints, resulting in replacement of segments, repairs, or bigger leakages than expected. The most important loads to be distinguished are definitely the design of the machine related to the lining (~ place and number of jacks), and excavations, although this influence is more difficult to overlook. Uneven excavations are important loadcases. There are no criteria for such integral designs, practical experience is considered of major importance. Because of the number of influences, even a 'good' design with respects to these joints may cause serious problems in reality. The probability this can happen is said to be considerably. In order to obtain a 'good' design, one should concentrate on the interaction axial pressure/ shear force, related to the stiffness of the gaskets. Problems with gaskets may be bigger than problems with jacks, since the consequences only appear later. Segments, having local failure by jacking, can be replaced immediately. Laboratory tests on gaskets between segments submitted to pressure should be performed as a part of the design, in order to diminish risks. Monitoring the first 50 metres should be done standard as well, with the help of this the pressure during grouting can be adjusted. The commonly-used frame model with coupled rings is considered very complete for its purpose. Some further developments may be made, but with little use, even for soft soils. The model has proven to be a reasonable one.
70
In case of problems, counter measures may be: soil improvement, inner shells or preventive measures such as enabling additional gaskets to be placed in (all) segments. 2.3
Cross passages
Making cross passages in general is considered to be a critical activity, since parts of the (specially prepared) lining have to be taken away, and since leakages may occur in the zone between the cross passage and the lining. Cross passages certainly should not be combined with other disturbing elements in the lining. With regard to the several building stages, possibilities are in order of preference (and in order of increasing terms of risk): Construction entirely from ground level. Construction from the inside of the tubes, after having made a soil improvement from the ground level. Construction from the inside of the tubes, after having made a soil improvement from the inside. Constructing from ground level minimizes the leakages, and enables a better controlled process. Consequences of failure are relatively small, since the lining only needs to be opened when the cross passages is finished and watertight. The interior of these passages often is made using shotcrete on the improved soil, and next of steel linings; calculations usually are made with the help of (3D) Finite Elements Methods. Soil improvement may be freezing, which is considered a very safe method, VHP grouting, or grouting. These two last methods are rather risky with regard to the watertightness, especially grouting. VHP grouting in sand is a safe method. In order to minimize risks, one should always make use of a test-field in practice.
71
WERKTUIGBOUW~IJNDIGE
Datum Interviewer
- SAMENV
ASPECTEN
ATI'ING INTERVIEW EXPERT NR. 13
: 7 mci 1997 : II. van Tienhoven (Techno Fysica)
- -- - --- --- -- --- - -- - -- - -- - -- - --- -- - -- - -- - --- --- --- --
-- - -- - -- - --- --- -- --- - --- --- -- - --- -- - --
-- - -- - -- - --- -- - -- - -- - ---
---------
Expert supplied us with an example of a risk analysis for a T8M, as set up by their engineering department and the customer. This was made for the TBM for K. and gives an idea of other clients way of a detailed study. It was agreed upon to see this copy as an example for the committee. However, if the committee wishes to make this public and take it into the final report, CUR/COB N510 will ask for a written permission to do so. Questionnaire Question concerning risks due to engineering and machinery failure rates and its consequences. The aspects which have been identified as the most risk contributing in the first analyses are:
1. 2. 3. 4. 5.
construction of Tunnel Boring Machine (TBM) on site; combined with (dis)mounting on other side oftunneI. process of boring maintenance: scheduled and not-scheduled electrical (power supply and power generation); electronics (monitoring and process control) miscellaneous (including hydraulics).
Question
1
General
*
Could you inform us about certain design criteria of the Tunnel Drilling Machine (abbreviated TBM)? This means the mechanical forces taken into account for designing the TBM for application in the Netherlands? If these criteria differ substantially, can you identify the risk(s) ?
