RDC Keuze tunnelboormachine Tweede Heinenoordtunnel

RDC-96-003 Keuze tunnelboormachine Tweede Heinenoordtunnel

.-

Ministerie vanVerkeer en

Oirectoraat-Generaal

Water

staat

Rijkswaterstaat Bouwdienst Rijkswaterstaat Droge Infrastructuur Afdeling

Tunnelbouw

Keuze Tunnel-Boor-Machine 2e- Heinenoordtunnel

(TBM)

Bouwdienst Rijkswaterstaat Afdeling Tunnelbouw

datum documentnr

opsteller bron

status

.

: 3 februari 1995 : LVTH-D-94005 : ir Arjan yan der Put : Tunnel Combinatie Heinenoord bestaande uit: Ballast Nedam Beton en Waterbouw by, Hollandsche Beton en Waterbouw by, Van Hattum en Blankeyoort bY, Wayss & Freytag ag. : defmitief

Voorwoord

Hierbij wil ik iedereen bedanken die heeft meegeholpen aan de totstandkoming van dit document. In het bijzonder wi! ik aIle leden van de tunnelboormachine-werkgroep bedanken voor de prettige samenwerking en goede sfeer in de afgelopen periode.

Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.i

Inhoudsopgave

1

Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2

Keuze TBM-type

3

2.1

Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2

Beschrijving grondopbouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.3

Overzicht mogelijke TBM-typen

5

2.4

Toepassingscriteria

2.5

Keuze TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.5.1

Algemeen

17

2.5.2

Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.5.3

Grove selectie TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.5.4

Definitieve keuze TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.5.4.1

Algemeen

21

2.5.4.2

EPB-schild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.5.4.3

Slurry-schild op Duitse wijze (Hydro-schild)

25

2.5.4.4

Conclusie

3

Bepaling programma van eisen TBM

2e-Heinenoordtunnel

""""""""""""

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

van de verschillende

TBM-typen

12

"""""""

"""""""""""""""""""'"

"""""""""""""""""""'"

...................

27

"""""""""""""""""""'"

28 """"""""""""

3.1

Algemeen

28 """""""""""""""""""'"

3.2

Beschrijving

3.2.1

Uitgangspunten

3.2.2

Technische

3.2.2.1

Algemeen

3.2.2.2

Schild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.2.2.3

Ontgravingsmechaniek

32

TBM-ontwerp TBM-ontwerp

beschrijving

28

"""""""""""""""

28

""""""""""""""

TBM-ontwerp

""""""""

. . . . . . .

31 31

"""""""""""""""""""'"

"""""""""""""""'"

3.2.2.4

Aandrijvingshydrauliek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.2.2.5

Erector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.2.2.6

Stuurcabine

33

3.2.2.7

Grondafvoer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

""""""""""""""""""""


3 februari 1995

34

blz.iii

3.2.2.8

Staartdichting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.2.2.9

Trailers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.2.3

Maatregelen tbv veiligheid en risico-preventie . . . . . . . . . . . . .

38

3.2.4

Ondersteunende

38

3.3

Beschrijving scheidingsinstallatie

3.3.1

Algemeen

TBM-voorzieningen

"""""""""

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 41

"""""""""""""""""""'"

3.3.2

41

Eisen en keuze van het scheidingsmaterieel """"""""""

3.3.3

Technische beschrijving van de scheidingsinstallatie

. . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.4

Uitgangspunten ontwerp van de scheidingsinstallatie

...............

4

Selectieprocedure

4.1

Aanbiedingen

4.2

Technische

4.3

Financiele beoordeling TBM-aanbiedingen

4.4

Definitieve keuze TBM

TBM-Ieveranciers

TBM-Ieveranciers beoordeling

2e-Heinenoordtunnel

43

""""'"

43

""""""""""""'"

TBM-aanbiedingen

42

43

""""""""""

....................

44

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Bijlagen

Bijlage 1

Overzicht

Bijlage 2

Standaardmetingentbv hetboorproces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Keuze tunnelboormachine

materieelverschillen

2e-Heinenoordtunnel

tussen EPB- en Hydo-schild

3 februari 1995

46

"""""

47

blz.iv

1

Inleiding

Ten behoeve van de oplossing van de congestieproblematiek ter plaatse van de Heinenoordtunnel wordt de bestaande Heinenoordtunnel gerenoveerd. Deze renovatie bestaat uit: het uitbreiden van de snelverkeerstroken van twee naar drie rijstroken door de bestaande langzaamverkeerstroken aan te passen; de aanleg van een langzaamverkeerstunnel voor landbouw- , fiets- en voetgangersverkeer. Met de renovatie van de westelijke tunnelbuis werd in 1994 begonnen. Het langzaamverkeer kan thans alleen gebruik maken van de westelijke tunnelbuis waar in verb and met het huidige tweerichtingsverkeer een verkeersreguleringssysteem noodzakelijk is. Het ontwerp van de 2e-Heinenoordtunnel voor het langzaam verkeer behelst een geboorde tunnel inc1usief toeritten, onder de Oude Maas bij Heinenoord in de gemeenten Barendrecht en Binnenmaas. Het ontwerp wordt gemaakt in projectteamverband door de Bouwdienst Rijkswaterstaat en de Tunnel Combinatie Heinenoord (verder TCH genoemd in deze rapportage). In 1990 is in opdracht van de Bouwdienst Rijkswaterstaat reeds een studie uitgevoerd door Ballast Nedam Beton en Waterbouw en Wayss & Freytag voor uitvoering van de 2e-Heinenoordtunnel als boortunnel. Het project kwam echter niet in uitvoering vanwege financiele redenen. In 1993 heeft de overheid dit project aangewezen als praktijkproject in het kader van de uitbreiding van de ondergrondse infrastructuurkennis en zijn er financiele middelen vrijgemaakt. Het doel van deze rapportage is het vastleggen van de verworven kennis die is opgedaan bij de keuze van de tunnelboormachine (in het vervolg van deze rapportage kortweg TBM genoemd) van de 2e-Heinenoordtunnel. Het voorliggende rapport "Keuze TunnelBoorMachine 2e-Heinenoordtunnel" beschrijft de aspecten mbt de keuze van de TBM van het boortunnelproject 2e-Heinenoordtunnel en geeft een samenvatting van het TBM-proces van juni t/m december 1994. In deze peri ode is een keuze van het TBM-type gemaakt, het programma van eisen voor de TBM opgesteld, de TBM-aanvraag verzonden en heeft een TBM-Ieverancier selectieprocedure plaatsgevonden. Voor de keuze van de tunnelboormachine is een TBM-werkgroep samengesteld. Deze werkgroep bestaat naast TCH-Ieden ook uit Bouwdienstmedewerkers vanwege het projectteamen praktijkkarakter van het project. De Bouwdienst heeft met betrekking tot de keuze van de TBM slechts een observerende rol vervuld. De TBM-werkgroep bestaat uit de volgende leden: Claus Becker (TCH, Wayss & Freytag) Kees Fransen (TCH, Hollandsche Beton- en Waterbouw) Bruno Gartner (TCH, Wayss & Freytag) Erdogan Giirkan (TCH, Wayss & Freytag) Wim van de Linde (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Bas Obiaden (TCH, Ballast Nedam Beton en Waterbouw) Arjan van der Put (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Marinus Quaak (TCH, van Hattum en Blankevoort) Ed de Ruig (TCH, van Hattum en Blankevoort) Gert van Ruit (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Harry van Splunder (TCH, van Hattum en Blankevoort) Joost Vlasblom (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Sytse van Vliet (TCH, Ballast Nedam Beton en Waterbouw) In deze rapportage zijn grote delen mbt de keuze TBM-type (hoofdstuk 3) en bepaling programma van eisen TBM (hoofdstuk 4) overgenomen en vertaald uit stukken van TCH. Eveneens zijn delen uit het rapport "Technische & Financiele Evaluatie Offertes Tunnelboormachines" van de TBM-werkgroep in deze rapportage verwerkt. Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

Wz.I

!

I'r,

CD ,Q w 0 ~VI I..

<01( ..(

w

~I

u '-' w

~~ I..

ga ~

ii

g ~ 0 I~

~

0 I :II

f~ ~

~I;

\"

\

\

I : : i : :,~ I

,

I

I

I

\

:=:.

\

';!!

,1 ,

; ;

,

It

11 " "\,

'

:tJ.

'

I

,

'

;

lI

~t

III

-

"

t

.. ,

.

"

.

I

_

';

I/)

:

i.

,: I

~

I LILt

:1H

c(

I

I

: I \ I

~

S

lilt

~'

,

-,' ' ; " -

"' ..

,; ; I

"

I I

"II ,

...,,.

;,

' ,

:: \ I

I

I

I I f

:1: ,I:

1

:;(

:::

:::: 11111

~ z I.. III I

I

'::

I0

~~

,'..' .

i:I

I III

cD ""'"

j:I:.

ILl:: II II

1

; 8 uj ~ I' g:H w,. ~H z ~.... ~H

"

1~1. . ---.-c--~w.J.- -~. '"' ._, ',

t'

I

,I

:.

..,

[-

.

I

' '"\ II

; '+1 \1 I 11'1 :-1.. ----"\;\-\ I I II , 1:,11 : ~, :; .1I'I:I ,,"

,

,

\ I'"I -\

.;

.

.

t I-ri --+-1;.:- : ~ \ :::: I ' .. V~ " I --~+-~--l' t .L.L-d-~ ni: : ,, 1 ~ 1 :1[":t II:\ ' i \ ::J:~ ~ \. 8

' ' "

n\\~. "t',I\j\\

~

;" I \ i : ~ l J--J -1

Ii

'

::1

'

\

. ~ ~ Q:: >

I" "

I

I

I

\

1\'

,,'" IILl

...

~;

'"

i:

I

\ ~ . "Ii' I ' \' I ' ' :':1: i " \\ \ iLT ~\\ :\ ~\:

'II,

'<\

-~

\ ',' '\\\: 1\

~ iI ~.::W' . 1 -~\~~ !:r ...,,11": 1 I"! ; "':1

") II

-+ I =i ~ ::'11 l 'I~

i

"\ ' Ii ~

I

I

~ ~i

Figuur

2.1

Alignementstekening


2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

'6IZ:2

2

Keuze TBM-type 2e-Heinenoordtunnel

2.1

Inleiding

Het boortrace en het grondonderzoek vormen de basis voor de keuze van het TBM-type en de eisen die aan de TBM moet worden gesteld. Om de keuze van het TBM-type te kunnen onderbouwen moet er een indruk zijn van het algemene ontwerp van de boortunnel waarvoor de TBM-type keuze moet worden gemaakt. De algemene gegevens van de boortunnel die men moet weten zijn: de grondopbouw, het alignement van de boortunnel (dekking, boogstralen, lengte), de waterdruk en de afstand tussen een eventuele tweede boortunnelbuis. De alignementstekeningen van het boordeel van de 2e-Heinenoordtunnel zijn in figuur 2.1 weergegeven.

2.2

Beschrijving grondopbouw

De bodemopbouw is voor iedere bouwlokatie verschillend. De grondopbouw ter plaatse van de 2e-Heinenoordtunnel kan typisch Nederlands worden genoemd. In figuur 2.2 is een geotechnisch profiel hiervan weergegeven. Van zuid naar noord worden globaal de volgende grondsoorten aangetroffen in de boordoorsnede van het geotechnisch profiel: Zuidoever: klei/zwak humeus/met dunne zandlaagjes, klei/zandig/tot zand/kleiig, zand plaatselijk met dunne klei- en veenlaagjes; klei, laagje veen, zand/middel grof tot matig; zand/middel grof tot matig. Oude Maas: hoofdzakelijk zand/middel grof tot rnatig en deels klei/plaatselijk zandig en of met dunne zandlaagjes; hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig en deels klei/plaatselijk zandig en of met dunne zandlaagjes, zand/plaatselijk met dunne kleilaagjes; hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig onderbroken door een zandlaag/middel tot grof/vaak grindig. Noordoever: hoofdzakelijk zand/rniddel grof tot matig onderbroken door een kleilaag/siltig/zandig; hoofdzakelijk zand/plaatselijk dunne kleilaagjes onderbroken door een kleilaag/siltig/zandig; veen, klei/humeus tot sterk humeus yak met veenstukjes, klei/zwak humeus/met dunne zandlaagjes. Het grondonderzoek 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 Oude Maas verwacht.


3 februari 1995

EIz.3

It

,f

... t ~.. 1- .,,t

i i i ~ .t

!

.t

! !

~..

I ~

C

2

~

%- .f

i t

I

j I

i i

I

i .t %-..

%-..

.

I

c

Figuur 2.2

Geotechnisch

profiel boortrac6 2e-Heinenoordtunnel

Keuze tunnelboormacbine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

DIz.4

2.3


In deze paragraaf worden de TBM-typen, die in zand en kleibodem toepasbaar zijn, opgesomd en geanalyseerd. TBM-typen die niet inzetbaar zijn in de grondopbouw van de 2e-Heinenoordtunnel worden hier niet genoemd. Evenzo wordt de oplossing "graaffrontondersteuning door luchtdruk voor

het gehele boortrace II als niet meer overeenkomend met de stand van de techniek gezien. Door het uitwisselen van onderdelen kan er veel varieteit van de beschreven TBM-typen ontstaan.

De TBM's kunnen worden onderverdeeld in de volgende typen: 1

Mechanische ondersteuning van het graaffront: extrusie-schild biihnen-schild verbauplatten-schild schurfscheiben-schild

2

Ondersteuning ontgraving ontgraving ontgraving

3

Ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid: High Density Slurry Shields Slime Shield/ Mud injection Shield Earth Pressure Balance Shield (standaard-uitvoering) Earth Pressure Balance Shield (meng-kamer-uitvoering) Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering)

4

Standaard TBM (Mixschild)

van het graaffront door vloeistof: met teilschnittmachine met vollschnitt ("Japanse bouwmethode") met vollschnitt ("Duitse bouwmethode")

De verschillende TBM-typen zijn in de figuren 2.3 t/m 2.5 weergegeven. In de tabellen 2.1 t/m 2.6 worden de kenmerken van de TBM-typen beschreven.


3 februari 1995

bIZ3

......

~Extrusionsschild

rlu~

!

"

Verbauplattenschild

SChilrfscheibenschild

Figuur

2.3

TBM-typen

met mechanische

Keuze ftiillleITjoormachme 2e-Hemenoordtunnel

graaffrontondersteuning

3 februari 1995

blz.6

Tabel 2.1 1

TBM-typen met mechanische ondersteuning van het graaffront

Mechanische ondersteuning van het graaffront

Kenmerken

Extrusie-schild

Biihnen-schild

Verbauplatten-schild

Schurfscheiben-schild


Vlakke ondersteuning door grondoverdruk in de ontgravingskamer. De opbouw van de steundruk geschiedt bij de voortgang door insnoering van de doorsnede (extrusie).

Onder hoek van natuurlijk talud op eventueel beweegbare tussenplateaus.

Op deelvlakken van het graaffront door beweegbare steunplaten die door drukcilinders worden aangedrukt.

Gedeeltelijk door de gesloten voorzijde van het ontgravingswiel, dat verend wordt aangedrukt.

waterdichtheid

Door het vormen van een grondprop.

Door middel van luchtdruk.



Ontgravingsmethode

Niet aanwezig.

Ontgravingsmaterieel op de plateaus (schop, kleine graafmachine etc.).

Bagger- en ontgravingsmaterieel op de vrije doorsnedevlakken.

Snijrad met snijwerktuigen langs de doorgangsopeningen in het snijrad.

afvoer van grond

Ais een pasta door een verstelbare diafragma-opening naar een transportband

Door afvoer in den droge en luchtsluis (cellensluis, avegaar).

Door afvoer in den droge en luchtsluis.


toegang tot de graafkamer

Door eventueel een verbrede extrusie-opening en onder luchtdruk.

Door een luchtsluis.



opmerkingen

Geen.

Regulering ontgraving binnen of buiten de drukkamer.


Keuze tunnelboormachme 2e-Hemenoordtunnel

3 februan 1995

blz.7

~

Abbau mit Teilschnittmaschine

Abbau im Vollschnitt "japanische Bauart"

.-i . ::::::=::::-:::. Abbau

Figuur

2.4

TBM-typen

met vloeistofondersteuning

Keuze tunnelboormachme 2e-:JIemenoordtunnel

im Vollschnitt

van het graaffront

3 februan 1995

u

blz.8

Tabel2.2 2

TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Kenmerken

Ontgraving met teilschnitt

Ontgraving met vollschnitt ("Japanse bouwmethode")

Ontgraving met vollschnitt ("Duitse bouwmethode")


Een drukgeregelde vloeistofvulling in de graafkamer.


Door een luchtkussen achter de duikwand en een drukgeregelde vloeistofvulling in de graafkamer.

waterdichtheid

Door steunvloeistof.



afgraafmethode

Een baggercutter.

Een zeer dicht snijrad met spleetopeningen.

Een open spaakwiel eventueel door platen afsluitbaar.

afvoer van grond

door een beweegbare cutterkop losgesneden en vervolgens hydraulisch afgevoerd.

Hydraulisch, het inbouwen van een steenbreker is mogelijk.



Door een luchtsluis bij verlaagd steunvloeistofniveau en luchtdruk in de graafkamer. Beschermplaten aan bovenzijde.

Door een luchtsluis bij verlaagd steunvloeistofniveau en luchtdruk in de graafkamer.

Door een luchtsluis in kruin van de TBM met achter de duikwand een beschermde ingang en een verlaagd steunvloeistofniveau plus luchtdruk in de graafkamer.

opmerkingen

Geen.

Geen.

Het snijrad kan verschuitbaar worden uitgevoerd tOYas van de TBM en onder een hoek worden geplaatst tOYde as van de TBM.


3 februan 1995

blz.9

Massestrome:

A, B, C, F, S

Grenzwerte:

B --

A

==

C

==

0 )

A

==

C

0 ) Erddruckschild

==

S ) slurry-shield

s

-.-. ~

---r I

S )

High Density

Erddruckschilde - Standardbauart

Figuur 2.5

Slurry

Slime Shield/

Shields

-

Keuze tunnelboormachme2e-Hemenoordtunnel

-

Mischkammerbauart

TBM-typen met graaffrontondersteuning

door media met hoge dichtheid

3 februan 1995

Shield

Erddruckschild

Erddruckschild -

Mud injection

.

6IZ~10

Bauart mit Muckring

-

Tabel2.3 3

TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid

Ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid

Kenmerken

High Density Slurry Shield

Slime Shield/ Mud injection Shield

Earth Pressure Balance Shield (standaard-uitvoering)

Earth Pressure Balance Shield (mengkamer-uitvoering)

Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering)


Een drukgeregelde vloeistofondersteuning met een grote dichtheid (tot die van de grondbrei) in de graafkamer.

Een drukgeregelde, geconditioneerde vulling van de graafkamer.

Een drukgeregelde grondvulling van de graafkamer.



waterdichtheid

Door een drukgeregelde vulling van de graafkamer.

Door een drukgeregelde, geconditioneerde vulling van de graafkamer.

Door een grondvulling van de graafkamer.


Door een drukgeregelde grondvulling van de graafkamer.

afgraafmethode

Een open of gesloten snijrad.

Een redelijk dicht snijrad met openingen.

Een zeer dicht snijrad met opening en.

Een open snijrad met injectieleidingen en mengstaven aan de achterzijde van het snijrad.

Een open snijrad met afsluitplaten (zgn. flood-doors).

afvoer van grond

Hydraulisch met een maximale dichtheid van ca. 1,5 ton/m3.

Via compressie met een avegaar en een transportband.

Via, eventueel 2 achterelkaar opgestelde avegaren, en een transportband.

Via, eventueel 2 achterelkaar opgestelde avegaren en een transportband.

Door een voorgespannen afsluitklep in de muck-ring en een transportband.


Door een luchtsluis in de luchtdrukruimte.

Door een sluis langs de rand en luiken in de "snijradtrommel"


Door een luchtsluis naar de (deels) geleegde mengkamer onder luchtdruk.


opmerkingen

Geen.

Geen.

Geen.

Injectie tbv bodemconditionering door de snijnaaf.

Bouwmethode van de Canadese TBMleverancier "Lovat"

Keuze-tunnelboormachme 2e-Hemenoordtunnel

3 februan 1995

bIz. 11

1

Standaard TBM (Mix-schild)

Het toepassen van de boormethode in een bodemgesteldheid met wisselende grondlagen komt vandaag de dag steeds vaker voor. Het toepassingsgebied wordt steeds groter en strekt zich uit van cohesieloze, grofkorrellige bodems en vaste kleilagen tot morenenformaties (met ingebedde harde stenen) en rots. De genoemde grondlagen kunnen in een boortrace achtereenvolgens voorkomen of gelijktijdig aan het graaffront optreden. In de schildtechniek is er een trent van een pure "Unieke TBM" naar een veelzijdig toepasbare "Standaard TBM". Het ontwerp van de TBM wordt zodanig uitgevoerd dat de TBM kan worden aangepast aan de omstandigheden. Door het verwisselen van standaard onderdelen kan de Standaard TBM voldoen aan de ontwerpeisen van een bepaalde bouwlokatie. Aanpassingen van ontgravingswerktuigen, methode van graaffrontstabiliteit, grondafvoermaterieel etc. behoren tot de mogelijkheden. Hieronder zijn de hoofdonderdelen van de standaard TBM weergegeven die aan de eisen kunnen worden aangepast. Ontgravingsmaterieel: Stichel = tanden om zand af te snijden; Cutterdiscs = ronde snijmessen die langs de buitenzijde van het snijrad meerollen en vooral in rots worden toegepast; Schalmesser = snijmessen voor kleiige bodem; Disken = snijtanden; Copy-cutters = tanden die oversnijding van het profiel mogelijk maken en op de buitenkant van het snijrad kunnen worden geplaatst. Snijrad/spaakwiel: open met steunplaten; met uitschuifbare oversnijdingstanden (copy-cutters); met verstelbare excentriciteit; met injectiekanalen. Afvoermaterieel: steenbreker; beweegbare afzuigmond; afvoer mbv hydraulisch systeem; afvoer mbv avegaar en transportband. Graaffrontstabiliteit: open graaffront; druklucht; EPB met injectiemogelijkheden van additieven (foams, bentoniet e.d.); vloeistofondersteuning.

2.4

Toepassingscriteria

van de verschillende TBM-typen

In deze paragraaf worden de globale toepassingsgebieden beschreven van de in paragraaf 2.3 genoemde TBM-typen. De belangrijkste voor- en nadelen worden kort behandeld. De aangegeven meer- of minderkosten gelden vanzelfsprekend alleen voor schilden van gelijke diameter. Als referentie voor de kosten zijn de kosten van ieder schild vergeleken met de kosten van een volledig gemechaniseerde TBM met open graaffront.

Keuze tunnelboormachme 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

wz.12

Tabel2.4 1

Afweging TBM-typen met mechanische ondersteuning van het graaffront


Criteria

Extrusie-schild

BUhnen-schild


Schurfscheiben-schild

toepassingsgebied

homogene, zachte, vervormbare en quasi waterondoorlatende grond.

niet cohesieve en ook waterdoorlatende bodem met geringe cohesie. Dekking op tunnel moet luchtdruk toelaten bij werken onder de grondwaterspiegel.

cohesieve, gedeeltelijk standvaste veen- en kleibodem.

van niet cohesieve tot gedeeltelijk standvaste zand/grindbodem, ook watervoerend.

voordelen

-

-

-

nadelen

-

zeer eenvoudig zonder ontgravingsmechaniek; korte levertijd; directe optische controle van de samenstelling van de ontgraven grond; bij juiste openingsverhouding nauwelijks vooruitlopende bodemverstoring.

-

stelt hoge eisen aan de homogeniteit van de grond; vereist grote aandrijfkrachten tijdens boren.

-

Keuze tunne11:ioormachme2e-Hemenoordtunnel

-

-

eenvoudig schild; korte levertijd; ontgravingswerktuigen vaak serie-materieel; directe controle van de samenstelling van de ontgraven grond.

-

ongelijkmatige graaffrontondersteuning hoge aandrijfkrachten tijdens boren. zettingsgevoelig bij onprofessioneel toepassing.

-

3 februan 1995

-

-

biz. 13

eenvoudig schild; binnen ruime grenzen aanpasbaar aan de bodemgesteldheid; directe controle van het graaffront in het open deel van het graaffront.

-

langzaam tgv afgraven op deelvlakken van het graaffront; veelvuldige onvolledige ondersteuning met als gevolg zettingen.

-

-

eenvoudig schild met mechanische verzekering tegen instorten van het graaffront door een zeer dicht snijrad; groot toepassingsgebied.

hoge aandrijfmomenten en aandrijkrachten met als gevolg verstoring van de natuurlijke bodemspanning voor het schild en eventuele zettingen.

kosten

-

-

het dure snijrad met de hydraulische aandrijfmotoren en de grondafvoerinstallatie van het graaffront naar de TBM ontbreekt; vaak ook luchtdruk.

-

-

-

Tabe12.5 2

serie-materieel dus goedkoper dan andere ontgravingstechnieken; TBM zonder hoge nauwkeurigheidseisen; afvoer van grond uit werkkamer met luchtsluis; werken onder luchtdruk;

-

-

schild hetzelfde als Biihnen-schild; ontgravingsmaterieel echter zwaarder uitgevoerd en niet seriematerieel; bij werken onder de grondwaterspiegel is luchtdruk en afvoer dmv luchtsluis aan te bevelen.

-

-

actieve steunplaten in het snijrad maken het ontgravingsmaterieel duur; zware aandrijfaggregaten; bij werken onder de grondwaterspiegel is luchtdruk en afvoer dmv luchtsluis aan te bevelen.

Afweging TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door vloeistof Ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Criteria




toepassingsgebied

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in praktisch alle hydraulisch ondersteunbare zand- en kleibodems.

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in prak tisch alle bodemsoorten.

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in praktisch alle bodemsoorten.

Keuze tunnelb()-onnachme 2e-Hemenoordtunnel

3 februan 1995

I)lz.14

voordelen

-

-

-

hydraulische ondersteuning van het graaffront met geringe verstoring van de natuurlijke bodemspanningen; afsnijden van hindernissen mogelijk; directe afvoer van de ontgrayen grond door de cutterkop van de afvoerleiding; inspectie van het graaffront mogelijk na verlaging van de bentonietspiegel.

-

-

-

zeer breed toepassingsgebied; geringe verstoring van de bodemstructuur aan het graaffront; verzekering tegen instorten van graaffront door gesloten snijrad; de geometrie van het graaffront blijft onveranderd.

-

-

-

-

nadelen

-

-

kosten

-

de geometrie van het graaffront verandert voortdurend; aan het graaffront geen instortverzekering mogelijk tijdens ontgraven (steunplaten); voortgang kleiner dan Vollschnitt-TBM's.

-

kosten vergelijkbaar met een Vollschnitt- TBM; luchtdrukinstallatie; hydraulische afvoer en scheidingsinstallatie.

-

-

-

-

-


3 februan 1995

volledige scheiding van ondersteuning en ontgravingsfuncties door de open graafspaken; zeer geringe structuurverstoring van de grond en daardoor geringe zetting; gelijkmatige continue ondersteuning van het graaffront door luchtkussentoepassing; beschermde entree achter de duikwand naar de graafkamer; gering draaimoment.

verhoogd draaimoment nodig; graaffront nauwelijks te zien (bij vloeistofspiegelverlaging); drukschommelingen in de graafkamer worden geregeld met aan- en afvoer van vloeistof.

-

instorten van graaffront bij betreden van graafkamer vereist eventueel een volledige afsluiting van het open spaakwiel.

ontgravingstechniek met hoofdlagerafdichtingen eventueel mengselbehandeling voor het hydraulisch transport; scheidingsinstallatie; luchtdrukinstallatie.

-

ontgravingstechniek met hoofdlagerafdichtingen; eventueel mengselbehandeling voor het hydraulisch transport; scheidingsinstallatie; luchtdruk installatie.

bIz.15

-

-


~

Voor de TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid geldt voor het principe van een High Density Slurry Shield en het Slime Shield/ Mud injection Shield hetzelfde als voor een vloeistof- en vollschnittschild. Voor het Earth Pressure Balance Shield zijn de criteria voor alle genoemde EPB-uitvoeringen in de onderstaande tabel weergegeven.

Tabel 2.6 4 I

Afwegingen verschillende EPB-schild-uitvoeringen

Ondersteuning

van het graaffront


Criteria

I

I

EPB-schild-uitvoeringen I

toepassingsgebied

Voor de klassieke EPB-schilden plastisch vervormbare bodemsoorten met een geringe wrijving (zandaandeel onder de 20%). Door toevoegen van plastificeermiddelen aan het graaffront kan het toepassingsgebied aanmerkelijk worden vergroot.

voordelen

-

-

nadelen

kosten

-

kwaliteit van de graaffrontondersteuning en de uitkomende grond is afhankelijk van de (onbekende en eventueel sterk wisselende) eigenschappen van de bodem;

-

betreden van de graafkamer lastig.

-

ontgravingsmechaniek zeer robuust met hoog benodigd aandrijfvermogen;

-

avegaar met regelbare omwentelingssnelheid; gebruik van drukmeters en regelsysteem.

-

Keuze turinelboormachme le-Heinenoordtunnel

onmiddellijk gebruik van de ontgraven grond voor de ondersteuning van het graaffront en afdichting tegen het grondwater; geen hydraulische afvoer; geen scheidingsinstallatie.

3 februari 1995

bIz. 16

2.5

Keuze TBM-type

2.5.1

Algemeen

In de voorgaande paragrafen zijn mogelijke TBM-typen en hun kenmerken beschreven. In deze paragraaf wordt een keuze van het TBM-type gemaakt voor toepassing bij de 2eHeinenoordtunnel. Hiervoor worden eerst de criteria beschreven waaraan de TBM moet voldoen vervolgens wordt een grove selectie gemaakt en tenslotte een definitieve keuze.

2.5.2

Criteria

Voor het functioneren van een TBM in een bepaalde grondslag dient de TBM aan verschillende eisen te voldoen. De toepasbaarheid van een TBM-type moet worden onderzocht op: de graaffrontondersteuning; het ontgravingsmechanisme; het grondafvoersysteem; diversen: benodigde aandrijfkracht, grondbehandeling en ervaring. Deze aspecten en de daaruit vloeiende eisen worden achtereenvolgens voor de lokatie van de 2e-Heinenoordtunnel behandeld.

Graaffrontondersteuning De eisen ter beperking van zettingen aan het maaiveld gelden alleen voor het boortrace ter plaatse van de schachten en onder de dijken om schade aan schachten en dijken te voorkomen. Vanwege het feit dat de schachten en dijkonderdoorgangen slechts een klein deel van het totale boortrace uitmaken kan in geval van voorziene ontoereikende graaffrontondersteuning door lokale maatregelen instabiliteit worden voorkomen. De gevolgen van een ontoereikende ondersteuning tijdens boren komen vooral tot uiting in een sterke verstoring van de bodemstructuur voor en boven het schild. Te veel ontgraving leidt tot vermindering van de voortgangssnelheid (meer graafwerk, meer materiaal afvoeren en eventueel behandelen) en vermindering van de kwaliteit van de bouw van de lining (de grout die langs de tunnelmantel de oversnijdingsruimte moet opvullen kan naar het graaffront lopen waardoor de groutdruk langs de tunnelmantel niet is verzekerd en de segmenten van de tunnel ring niet goed op elkaar kunnen worden aangedrukt). Het toetreden tot het graaffront onder luchtdruk kan onmogelijk worden indien door bodembewegingen spleten in het grondmassief optreden waardoor de lucht- en waterdoorlatendheid van de bodemlagen toeneemt. Graaffrontondersteuningseis:

een zekere graaffrontondersteuning de natuurlijke grondspanningen.

met geringe storing van

Ontgravingsmechanisme Het boortrace doorsnijdt over aanzienlijke lengten verschillende grondlagen. Het draaimoment en de benodigde vijzeldruk van het snijrad moeten worden bepaald met de hoogste belasting. De werkelijke slijtage van de graaftanden is slecht dmv berekeningen vast te stellen en wordt pas duidelijk tijdens het boorproces. Met inspectie onder druklucht en eventuele vervanging van de graaftanden moet rekening worden gehouden.


3 februari 1995

'6lzTI

Eis ontgravingsmechanisme:

mogelijkheid om snel de graafkamer te kunnen betreden en simpel inspectie van het graaffront en de ontgravingswerktuigen te kunnen uitvoeren.

Grondafvoersvsteem Het transport van de ontgraven grond dient onathankelijk van de graaffrontondersteuning te geschieden. De zwaartekracht kan hier gunstig werken indien de afgegraven gronddeeltjes aan de voet van de tunnel worden verwijderd. Zanddeeltjes leveren voor de grondafvoer nauwelijks moeilijkheden op. Kleideeltjes daarentegen hebben de neiging onder bepaalde vochtcondities te kleven aan de constructieelementen van het snijrad. Uit de praktijk is echter gebleken dat dit "kleeffenomeen" door speciale aanpassingen (spuitlanzen, speciale vormgeving snijrad, gedeeltelijke vulling bij vloeistofondersteuning etc.) kan worden voorkomen. Uit het grondonderzoek is gebleken dat het grondafvoersyteem geen stenen groter dan D 100 mm hoeft te verwerken. Desondanks zijn grotere obstakels niet uit te sluiten.

Grondafvoereisen: -

toetreden van het graaffront onder luchtdruk om eventuele hindernissen te verwijderen; transport van de ontgraven grond en de graaffrontondersteuning dienen onathankelijk van elkaar te geschieden.

Diversen De benodigde aandrijfkracht moet zo klein mogelijk zijn zodat deze kracht niet het maatgevende belastingsgeval wordt voor de wapening van de tunnelsegmenten. Er dient een grondbehandeling te worden nagestreefd waarbij directe beschikbaarheid van een deponie zonder nabehandeling kan worden toegepast. De geeiste tunneldiameter van 8,3 m is relatief groot. De voorkeur ligt voor een TBM-type waarbij meerdere succesvolle ervaringen zijn opgedaan.

2.5.3

Grove selectie TBM-type

Uit de voorgaande paragraaf voIgt direct de (on)geschiktheid voor toepassing van bepaalde TBM-typen in de omstandigheden van de Heinenoordtunnel. la Extrusieschild : niet geschikt tgv de wisselende grondlagen. 1b Biihnen-schild : niet geschikt tgv ongelijkmatige ondersteuning van het graaffront en te hoge aandrijfkrachten. Verbauplattenschild niet geschikt vanwege te kleine voortgangssnelheid en te lc speciale TBM voor de wisselende grondlagen. Teilschnittmachine met 2a vloeistofondersteuning : niet geschikt vanwege te kleine voortgangssnelheid. 3a-b

High Density Slurry Shield, Slime Shield/ Mud injection Shield zijn min of meer geschikt en worden in tabel 7 onder HDS (high-density-shield) behandeld.

3c-e

Earth Pressure Balance Shield (standaard-uitvoering), Earth Pressure Balance Shield (meng-kamer-uitvoering) en Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering) zijn min of meer geschikt en worden in tabel 7 onder EPB (earth-pressure-balanceshield) behandeld. In tabel 2.7 zijn de overgebleven TBM-typen op de criteria vergeleken en overzichtelijk weergegeven


3 februari 1995

WzTI

Tabel2.7

Vergelijkingstabel TBM-typen

Criteria I

graaffrontondersteuning met weinig grondvervormingen tijdens: a) boorproces; b) toetreden van graafkamer.

Schurfscheibe

Slurry (Japans)

Slurry (Duits)

High dens ity-schild

EPB-schild

a) onzeker b) middelmatig

a) goed b) middelmatig

a) zeer goed b) middelmatig



2

mogelijkheid tot toetreden van graafkamer

zeer goed

goed

zeer goed

goed

middelmatig

3

benodigde druklucht tijdens boorproces

te hoog

geen

gering

geen

geen

4

benodigd draaimoment

hoog

middelmatig

gering

middelmatig

zeer hoog

5

benodigde aandrijfkracht

hoog

middelmatig

gering

middelmatig

zeer hoog

6

mogelijkheid tot inbouw van steenbreker

ja

ja

Ja

beperkt

nee

7

afvoermechanisme

droog

nat

nat

plastisch

plastisch

8

scheidingsinstallatie

nee

ja

ja

beperkt

nee

9

ervaring van schilden met D > 10m

--

talrijk

enkele

onbekend

onbekend

Omdat de keuzecriteria zich beperken tot de wezenlijke aspecten, die tot kwaliteitsonderscheid van de verschillende TBM-typen leiden, blijft de tabel overzichtelijk. Uit tabel 7 blijkt dat de met vloeistof ondersteunde schilden en de EPB-schilden het meest geschikt zijn voor de situatie van de Heinenoordtunnel.


3 februan 1995

blz.19

VolIscMitt .uchift,

Keth"'" ",., I

I I

E'dd~k. bal.nc.d .hi.IG).

unci Was..rdruck.usgl.lcMncI.,

Schild (.a""pr..."r.

Kneadilll Blade Mud A,ent Injection Holel Presaure CUle Bulk Head .Culler Oil Motor

Segment OiacharliDI

Gate .Screw Conyeyor Motor

Cutter Bit Screw 'Conveyor Hole

Figuur

2.6

Principe

EPB-schild


3 februan 1995

bIz.2O

2.5.4

Defmitieve

2.5.4.1

Algemeen

keuze TBM-type

In deze paragraaf worden de twee meest geschikte TBM-typen voor toepassing van de situatie bij de 2e-Heinenoordtunnel, het vloeistofondersteunde schild (Slurry-schild op Duitse wijze oftewel Hydro-schild) en het EPB-schild, nader behandeld en met elkaar vergeleken.

2.5.4.2

EPB-schild

Algemeen Het ideale EPB-type is het blinds child waarbij de bodem door de aandrijfkracht van het schild in de graafkamer wordt gedrukt en door openingen in de drukwand geextrudeerd wordt. Een voorwaarde voor een storingvrije functionering is een gelijkmatig vervormbare bodem waarvan de natuurlijke plasticiteit de mogelijke steundruk bepaald. Toepassing van een EPB-schild in een stijvere bodem kan mogelijk worden gemaakt door het inbouwen van een snijrad. Het snijrad vormt met de afgegraven grond een waterdichteen drukoverdragende grondprop in de graafkamer door middel van ontgravings-, meng, - en kneedwerktuigen aan de voor- en of achterkant van het snijrad. De benodigde smeerstoffen (water, bentoniet, foams etc.) worden gedeeltelijk door het snijrad aan het graaffront ingespoten. Het is noodzakelijk de graafkamer volledig met een homogene, plastische grond-/smeermengsel te vullen. De druk in de graafkamer wordt dmv drukdozen aan de drukwand vastgesteld. De drukregeling geschiedt door aanpassing van de afvoersnelheid van de grond uit de graafkamer (bij toepassing van een avegaar aanpassing van de omwentelingssnelheid van de avegaar). Vanwege de relatieve onbekendheid van foamtoepassing zijn hieronder enkele gegevens mbt foam weergegeven: foamontwikkeling is 10 jaar geleden gestart. De foams van tegenwoordig worden steeds zeepachtiger; de werking van het foam is gebaseerd op het voegen van luchtbeIletjes tussen de grondkorrels. De voordelen hiervan zijn: * de grond wordt smeu'iger en daardoor beter transporteerbaar; * de behandelde grond geeft een betere afdichting tegen water; * de behandelde grond heeft een verende werking. Water zet niet uit en is bijna onsamendrukbaar. Voor luchtbeIletjes daarentegen geldt het omgekeerde. Indien er weinig grond voor het graaffront wordt uitgenomen is er geen stabiele situatie meer voor de met waterverzadigde grond echter de met luchtbellen ge'injecteerde grond kan terugveren en een stabiele situatie behouden; Voordelen De voordelen van een EPB-schild zijn: bij een volle graafkamer een absolute zekerheid dat het graaffront niet instabiel wordt; de afgegraven grond wordt naar het afvoerpunt geperst waardoor er geen verklevingsverschijnselen optreden; automatische vuIling van de ruimte tgv oversnijding; droog transport van afgegraven grond door de tunnel; geen scheidingsinstallatie nodig indien het plastische ontgravingsmateriaal direct kan worden gestort.