*
If certain forces would be higher calculation, what risks could this consequences? Could you indicate and validate the Dutch circumstances? (please, use the indicators mentioned
*
Answer 1
in reality, compared with the maximum forces used for have on the safety aspects? Could you indicate these possibility
of exceeding safety factors
during operations
in
above).
General
In the design criteria for a T8M, the most important mechanical aspects are considered to be Thrust and Torque. The mechanical forces are determined in two ways: serial and empirical method. In the serial method a safety factor is applied, depending on the type of soil, and other mostly geotechnical data. This safety factor for calculation is depending on the results in the empirical method: in this no safety factor is used since in this empirical calculation this safety factor is incorporated. The specialists expert's firm think that for Dutch circumstances the thrust necessary will be different, as well as the external pressure. This last effect is due to the difference in water-soil pressure on the T8M, when compared with rock or other (more) solid environment. Data how much they differ are very limited, due to lack of experience with soft soil tunneling. Although expert's firm expressed the possibility to obtain data via Mitsubishi Heavy Industries which could have experience, for example in Thailand.
72
Because of the fact that there is a lack of data for similar and Dutch circumstances, the safety factor for the empirical method will bc put highcr than normal (morc solid), expert's firm realizes this will have an effect on the costs of thc total TBM. Possible calculations for mechanical stren!,rthwill then be based on rather similar tunnels. It was emphasized that expert's firm is ablc to work out a FMEA (in close cooperation with the client) for mechanical aspects of a TBM for Dutch circumstances, if a client would want this and if the necessarygeotechnical data could be supplied. Question 2
Construction of TBM on site
During mounting, construction and dismounting on the building site (on both sides of the tunnel) of the TBM, the possibility exists that certain parts will be mounted (or connected) wrongly. That means to say: the construction of certain parts could be done in such a way that bolts will be overstressed, bearing housing mounted with the wrong torque, electronics mounted to the wrong voltage etc. etc.
* * * *
According to your experience, could you indicate the probability of some of these aspects? Can you, based on your experience, indicate !f these errors have an effect on the risk'> involved in boring? Can you give an estimate of the influence of human errors during the construction phase on the quality of the TBM? Can you, based on your experience, indicate the influence of maintenance in the (dis)mounting of the TBM?
Answer 2
Construction of TBM on site
After the basic lay-out is chosen the TBM is buil-up in the factory of expert's firm, there it will be tested. Next the TBM is dismounted in modules, shipped to the site, mounted on the site and all tests will be carried out again. The number of tests on site will be less than on the testbed because the modules are not changed in between. The occurrence of possible errors after mounting on the site is expected to be 10-5,just as the occurrence of human errors. Not noted human errors (and subsequently, not corrected): expert's firm has not taken this into account and has no facts and/or figures on this: conclusion of expert's firm: zero.
Question 3
Process of boring
In general, during the process of boring, all mechanical installations should perform according to the design criteria. In case a part fails, it will be considered to influence a certain risk. Next to that, it is possible to make a difference between the TBM itself (including all sorts of accessories) and the supporting activities such as power generation for the auxiliaries.
* *
*
*
73
In case the power supply fails, for example, then the diesel will have to supply the electrical power. Is operating under these conditions considered to be a different risk than when a pump of the TBM breaks down? Can you estimate the risk involved when the TBM is working according 'to the book' (that is: when new) and a situation just before scheduled regular maintenance? Jfthere is no difference, please indicate the overall risk. Some parts of the TBM are considered to have a more then usual wear-and-tear. This could influence the risk of a break-down. Do you have experience with this and how could we estimate the risk? Which risk factors are in overstressing certain parts during start-up or coast-down of the installation?
* Answer
In order to keep risk,' (?(event at an acceptahle level, would it he usefitlto stresses during operating '!