Keuze tunne1boormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

bI£21

Nadelen het gebruik van een avegaar, transportband en locomotief met wagonnetjes is nodig tbv van de grondafvoer. Het grondtransport gaat gepaard met mors waardoor de kans groot is dat de tunnel vuil is. Het is overigens de vraag of er geen grondbehandelingsinstallatie moet worden toegepast waardoor de kosten van de grondafvoer hoger worden; het benodigde draaimoment is circa 3 maal groter dan voor een Hydro-schild. De grond moet als het ware naar worden binnengedraaid; de benodigde aandrukkrachten zijn groter dan bij een Hydro-schild omdat: * de smerende werking van de bentoniet ontbreekt waardoor de wandwrijving groter is; bij de EPB-ontgravingsmethode draait een grondbrei in de graafkamer mee; * de onzekerheid van de drukverdeling aan het graaffront te compenseren. * Het gevolg hiervan is dat de tunnellining zwaarder wordt belast waardoor meer splijtwapening nodig is in de segmenten en er meer aandrukvijzels nodig zijn dan bij een Hydro-schild; het snijrad is zwaarder en de benodigde aandrukkracht is groter waardoor het hoofdlager zwaarder wordt belast. Hierdoor is de kans op falen groter en de levensduur kleiner; het benodigd geinstalleerde vermogen is groter dan bij een Hydro-schild waardoor de runningkosten hoger zijn; grotere verstoring van de natuurlijke grondspanningen dan bij een Hydroschild. Dit kan leiden tot grotere zettingen; voor grotere diameters treden opmerkbare drukverschillen over de hoogte van het graaffront op. De Ko-waarde van een bodem in rust bedraagt circa 0,5 echter voor mechanisch bewegende plastische grond in de graafkamer is de Ko-waarde circa 1; voor alle boortracedelen waar een wezenlijk zandaandeel aanwezig is (70 % van het totale boortrace van de Heinenoordtunnel) moeten hulpstoffen (additieven) worden toegepast. Foam moet als hulpstof worden gebruikt om de wrijvingskrachten te verminderen en een goede waterdichting van het zand te bewerkstelligen. Deze functies heeft het foam echter voor een beperkte tijd. Onderbreking van het boorproces om de graafkamer te betreden geeft problemen doordat de bodem na verloop van tijd weer waterdoorlatend wordt. Bentonietinjectie zou deze problemen kunnen verhelpen. Er zijn geen referenties voor het gebruik van foam voor de Heinenoordsituatie (3,4 bar waterdruk, niet cohesieve grond); het foam is niet 100% milieuvriendelijk, circa 10% van de foamchemicalien zijn niet biologisch afbreekbaar; het betreden van de graafkamer geeft meer problemen dan bij een Hydro-schild namelijk: * het leegmaken van de graafkamer duurt langer; * de avegaar mag niet leeggedraaid worden omdat deze anders de dichtende werking verliest; bij uitval van de grondsteunplaten op het snijrad is het graaffront niet verzegeld, * hetgeen pas bij betreden van de graafkamer wordt opgemerkt; * na betreden van de graafkamer moet de graafkamer weer gevuld worden voor de TBM weer kan gaan ontgraven. De steundrukverhoudingen tijdens deze overgang zijn minder nauwkeurig te bepalen dan bij een Hydro-schild; drukverschillen aan het graaffront kunnen minder goed worden opgevangen dan bij een Hydro-schild met luchtbuffer; doordat er geen steenbreker kan worden geinstalleerd is een blokkage van de avegaar niet ondenkbeeldig; stenen in de graafkamer kunnen de mengarmen achter op het snijrad beschadigen. bij gebruik van een staartdichting met staalborstels en vetafdichting geeft deze staartdichting hechtingsproblemen tussen de grout en de tunnellining tgv een vetfilm op lining. Tevens kunnen de borstels dicht gaan zitten met grout en is het vet milieubelastend. De vervanging van de staalborstels is echter eenvoudiger dan van een rubber profielstaartafdichting.


3 februari 1995

blz.22

indien er gassen (CH4, H2S, CO) in de grond aanwezig zijn kunnen deze in de tunnelbuis komen doordat het grondtransportsysteem niet gesloten is. Voor een EPB moet voor het ontwerp van de ventilatie hiermee rekening worden gehouden: een EPB heeft relatief meer snijelementen dan een Hydro-schild waardoor vervanging duurder is en langer duurt met als gevolg een kleinere inzetbaarheid bij grote slijtage; relatief veel mens en in tunnel en veel transportbewegingen waardoor de kans op ongelukken groter is dan bij een Hydro-schild.


3 februari 1995

bIZ23

:"2 a. .. 1

E

1Q. C

-v

.

~ E -5

1 J

:;~ 0 J

a"

Figuur

2.7

Principe

Hydro-schild


3 februan 1995

'6I"Z24

2.5.4.3


Algemeen Tijdens het boorproces steunt een speciale suspensie (bentoniet) het graaffront. De steundruk verloopt hydrostatisch. De steundruk wordt gecontroleerd en constant gehouden door een luchtkist achter de duikwand waardoor de schommelingen van de ondersteuningsdruk gering zijn. De bentoniet vormt een dichte filterkoek op het oppervlak van het graaffront en zet het graaffront onder druk. De zettingen blijven door deze graaffrontondersteuning zeer beperkt. De vorming van de membraamachtige filterkoek is tijdens vele boorprojecten bewezen. De bentonietcake is relatief luchtondoorlatend waardoor het graaffront door druklucht kan worden gesteund tijdens het betreden van de graafkamer. De eigenschappen van de steundruksuspensie kunnen aan de situatie worden aangepast. Voordelen Naast de voordelen die hierboven zijn omschreven kunnen worden genoemd: de geringe aandrijfkrachten: door de bekendheid van de drukverdeling over de hoogte van het graaffront, de smerende werking van het bentoniet en de scheiding van de functies ondersteuning (door suspensie) en afgraven (door snijrad) van graaffront; geringe verstoring van de natuurlijk aanwezige grondspanningen; er kan beter in niet homogene grondlagen worden geboord dan bij een EPB-schild door de zelf-instellende drukregeling; doordat de TBM lichter is en minder aandruk en draaimoment nodig heeft wordt het hoofdlager minder belast waardoor de levensduur groter is dan van een EPB-schild; het gei'nstalleerd vermogen is kleiner waardoor de runningkosten lager zijn dan voor een EPB; steenbrekerinbouw is mogelijk zodat afvoer van afgegraven materiaal geen problemen oplevert; hergebruik ondersteuningssuspensie; het afvoersysteem van afgegraven grond kenmerkt zich door: * schoon transport; * neemt weinig ruimte in beslag; * is richtingsonafuankelijk. de scheidingsinstallatie scheidt naar korrelgrootte zodat het gescheiden materiaal eventueel verder gebruikt kan worden; indien een Neopreen-staartdichting wordt toegepast is deze eenvoudiger en minder gevoelig voor grout en oneffenheden dan een staartdichting dmv vetinjectie en staalborstels; door de toepassing van een gesloten grondafvoersysteem is er geen gevaar tgv vrijkomende stoffen in de tunnelbuis en is er minder lawaai in de TBM en tunnelbuis; het aantal benodigde snij-elementen is kleiner waardoor het benodigde draaimoment en aandrukkracht kleiner is. Tevens is vervanging goedkoper en kan sneller plaatsvinden waardoor de inzet van de TBM groter is dan voor een EPB; er zijn relatief weinig mens en betrokken bij het boorproces.

Nadelen het gebruik van een scheidingsinstallatie, een aanvoersysteem tbv ondersteuningssuspensie en een afvoersysteem tbv de met afgegraven grond vervuilde ondersteuningssuspensie is nodig; bij kleinere gronddeeltjes wordt de scheiding van de bentoniet en de ontgraven grond moeilijk of zelfs onmogelijk waardoor er veel bentonietvloeistof verloren kan gaan; men houdt een hoeveelheid bentonietvloeistof en eventueel met bentoniet vermengde grond over waarvoor een stort moet worden gezocht; kleven van kleideeltjes aan het ontgravingsmaterieel. Hiertegen kunnen enige maatregelen worden genomen door speciale aanpassingen (spuitkoppen, snijradvormgeving, gedeeltelijke vuIling bij vloeistofondersteuning etc.).

Keuze tunnelboonnachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.25

8

0 a 9

0(,

0000000000

a ~~U~~~H

~

zeveN vOlGENS NEH25(.0 ~o6~~~~O~ ~e8:;t.~~~~~

! 01 0

w 0

~ o!: 0 0 ]I'" aD » z

,

a

\:i: !-Iz ~ g"f !..

". z-° j""!!

C!

_aJ 3"0

0 SILT

"LEI I Z,.I

Hy d roschild

Einsatzbereich

Z,.III

( SLURRY

Z,.IV

-Schild

J

CD Kernberelch 7.,1

<£) Erweiterung durch der Separierung

K,I Fig.

0 0

0 0

8

1'1

I

iG 0

Korrelgrt;><>ueverdelings curven va" ..,nhcden !,I, Z,.III, Z,l\" 7.,1 en K,I

ZEVEN VOlGUJS tlU. ~ 0

tlooo

000000000

a ~~~~a~~~~

g

I II

Verbesserung

~fi85i~~~~~b

II 0 ..., 0

01 C

~ 0

d

0.

1ft

0° 0 0 ]lU't ",0

5z-

U8

0

Z". C').

.,

~3

_° ,.z 'j"!!

..., 0

!...0

.,:!,

Ci r,

..8

~.-

"LEI Z,.I

Einsatzbereich

Z,.III

CD

Kernbereich Erweiterung durch Q)..r Kond itionierung

Z,.IV

7.,1 K,I

Figuur

2.8

EPB-Schild

-.-..-.-.Fig.

Korrelgroolleverdelings curven va" ..,nheden Z,.I, Z,.III, Z.l\', 7.,1 en K,l

Toepassingsgebieden Hydrokorrelgrootte diagrammen

Keuze tunnelboormachine Ze-Heinenoordtunnel

EPB-schild

aan

3 februari 1995

de hand

van

~

!

2.5.4.4

Conclusie

Over bijna de gehele lengte van het boortrace is een grondslag aanwezig die, bij toepassing van een EPB-schild, intensief bewerkt moet worden om een plastische en drukhoudende bodemprop te kunnen vormen. De wisselende grondlagen in het boortrace dwingen tot een veelvuldige aanpassing van hulpmaatregelen. Het Hydro-schild daarentegen is over de gehele bandbreedte van de verschillende voorkomende grondlagen makkelijker inzetbaar zonder veel hulpmaatregelen. Het noodzakelijke gebruik bij een Hydro-schild van installaties ten behoeve van het hydraulisch transport en suspensiescheiding wegen op tegen het geringere risico bij het betreden van de graafkamer, kleinere aandrijfkrachten en een schoon grondafvoertransport door de tunnelbuis. In de figuren 2.8 zijn de toepassingsgebieden van het EPB-,en het Hydro-schild aan de hand van korrelgrootteverdelingsdiagrammen weergegeven. In deze diagrammen is aangegeven binnen welke korrelgroottebanden de verschillende schilden van oorsprong ontwikkeld zijn en tot welke korrelgroottebanden de toepasbaarheid van schilden mbv hulpmaatregelen kan worden uitgebreid. Tevens is de korrelgrootteband van het boortrace van de 2e-Heinenoordtunnel in deze diagrammen aangegeven. Uit deze diagrammen is duidelijk af te lezen dat de grondslag in het boortrace van de Heinenoordtunnel voor 70 a 80 % uit zandgrond is bestaat en dat het toepassingsgebied van een Hydro-schild het meest geschikt lijkt in deze grondslag. TCH heeft om deze redenen gekozen voor toepassing van een Hydro-schild voor het boren van de 2e-Heinenoordtunnel. In tabel 2.8 is de beoordeling van de belangrijkste TBMkeuzecriteria voor het EPB- en Hydro-schildtype overzichtelijk weergegeven. Tabel2.8

Vergelijkingstabel EPB en Hydro-schildtype

Criteria 1

Toepasbaarheid schild mbt korrelgrootteband grondslag 2e-Heinenoordtunnel

2

graaffrontondersteuning tijdens: a) boorproces; b) toetreden van graafkamer.

Hydro-schild

EPB-schild

zeer goed

niet geschikt zonder hulpmaatregelen

a) zeer goed b) goed

a) middelmatig b) middelmatig (onzeker)

3

benodigd draaimoment en verstoring van het graaffront tijdens het boorproces

gering

zeer hoog (tot3 keerhoger)

4

mogelijkheid en veiligheid tot toetreden van graafkamer

goed

middelmatig

5

meting van de steundrukken

betrouwbaar

onzeker

6

behandeling

niet nodig

nodig

7

benodigde

laag

hoog (2tot 3 keer hoger)

8

zettingen

beperkt

klein

9


nodig

niet nodig

talrij k

talrijk

van de af te graven grond aandrijfkracht

10 ervaring van schilden met D = + /- 8,5m

Keuze tunnelboormachine le-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

(maarwerkbaar)

bIZX7

3

BepaIing programma

3.1

Algemeen

van eisen TBM

Nadat de keuze van het TBM-type was gevallen op het Hydro-schild is er een programma van eisen voor de TBM opgesteld. Voor de bepaling van de TBM-eisen is eerst een checklist gemaakt van onderdelen die in de TBM aanwezig behoren te zijn. Vervolgens zijn enkele grove berekeningen gemaakt ter bepaling van: a) de orde van grootte van de aandrijfkracht en het draaimoment; b) een ontwerp van het hydraulisch afvoersysteem; c) een schatting van de afmetingen en het gewicht van een segment en het aantal segmenten in een tunnelring; d) de levensduurverwachting van het hoofdlager; Vervolgens is het voorziene TBM-ontwerp van een Hydro-schild beschreven waarbij eerst de uitgangspunten voor het ontwerp zijn opgesteld en vervolgens een technische beschrijving van het Hydro-schild is gemaakt. Het beschreven TBM-ontwerp geeft een uiteenzetting van een mogelijk Hydro-schildontwerp voor de 2e-Heinenoordtunnel zoals door de TBMwerkgroep werd voorzien voordat met de TBM-leveranciers was gesproken.

3.2

Beschrijving TBM-ontwerp

3.2.1

Uitgangspunten

TBM-ontwerp

Boortunneldimensies De 2e-Heinenoordtunnel heeft de volgende kenmerken: binnendiameter 7.6 meter; buitendiameter 8.3 meter; segmentdikte 0.35 meter; ringbreedte 1.5 meter; ringopbouw 7 segmenten en 1 sluitsteen; oversnijding 0.125 meter; theoretische buitendiameter 0.125*2 + 8.3 = 8.55 meter. De totale lengte van de starre schildmantel bedraagt circa 8,3 meter.

Belastingen OPde TBM De schildmantel wordt belast door de van buiten werkende krachten en de krachten die van binnenuit de TBM op de mantel. De van buitenaf werkende belastingen op de schildmantel zijn weergegeven in tabel 3.1.

Keuze tunnelboormachine 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blz28

Tabel 3.1

Belasting op de schildmantel

I~asting waterdruk

Maximaalwaarde

Belastte TBM-deel

350 KN/m2

-

schildmantel (zonder snijdeel); drukwand; sluis.

Gelijkmatig verdeeld.

-

gehele mantel;

p = pmax*coscP

drukwand.

pI = pmax

snijdeel.

Constructief door wandsterkte opgenomen.

250 KN/m2

gronddruk

Opmerkingen

hindernis

-

-

wrijving staartdichting

100 KN/m

Stalen staartplaat.

ophanging trailer

100 + 50 KN

Verstijving binnenkant TBM.

Trailergewicht circa 180 ton maximale vijzelhelling circa 3 %.

verschildruk op de drukwand

p = 60 KN/m2 p = 200 KN puntlast

Duikwand.

Werken niet gelijktijdig.

De belastingen vanuit de TBM zijn: het eigen gewicht van de TBM; reactiekrachten vanuit: * de snijradaandrijving: - max. draaimoment circa 4 MNm. De hydraulische aandrijving is gerelateerd aan de draaisnelheid. max Md= 4.0 MNm bij n= 1 omwenteling per minuut max Md= 2.0 MNm bij n=2 omwentelingen per minuut max. aandrukkracht circa 3 MN. 14 vijzelsets a 1.8 MN; * vijzels: max. aandrijfkracht 50.4 MN. ontwerpen op tillen en verplaatsen van segmenten met ringerector: * een maximaal eigengewicht van 50 KN. Alle overige belastingen vanuit de TBM zijn voor het ontwerp van de TBM niet maatgevend.

Opmerking:

Voor het voorontwerp van de 2e-Heinenoordtunnel zijn onder andere berekeningen gemaakt mbt de benodigde dekking op de tunnel, de tunnellining en de benodigde steundruk in de verschillende bedrijfsituaties van de TBM (graaffront geheel en gedeeltelijk ondersteund met bentoniet en of luchtdruk). Deze berekeningen geven waarden die als uitgangspunt voor het ontwerp van de TBM worden genomen. Voor deze berekeningen wordt verwezen naar het rapport "Berekeningen Voorontwerp Boortunnel Heinenoord" van Arjan van der Put.

Keuze tunrielboonnachine 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blz.29

2N(1)

...... l!I

~"Ij s:: s::

~Ii (1)

w I-' "0 Ii ...... ::J () ...... '0 CI>

Schildvortrieb. Schema

:r: '
I (f.I ()

Peraonenochleuae

Yortriebopresae

SchlldlChwanzdlchtung

o.samtllnga 08. .0 m

Stahlbeton.YolltObblnga

\.Uftpolat

::r

.....-

Rohrleger Spel~ele,lur<~

I-'

P.

l,o.)l

.

,"NacIIlaut."'"

Nachllufer

Nachllu'.. "

VI

NI l,o.),

Fordellel!uflg

Teleskoprohre

III

3.2.2

Technische beschrijving TBM-ontwerp

3.2.2.1

Algemeen

De TBM bestaat in hoofdlijnen uit: het schild de ontgravingsmechaniek; de aandrijvingshydraulic; de erector; de stuurcabine; het grondafvoersysteem; de staartvulling; de staartdichting; de trailers die achter de TBM worden meegesleept. In deze paragraaf worden deze TBM-onderdelen nader beschreven.

3.2.2.2

Schild

Het schild bestaat in wezen uit een cilindrische buitenomhulling met binnenliggende verstijvingen en afsluitwanden. In figuur 3.1 is een Hydroschilduitvoering weergegeven. De schildmantel De schildmantel is opgebouwd uit 3 buisdelen namelijk: het graafdeel, het middendeel en het staartdeel. Deze buisdelen hebben een nominale buitendiameter van 8,55 meter. Het graafdeel Het graafdeel loopt van de snijmessen tot aan de drukwand. De gekozen metaaldikte van 80 rom is een compromis tussen materiaalsterkte, nog eenvoudig lasbare verbindingen en bouwtolerantie. De ervaring heeft geleerd dat deze staaldikte voldoende is. De vereiste montage van de langsnaden bestaat uit een doorlopende las. Duik- en drukwand zorgen in dwarsrichting voor een praktisch onvervormbare verstijving. Het middendeel Het middendeel sluit achter het graafdeel aan en reikt tot aan het einde van het ringspant. In het middendeel bevinden zich de aandrijfvijzels rondom de wanden. Het ringspant wordt verstijfd met "een draagkruis" waarbinnen een centraal venster is waardoor de aandrijfas van het snijrad loopt. Het draagkruis neemt van voren de aandrukkrachten vanuit het snijrad op en van achteren de aansluitkrachten van de erectorconsole met de daaraan hangende trailers. Het staartdeel Het staartdeel bedekt aan het schildeinde de werkruimte van de erector en de laatst gebouwde ring. Aan het einde van het staartdeel bevindt zich het staartdichtingsprofiel en het noodafdichtingsprofiel. In het staal van de buis van het staartdeel zijn tbv de staartdichting op gelijke afstanden 4 groutdrukleidingen opgenomen. Druk- en duikwand De dwarsschotten verstijven de schildmantel tegen van buitenaf werkende radiale belastingen. De gladde voorzijde van de duikwand sluit de graafkamer af. Meerdere naar achteren sluitende luiken geven toegangsmogelijkheid tot het snijrad. Aan de voet van de tunnel is er een opening in de duikwand die de graafkamer met de drukkamer verbind. De drukwand sluit de atmosferische binnenruimte van de drukkamer af. In de drukwand zijn doorgangen aanwezig namelijk: in de tunnelkruin: opening en tbv een sluis en toevoerleidingen; in de as en voet van de tunnel: openingen tbv spoel- en afvoerleidingen Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februan 1995

bIz.TI

3.2.2.3


Het 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 (bolscharnier). Hierdoor is een oversnijding van 50 mm mogelijk. Drie drukgroepen, waarvan de vijzelslag wordt gecontroleerd en gesynchroniseerd, houden het snijrad in de gewenste positie. D~ vijzels zijn beveiligd tegen overdruk. Indien bijvoorbeeld tijdens het boorproces het snijrad tegen een harde obstakel stuit, blijft de functie van de vijzels behouden. De hydraulische aandrijfmotoren kunnen met verschillende draaisnelheden in beide richtingen draaien. De 3-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. Het lager kan in noodgevallen zonder veel problemen worden vervangen. Hetzelfde geldt voor de hoofdlagerdichtingsprofielen. Deze zijn van voren toegankelijk en kunnen eventueel worden verwijderd. Het 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 bijvoorbeeld spuitlanzen op het snijrad. Het snijrad vervult de volgende functies: ontgraving: Voor de ontgravingsfunctie zijn 2 verschillende soorten graafwerktuigen op de voorkant van het spaakwiel gemonteerd namelijk: : voor de ontgraving in zand; * snijtanden (Stichel) * snijmessen : voor de ontgraving in klei. De graafwerktuigen kunnen bij slijtage van achter het snijrad vervangen worden. instabiliteit graaffront: De open driehoeksvlakken tussen de spaken van het bovenste deel van het snijrad kunnen bij betreding van de graafkamer worden bedekt met 2 steunplaten. Het werken in de graafkamer kan daardoor in veiliger omstandigheden plaatsvinden. Tijdens het boorproces zijn de platen ingetrokken en vergrendeld op de buitenzijde van de duikwand. grondafvoer: Bij 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.

3.2.2.4

Aandrijvingshydrauliek

Tijdens het boorproces en de ringbouw drukt het schild met 28 drukvijzels op de tunnelring. De drukvijzels zijn met drukschoenen tot 14 drukeenheden samengevoegd. Voor de regeling van de stuurrichting zijn de aandrukvijzels in 7 onafhankelijke drukgroepen verdeeld. De resulterende drukverschillen tussen de naast elkaar liggende drukgroepen moet door de lining worden opgenomen. De toepassing van meerdere parallel geschakelde hydraulische pompen staat kleine trapsgewijze aanpassing van de voortgangssnelheid toe. Tijdens de ringbouw begrenst een overdrukventiel de oliedruk van de vijzels om te verhinderen dat het schild vooruit schuift. Gelijktijdig wordt het terugschuiven van de TBM 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.


3 februari 1995

blz.32

Om verdraaiing van het schild te voorkomen kunnen de drukvijzels op een lagerpunt tangentiaal worden versteld. leder vijzelpaar zit aan het voorste druklager in een hydraulisch tangentiaal verschuitbare slee. Het achterste lager heeft elastische gummiedelen, die bij uitschuivende vijzels tijdelijk meegeven en daarmee de buigbelasting van de vijzelstang wezenlijk verkleinen.

3.2.2.5

Erector

De erector is bevestigd als ringerector om zijn draagconsole, die aan het verstijvingskruis van het schild is bevestigd. Door het vrije midden lopen alle verbindingsleidingen van het schild naar de trailers. De driedelige vacuiim-tilkop voor de segmenten (voor A, B en C-segmenten en de sluitsteen) is bevestigd op een hetbrug. Door langsverschuiving over de draagconstructie, de rotatie, de slag van de brugvijzels en 2 verstelbare vijzels aan de vacuiim-tilkop kan het element nauwkeurig worden geplaatst. Twee centreerconussen op de vacuiim-tilkop vergemakkelijken de overname van de transporttafel en voorkomen het vallen van het segment bij een defect aan de vacuiimsysteem. Alle bewegingen van de erector worden traploos hydraulisch met ventielen geregeld.

3.2.2.6

Stuurcabine

Alle bedieningselementen van het schild zijn in de stuurcabine ondergebracht. De stuurcabine is ondergebracht op een plateau aan de zijkant in de TBM. Het stuurpaneel heeft verschillende modulen waarop de volgende functies staan afgebeeld: boorproces : positie, beweging en druk van de vijzels; ontgraven : positie, snelheid en vermogenafname van het snijrad; graaffront ondersteuning : steundruk, suspensie-spiegelniveau, mengselcirculatie in de verschillende leidingen, pompcontrole; positionering schilden ringpositie. Door het basisprincipe van een Hydro-schild is er weinig bijstelling van het ontgravings- en hydraulisch systeem tijdens het boorproces nodig omdat: de steundruk wordt automatisch op de gekozen waarde gehouden; na instelling van de toe- en afvoerleidingen stelt zich een stabiel bedrijfspunt in waarbij de vloeistofspiegel in de graafkamer slechts enkele decimeters aan verandering onderhevig is; indien er boven- of ondergrenzen van het vloeistofspiegelniveau worden bereikt dan wordt de voortgang automatisch uitgeschakeld en treden de afsluiters in werking; bij stroomuitval valt de boorinstallatie in een veilige bedrijfstoestand met gesloten omloopventielen. Uit de ervaring blijkt dat de besturing van een Hydro-schild nauwelijks moeilijkheden oplevert. Afwijkingen van meer dan 5 cm buiten het boortrace treden zelden op.


3 februari 1995

blz.33

3.2.2.7

Grondafvoer

De aan het graaffront losgemaakte grand wordt aan de voet van de TBM onmiddellijk achter de duikwandopening afgezogen. Voor de afzuigmond is een rooster/traliewerk bevestigd zodat te grote gronddelen niet in de afvoerleiding terecht kunnen komen. Spuitlansen verhinderen het ophopen van ontgraven materiaal voor het tralierooster. Een draaischarnier met een horizontale as vergroot het gebied van de afzuigmond tot circa 2 meter breedte. De suspensie wordt afgevoerd vanuit de graafkamer naar de afvoerpomp op de trailer en vervolgens via buizen, met eventueel tussenpompen, naar de scheidingsinstallatie. Na scheiding van de 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 door afsluiters worden afgesloten.


3 februari 1995

blz.34


3 februari 1995

blz.35

~

2Z< ~1!1~

~

doo-J~

I

~~II~

r~\>~~. l.

~~

~

~,~"

..~Iti ,'

.