3
monitor the material
Process of Boring
In case the emergency sct has to start, the boring machine is stopped, however expert's finn stresses that the decision what will happen when such 'logic' is applied on the TBM, it is always the client who decides which 'logic' is used. From the point of view of expert's finn it is noted that some clients have a 'strange' logic, in such cases expert's finn makes exclusions in the contracts. In this, it was noted that in case a retracting screw conveyor is used, it is better to mount a shield which can be closed (or which closes automatically) because in Duteh circumstances the external water (plus soil) pressure might flood the entire TBM and thus creating a major problem. Since they have no experience in this, it is not possible to give figures on this. Further questions ITom 3) have been worked out in combination with 4).
Question 4
Maintenance
In general: maintenance is a necessity, if scheduled and planned it keeps the installation in safe and good working order. However, all kind of risks are involved during service, inspection and maintenance.
* * * * *
Based on your experience, can you inform us ahout the risks involved in maintenance, both scheduled and not-scheduled. Can you inform us about the risks of mechanical errors and/or failures (due to maintenance) versus human errors during maintenance activities? In the design phase, are these human and mechanical factors taken into consideration in order to by-pass them or in order to minimize the effects of them? Is it possible to give data on this? Can you estimate the number of errors, due to service, inspection and maintenance activities; can you relate them to consequences, bearing in mind the TBM Unforeseen maintenance is usually triggered by some sort of trouble or breakage. Is there a difference in risk between regular and unforseen maintenance? Can you indicate these differences?
One of the main items in a TBM is the main bearing. Different forces are acting on it: radial, tangent, axial and torsional directions.
*
Based on your experience, can you give an estimate maintenance activities on this main bearing?
Answer 4
of risks, and the consequences,
of
Maintenance
In general, maintenance is carried out by the book, based on the directions given by expert's finn. It is the responsibility of the building company/consortium to follow these regulations. In this is also incorporated a list of spare parts, only if certain parts are requested very often (that is more than usual) expert's finn will have a clue of certain problems. In case of minor problems (or unforeseen maintenance): these are mostly tackled by this consortium, only in certain case the Service Department will have to supply the answers. Because this is an entirely different field, expert's finn Technologies will interview this Service Department for a more detailed answer to the question: how much and what sort of problem does occur?
74
One problem could he when one of the engines which drives the bore itself, has to be changed: in such a case there is a opening to the shield, in Dutch circumstances this could lead to flooding of the TBM (see the retracting screw conveyor). In view of the fact that this a field where expert's firm has little or no experience they will go back to Mitsubishi, and/or they will make a FMEA in cooperation with the client.
Question 5
Electrical/electronics
In today machines the electronics playa very important role: almost anything is measured, regulated and controlled during the boring process. This means that the risks of a failure (even in a fail-safe design) in this system almost certainly will have effects on the safety of the installation.
* * * *
Is there a Failure Mode and t.JJec:t Analysis (FMbA) for the electrical and/or electronic circuitry? Do you think it is necessary and/or useful to do so ? Which parts are critical in case offailure? Please indicate riskfactors. What precautions have been taken in order to minimize the effects of possible failures? Can you give i'!formation
Answer 5
concerning
the fail-safety
of the electrical/electronic
:-.ystem
?
Electrical/electronics
Within the design phase different precautions are taken: since the construction of TBM's with expert's firm is based on the experience of expert's firm with nuclear power generation, expert's firm has based the TBM on a fail-safe concept. The functional tests and analyses are based on this fail-safe concept, hitherto tested and designed. expert's firm claims a security for failing as 10-4. However, there are clients who chooses (or insists on) a 'non-fail-safe' system, in the perception of expert's firm. In these cases expert's firm will exclude certain aspects for reliability, because expert's firm expects the failure possibility to rise to 10-3. In general there isa 'small' FMEA for certain parts of the electronics, based on the experience with nuclear plant: for the printed circuitry as supplied by their companies within expert's firm. It was stressed that a FMEA for the entire electrical/electronics parts could be carried out, if a client insisted on this and is willing to pay for this. Question 6
Others
In the complexity of a TBM a lot of different system are combined, from the mechanical point also 'others' playa role. The TBM is an integration of different machineries, so within 'other' following aspects are meant: hydraulic system, pneumatic system, monitoring system
* * *
75
etc.