CD

'

~~~r'

'

~~

~

.

t ""'''',

.., ......

.

.

~d

_ -

~

~

/

@

6)=~~ @=~~ @==~ @=~~

Figuur 3.2

Staartafdichtingsprofielen


3 febroari 1995

~

3.2.2.8

Staartdichting

Staartvulling Om de spleet tussen de buitenkant van de mantel en de buitenkant van de lining (oversnijding) met grout te vuHen zijn groutdrukleidingen langs de schildmantelomtrek opgenomen. Er zijn 4 groutdrukleidingen voorzien. Deze treden in een boog in het mantel staal en lopen door tot de buitenzijde van staartdichting. ledere aangesloten leiding wordt door een eigen pomp aangedreven. Op deze manier kan op verschillende hoogten over de schilddiameter de groutdruk worden aangepast. De capaciteit van de groutpompen wordt zo ontworpen dat zelfs bij uitval van enkele groutleidingen de voortgang zonder problemen en met voldoende groutdruk doorgang kan vinden. Het schoonmaken van de groutpijpjes is mogelijk. Hiervoor zijn schoonmaakprocedures ontwikkeld. Staartafdichting Voor de staartdichting staan 2 bewezen afdichtingen ter beschikking namelijk: een staalborsteldichting met vetinjectie; een rubberprofielafdichting met nooddichting. In de figuren 3.2 is het principe van de beide staartafdichtingen weergegeven. De staalborsteldichting vereist bij een buitendruk tot 6 bar minstens 3 rijen borstels. De tussenruimten van de borstels worden met vet geinjecteerd tijdens de TBM-voortgang. De voegen worden op deze wijze afgesloten en het aanhechten van de grout aan de afdichtingsvezels van de staalborstels wordt verhinderd. Er is een voorkeur voor de rubberprofielafdichting onder andere vanwege het hoge vetgebruik. De rubberprofielafdichting wordt in secties ingebouwd, door trekbouten voorgespannen en wordt op het uiterste einde van de schildmantel opgespannen. Het rubberprofiel wordt naast de voorspanning ook door de morteldruk tegen de lining gedrukt. Het werkingsbereik van de dichting bedraagt circa 40 mm. Aan de schildbinnenkant is in geval van calamiteit een nooddichting aanwezig die de spleet tussen het schild en de lining kan afsluiten.

3.2.2.9

Trailers

De aan het schild geschakelde instaHaties zijn op 3 trailers ondergebracht. De trailers hebben brede kunststofbanden. Op de trailers zijn (van voren naar achteren) ondergebracht: Trailer 1 (circa 10 meter lang); * tijdelijk 2 beweegbare werkplateaus voor de segmentmontage; * de groutdrukpompen; * de segmentoverdrachtsband; * de centrale hydrauliekverzorging met pompen en tank; * de afvoerpomp en afvoerpijp van het hydraulisch transport. Trailer 2 (circa 10 meter lang) * de segmentkraan; * een reservoir voor speciale steundruksuspensie; * apparatuur tbv van de elektrische energievoorziening zoals kabelhaspels, verdeelkast; Het verzorgingsspoor loopt via een sleepspoor op trailer 1 naar trailer 2 over. Trailer 3 (circa 10 meter lang) * materieel tbv verlenging van de volgleidingen zoals telescoopbuizen, gangen, buizen- en railsmagazijn; * een kleine werkplaats.

Keuie tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

trafo,

slangover-

blz.37

Trailer 3 staat stil tijdens de TBM-voortgang. Deze wordt slechts bij het intrekken van de telescopische buis weer naar de TBM getrokken. 3.2.3

Maatregelen thv veiligheid en risico-preventie

Voor het TBM-ontwerp zijn maatregelen t.b.v. veiligheid en risico-preventie onderzocht. In de volgende lijst zijn de resultaten van deze analyse weergegeven. Lijst met maatregelen tbv veiligheid en risico-preventie voortstuwingskrachten te groot: smeren van schild, ventielen inbouwen, copy-cutters; extreme winter: scheidingsinstaUatie overkappen; verstoppingen onder in boorkamer: jets toepassen; bentonietspiegel tijdens weekends of verlof: hydrostatische druk vanaf scheidingsinstaUatie handhaven; hoogspanningskabel: hoog ophangen; wegvaUen stroomvoorziening: noodstroomaggregaat voor kritische functies (stabiliteit graaffront); electrosysteem explosievrij maken: gasdetectie; drukluchtvoorziening: dubbele leiding; spiegelniveau: altijd binnen bepaalde grenzen automatisch gegarandeerd; hoofdlager: reserve lager moet beschikbaar zijn, hetzij 2e-hands, dan wel nieuw met terugkoop optie; obstakel: voUedige spiegeldaling, vanuit TBM het hoge drukinjectie lichaam aanbrengen (umbrella + druklucht), ventielen inbouwen; rotatie van schild: drukcylinders paarsgewijs op hydraulisch verschuifbare slee geeft reactiecomponent, clockwise en counter clockwise draaien van snijrad; slijtage: moeilijk voorspelbaar, KAS onderzoek, reserve set snijtanden beschikbaar houden; steunplaten bij toetreden boorkamer: 2 stuks aan bovenzijde inbouwen of gehele graaffront afdekken; blowout gevaar: reduceren door speciale bentoniet samenstelling; falen plaatsbepalingssysteem: controle door opdrachtgever!; bestuurbaarheid schild (duiken en vetergang): naast standaard procedures corrigeren met drukcylinders plus (optioneel) tweeledig (gelede) schild; wegvaUen hydraulische druk hoofdcylinders: verdeling over 7 gescheiden groepen; staartafdichting: 1 reserve set meenemen; zuur grondwater: speciale bentoniet, Ph-waarden meten; doorboren van verschillende grondlagen met wateroverspanningen.

3.2.4

Ondersteunende

TBM-voorzieningen

De TBM wordt vanuit de startschacht voorzien van energie en aUe benodigde bouwen bedrijfmaterialen. In deze paragraaf wordt een overzicht gegeven van de benodigde ondersteunende voorzieningen ten behoeve van het boorproces.

Voorzieningen in de tunnelbuis tbv het boorproces De voorzieningen in de tunnelbuis zijn: HSP-kabel voor de energie-voorziening; een lichtkabel met tunnelverlichting; een telefoon- en datacommunicatiekabel; een waterleiding; een toe- en afvoerleiding van het hydraulisch systeem; eventueel een waterafvoerleiding. Deze leidingen worden vanuit veiligheidsoogpunt opgehangen aan de zijwand van tunnel. Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.38

Op de voet van tunnel ligt een spoorrails waarover de grout, segmenten, verbindingsmaterialen en personeel 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 dat per gebouwde ring slechts 2 treinbewegingen nodig zijn. De standaardtrein is opgebouwd uit een groutwagon, een segmentenwagon, een materiaalwagon en een locomotief.

Voorzieningen in de schacht en ODhet maaiveld tbv het boororoces 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 kunnen worden gestort en van daaruit de mixer voedt. De mixer voorziet de wagon van het tunneltransport; batterij-oplaadstation: 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 treinwagons; tussenvoorraad van segmenten: als buffer en aanbrengen van uitrusting op segmenten. Deze voorraad moet minstens 2 tot 3 segmentdagproducties bevatten; 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 tbv onderhoud, kleine reparaties en herstel van graafwerktuigen; compressiestation: voor de druklucht in het schild en de druklucht van segmentmontagewerktuigen; ziekensluis: zoals deze door de opdrachtgever wordt voorschreven 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.

Met behulp van de gegevens uit de voorgaande paragrafen is het programma van eisen (technische specificaties) opgesteld voor de TBM van de 2e-Heinenoordtunnel.

Keuze turinelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

bIz.39

=

E

0 jf. :c u ..:

c:::I

C>

C>

c: 0 :;: >N 0 -0 >.z:

C;>

v

c:::I

I» C» l-

c::
~ED-

'c

m c

!? c I) .D

'.8:

-5

.C .E ai

! 8eI)

en

Figuur Keuze

3.3

Principe

tunnelboormachine


2e-Heinenoordtunnel

3 februari

1995

blzAO

3.3


3.3.1

Algemeen

Het functioneren van de scheidingsinstallatie is direct aan de TBM-voortgang gekoppeld. Ondanks deze directe relatie met de TBM is de scheidingsinstallatie niet vanzelfsprekend een onderdeel van de TBM-aanbieding van een leverancier. Bij de aanvraag zijn door de TBMwerkgroep geen technische specificaties mbt de scheidingsinstallatie meegestuurd en is er door de TBM-Ieveranciers geen scheidingsinstallatie in de aanbiedingen opgenomen. Desondanks wordt in deze rapportage een beschrijving gegeven van de voor het boorproces van een Hydro-schild noodzakelijke scheidingsinstallatie.

3.3.2

Eisen en keuze van het scheidingsmaterieel

De steunvloeistof dient om het graaffront te ondersteunen en de afgegraven gronddeeltjes met het hydraulisch systeem af te voeren. De taak van de scheidingsinstallatie is om de gronddeeltjes te scheiden van de steunvloeistof. Ben complete scheiding wordt niet nagestrereefd echter een grote gronddichtheid is voor de stortlokatie gewenst. Voor kleine korrelgroottes is de scheiding lastig. Aan de steunvloeistof worden namelijk additieven toegevoegd om de vloeistof de gewenste eigenschappen te geven. De korrelgrootte van de toevoegingen en de afgegraven grond liggen soms dicht bij elkaar. De scheidingsinstallatie is niet in staat om de gewenste en ongewenste kleinere korreldeeltjes te onderscheiden zodat er een compromis mbt de scheidingsintensiteit moet worden gemaakt. Afhankelijk van de benodigde ruimte, de opstelvoorwaarden en de ontwateringsmogelijkheden is er een duidelijk onderscheid van de scheidingsapparatuur bij een scheiding van korrels met een grootte van 2511-. Scheiding van grotere korrelfracties geschiedt met een hydrocycloon met een aangekoppelde ontwaterinstallatie. Ter bescherming van de cycloon worden de grootste gronddelen eerst door een zeef gescheiden van de suspensie. De scheiding van de fijnere korrelfracties vereisen een grotere inspanning. Een vlokkingsbekken met aangekoppelde gronddroging in centrifuges of filterpersen brengen hoge investerings- en bedrijfskosten met zich mee. Alternatieven zoals storten of mengen van de restvloeistof kunnen lokaal economisch aantrekkelijke oplossingen zijn. Omdat de afmetingen van de tunnel het niet toelaten de cyclonen op de trailers te bouwen moet de complete scheidingsinstallatie op de oever worden geplaatst.

3.3.3

Technische beschrijving van de scheidingsinstallatie

De scheidingstrappen van de scheidingsinstallatie worden in deze paragraaf achtereenvolgens beschreven. Eerste scheidingstrap De vervuilde steunvloeistof doorloopt vanuit de afvoerpijp: de stenenkist : deze dient om de bewegingsenergie van de vloeistofstroom te verkleinen en voor een gelijkmatige verdeling op het zeefvlak; deze dient om de nakomende installaties te beschermen tegen grote de voorzeef korreldelen. Het bestaat uit een trillende metalen- of kunstofzeef met een maaswijdte van 4 a 5 mm. De afgezeefde gronddelen worden afgevoerd. Tweede scheidingstrap (middelste cycloonscheidingstrap) Het afvoermengsel stroomt van de voorzeef in een opvangreservoir onder de ontwaterinstallatie, van waaruit het mengsel naar de eerste cycloon wordt gepompt. De eerste cycloon scheidt de korrelgroottes van 10011-en groter (de zandfracties). Op een ontwaterinstallatie Keuze tunnelboormachine 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blzAI

wordt het watergehalte van het mengsel tot circa 18 a 20% teruggebracht. Het gescheiden zand wordt met een transportband afgevoerd. Het overloopmengsel van de cyc100n en de zeefdoorslag stromen terug naar een opvangreservoir van de ontwaterinstallatie. Bij variabele steunvloeistoftoevoer of plotselinge onderbreking van de toevoer kan de pomp de cyc100nenige tijd blijven voeden vanuit het opvangreservoir. Derde scheidingstrap (fijne cyc1oonscheidingstrap) Een tweede cyc100n sluit op de eerste aan. Ook hier zorgt een circulatie voor het onderhouden van de bedrijfstoestand bij storingen in de steunvloeistoftoevoer. De tweede cyc100n heeft dankzij zijn kleine diameter een aanzienlijk hog ere omwentelingsversnelling dan de eerste cyc1oon. Ter orientatie: gangbare diameters van de eerste cyc100n en tweede cyc100n zijn 500 en 120 mm. In geval van gunstige en gelijkmatige bedrijfswerkzaamheden kan een scheiding worden verkregen tot circa 30/L. Met behulp van een ontwaterinstallatie kan een groot deel vaste stof worden ingedikt, opgevangen en afgevoerd. Al naar gelang van de beschikbare apparatuurafmetingen kan de installatie met meerdere parallel werkende installatiemodulen worden uitgevoerd. Om overvloedige suspensietoevoer naar de installatie te voorkomen schakelt een elektrisch bewakingsysteem bij funtiestoornissen de scheidingsinstallatie en de toevoer van de suspensie uit. Vierde scheidingstrap (fijnste scheidingstrap)

De scheiding van de gronddeeltjes met een korrelgrootte kleiner dan 30/L kan op twee manieren gebeuren namelijk: uitvlokken van de suspensie en ontwatering van de uitgevlokte gronddeeltjes filterpersen; directe scheiding van de zwevende delen door centrifuges.

door

Beide methoden zijn in de praktijk toegepast. De ontwatering mbv filterpersen wordt niet aangeraden vanwege: verontreiniging van de bentoniet door de uitvlokkingsmiddelen; verlies van bentoniet in de reststof; hoger watergehalte van de reststof dan bij centrifugeren. De centrifuges worden door een dichtheidsgeregelde doseerpomp vanuit de tussenopslag gevoed. Onder normale omstandigheden is per installatie bij een toevoer van 50 m3 per uur een produktie van 10 ton vaste stof en een scheiding tot een korrelgrootte 10 /L te verwachten. Het bentoniet wordt met het residu weer teruggewonnen.

3.3.4

Uitgangspunten ontwerp van de scheidingsinstallatie

De resultaten van de berekeningen en tot de volgende ontwerpuitgangspunten steunvloeistof : maximale suspensietoevoer : continue suspensietoevoer : maximale dichtheid : continue dichtheid : maximale korrelgrootte :

de ontwerpfilosofie van de scheidingsinstallatie leidt van de scheidingsinstallatie: bentoniet 1000 m3/uur 900 m3/uur 1,35 ton/m3 1,25 m3/uur 150 mm


3 februari 1995

b1ZA2

4

Selectieprocedure

TBM-leveranciers

4.1

Aanbiedingen TBM-leveranciers

2e-Heinenoordtunnel

Na selectie van 7 TBM-Ieveranciers is de TBM-aanvraag voor de 2e-Heinenoordtunnel verstuurd naar deze 7 TBM-Ieveranciers. Door de 7 leveranciers zijn 5 aanbiedingen ingediend omdat 2 TBM-Ieveranciers gezamenlijk een aanbieding indienden. Ondanks dat er door de TBM-werkgroep om een Hydro-schild was gevraagd hadden 2 leveranciers een EPB-schild aangeboden. De redenen hiervoor waren: een EPB zou goedkoper zijn: er is onder andere geen scheidingsinstallatie nodig; men heeft veel ervaring met EPB-schilden met een diameter van 8,3 meter. In Japan past men voor de Tokyo Bay-tunnel een Slurry-schild van 13,9 meter toe omdat de referenties van EPB-schilden slechts reiken tot een diameter van 10.8 meter. Voor grotere diameters is veel power nodig bij een EPB-schild. Voor de Slurry-schilden is de ervaring met grote diameters in de range van 10-14 meter talrijker. Ontwikkelingen gaan stap voor stap dus voor het toepassen van EPB-schilden met grote diameter is men nog terughoudend. Voor kleinere diameters, rond de 8 meter, is er wel voldoende ervaring met EPB's. De toepassing van een EPB voor de 2e-Heinenoordtunnel ( D=8.3 m) komt dus goed overeen met de ervaring die men heeft.

4.2

Tecbnische beoordeling TBM-aanbiedingen

Een technische beschrijving van de hoofdonderdelen van de TBM-machines is in hoofdstuk 3 gegeven. De aanbiedingen zijn eerst gecontroleerd op volledigheid. Aan de hand van een technische TBM-checklist is de volledigheid van de verschillende aanbiedingen gecontroleerd en zijn de verschillende aanbiedingen met elkaar vergeleken. De ervaring heeft geleerd dat naast de controle of de aanbiedingen voldoen aan het gestelde programma van eisen ook moet worden gelet op de volgende technische aspecten: waarborging stabiliteit graaffront en mogelijkheid tot betreden van graafkamer; voorzieningen mbt waterdichtheid TBM; hoofdlager (constructie, levensduur, vervangingsmogelijkheid e.d.); staartafdichting; groutsysteem om oversnijdingsruimte op te vullen; constructie van snijrad (o.a. aantal bewegingsvrijheden); ge"installeerd vermogen; voorzieningen mbt voorkorning van tordering van de TBM; veiligheidsvoorzieningen van de TBM bij: * bij stroomuitval (benodigde handelingen); * brand; * explosie; * lekkage; ARBO-wetgeving, Stoomwezen, Caissonwet; reserve-onderdelen; ringbouwplanningssysteem; plaatsbepalingssysteemlbesturingssysteem; mogelijke vervanging van essentiele onderdelen (hoofdlager, staartdichting, snijtanden etc.); meetapparatuur en data-verwerking/opslag (in bijlage 2 is een lijst opgenomen met metingen die standaard tbv van het boorproces worden uitgevoerd); tekensystemen en software (aan de laatste ontwikkelingen aangepast?); zwaartepunt van TBM; vetconsumptie van TBM-onderdelen; Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blzA3

wiellast van trailer op lining; aarding van de TBM; fabrikanten en merken van de verschillende TBM-onderdelen;


4.3

De financiele vergelijking van de aanbiedingen van de verschillende TBM-Ieveranciers gebeurt aan de hand van tabel 4.1 Kostenitems Hydroschild

Kostenitems EPB-schild

1a ontwerp TBM b assisteren, goedkeuren opdrachtgever c tekeningenlhandboekenlspecificaties

1a ontwerp TBM b assisteren, goedkeuren opdrachtgever c tekeningenlhandboekenlspecificaties

2a bouw TBM b proefdraaien op fabriek


3a demontage/transport/levering bouwplaats b montage op bouwplaats c proefdraaien op bouwplaats


op

op

4a levering/installeren survey-equipment


5a assistentie eerste 200 meter boren (vastleggen aantal mensen van leverancier) b groutinstallatie c remote control d HV-kabel e reserveonderdelen

5a assistentie eerste 200 meter boren (vastleggen aantal mensen van leverancier) b remote control c HV-kabel d reserveonderdelen

6a set drill-bits b verzekering


Optelling van deze 6 kostenposten geeft de basis prijs van de TBM echter de TBM is nu nog niet klaar voor gebruik (turn key).


7 graaffontstabiliteit a bentoniet produktie materieel b bentonietverbruik

7 a b c

8

8a extra wapening b grondbehandeling tbv afvoer

-

graaffontstabiliteit foam produktie materieel foamverbruik extra stroomverbruik

ontgravingsmaterieel grondwagons locomotieven rails wissels

9 ontgravingsmaterieel a toe en afvoerleidingen b boosterpompen met en zonder transformer c scheidingsinstallatie

9 a b c d

10 terugkoopaanbod ....r ".... gelIJ

10 terugkoopaanbod g

g


P'T'I""""'''

3 februari 1995

blz.44

is

Aan de TBM-Ieveranciers zijn vragen gesteld om een volledig financieel beeld te krijgen van de TBM. Het is van belang gebleken bij de leveranciers veel aandacht te besteden aan de check van de volledigheid van de aanbieding (turn-key/klaar voor gebruik zijn). Naast de aspecten uit tabel 4.1 is op kostprijsgebied gelet of de volgende onderdelen in de aanbiedingen waren opgenomen en wat de kosten waren van: reserveonderdelen; slijtdelen zoals een set drill bits; tunnel quidance-system; groutsysteem; bentonietverbruik, foamtoepassing; ontgravingsmaterieel (locomotief, wagons, rails etc.); stroomtransformers e.d.; hydraulisch systeem; pompinstallaties, afsluiters pijpen, spillage tank etc.; scheidingsinstallatie; tunnelventilatie; voorzieningen tbv industrieel water; kosten om alle elektrische componenten explosie-proof te maken; toezegging van 1everancier dat de in budgetprijs ook de kosten voor levering, installatie, proefdraaien en x meter begeleiding plus inwerken boorploeg op de bouwplaats zijn opgenomen; Opmerking: Bedacht moet worden dat de leverancier meestal alleen de TBM van graafwiel t/m achterkant van het trailersysteem van de TBM aanbiedt. Dit houdt in dat kabels, ventilatie, hydraulisch systeem, rails en bielzen en af- en toevoersystemen van achterkant TBM t/m maaiveld niet in de prijs zijn inbegrepen. Dit geldt meestal ook voor de scheidingsinstallatie, back-up generator, compressors, electriciteits- en bentonietverbruik.

4.4

Defmitieve keuze TBM

In een drietal gespreksronden zijn de TBM-Ieveranciers apart ondervraagd. De 2 EPB-aanbiedingen vielen al na de eerste gespreksronde af vanwege onvoldoende vertrouwen van de TBM-werkgroep in de toepasbaarheid van een EPB-schild onder de omstandigheden die er heersen bij de 2e-Heinenoordtunnel (hoge waterdruk van 3,4 bar en 70 a 80 % zandgrond). In de tweede gespreksronde zijn de overgebleven TBM-Ieveranciers verder ondervraagd. Ten slotte is er nog een derde gespreksronde geweest waarbij aan de twee meestbelovende TBM-aanbieders vragen zijn gesteld. Uiteindelijk is voor een Slurry-schildleverancier gekozen.


3 februari 1995

bIZA5


3 februari 1995

bIz.46

Bijlagen


3 februari 1995

bIZA7

Keuze tuni1elboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februan 1995

Wz.48

Bijlage 1

Overzicht materieelverschillen

tussen EPB- en Hydo-schild

EPB-schild

Hydro-schild

TBM - schild - aandruk cylinders - graafwiel - frontondersteuning (foam en gronddrukbalance - staartdichting (staalborstels en vet)

TBM - schild - aandruk cylinders - graafwiel - frontondersteuning (bentoniet en luchtdrukbuffer) - staartdichting (neopreen)

segmenthandling

segmenthandling

segmenterector

segmenterector

groutinjectie

groutinjectie

foaminstallatie - foamconsumptie

bentonietcentrale - bentonietconsumptie

afvoer grond - rotadumpers - locomotieven - depot

afvoer grond - baggerpomp - boosterstation - leidingen - grondscheidingsinstallatie

ZED 261 (guidance-system)


luchtdruk (compressoren)


diverse transportmaterieel - segmenttrein - grouttrein - personeelstrein - platte trein - locomotief

diverse transportmaterieel - segmenttrein - grouttrein - personeelstrein - platte trein - locomotief

diverse services in tunnel - HSP-kabel 10 kV - luchtdruk dubbel - rails/wissels

diverse services in tunnel - HSP-kabel 10 kV - luchtdruk dubbel - aanvoerleiding bentoniet 350 mm - afvoerleiding grondmengsel 350 mm - rails/wissels

groutcentrale 25 m3/uur


segmentopslag - aanbrengen neopreen afdichtingsprofielen - aanbrengen bitumenstroken - inzepen segmenten

segmentopslag - aanbrengen neopreen afdichtingsprofielen - aanbrengen bitumenstroken - inzepen segmenten


3 februari 1995

Wi.49


3 februari 1995

biz. 50

Bijlage 2

Standaard

metingen tbv het boorproces

Voor geboorde tunnels worden ten behoeve van de kwaliteitsborging van het boorproces en de ringbouw de volgende metingen uitgevoerd en gerapporteerd.

Metingen ten behoeve van het boorproces steundruk aan het graaffront; bentonietspiegelniveau; draaimoment en draaisnelheid van het snijrad; draaitijd en draairichting van het snijrad; snijradpositie; drukkracht van de drukvijzels; schildregeling (horizontale en vertikale helling van de schildas); schildverdraaiing tgv torsie; grondwaterdruk aan het graaffront; aan- en afvoermengsel van de suspensie; kwaliteitscontrole van de suspensie; luchtverbruik tijdens graaffrontondersteuning onder druklucht; stroomverbruik van de aggregaten.

Metingen ten behoeve van het bouwen van de tunnel ring geometrische positie van de ring ter plaatse van staartopening (spleet tussen buitenkant schildmantel en segment); geometrische positie van de ring ten opzicht van de schildas; groutdruk en groutmengsel van het grout dat de staartopening opvult tussen schildmantel en segment.


3 februari 1995

lJfz:51

.

Ministerie van Verkeer en Waterstaat

Directoraat-Generaal

Rijkswaterstaat Bouwdienst Rijkswaterstaat Droge Infrastructuur Aldeling Tunnelbouw

Keuze Tunnel-Boor-Machine 2e- Heinenoordtunnel

(TBM)

Bouwdienst Rijkswaterstaat Afdeling Tunnelbouw

datum documentnr apsteller bran

status

.

: : : :

3 februari 1995 LVTH-D-94005 ir Arjan van der Put Tunnel Combinatie Heinenoord bestaande uit: Ballast Nedam Beton en Waterbouw bv, Hollandsche Beton en Waterbouw bv, Van Hattum en Blankevoort bv, Wayss & Freytag ago : definitief

Voorwoord

Hierbij wi! ik iedereen bedanken die heeft meegeholpen aan de tOtstandkoming van dit document. In het bijzonder wi! ik aIle leden van de tunnelboormachine-werkgroep bedanken voor de prettige samenwerking en goede sfeer in de afgelopen periode.

Keuze turmelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

bIzJ:


3 februari 1995

blz.ii

Inhoudsopgave

1

Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

Keuze TBM-type

2.1

Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2

Beschrijving grondopbouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3


2.4

Toepassingscriteria

,

12

2.5

Keuze TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.5.1

Algemeen

17

2.5.2

Criteria.

. .. . . . .. . ... . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

17

2.5.3

Grove selectie TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.5.4

Definitieve keuze TBM-type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.5.4.1

Algemeen

21

2.5.4.2

EPB-schild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.5.4.3


25

2.5.4.4

Conclusie

3


3.1

Algemeen

3.2

Beschrijving

3.2.1

Uitgangspunten

3.2.2

Technische

3.2.2.1

Algemeen

3.2.2.2

Schild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.2.2.3


32

2e-Heinenoordtunnel

3

""""""""""""

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

van de verschillende

TBM-typen

""'

"""""""""""""""""""'"

,.....

,..

27

""""""""""""""""

...............

28 28

"""""""""""""""" TBM-ontwerp

28

"""""""""'"

TBM-ontwerp beschrijving

5

28

""""""""'"

TBM-ontwerp

31

"""""""

31

"""""""""""""""""""'"

, """"""""'

3.2.2.4

Aandrijvingshydrauliek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.2.5

Erector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.2.6

Stuurcabine

.........

33

3.2.2.7

Grondafvoer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

""""""""""""""'"

Keuie tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

bIz.iii

................

37

. . . . . . .. . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.2.3

Maatregelen tbv veiligheid en risico-preventie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.2.4

Ondersteunende

38

3.3

Beschrijving scheidingsinstallatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.3.1

Algemeen

41

3.3.2

Eisen en keuze van het scheidingsmaterieel

3.3.3

Technische beschrijving van de scheidingsinstallatie . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.3.4

Uitgangspunten ontwerp van de scheidingsinstallatie . . . . . . . . . . . . . . .

42

4

Selectieprocedure

43

4.1

Aanbiedingen

4.2

Technische

4.3


....................

44

4.4

Definitieve keuze TBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Bijlage 1

Overzicht materieelverschillen tussen EPB- en Hydo-schild

46

Bijlage 2

Standaard metingen tbv het boorproces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2.8

Staartdichting . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2.2.9

Trailers.

TBM-voorzieningen

""""""""""""

"""""""""""""""""""'"

TBM-leveranciers

TBM-leveranciers beoordeling

2e-Heinenoordtunnel

41

,......

'

""""'"

43

""""""""""""'"

TBM-aanbiedingen

43

""""""""""

Bijlagen


3 februari 1995

"""""

blz.iv

47

1

Inleiding

Ten behoeve van de oplossing van de congestieproblematiek ter plaatse van de Heinenoordtunnel wordt de bestaande Heinenoordtunnel gerenoveerd. Deze renovatie bestaat uit: het uitbreiden van de snelverkeerstroken van twee naar drie rijstroken door de bestaande langzaamverkeerstroken aan te passen; de aanleg van een langzaamverkeerstunnel voor landbouw- , fiets- en voetgangersverkeer. Met de renovatie van de westelijke tunnelbuis werd in 1994 begonnen. Het langzaamverkeer kan thans alleen gebruik maken van de westelijke tunnelbuis waar in verband met het huidige tweerichtingsverkeer een verkeersreguleringssysteem noodzakelijk is. Het ontwerp van de 2e-Heinenoordtunnel voor het langzaam verkeer behelst een geboorde tunnel indusief toeritten, onder de Oude Maas bij Heinenoord in de gemeenten Barendrecht en Binnennlaas. Het ontwerp wordt gemaakt in projectteamverband door de Bouwdienst Rijkswaterstaat en de Tunnel Combinatie Heinenoord (verder TCH genoemd in deze rapportage) . In 1990 is in opdracht van de Bouwdienst Rijkswaterstaat reeds een studie uitgevoerd door Ballast Nedam Beton en Waterbouw en Wayss & Freytag voor uitvoering van de 2e-Heinenoordtunnel als boortunnel. Het project kwam echter niet in uitvoering vanwege financiele redenen. In 1993 heeft de overheid dit project aangewezen als praktijkproject in het kader van de uitbreiding van de ondergrondse infrastructuurkennis en zijn er financiele middelen vrijgemaakt. Het doel van deze rapportage is het vastleggen van de verworven kennis die is opgedaan bij de keuze van de tunnelboormachine (in het vervolg van deze rapportage kortweg TBM genoemd) van de 2e-Heinenoordtunnel. Het voorliggende rapport "Keuze TunnelBoorMachine 2e-Heinenoordtunnel" beschrijft de aspecten mbt de keuze van de TBM van het boortunnelproject 2e-Heinenoordtunnel en geeft een samenvatting van het TBM-proces van juni t/m december 1994. In deze periode is een keuze van het TBM-type gemaakt, het programma van eisen voor de TBM opgesteld, de TBM-aanvraag verzonden en heeft een TBM-leverancier selectieprocedure plaatsgevonden. Voor de keuze van de tunnelboormachine is een TBM-werkgroep samengesteld. Deze werkgroep bestaat naast TCH-leden ook uit Bouwdienstmedewerkers vanwege het projectteamen praktijkkarakter van het project. De Bouwdienst heeft met betrekking tot de keuze van de TBM slechts een observerende rol vervuld. De TBM-werkgroep bestaat uit de volgende leden: Claus Becker (TCH, Wayss & Freytag) Kees Fransen (TCH, Hollandsche Beton- en Waterbouw) Bruno Gartner (TCH, Wayss & Freytag) Erdogan Giirkan (TCH, Wayss & Freytag) Wim van de Linde (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Bas Obladen (TCH, Ballast Nedam Beton en Waterbouw) Arjan van der Put (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Marinus Quaak (TCH, van Hattum en Blankevoort) Ed de Ruig (TCH, van Hattum en Blankevoort) Gert van Ruit (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Harry van Splunder (TCH, van Hattum en Blankevoort) Joost Vlasblom (Bouwdienst Rijkswaterstaat) Sytse van Vliet (TCH, Ballast Nedam Beton en Waterbouw) In deze rapportage zijn grote delen mbt de keuze TBM-type (hoofdstuk 3) en bepaling programma van eisen TBM (hoofdstuk 4) overgenomen en vertaald uit stukken van TCH. Eveneens zijn delen uit het rapport "Technische & Financiele Evaluatie Offertes Tunnelboormachines" van de TBM-werkgroep in deze rapportage verwerkt. Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

'6iZ:1

.

'

,~

Ii , t,

t

~

.~ 1

f

~

!!

~ -< ~ I

~_,

.

10

'

..

)

'

~.~

~- , 1--.~.~

~!

I

~'~

a

~

~!

... '"

~ . ~

! I. C, ._'f" f'; ! ~

I

/TT~ of .

-,-+. -

~" 01 :;I 0 I

1

':

u u w

j

.. ,

,

i

of

,

'

'

'k '!

...L-f- -

"'. U, §I!

-, !. J' 1 ::

I..\

1-1.

~

I ~ Ei .. C 4 0 'I 0 I :I

,-

\

j

~............ , iF~ :, LI..
~111"~

'1\

.

i! ..

I"

I

' I. :: 'Ii I.

~ 0

.

"

l'' "-1

~rr

,. :1

i,! i of ,..-t"'

f:r

rIi " ,;~ ":

~l ,.:;,o. .1 i' .:::

'1",11'

I"