Are there any items you think of to be of risk other than the ones mentioned in par I till 5 ? If so, can you quantifY the risks of these? Is it possible to name the cause and effect on the safety and casualties environmental effects, the quality and delay aspects?
aspects, the costs, the
Answer 6
Others
According to expert, the worst things to happen in Dutch circumstances,
* * *
are:
failure ofthc main bcaring man loch impossible to close screw convcyor not closablc.
The effect will be: watcr and soil mixture in the TBM, risks are very high in every aspect: environment, casualties, costs, delay etc.
76
WERKTUIGBOUWKUNDIGE
Datum Interviewer
ASPECTEN
- SAMENV
ATfING
INTERVIEW
EXPERT NR. 12
: 3juni 1997 : II. van Tienhoven (Techno Fysica)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Question concerning risks due to engineering and machinery failure rates and its consequences. The aspects which have been identified as the most risk contributing in the first analyses are:
1. 2. 3. 4. 5.
construction of Tunnel Boring Machine (TBM) on site; combined with (dis)mounting on other side of tunnel. process of boring maintenance: scheduled and not-scheduled electrical (power supply and power generation); electronics (monitoring and process control) miscellaneous (including hydraulics).
Question 1
General
*
Could you inform us about certain design criteria of the Tunnel Drilling Machine (abbreviated TBM)? This means the mechanical forces taken into account for designing the TBM for application in the Netherlands? If these criteria differ substantially, can you identify the risk(.<J)?
*
If certain forces would be higher in reality, compared with the maximum forces used for calculation, what risks could this have on the safety aspects? Could you indicate these consequences? Could you indicate and validate the possibility of exceeding safety factors during operations in Dutch circumstances (please, use the indicators mentioned above).
*
Antwoord expert: Expert ontwikkelten ontwerpt door vergelijkingmet eerdere ontwerpenen door evaringsgetallen; het rekenwerk beperkt zich tot de 'normale' sterkte en materiaal berekeningen. Het algemene credo is in deze: indien er meer vermogen (koppel) nodig is wordt dit overbemeten. Het verschil tussen een EPB en een slurry schild kan dan, bij dezelfde omstandigheden, oplopen tot 50 % in toegepast vermogen en/of koppel. In het algemeen wordt als een veiligheid faktor 20% tot 50 % toegepast, Lehmann stelt echter dat de getallen in werkelijkheid hoger zullen zijn. Aangeven hoeveel en waar kon of wilde hij niet, maar bedacht dient te worden dat dit voor expert zich nog niet als een probleem heeft voorgedaan.
Ten aanzien van de Nederlandse omstandigheden stelt expert dat de kans 0 is op het onder/overschrijden van veiligheids faktoren. Question 2
Construction of TBM on site
During mounting, construction and dismounting on the building site (on both sides of the tunnel) of the TBM, the possibility exists that certain parts will be mounted (or connected) wrongly. That means to say: the construction of certain parts could be done in such a way that bolts will be overstressed, bearing housing mounted with the wrong torque, electronics mounted to the wrong voltage etc. etc. * *
77
According to your experience, could you indicate the probability Can you, based on your experience, indicate in boring?
if these errors
of some of these aspects?
have an effect on the risks involved
* *
Can you ~ive an estimate (?/'the if!fluence (?f'human errors during the construction phase on the quality (?/'the 111M'! Can you, hused on your experience, indicate the if!fluence (?f'maintenance in the (di.\)mounting of the TBM'!