~~~.-""

.'U

~~~

. I-~~ . .'1"-' 1',

i

i

if

. ~; "! :

!; c:

~

~~ \:,

--....

~.~ l\l ~ ... \ ,',II

~:~ ~ : ': il r, -'Hili J \I: ~II~II 11'11 ! :::,

J" Ii

.

~:1:\

-_.~- ~---t

~

-"'7 IS:I

I: ~ ,

t~,r:

':'f

t

'

-r-.L.

; ~:,

t~H

':-

.

::i:::. r~

",:

":

5

.:,

_

j '"" "

::'='

~.' -

-,

/

,iii

r;H z .-

~z ..J

~H

.(

.

:

\1

'", Ii:

':-,

,.

,

.

,

"

:! t,:'

~. ' "'~ : : ':, ~. ';:", "

'

,,

,

,

' ,,

.'"1

,

,

,

I'

~

;: ( ~ i'Q ~ -= i' ~ ": ~j : \;',\ _:. ;i:!i :1" :,,(;:00;. ,

' '

~

fH

CEI:II I

"'I'I'

I

. I Z

1m:

~

'-. . '

"~ .:0=-\ ,

---~

~~ I

! ~I I

:s ~ II:::

-r

'7

:-:~ :' -

:i:~

I =

~ ..J Yc!

I,

;i::: II:., jll't Ilil'

1/1 < < r..L-

",~

;:

II!:: I

,f::. ,

~

:-._-_.-

:h ~

';,:

1 I':

~ i CE c>:I

,.--

:

1I1II

~r

8i

L,:,

!

"

.w'::s

' ' /' "

L..-

of

'j :I

,I:.

!

~; 8!

-=====

\

':

't

J~

!.

'

i

Figuur

2.1

Alignementstekening


2e-Heinenoordtunnel 3 februari 1995

bIz.2

2

Keuze TBM-type 2e-Heinenoordtunnel

2.1

Inleiding

Het boortrace en het grondonderzoek vorrnen de basis voor de keuze van het TBM-type en de eisen die aan de TBM moet worden gesteld. Om de keuze van het TBM-type te kunnen onderbouwen moet er een indruk zijn van het algemene ontwerp van de boortunnel waarvoor de TBM-type keuze moet worden gemaakt. De algemene gegevens van de boortunnel die men moet weten zijn: de grondopbouw, het alignement van de boortunnel (dekking, boogstralen, lengte), de waterdruk en de afstand tussen een eventuele tweede boortunnelbuis. De alignementstekeningen van het boordeel van de 2e-Heinenoordtunnel zijn in figuur 2.1 weergegeven.

2.2

Beschrijving grondopbouw

De bodemopbouw is voor iedere bouwlokatie verschillend. De grondopbouw ter plaatse van de 2e-Heinenoordtunnel kan typisch Nederlands worden genoemd. In figuur 2.2 is een geotechnisch profiel hiervan weergegeven. Van zuid naar noord worden globaal de volgende grondsoorten aangetroffen in de boordoorsnede van het geotechnisch profiel: Zuidoever: klei/zwak humeus/met dunne zandlaagjes, klei/zandig/tot zand/kleiig, zand plaatselijk met dunne klei- en veenlaagjes; klei, laagje veen, zand/middel grof tot matig; zand/middel grof tot matig. Oude Maas: hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig en deels klei/plaatselijk zandig en of met dunne zandlaagjes; hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig en deels klei/plaatselijk zandig en of met dunne zandlaagjes, zand/plaatselijk met dunne kleilaagjes; hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig onderbroken door een zandlaag/middel tot grof/vaak grindig. Noordoever: hoofdzakelijk zand/middel grof tot matig onderbroken door een kleilaag/siltig/zandig; hoofdzakelijk zand/plaatselijk dunne kleilaagjes onderbroken door een kleilaag/siltig/zandig; veen, klei/humeus tot sterk humeus yak met veenstukjes, klei/zwak humeus/met dunne zandlaagjes. Het grondonderzoek 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 Oude Maas verwacht.


3 februari 1995

"6IZ:3

It

. ..

~.. t

1- .! ,t

..

..

i I

I

I

'

i i

.I

~- ,f ,.

I

,.

I '

I

'

'-.. ..

,.

..-

It

~

I

I

~

I

iI

!

~

i i

I a I.' I I I

i

I

.f

!- '0

:- II

.

l

c

Figuur 2.2

Geotechnisch

Keuze tunnelboonnachine

profiel boortrac~

2e-Heinenoordtunnel

2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

0Iz.4

2.3


In deze paragraaf worden de TBM-typen, die in zand en kleibodem toepasbaar zijn, opgesomd en geanalyseerd. TBM-typen die niet inzetbaar zijn in de grondopbouw van de 2e-Heinenoordtunnel worden hier niet genoemd. Evenzo wordt de oplossing "graaffrontondersteuning door luchtdruk voor het gehele boortrace" als niet meer overeenkomend met de stand van de techniek gezien. Door het uitwisselen van onderdelen kan er veel varieteit van de beschreven TBM-typen . ontstaan.

De TBM's kunnen worden onderverdeeld in de volgende typen: 1

Mechanische ondersteuning van het graaffront: extrusie-schild biihnen-schild verbauplatten-schild schurfscheiben-schild

2

Ondersteuning ontgraving ontgraving ontgraving

3

Ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid: High Density Slurry Shields Slime Shield/ Mud injection Shield Earth Pressure Balance Shield (standaard-uitvoering) Earth Pressure Balance Shield (meng-kamer-uitvoering) Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering)

4

Standaard TBM (Mixschild)

van het graaffront door vloeistof: met teilschnittmachine met vollschnitt ("Japanse bouwmethode") met vollschnitt ("Duitse bouwmethode")

De verschillende TBM-typen zijn in de figuren 2.3 t/m 2.5 weergegeven. In de tabellen 2.1 t/m 2.6 worden de kenmerken van de TBM-typen beschreven.


3 februari 1995

bIZ.5

H ~

Extrusionsschild

Biihnenschild

Verbauplattenschild

Schurfscheibenschild

Figuur

2.3

TBM-typen

Keure-tunnclboormachme

met mechanische

2e-Hemenoordtunnel


3 fcbruari 1995

brz.-6

Tabel 2.1 1

TBM-typen met mechanische ondersteuning van het graaffront


Kenmerken

Extrusie-schild

Btihnen-schild


Schurfschei ben-schi Id


Vlakke ondersteuning door grondoverdruk in de ontgravingskamer. De opbouw van de steundruk geschiedt bij de voortgang door insnoering van de doorsnede (extrusie).

Onder hoek van natuurlijk talud op eventueel beweegbare tussenplateaus.

Op deelvlakken van het graaffront door beweegbare steunplaten die door drukcilinders worden aangedrukt.

Gedeeltelijk door de gesloten voorzijde van het ontgravingswiel, dat verend wordt aangedrukt.

waterdichtheid

Door het vormen van een grondprop.




Ontgravingsmethode

Niet aanwezig.

Ontgravingsmaterieel op de plateaus (schop, kleine graafmachine etc.).

Bagger-en ontgravingsmaterieel op de vrije doorsnedevlakken.

Snijrad met snijwerktuigen langs de doorgangsopening en in het snijrad.

afvoer van grand

Als een pasta door een verstelbare diafragma-opening naar een transportband

Door afvoer in den droge en luchtsluis (cellensluis, avegaar).




Door eventueel een verbrede extrusie-opening en onder luchtdruk.




opmerkingen

GeeD.



Kellze tunnclboormachine 2e-Heinenodrdtunnel

3 februan 1995

biz. 7

,~.

Abbau im Vollschnitt "japanische Bauart"

Abbau mit Teilschnittmaschine

.J . :::::::::::=:::. Abbau

Figuur

2.4

TBM-typen met vloeistofondersteuning

KCUze lunneIboormachinC2C-HclrienoordluiinCI

-

3 febilJiifi-r995

im Vollschnitt

van het graaffront -~.

olz.8

I

Tabel2.2 2

TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Kenmerken







Door een luchtkussen achter de duikwand en een drukgeregelde vloeistofvulling in de graafkamer.

waterdichtheid




afgraafmethode

Een baggercutter.

Een zeer dicht snijrad met spleetopeningen.

Een open spaakwiel eventueel door platen afsluitbaar.

afvoer van grond

door een beweegbare cutterkop losgesneden en vervolgens hydraulisch afgevoerd.




Door een luchtsluis bij verlaagd steunvloeistofniveau en luchtdruk in de graafkamer. Beschermplaten aan bovenzijde.

Door een luchtsluis bij verlaagd steunvloeistofniveau en luchtdruk in de graafkamer.

Door een luchtsluis in kruin van de TBM met achter de duikwand een beschermde ingang en een verlaagd steunvloeistofniveau plus luchtdruk in de graafkamer.

opmerkingen

Geen.

Geen.

Het snijrad kan verschuifbaar worden uitgevoerd tOYas van de TBM en onder een hoek worden geplaatst tOYde as van de TBM.

KeuzeTunneIboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.9

Massestrome:

A, B, C, F, S

Grenzwerte:

S ) Slurry-Shield 0 )

A C

c

A

=

C

0:

a

-B

s

~

---I

0 ) S ) Erddruckschild

r

High Density

Erddruckschilde -

Figuur

Standardbauart

2.5

Slurry

Slime Shield/

Shields

-

Kcuze tunnclboormachmc2e-Hemenoordtunncl

-

Mischkammerbauart

TBM-typen met graaffrontondersteuning


3 fcbruan 1995

Shield

Erddruckschild

Erddruckschild -

Mud injection

blz.lO

Bauart mit Muckring

-

Tabel 2.3 3

TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid


Kenmerken

High Density Slurry Shield

Slime Shield! Mud injection Shield

Earth Pressure Balance Shield (standaard -uitvoeri ng)

Earth Pressure Balance Shield (mengkamer -uitvoering)

Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering)


Een drukgeregelde vloeistofondersteuning met een grote dichtheid (tot die van de grondbrei) in de graafkamer.

Een drukgeregelde, geconditioneerde vulling van de graafkamer.




waterdichtheid

Door een drukgeregelde vulling van de graafkamer.

Door een drukgeregelde, geconditioneerde vulling van de graafkamer.



Door een drukgeregelde grondvulling van de graafkamer.

afgraafmethode

Een open of gesloten snijrad.

Een redelijk dicht snijrad met openingen.

Een zeer dicht snijrad met openingen.

Een open snijrad met injectieleidingen en mengstaven aan de achterzijde van het snijrad.

Een open snijrad met afsluitplaten (zgn. flood-doors).

afvoer van grond

Hydraulisch met een maximale dichtheid van ca. 1,5 ton!m3.

Via compressie met een avegaar en een transportband.

Via, eventueel 2 achterelkaar opgestelde avegaren, en een transportband.

Via, eventueel 2 achterelkaar opgestelde avegaren en een transportband.

Door een voorgespannen afsluitklep in de muck-ring en een transportband.


Door een luchtsluis in de luchtdrukruimte.



Door een luchtsluis naar de (dee\s) geleegde mengkamer onder luchtdruk.


opmerkingen

Geen.

Geen.

Geen.

Injectie tbv bodemconditionering door de snijnaaf.

Bouwmethode van de Canadese TBMleverancier "Lovat"


3 februan 1995

biz. I I

1

Standaard TBM (Mix-schild)

Het toepassen van de boormethode in een bodemgesteldheid met wisselende grondlagen komt vandaag de dag steeds vaker voor. Het toepassingsgebied wordt steeds groter en strekt zich uit van cohesieloze, grofkorrellige bodems en vaste kleilagen tot morenenformaties (met ingebedde harde stenen) en rots. De genoemde grondlagen kunnen in een boortrace achtereenvolgens voorkomen of gelijktijdig aan het graaffront optreden. In de schildtechniek is er een trent van een pure "Unieke TBM" naar een veelzijdig toepasbare "Standaard TBM". Het ontwerp van de TBM wordt zodanig uitgevoerd dat de TBM kan worden aangepast aan de omstandigheden. Door het verwisselen van standaard onderdelen kan de Standaard TBM voldoen aan de ontwerpeisen van een bepaalde bouwlokatie. Aanpassingen van ontgravingswerktuigen, methode van graaffrontstabiliteit, grondafvoermaterieel etc. behoren tot de mogelijkheden. Hieronder zijn de hoofdonderdelen van de standaard TBM weergegeven die aan de eisen kunnen worden aangepast. Ontgravingsmaterieel: Stichel = tanden om zand af te snijden; Cutterdiscs = ronde snijmessen die langs de buitenzijde van het snijrad meerollen en vooral in rots worden toegepast; Schalmesser = snijmessen voor kleiige bodem; Disken = snijtanden; Copy-cutters = tanden die oversnijding van het profiel mogelijk maken en op de buitenkant van het snijrad kunnen worden geplaatst. Snij rad/spaakwiel: open met steunplaten; met uitschuifbare oversnijdingstanden (copy-cutters); met verstelbare excentriciteit; met injectiekanalen. Afvoermaterieel: steenbreker; beweegbare afzuigmond; afvoer mbv hydraulisch systeem; afvoer mbv avegaar en transportband. Graaffrontstab iliteit: open graaffront; druklucht; EPB met injectiemogelijkheden van additieven (foams, bentoniet e.d.); vIoeistofondersteuning.

2.4

Toepassingscriteria

van de verschillende TBM-typen

In deze paragraaf worden de globale toepassingsgebieden beschreven van de in paragraaf 2.3 genoemde TBM-typen. De belangrijkste voor- en nadelen worden kort behandeld. De aangegeven meer- of minderkosten gelden vanzelfsprekend alleen voor schilden van gelijke diameter. Als referentie voor de kosten zijn de kosten van ieder schild vergeleken met de kosten van een volledig gemechaniseerde TBM met open graaffront.


3 februari 1995

blz.12

Tabel 2.4

Afweging TBM-typen met mechanische ondersteuning van het graaffront

1 Mechanischeondersteuning van het graaffront Criteria

Extrusie-schild

Biihnen-schild

Verbaupiatten-schiid

Schurfscheiben-schiid

toepassingsgebied

homogene, zachte, vervormbare en quasi waterondooriatende grond.

niet cohesieve en oak waterdoorlatende bodem met geringe cohesie. Dekking op tunnel moet luchtdruk toelaten bij werken onder de grondwaterspiegel.

cohesieve, gedeeitelijk standvaste veen- en kIeibodem.

van niet cohesieve tot gedeeitelijk standvaste zand/grindbodem, ook watervoerend.

voordelen

-

-

-

nadelen

zeer eenvoudig zonder ontgravingsmechaniek; korte levertijd;

-

directe optische con-

-

eenvoudig schild;

-

- korte Ievertijd;

-

trole van de samenstelling van de ontgraven grond; bij juiste openingsverhouding nauwelijks vooruitlopende bodemverstoring.

-

ontgravingswerktuigen vaak serie-materieel; directe controle van de samenstelling van de ontgraven grond.

- stelt hogeeisenaan de - ongelijkmatigegraaf-

-

homogeniteit van de grond; vereist grote aandrijfkrachten tijdens boren.

KeuzE tunnelboormachme 2e-Hemenoordtunnel

-

frontondersteuning hoge aandrijfkrachten tijdens boren. zettingsgevoelig bij onprofessioneel toepassing.

3 februan 1995

eenvoudig schild; binnen ruime grenzen aanpasbaar aan de bodemgesteldheid; directe controle van het graaffront in het open deel van het graaffront.

-

-

-

Iangzaamtgv afgraven -

-

op deelvlakken van het graaffront; veelvuldige onvolledige ondersteuning met als gevolg zettingen.

blz.13

eenvoudig schild met mechanischeverzekering tegen instorten van het graaffront door een zeer dicht snijrad; groat toepassingsgebied.

hoge aandrijfmomenten en aandrijkrachten met ais gevolg verstoring van de natuurlijke bodemspanning voor het schild en eventuele zettingen.

-

kosten

-

het dure snijrad met de hydraulische aandrijfmotoren en de grondafvoerins tallatie van het graaffront naar de TBM ontbreekt; vaak ook luchtdruk.

-

Tabel2.5 2

serie-materieel

dus

goedkoper dan andere ontgravingstechnieken; TBM zonder hoge nauwkeurigheidseisen;

afvoer van grond uit

-

-

schild hetzelfde als Biihnen-schild; ontgravingsmaterieel echter zwaarder uitgevoerd en niet seriematerieel;

-

bij werken onder de

-

grondwaterspiegel is luchtdruk en afvoer dmv luchtsluis aan te bevelen.

werkkamer met luchtsluis; werken onder luchtdruk;

-

actieve steunplaten in het snijrad maken het ontgravingsmaterieel dum; zware aandrijfaggregaten;

bij werken onder de grondwaterspiegel is luchtdruk en afvoer dmv luchtsluis aan te bevelen.

Afweging TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door vloeistof Ondersteuning van het graaffront door vloeistof

Criteria


Ontgraving met vollschnitt (ItJapanse bouwmethodelt)

Ontgraving met vollschnitt (ItDuitse bouwmethodelt)

toepassingsgebied

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in praktisch aIle hydraulisch ondersteunbare zand- en kleibodems.

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in praktisch aIle bodemsoorten.

Door de keuze van de juiste ondersteuningssupensie in praktisch aIle bodemsoorten.


3 februan 1995

blz.14

voordelen

-

-

nadelen

van het graaffront met geringe verstoring van de natuurlijke bodemspanningen; afsnijden van hindernissen mogelijk; directe afvoer van de ontgrayen grond door de cutterkop van de afvoerleiding; inspectie van het graaffront mogelijk na verlaging van de bentonietspiegel.

-

-

-

beschermde entree achter de

-

duikwand naar de graafkamer; gering draaimoment.

-

-

1uchtdrukinstallatie;

-

hydraulische afvoer en scheidingsinstallatie.

-

ontgravingstechniek met hoo fdlagerafdichtingen eventueel mengselbehandeling

-

scheidings installatie;

-

1uchtdrukinstallatie.

-

-

-

2e-Hemenoordtunnel

3 februan 1995

dig; graaffront nauwelijks te zien (bij vloeistofspiegelverlaging); drukschommelingen in de graafkamer worden geregeld met aan- en afvoer van vloeistof.

-

instorten van graaffront bij betreden van graafkamer vereist eventueel een volledige afsluiting van het open spaakwiel.

-

ontgravingstechniekmet hoofdlagerafdichtingen; eventueel mengselbehandeling voor het hydraulisch transport; scheidingsinstallatie; luchtdruk installatie.

-

voor het hydraulisch transport;

blz.l5

zeer geringe structuurverstoring van de grond en daardoor geringe zetting; gelijkmatige continue ondersteuning van het graaffront door luchtkussentoepassing;

-

kosten vergelijkbaar met een Vollschnitt-TBM;

-

-

verhoogd draaimoment no-

volledige scheiding van ondersteuning en ontgravingsfuncties door de open graafspaken;

-

-

-

Keuzetunnelboormacnme

zeer breed toepassingsgebied;

geringe verstoring van de bodemstructuur aan het graaffront; verzekering tegen instorten van graaffront door gesloten snijrad; de geometrie van het graaffront blijft onveranderd.

de geometrie van het graaffront verandert voortdurend; aan het graaffront geen instortverzekering mogelijk tijdens ontgraven (steunplaten); voortgang kleiner dan Vollschnitt-TBM's.

-

-

kosten

hydraulische ondersteuning


1

Voor de TBM-typen met ondersteuning van het graaffront door media met hoge dichtheid geldt voor het principe van een High Density Slurry Shield en het Slime Shield/ Mud injection Shield hetzelfde als voor een vloeistof- en vollschnittschild. Voor het Earth Pressure Balance Shield zijn de criteria voor aIle genoemde EPB-uitvoeringen in de onderstaande tabel weergegeven.

Tabel 2.6 4

Afwegingen verschillende EPB-schild-uitvoeringen

Ondersteuning

van het graaffront


EPB-schild-uitvoeringen

Criteria

I

I

I

toepassingsgebied

Voor de klassieke EPB-schilden plastisch vervormbare bodemsoorten met een geringe wrijving (zandaandeel onder de 20%). Door toevoegen van plastificeermiddelen aan het graaffront kan het toepassingsgebied aanmerkelijk worden vergroot.

voordelen

-

onmiddellijk gebruik van de ontgraven grond voor de ondersteuning van het graaffront en afdichting tegen het grondwater;

-

geen hydraulische afvoer; geen scheidingsinstallatie.

-

kwaliteit van de graaffrontondersteuning en de uitkomende grond is afhankelijk van de (onbekende en eventueel sterk wisselende) eigenschappen van de bodem; betreden van de graafkamer lastig.

nadelen

kosten

-

-

Keuze tunnelboonnachine 2e-Hemenoordtunnel

ontgravingsmechaniek zeer robuust met hoog benodigd aandrijfvermogen; avegaar met regelbare omwentelingssnelheid; gebruik van drukmeters en regelsysteem.

3 februan 1995

blz.16

2.5

Keuze TBM-type

2.5.1

Algemeen

In de voorgaande paragrafen zijn mogelijke TBM-typen en hun kenmerken beschreven. In deze paragraaf wordt een keuze van het TBM-type gemaakt voor toepassing bij de 2eHeinenoordtunnel. Hiervoor worden eerst de criteria beschreven waaraan de TBM moet voldoen vervolgens wordt een grove selectie gemaakt en tenslotte een definitieve keuze.

2.5.2

Criteria

Voor het functioneren van een TBM in een bepaalde grondslag dient de TBM aan verschillende eisen te voldoen. De toepasbaarheid van een TBM-type moet worden onderzocht op: de graaffrontondersteuning; het ontgravingsmechanisme; het grondafvoersysteem; diversen: benodigde aandrijfkracht, grondbehandeling en ervaring. Deze aspecten en de daaruit vloeiende eisen worden achtereenvolgens voar de lokatie van de 2e-Heinenoordtunnel behandeld.

Graaffrontonders teuning De eisen ter beperking van zettingen aan het maaiveld gelden alleen voar het boortrace ter plaatse van de schachten en onder de dijken om schade aan schachten en dijken te voorkomen. Vanwege het feit dat de schachten en dijkonderdoorgangen slechts een klein deel van het totale boortrace uitmaken kan in geval van voorziene ontoereikende graaffrontondersteuning door lokale maatregelen instabiliteit worden voorkomen. De gevolgen van een ontoereikende ondersteuning tijdens boren komen vooral tot uiting in een sterke verstoring van de bodemstructuur voor en boven het schild. Te veel ontgraving leidt tot vermindering van de voortgangssnelheid (meer graafwerk, meer materiaal afvoeren en eventueel behandelen) en vermindering van de kwaliteit van de bouw van de lining (de grout die langs de tunnelmantel de oversnijdingsruimte moet opvullen kan naar het graaffront lopen waardoor de groutdruk langs de tunnel mantel niet is verzekerd en de segmenten van de tunnelring niet goed op elkaar kunnen worden aangedrukt). Het toetreden tot het graaffront onder luchtdruk kan onmogelijk worden indien door bodembewegingen spleten in het grondmassief optreden waardoor de lucht- en waterdoorlatendheid van de bodemlagen toeneemt. Graaffrontondersteuningseis:

een zekere graaffrontondersteuning de natuurlijke grondspanningen.

met geringe storing van

Ontgravingsmechanisme Het boortrace doorsnijdt over aanzienlijke lengten verschillende grondlagen. Het draaimoment en de benodigde vijzeldruk van het snijrad moeten worden bepaald met de hoogste belasting. De werkelijke slijtage van de graaftanden is slecht dmv berekeningen vast te stellen en wordt pas duidelijk tijdens het boorproces. Met inspectie onder druklucht en eventuele vervanging van de graaftanden moet rekening worden gehouden.

Keuze tunne1boormachine le-Heinenoordtunne1

3 februari 1995

EIZ:T7

Eis ontgravingsmechanisme:

mogelijkheid om snel de graafkamer te kunnen betreden en simpel inspectie van het graaffront en de ontgravingswerktuigen te kunnen uitvoeren.

Grondafvoersvsteem Het transport van de ontgraven grond dient onafhankelijk van de graaffrontondersteuning te geschieden. De zwaartekracht kan hier gunstig werken indien de afgegraven gronddeeltjes aan de voet van de tunnel worden verwijderd. Zanddeeltjes leveren voor de grondafvoer nauwelijks moeilijkheden op. Kleideeltjes daarentegen hebben de neiging onder bepaalde vochtcondities te kleven aan de constructieelementen van het snijrad. Uit de praktijk is echter gebleken dat dit "kleeffenomeen" door speciale aanpassingen (spuitlanzen, speciale vormgeving snijrad, gedeeltelijke vulling bij vloeistofondersteuning etc.) kan worden voorkomen. Uit het grondonderzoek is gebleken dat het grondafvoersyteem geen stenen groter dan D 100 mrn hoeft te verwerken. Desondanks zijn grotere obstakels niet uit te sluiten.

Grondafvoereisen: -

=

toetreden van het graaffront onder luchtdruk om eventuele hindernissen te verwijderen; transport van de ontgraven grond en de graaffrontondersteuning dienen onathankelijk van elkaar te geschieden.

Diversen De benodigde aandrijfkracht moet zo klein mogelijk zijn zodat deze kracht niet het maatgevende belastingsgeval wordt voor de wapening van de tunnelsegmenten. Er dient een grondbehandeling te worden nagestreefd waarbij directe beschikbaarheid van een deponie zonder nabehandeling kan worden toegepast. De geeiste tunneldiameter van 8,3 m is relatief groot. De voorkeur ligt voor een TBM-type waarbij meerdere succesvolle ervaringen zijn opgedaan.

2.5.3

Grove selectie TBM-type

Uit de voorgaande paragraaf voIgt direct de (on)geschiktheid voor toepassing van bepaalde TBM-typen in de ornstandigheden van de Heinenoordtunnel. la Extrusieschild : niet geschikt tgv de wisselende grondlagen. 1b Biihnen-schild : niet geschikt tgv ongelijkmatige ondersteuning van het graaffront en te hoge aandrijfkrachten. Verbauplattenschild lc niet geschikt vanwege te kleine voortgangssnelheid en te speciale TBM voor de wisselende grondlagen. Teilschnittmachine met 2a vloeistofondersteuning : niet geschikt vanwege te kleine voortgangssnelheid. 3a-b

High Density Slurry Shield, Slime Shieldl Mud injection Shield zijn min of meer geschikt en worden in tabel 7 onder HDS (high-density-shield) behandeld.

3c-e

Earth Pressure Balance Shield (standaard-uitvoering), Earth Pressure Balance Shield (meng-kamer-uitvoering) en Earth Pressure Balance Shield (muckring-uitvoering) zijn min of meer geschikt en worden in tabel 7 onder EPB (earth-pressure-balanceshield) behandeld. In tabel 2.7 zijn de overgebleven TBM-typen op de criteria vergeleken en overzichtelijk weergegeven


3 februan 1995

blz.I8

Tabel 2.7

Vergelijkingstabel TBM-typen

Criteria I

graaffrontondersteuning met weinig grondvervormingen tijdens: a) boorproces; b) toetreden van graafkamer.

Schurfscheibe

Slurry (Japans)

Slurry (Duits)

High dens ity-schild

EPB-schild



a) zeer goed b) middelmatig



2

mogelijkheid tot toetreden van graafkamer

zeer goed

goed

zeer goed

goed

middelmatig

3

benodigde druklucht tijdens boorproces

te hoog

geen

gering

geen

geen

4

benodigd draaimoment

hoog

middelmatig

gering

middelmatig

zeer hoog

5

benodigde aandrijfkracht

hoog

middelmatig

gering

middelmatig

zeer hoog

6

mogelijkheid tot inbouw van steenbreker

ja

ja

Ja

beperkt

nee

7

afvoermechanisme

droog

nat

nat

plastisch

plastisch

8


nee

ja

ja

beperkt

nee

9

ervaring van schilden met 0 > 10m

--

talrijk

enkele

onbekend

onbekend

Omdat de keuzecriteria zich beperken tot de wezenlijke aspecten, die tot kwaliteitsonderscheid van de verschillende TBM-typen leiden, blijft de tabel overzichtelijk. Vit tabel 7 blijkt dat de met vloeistof ondersteunde schilden en de EPB-schilden het meest geschikt zijn voor de situatie van de Heinenoordtunnel.

Keuze tunnclboormachme 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

biz. 19

V oil It I\tIi It

-uchin, tit ""lit

6,flt I I I

Er~d~k. balanced IhilIClI.

und

WIUlrdrvc:klusgllldlendl'

Schild

(tlr1hprlnUtt

MIMI Alent

Segment Di.charlinc

G.te Sere. Conyeyor Motor

MIMIAcent 1101, \K';~ Cutter Rit Screw Conveyor Hole

Figuur 2.6

Principe

KIIe.ilinc CMmberSllield

Jack

EPB-schild

Keuze tunnelboorrnachme 2e-Hemenoordtunnel

3 februan 1995

DIZ:W

2.5.4

Definitieve keuze TBM-type

2.5.4.1

Algemeen

In deze paragraaf worden de twee meest geschikte TBM-typen voor toepassing van de situatie bij de 2e-Heinenoordtunnel, het vloeistofondersteunde schild (Slurry-schild op Duitse wijze oftewel Hydro-schild) en het EPB-schild, nader behandeld en met elkaar vergeleken.

2.5.4.2

EPB-schild

Algemeen Het ideale EPB-type is het blindschild waarbij de bod em door de aandrijfkracht van het schild in de graafkamer wordt gedrukt en door opening en in de drukwand geextrudeerd wordt. Een voorwaarde voor een storingvrije functionering is een gelijkmatig vervormbare bodem waarvan de natuurlijke plasticiteit de mogelijke steundruk bepaald. Toepassing van een EPB-schild in een stijvere bodem kan mogelijk worden gemaakt door het inbouwen van een snijrad. Het snijrad vormt met de afgegraven grond een waterdichteen drukoverdragende grondprop in de graafkamer door middel van ontgravings-, meng, - en kneedwerktuigen aan de voor- en of achterkant van het snijrad. De benodigde smeerstoffen (water, bentoniet, foams etc.) worden gedeeltelijk door het snijrad aan het graaffront ingespoten. Het is noodzakelijk de graafkamer volledig met een homogene, plastische grond-/smeermengsel te vullen. De druk in de graafkamer wordt dmv drukdozen aan de drukwand vastgesteld. De drukregeling geschiedt door aanpassing van de afvoersnelheid van de grond uit de graafkamer (bij toepassing van een avegaar aanpassing van de omwentelingssnelheid van de avegaar). Vanwege de relatieve onbekendheid van foamtoepassing zijn hieronder enkele gegevens mbt foam weergegeven: foamontwikkeling is 10 jaar geleden gestart. De foams van tegenwoordig worden steeds zeepachtiger; de werking van het foam is gebaseerd op het voegen van luchtbelletjes tussen de grondkorrels. De voordelen hiervan zijn: * de grond wordt smeuiger en daardoor beter transporteerbaar; * de behandelde grond geeft een betere afdichting tegen water; * de behandelde grond heeft een verende werking. Water zet niet uit en is bijna onsamendrukbaar. Voor luchtbeIletjes daarentegen geldt het omgekeerde. Indien er weinig grond voor het graaffront wordt uitgenomen is er geen stabiele situatie meer voor de met waterverzadigde grond echter de met luchtbellen geinjecteerde grond kan terugveren en een stabiele situatie behouden; Voordelen De voordelen van een EPB-schild zijn: bij een volle graafkamer een absolute zekerheid dat het graaffront niet instabiel wordt; de afgegraven grond wordt naar het afvoerpunt geperst waardoor er geen verklevingsverschijnselen optreden; automatische vuIling van de ruimte tgv oversnijding; droog transport van afgegraven grond door de tunnel; geen scheidingsinstallatie nodig indien het plastische ontgravingsmateriaal direct kan worden gestort.


3 februari 1995

biL2I

Nadelen het gebruik van een avegaar, transportband en locomotief met wagonnetjes is nodig tbv van de grondafvoer. Het grondtransport gaat gepaard met mors waardoor de kans groot is dat de tunnel vuiI is. Het is overigens de vraag of er geen grondbehandelingsinstaIlatie moet worden toegepast waardoor de kosten van de grondafvoer hoger worden; het benodigde draaimoment is circa 3 maal groter dan voor een Hydro-schild. De grond moet als het ware naar worden binnengedraaid; de benodigde aandrukkrachten zijn groter dan bij een Hydro-schild omdat: * de smerende werking van de bentoniet ontbreekt waardoor de wandwrijving groter IS;

* bij de EPB-ontgravingsmethode draait een grondbrei in de graafkamer mee; * de onzekerheid van de drukverdeling aan het graaffront te compenseren. Het gevolg hiervan is dat de tunnellining zwaarder wordt belast waardoor meer splijtwapening nodig is in de segmenten en er meer aandrukvijzels nodig zijn dan bij een Hydro-schild; het snijrad is zwaarder en de benodigde aandrukkracht is groter waardoor het hoofdlager zwaarder wordt belast. Hierdoor is de kans op falen groter en de levensduur kleiner; het benodigd geinstalleerde vermogen is groter dan bij een Hydro-schild waardoor de runningkosten hoger zijn; grotere verstoring van de natuurlijke grondspanningen dan bij een Hydroschild. Dit kan leiden tot grotere zettingen; voor grotere diameters treden opmerkbare drukverschiIIen over de hoogte van het graaffront op. De Ko-waarde van een bodem in rust bedraagt circa 0,5 echter voor mechanisch bewegende plastische grond in de graafkamer is de Ko-waarde circa 1; voor aIle boortracedelen waar een wezenlijk zandaandeel aanwezig is (70 % van het totale boortrace van de Heinenoordtunnel) moeten hulpstoffen (additieven) worden toegepast. Foam moet als hulpstof worden gebruikt om de wrijvingskrachten te' verminderen en een goede waterdichting van het zand te bewerkstelligen. Deze functies heeft het foam echter voor een beperkte tijd. Onderbreking van het boorproces om de graafkamer te betreden geeft problemen doordat de bodem na verloop van tijd weer waterdoorlatend wordt. Bentonietinjectie zou deze problemen kunnen verhelpen. Er zijn geen referenties voor het gebruik van foam voor de Heinenoordsituatie (3,4 bar waterdruk, niet cohesieve grond); het foam is niet 100% milieuvriendelijk, circa 10% van de foamchemicalien zijn niet biologisch afbreekbaar; het betreden van de graafkamer geeft meer problemen dan bij een Hydro-schild namelijk: * het leegmaken van de graafkamer duurt langer; * de avegaar mag niet leeggedraaid worden omdat deze anders de dichtende werking verliest; * bij uitval van de grondsteunplaten op het snijrad is het graaffront niet verzegeld, hetgeen pas bij betreden van de graafkamer wordt opgemerkt; * na betreden van de graafkamer moet de graafkamer weer gevuld worden voor de TBM weer kan gaan ontgraven. De steundrukverhoudingen tijdens deze overgang zijn minder nauwkeurig te bepalen dan bij een Hydro-schild; drukverschillen aan het graaffront kunnen minder goed worden opgevangen dan bij een Hydro-schild met luchtbuffer; doordat er geen steenbreker kan worden geinstalleerd is een blokkage van de avegaar niet ondenkbeeldig; stenen in de graafkamer kunnen de mengarmen achter op het snijrad beschadigen. bij gebruik van een staartdichting met staalborstels en vetafdichting geeft deze staartdichting hechtingsproblemen tussen de grout en de tunnellining tgv een vetfilm op lining. Tevens kunnen de borstels dicht gaan zitten met grout en is het vet milieubelastend. De vervanging van de staalborstels is echter eenvoudiger dan van een rubber profielstaartafdichting.


3 februari 1995

blz.22

indien er gassen (CH4, H2S, CO) in de grond aanwezig zijn kunnen deze in de tunnelbuis komen doordat het grondtransportsysteem niet gesloten is. Voor een EPB moet voor het ontwerp van de ventilatie hiermee rekening worden gehouden: een EPB heeft relatief meer snijelementen dan een Hydro-schild waardoor vervanging duurder is en langer duurt met als gevolg een kleinere inzetbaarheid bij grote slijtage; relatief veel mensen in tunnel en veel transportbewegingen waardoor de kans op ongelukken groter is dan bij een Hydro-schild.

Keuze tUnnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

bIi.23

"2 C.

E 0

].

~c. c ~

; ~

E 0

. II: ~

~Q

~

~0

~

Figuur

2.7

Principe

.

Hydro-schild


3 februari 1995

DTZ:14

2.5.4.3

Slurry-schild

op Duitse wijze (Hydro-schild)

Algemeen Tijdens het boorproces steunt een speciale suspensie (bentoniet) het graaffront. De steundruk verloopt hydrostatisch. De steundruk wordt gecontroleerd en constant gehouden door een luchtkist achter de duikwand waardoor de schommelingen van de ondersteuningsdruk gering zijn. De bentoniet vormt een dichte filterkoek op het oppervlak van het graaffront en zet het graaffront onder druk. De zettingen blijven door deze graaffrontondersteuning zeer beperkt. De vorming van de membraamachtige filterkoek is tijdens vele boorprojecten bewezen. De bentonietcake is relatief luchtondoorlatend waardoor het graaffront door druklucht kan worden gesteund tijdens het betreden van de graafkamer. De eigenschappen van de steundruksuspensie kunnen aan de situatie worden aangepast. Voordelen Naast de voordelen die hierboven zijn omschreven kunnen worden genoemd: de geringe aandrijfkrachten: door de bekendheid van de drukverdeling over de hoogte van het graaffront, de smerende werking van het bentoniet en de scheiding van de functies ondersteuning (door suspensie) en afgraven (door snijrad) van graaffront; geringe verstoring van de natuurlijk aanwezige grondspanningen; er kan beter in niet homogene grondlagen worden geboord dan bij een EPB-schild door de zelf-instellende drukregeling; doordat de TBM lichter is en minder aandruk en draaimoment nodig heeft wordt het hoofdlager minder belast waardoor de levensduur groter is dan van een EPB-schild; het ge'installeerd vermogen is kleiner waardoor de runningkosten lager zijn dan voor een EPB; steenbrekerinbouw is mogelijk zodat afvoer van afgegraven materiaal geen problemen oplevert; hergebruik ondersteuningssuspensie; het afvoersysteem van afgegraven grond kenmerkt zich door: * schoon transport; * neemt weinig ruimte in beslag; * is richtingsonafhankelijk. de scheidingsinstallatie scheidt naar korrelgrootte zodat het gescheiden materiaal eventueel verder gebruikt kan worden; indien een Neopreen-staartdichting wordt toegepast is deze eenvoudiger en minder gevoelig voor grout en oneffenheden dan een staartdichting dmv vetinjectie en staalborstels; door de toepassing van een gesloten grondafvoersysteem is er geen gevaar tgv vrijkomende stoffen in de tunnelbuis en is er minder lawaai in de TBM en tunnelbuis; het aantal benodigde snij-elementen is kleiner waardoor het benodigde draaimoment en aandrukkracht kleiner is. Tevens is vervanging goedkoper en kan sneller plaatsvinden waardoor de inzet van de TBM groter is dan voor een EPB; er zijn relatief weinig mensen betrokken bij het boorproces.

Nadelen het gebruik van een scheidingsinstallatie, een aanvoersysteem tbv ondersteuningssuspensie en een afvoersysteem tbv de met afgegraven grond vervuilde ondersteuningssuspensie is nodig; bij kleinere gronddeeltjes wordt de scheiding van de bentoniet en de ontgraven grond moeilijk of zelfs onmogelijk waardoor er veel bentonietvloeistof verloren kan gaan; men houdt een hoeveelheid bentonietvloeistof en eventueel met bentoniet vermengde grond over waarvoor een stort moet worden gezocht; kleven van kleideeltjes aan het ontgravingsmaterieel. Hiertegen kunnen enige maatregelen worden genomen door speciale aanpassingen (spuitkoppen, snijradvormgeving, gedeeltelijke vuIling bij vloeistofondersteuning etc.).


3 februari 1995

blz.25

ze v(" 0 0

0 0

8

2

0000001'>000

~~~~§~~:~

8

~

vOl

GEN:i

NEroI J!,(.t't

UOOOOOeOO

n

~ ~ 8 S ;: tA ~ ~ :: b :: ~ t: ~ :

~nnn~nn

:;: L: ; ~'~ ~ ~ f:

.0 .0

0

~

'"' ... c

o!: 0 0 :p'" ,. C'l°

=:

~

:!J

Z C1" _° ,Z

;t

-'i °L ..., 0

j"1!I

i....