Antwoord expert: Expert
stelt dat de kans op fouten (pt I en 2) in de orde van 10-6librt.Oit is gebaseerd op hun ervaring
met de diverse tunnel boormachines, zowel de kleine (100-500 mm doorsnede) en de grote (tot de nieuwe Elbe tunnel, doorsnee 14,20 m) In totaal zijn I a 2 maal problemen opgetreden die te wijten waren aan onvoldoende ontwerp en bereken kennis, echter de bc1angrijkste redenen voor deze problemen worden gevormd door het niet volledig zijn van diverse gcologische gegevens, te weinig informatie van de opdrachtgever ten aanzien van de
toepassing etc. expert stelt dat zij nog nooit last hebben gehad van verborgen fouten die leidden tot een groot probleem, van welke aard dan ook.
Indien de machine nooit samengesteld was, dan zouden er problemen kunnen ontstaan. Echter expert bouwt de complete installatie eerst in de fabriek, demonteert, vervoert de delen naar de bouwplaats en vrijwel dezelfde mensen bouwen de installatie weer op. Gemiddeld vindt expert dat er eens in de 10 jaar een probleem bij het opbouwen van de installatie optreedt.
Question 3.
Process of boring
In general, during the process of boring, all mechanical installations should perform according to the design criteria. In case a part fails, it will be considered to influence a certain risk. Next to that, it is possible to make a difference between the TBM itself (including all sorts of accessories) and the supporting activities such as power generation for the auxiliaries. *
*
* *
*
In case
the power
power. Is operating
supply
fails,
for
example,
under these conditions
then the diesel
considered
will
have
to supply
the electrical
to be a different risk than when a pump
of the TBM breaks down? Can you estimate the risk involved when the TBM is working according 'to the book' (that is: when new) and a situation just before scheduled regular maintenance? If there is no difference, please indicate the overall risk. Some parts of the TBM are considered to have a more then usual wear-and-tear. This could influence the risk of a break-down. Do you have experience with this and how could we estimate the risk? Which risk factors are in overstressing certain parts during start-up or coast-down of the installation? In order to keep risks of event at an acceptable level, would it be useful to monitor the material stresses during operating?
Antwoord expert: De power supply is opgebouwd uit meerdere generator sets met een overcapaciteit van 10-20 %, Extra en apart is een voorziening voor sturen, ventilatie en gecomprimeerde lucht, ingeval van problemen gaan deze op stand-by. De fail-safe mode is altijd stand-by V oor de Nederlandse omstandigheden stelt expert dat er veel aandacht dient te worden besteed aan de pompen: met name voor bijv. de Westerschelde denkt expert dat dit een risico zou kunnen zijn, omdat deze voorziening net zo wezenlijk is als de ventilatie en de tunnel aandrijving. Hier dient een redundant systeem te worden toegepast.
78
Ten aanzien van punt 3) stelt expert dat er door slijtage problemen kunnen ontstaan aan de voorkant, pertinent niel aan de aehterzijde (10-1» Punt 4) overstressing komi volgens expert niet voor, dientengevolgc worden er geen spanningen gemeten. Question
4
Maintenance
In general: maintenance is a necessity, if scheduled and planned it keeps the installation in safe and good working order. However, all kind of risks are involved during service, inspection and maintenance.
* * * * *
Based on your experience, can you inform us about the risk\" involved in maintenance, both scheduled and not-scheduled. Can you i1?{orm us about the risk.. of mechanical errors and/or failures (due to maintenance) versus human errors during maintenance activities? In the design phase, are these human and mechanical factors taken into consideration in order to by-pass them or in order to minimize the effects of them? Is it possible to give data on this? Can you estimate the number of errors, due to service, inspection and maintenance activities; can you relate them to consequences, bearing in mind the TBM. Unforeseen maintenance is usually triggered by some sort of trouble or breakage. Is there a difference in risk between regular and unforseen maintenance? Can you indicate these differences?
One of the main items in a TBM is the main bearing. Different forces are acting on it: radial, tangent, axial and torsional directions.
*
Based on your experience, can you give an estimate maintenance activities on this main bearing?
of risk\", and the consequences,
of
Antwoord expert: Een van de grootste problemen wordt gevormd door water in de hydraulische olie, lekken van leidingen en door het uitvoeren van onderhoud. Water in hydraulische olie: 10-4,vooral kosten aspect. Het hoogst risico wordt ingeschat bij het vervangen van tanden aan het boorfrant onder druk: 10-3 Kosten en Tijd. Er kunnen vertragingen ontstaan door het niet beschikbaar zijn van specifiek gereedschap op de werkplaats, effect ervan op de kosten en de tijd expert geeft de voorkeur aan meer inspecties zodat het onderhoud niet te veel wordt: indien meer
onderhoud wordt gepleegd, zo stelt expert, dan zullen werkzaamheden een grater effect hebben op de einddatum dan op grond van de conditie van de installatie nodig is.
Ingeval van problemen zendt expert liever enkele deskundigen om de aannemer te ondersteunen; dit gebeurd 5 tot 10 maal per project. expert stelt dat hierdoor geen vertraging wordt opgelopen omdat deze mensen het werk in het weekend verrichten, in (bijna) alle gevallen staat de installatie dan stil. Het falen van het hoofdlager komt zelden voor, na aandringen blijkt dat er in ca. 50 projecten van grotere tunnelboor installaties er bij 3 machines zodanige problemen onstonden dat ingrijpen, c.q. veranderingen en/of modificaties nodig waren: 10-1.5 Ten aanzien van de Nederlandse omstandigheden stelt expert dat er geen problemen met het hoofdlager verwacht worden omdat het zacht grond betreft, gezien de overdimensionering van de boorkop, het
koppelen vermogenen gezien de ervaring van expert (Noot:deze 'ervaring' blijkt erg beperkt: slechts2 gevallen (interviewer»
79
De schatting ten aanzien van ongepland onderhoud bel open als voIgt: 2 ongeplande onderhoud activiteiten per 1000 meter, allen echter zonder tijdverlies weekend de problem en worden opgclost.
doordat in het
Bij de toe te passen staart afaichting stelt expert dat voor de Nederlandse omstandigheden de 3-voudige staal borstel afdichting de voorkeur zou genieten ten opzichte van de rubberflappen. Vanuit risico proficl ecn verschil faktor 10: 10-3versus 10-4 (Noot interviewer: in hocverre de recente problemen met Heinenoord hier een rol spelen/speelden is niet achterhaald kunnen worden)
Question 5
Electrical/electronics
In today machines the electronics playa very important role: almost anything is measured, regulated and controlled during the boring process.. This means that the risks of a failure (even in a fail-safe design) in this system almost certainly will have effects on the safety of the installation. * * * *
Is there a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) for the electrical and/or electronic circuitry? Do you think it is necessary and/or useful to do so? Which parts are critical in case offailure? Please indicate riskfactors. What precautions have been taken in order to minimize the effects of possible failures? Can you give information concerning the fail-safety of the electrical/electronic system?
Antwoord expert: Het systeem is gebaseerd op een fail-safe concept. Het elektrisch deel is/wordt geleverd door de bekende grotere leveranciers, en worden ter plaatse aangeleverd,:de klant bestelt meestal! Het back-up systeem is gebaseerd op ervaring. Tot op heden heeft expert nag nooit problem en met elektronika gehad.
Question 6
Others
In the complexity of a TBM a lot of different system are combined, from the mechanical point also 'others' playa role. The TBM is an integration of different machineries, so within 'other' following aspects are meant: hydraulic system, pneumatic system, monitoring system etc. * * *
Are there any If so, can you Is it possible environmental
items you think of to be of risk other than the ones mentioned in par 1 till 5? quantifY the risks of these? to name the cause and effect on the safety and casualties aspects, the costs, the effects, the quality and delay aspects?
Antwoord expert: De topvij f van expert is: Het grootste risico ligt in het gegeven van onderhoud van de installatie. Het ontwerp van de machine: onvoldoende Hierdoor kunnen ook al problemen ontstaan Geologische informatie: hierdoor ontstaan beYnvloeden.
Onderhoud Elektrische installatie
80
onervaren personeel voor de bediening en voor het kennis van de randvoorwaarden die de situatie eist. tijdens de montage op de werkplek. mogelijk problemen die het uiteindelijke ontwerp
De filosotie van expert is dat er aan de voorkant geen problemen mogen ontstaan; dat eventuele problemen ter plaatse (en in het weekend) opgelost dienen te worden.
Datgene wat expert als grootste risieo bij het boren noemt is het instorten van het boorfront, tengevolge van obstakels, ofwe I tcngevolgc van onvoldoende inzieht in de geologische omstandigheden.
81
8.6.3 Groslijst van kansschattingen o.b.v. interviews In de groslijst zijn de kansschattingen van 13 verschillende experts en de kansschattingen uit de eerste fase van het ondcrzoek verzamcld voor de verschillende risico-dimensies en nivo's van gevolgschade. De kansschattingen zijn uitgedrukt in machten, de kansschatting 4,0 moet hierbij worden vertaald als 104. Naast de kansschattingen is door een aantal experts in de kolom "verbale omschrijving" een toelichting gegeven op de betreffende kansschatting. In de kolom "per project" is met de letter p aangegeven wanneer een kansschatting betrekking heeft op het gehele project en niet op een enkele onderbreking. In die gevallen is de weergegeven kansschatting bij de sommatie en middelingsprocedure eerst gedee1d door de frequentie van de desbetreffende onderbreking. De groslijst is uitgewerkt met behulp van het spreadsheetprogramma De codering van gros/i)st en somma tie- en middelingsprocedure
EXCEL.
is a/s voigt:
De eerste twee cijfers van de code hebben betrekking op de activiteit-in-situatie. Bijvoorbeeld: de code E21xx hoort bij de activiteit-in-situatie E2.1, namelijk "de activiteit steunen in de situatie graven" (zie ook tabel 6.6 in het rapport). regels ExxOO: benoeming van de activiteit-in-situatie
(komt overeen met tabel6.6 in rapport)
regels ExxOl t/m Exx89: kansschattingen m.b.t. onder de activiteit-in-situatie behorende mogelijke ongewenste gebeurtenissen. De laatste twee cijfers komen overeen met de nummers van de gebeurtenissen in de FMEA, tabel 5.3 in het rapport. regels Exx93 t/m Exx99: dit zijn bewerkte getallen, namelijk: Exx93: Exx94: Exx95: Exx96: Exx97: Exx98:
gesommeerde gemiddelde kansen per gebeurtenis aantal experts dat heeft bijgedragen aan Exx93 overall kansschattingen van een expert. Deze regel kan meerdere malen voorkomen gemiddelde overall kansschattingen aantal experts dat een rege1 xx95 heeft toegeleverd basiskansen.
De basiskansen zijn gewogen gemiddelde van gesommeerde gemiddelde kansen en gemiddelde overall kansschattingen. Exx98 is als voIgt berekend: [Exx93 . Exx94 + Exx96. Exx97] I [Exx94 + Exx97] Exx99: oude basiskansen (uit overzichtstabel
in tussenrapport)
Merk op dat er experts zijn die uitsluitend schattingen per gebeurtenis hebben afgegeven maar geen totaalschatting voor alle gebeurtenissen onder de activiteit-in-situatie, maar ook experts die uitsluitend een totaalschatting hebben afgegeven, of beide. Bovenstaande middelingsprocedure houdt hier zo goed mogelijk rekening mee. Aangenomen daarbij is dat bij experts die uitsluitend kansen per gebeurtenis hebben opgegeven, deze kansen ook zien als belangrijkste bijdrage aan de kans voor de gehele "activiteit-in-situatie" . De aldus verkregen basiskansen (Exx98) zijn in de hoofdtekst terug te vinden in tabel 6.6 en zijn gebruikt in de foutenboomanalyse.
82