..8:

0

.; SilT

"LEI Z,I

( SLURRY

Z,IV

0

8

0 0

~

Fig.

.

1'1

I

I

II

Verbesserung

Korrelg',:",ue,erdelings eu"en von ccnheden !"I, Z,III, Z.IV, Z,I en K,I

0

8~~~§~a;~ I

.0 0

-..-.-.-.-

000000000

2

-Schild)

CD Kernberelch durCh CD Er'olelterung der Separierung

Z,I

K,I

Hydroschild

Einsatzbereich

Z,JJI

80

tJ

0

0

ze vEtI VOlGH'~ U['" 1!»60 0 0

n

n

n

n

~ ~ 8 ~ ~ ~ ~ ~ ~ b : ~ t: ~ : ~ ~ ~ ~'~.E ~ e

II Q

..., 0

c;

0

'"' ...

8'1

;

0

0° 0 0 'JII'" ~o

'" .,z0

Z C'I" _°

~3

!.

,.Z Ti!!

~

i.~0

:!f ~z ",:~§

0 KlEi

Z,I

Einsatzbereich

Z,1lI

Z,IV

G)->

Z,I

K,I

2.8

Kernberelch Er'oleiterung durch Kondition'erung

-..-..-..-.I'ig.

Figuur

EPB-Schild

Kor,eli,ooueverdelings cu,ven vo" cc"hctlen Z,I, Z,III, Z.I\', Z,I en K,I

Toepassingsgebieden Hydrokorrelgrootte diagramrnen


EPB-schild

aan

3 februari 1995

de hand

van

0IZ26

2.5.4.4

Conclusie

Over bijna de gehele lengte van het boortrace is een grondslag aanwezig die, bij toepassing van een EPB-schild, intensief bewerkt moet worden om een plastische en drukhoudende bodemprop te kunnen vormen. De wisselende grondlagen in het boortrace dwingen tot een veelvuldige aanpassing van hulpmaatregelen. Het Hydro-schild daarentegen is over de gehele bandbreedte van de verschillende voorkomende grondlagen makkelijker inzetbaar zonder veel hulpmaatregelen. Het noodzakelijke gebruik bij een Hydro-schild van installaties ten behoeve van het hydraulisch transport en suspensiescheiding wegen op tegen het geringere risico bij het betreden van de graafkamer, kleinere aandrijfkrachten en een schoon grondafvoertransport door de tunnelbuis. In de figuren 2.8 zijn de toepassingsgebieden van het EPB-,en het Hydro-schild aan de hand van korrelgrootteverdelingsdiagrammen weergegeven. In deze diagrammen is aangegeven binnen welke korrelgroottebanden de verschillende schilden van oorsprong ontwikkeld zijn en tot welke korrelgroottebanden de toepasbaarheid van schilden mbv hulpmaatregelen kan worden uitgebreid. Tevens is de korrelgrootteband van het boortrace van de 2e-Heinenoordtunnel in deze diagrammen aangegeven. Vit deze diagrammen is duidelijk af te lezen dat de grondslag in het boortrace van de Heinenoordtunnel voor 70 a 80 % uit zandgrond is bestaat en dat het toepassingsgebied van een Hydro-schild het meest geschikt lijkt in deze grondslag. TCH heeft om deze redenen gekozen voor toepassing van een Hydro-schild voor het boren van de 2e-Heinenoordtunnel. In tabel 2.8 is de beoordeling van de belangrijkste TBMkeuzecriteria voor het EPB- en Hydro-schildtype overzichtelijk weergegeven. Tabel 2.8

Vergelijkingstabel EPB en Hydro-schildtype

Criteria 1

Toepasbaarheid schild mbt korrelgrootteband grondslag 2e-Heinenoordtunnel

2

graaffrontondersteuning tijdens: a) boorproces; b) toetreden van graafkamer.

3

benodigd

draaimoment

en verstoring

van

Hydro-schild

EPB-schild

zeer goed

niet geschikt zonder hulpmaatregelen

a) zeer goed b) goed

a) middelmatig b) middelmatig

gering

zeer hoog

(o02eker)

(tot3 keerhoger)

het graaffront tijdens het boorproces 4

mogelijkheid en veiligheid tot toetreden van graafkamer

goed

middelmatig

5

meting van de steundrukken

betrouwbaar

onzeker

6

behandeling

niet nodig

nodig

7

benodigde

laag

hoog (21013 keer hoger)

8

zettingen

beperkt

klein

9


nodig

niet nodig

talrijk

talrijk

van de af te graven grond aandrijfkracht

10 ervaring van schilden met D = +/- 8,5m


3 februari 1995

(maarwerkbaar)

blz.27

3


3.1

Algemeen

Nadat de keuze van het TBM-type was gevallen op het Hydro-schild is er een programma van eisen voor de TBM opgesteld. Voor de bepaling van de TBM-eisen is eerst een checklist gemaakt van onderdelen die in de TBM aanwezig behoren te zijn. Vervolgens zijn enkele grove berekeningen gemaakt ter bepaling van: a) de orde van grootte van de aandrijfkracht en het draaimoment; b) een ontwerp van het hydraulisch afvoersysteem; c) een schatting van de afmetingen en het gewicht van een segment en het aantal segmenten in een tunnelring; d) de levensduurverwachting van het hoofdlager; Vervolgens is het voorziene TBM-ontwerp van een Hydro-schild beschreven waarbij eerst de uitgangspunten voor het ontwerp zijn opgesteld en vervolgens een technische beschrijving van het Hydro-schild is gemaakt. Het beschreven TBM-ontwerp geeft een uiteenzetting van een mogelijk Hydro-schildontwerp voor de 2e-Heinenoordtunnel zoals door de TBMwerkgroep werd voorzien voordat met de TBM-leveranciers was gesproken.

3.2

Beschrijving TBM-ontwerp

3.2.1

UitgangspWlten TBM-ontwerp

Boortunneldimensies De 2e-Heinenoordtunnel heeft de volgende kenmerken: binnendiameter 7.6 meter; buitendiameter 8.3 meter; segmentdikte 0.35 meter; ringbreedte 1.5 meter; ringopbouw 7 segmenten en 1 sluitsteen; oversnijding 0.125 meter; theoretische buitendiameter 0.125*2 + 8.3 = 8.55 meter. De totale lengte van de starre schildmantel bedraagt circa 8,3 meter.

Belastingen op de TBM De schildmantel wordt belast door de van buiten werkende krachten en de krachten die van binnenuit de TBM op de mantel. De van buitenaf werkende belastingen op de schildmantel zijn weergegeven in tabel 3.1.


3 februan 1995

blz.28

Tabel 3.1

Belasting op de schildmantel

Belasting

Maximaalwaarde

Belastte TBM-deel

Opmerkingen

waterdruk

350 KN/m2

-

schildmantel (zonder snijdeel); drukwand; sluis.

Gelijkmatig verdeeld.

-

gehele mantel;

p

-

drukwand.

pI = pmax

250 KN/m2

gronddruk

= pmax*cos

hindernis

-

- snijdeel.

wrijving staartdichting

100 KN/m

Stalen staartplaat.

ophanging trailer

100 + 50 KN

Verstijving binnenkant TBM.

Trailergewicht circa 180 ton maximale vijzelhelling circa 3%.

verschildruk op de drukwand

p = 60 KN/m2 p = 200 KN puntlast

Duikwand.

Werken niet gelijktijdig.

Constructief door wandsterkte opgenomen.

De belastingen vanuit de TBM zijn: het eigen gewicht van de TBM; reactiekrachten vanuit: * de snijradaandrijving: - max. draaimoment circa 4 MNm. De hydraulische aan-

*

vijzels:

*

ringerector:

drijving is gerelateerd aan de draaisnelheid. max Md= 4.0 MNm bij n= 1 omwenteling per minuut max Md= 2.0 MNm bij n=2 omwentelingen per minuut max. aandrukkracht circa 3 MN. 14 vijzelsets a 1.8 MN; max. aandrijfkracht 50.4 MN. ontwerpen op tillen en verplaatsen van segmenten met een maximaal eigengewicht van 50 KN.

AIle overige belastingen vanuit de TBM zijn voor het ontwerp van de TBM niet maatgevend.

Opmerking:

Voor het voorontwerp van de 2e-Heinenoordtunnel zijn onder andere berekeningen gemaakt mbt de benodigde dekking op de tunnel, de tunnellining en de benodigde steundruk in de verschillende bedrijfsituaties van de TBM (graaffront geheel en gedeeltelijk ondersteund met bentoniet en of luchtdruk). Deze berekeningen geven waarden die als uitgangspunt voor het ontwerp van de TBM worden genomen. Voor deze berekeningen wordt verwezen naar het rapport "Berekeningen Voorontwerp Boortunnel Heinenoord" van Arjan van der Put.

Keuze tunnelboormachine 2e- Hemenoordtunnel

3 februari 1995

Erz.29

1-'. lQ ~"1 ~~11

w f-'

('1)

't1 11 1-'. ~0 1-'. '0 CD

:I: ('1) :; ('1)

"< 0.

0.

0 I !II 0

::3 0 0...,

11

2

::r

g

('1)

Schildvortrieb. Schema

::I:

f'ef8onenOChleu8.

VOft,iebsp,esse

5chlld.ehwlnldlehiung

O...mIlAoga el. .0 m

SI8hlbalon.VoIIIObblng.

lultpota'

1-'. t-'

0.

.

WI

. .

,'NKhflUfei-" "

NI W,

-"':";'.

. "~"~~'.'.1;;:~~~;,:;.'.~

<~';

'.;.:;'"

Nochllulet

II

,.

~-

Hechtlu'"

III

3.2.2

Technische beschrijving TBM-ontwerp

3.2.2.1

Algemeen

De TBM bestaat in hoofdlijnen uit: het schild de ontgravingsmechaniek; de aandrijvingshydraulic; de erector; de stuurcabine; het grondafvoersysteem; de staartvulling; de staartdichting; de trailers die achter de TBM worden meegesleept. In deze paragraaf worden deze TBM-onderdelen nader beschreven.

3.2.2.2

Schild

Het schild bestaat in wezen uit een cilindrische buitenomhulling met binnenliggende verstijvingen en afsluitwanden. In figuur 3.1 is een Hydroschilduitvoering weergegeven. De schildmantel De schildmantel is opgebouwd uit 3 buisdelen namelijk: het graafdeel, het middendeel en het staartdeel. Deze buisdelen hebben een nominale buitendiameter van 8,55 meter. Het graafdeel Het graafdeelloopt van de snijmessen tot aan de drukwand. De gekozen metaaldikte van 80 mm is een compromis tussen materiaalsterkte, nog eenvoudig lasbare verbindingen en bouwtolerantie. De ervaring heeft geleerd dat deze staaldikte voldoende is. De vereiste montage van de langsnaden bestaat uit een doorlopende las. Duik- en drukwand zorgen in dwarsrichting voor een praktisch onvervormbare verstijving. Het middendeel Het middendeel sluit achter het graafdeel aan en reikt tot aan het einde van het ringspant. In het middendeel bevinden zich de aandrijfvijzels rondom de wanden. Het ringspant wordt verstijfd met" een draagkruis" waarbinnen een centraal venster is waardoor de aandrijfas van het snijrad loopt. Het draagkruis neemt van voren de aandrukkrachten vanuit het snijrad op en van achteren de aansluitkrachten van de erectorconsole met de daaraan hangende trailers. Het staartdeel Het staartdeel bedekt aan het schildeinde de werkruimte van de erector en de laatst gebouwde ring. Aan het einde van het staartdeel bevindt zich het staartdichtingsprofiel en het noodafdichtingsprofiel. In het staal van de buis van het staartdeel zijn tbv de staartdichting op gelijke afstanden 4 groutdrukleidingen opgenomen. Druk- en duikwand De dwarsschotten verstijven de schildmantel tegen van buitenaf werkende radiale belastingen. De gladde voorzijde van de duikwand sluit de graafkamer af. Meerdere naar achteren sluitende luiken geven toegangsmogelijkheid tot het snijrad. Aan de voet van de tunnel is er een opening in de duikwand die de graafkamer met de drukkamer verbind. De drukwand sluit de atmosferische binnenruimte van de drukkamer af. In de drukwand zijn doorgangen aanwezig namelijk: in de tunnelkruin: openingen tbv een sluis en toevoerleidingen; in de as en voet van de tunnel: openingen tbv spoel- en afvoerleidingen Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

biz.31

3.2.2.3


Het 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 (bolscharnier). Hierdoor 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 harde obstakel stuit, blijft de functie van de vijzels behouden. De hydraulische aandrijfmotoren kunnen met verschillende draaisnelheden in beide richtingen draaien. De 3-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. Het lager kan in noodgevallen zonder veel problemen worden vervangen. Hetzelfde geldt voor de hoofdlagerdichtingsprofielen. Deze zijn van voren toegankelijk en kunnen eventueel worden verwijderd. Het 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 bijvoorbeeld spuitlanzen op het snijrad. Het snijrad vervuIt de volgende functies: ontgraving: Voor de ontgravingsfunctie zijn 2 verschillende soorten graafwerktuigen op de voorkant van het spaakwiel gemonteerd namelijk: : voor de ontgraving in zand; * snijtanden (Stichel) snijmessen : voor de ontgraving in klei. * De graafwerktuigen kunnen bij slijtage van achter het snijrad vervangen worden. instabiliteit graaffront: De open driehoeksvlakken tussen de spaken van het bovenste deel van het snijrad kunnen bij betreding van de graafkamer worden bedekt met 2 steunplaten. Het werken in de graafkamer kan daardoor in veiliger omstandigheden plaatsvinden. Tijdens het boorproces zijn de platen ingetrokken en vergrendeld op de buitenzijde van de duikwand. grondafvoer: Bij 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.

3.2.2.4

Aandrijvingshydrauliek

Tijdens het boorproces en de ringbouw drukt het schild met 28 drukvijzels op de tunnelring. De drukvijzels zijn met drukschoenen tot 14 drukeenheden samengevoegd. Voor de regeling van de stuurrichting zijn de aandrukvijzels in 7 onafhankelijke drukgroepen verdeeld. De resulterende drukverschillen tussen de naast elkaar liggende drukgroepen moet door de lining worden opgenomen. De toepassing van meerdere parallel geschakelde hydraulische pompen staat kleine trapsgewijze aanpassing van de voortgangssnelheid toe. Tijdens de ringbouw begrenst een overdrukventiel de oliedruk van de vijzels om te verhinderen dat het schild vooruit schuift. Gelijktijdig wordt het terugschuiven van de TBM onder de werking van de steundruk ook bij ingetrokken vijzels verhinderd. Een samenschakeling van alle 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.


3 februari 1995

blz.32

Om verdraaiing van het schild te voorkomen kunnen de drukvijzels op een lagerpunt tangentiaal worden versteld. leder vijzelpaar zit aan het voorste druklager in een hydraulisch tangentiaal verschuifbare slee. Het achterste lager heeft elastische gummiedelen, die bij uitschuivende vijzels tijdelijk meegeven en daarmee de buigbelasting van de vijzelstang wezenlijk verkleinen.

3.2.2.5

Erector

De erector is bevestigd als ringerector om zijn draagconsole, die aan het verstijvingskruis van het schild is bevestigd. Door het vrije midden lopen aIle verbindingsleidingen van het schild naar de trailers. De driedelige vacuiim-tilkop voor de segmenten (voor A, B en C-segmenten en de sluitsteen) is bevestigd op een hetbrug. Door langsverschuiving over de draagconstructie, de rotatie, de slag van de brugvijzels en 2 verstelbare vijzels aan de vacuiim-tilkop kan het element nauwkeurig worden geplaatst. Twee centreerconussen op de vacuiim-tilkop vergemakkelijken de overname van de transporttafel en voorkomen het vaIlen van het segment bij een defect aan de vacuiimsysteem. AIle bewegingen van de erector worden traploos hydraulisch met ventielen geregeld.

3.2.2.6

Stuurcabine

AIle bedieningselementen van het schild zijn in de stuurcabine ondergebracht. De stuurcabine is ondergebracht op een plateau aan de zijkant in de TBM. Het stuurpaneel heeft verschillende modulen waarop de volgende funcHes staan afgebeeld: boorproces : positie, beweging en druk van de vijzels; ontgraven : positie, snelheid en vermogenafname van het snijrad; graaffront ondersteuning : steundruk, suspensie-spiegelniveau. mengse1circulatie in de verschillende leidingen. pompcontrole; positionering schilden ringpositie. Door het basisprincipe van een Hydro-schild is er weinig bijstelling van het ontgravings- en hydraulisch systeem tijdens het boorproces nodig omdat: de steundruk wordt automatisch op de gekozen waarde gehouden; na instelling van de toe- en afvoerleidingen stelt zich een stabiel bedrijfspunt in waarbij de vloeistofspiegel in de graafkamer slechts enkele decimeters aan verandering onderhevig is; indien er boven- of ondergrenzen van het vloeistofspiegelniveau worden bereikt dan wordt de voortgang automatisch uitgeschakeld en treden de afsluiters in werking; bij stroomuitval valt de boorinstallatie in een veilige bedrijfstoestand met gesloten omloopventielen. Uit de ervaring blijkt dat de besturing van een Hydro-schild nauwelijks moeilijkheden oplevert. Afwijkingen van meer dan 5 cm buiten het boortrace treden zelden op.

Keuze tunne1boormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

1>12:.33

3.2.2.7

Grondafvoer

De aan het graaffront losgemaakte grond wordt aan de voet van de TBM onmiddellijk achter de duikwandopening afgezogen. Voor de afzuigmond is een rooster/traliewerk bevestigd zodat te grote gronddelen niet in de afvoerleiding terecht kunnen komen. Spuitlansen verhinderen het ophopen van ontgraven materiaal voor het tralierooster. Een draaischarnier met een horizontale as vergroot het gebied van de afzuigmond tot circa 2 meter breedte. De suspensie wordt afgevoerd vanuit de graafkamer naar de afvoerpomp op de trailer en vervolgens via buizen, met eventueel tussenpompen, naar de scheidingsinstallatie. Na scheiding van de 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 door afsluiters worden afgesloten.


3 februari 1995

blz.34


3 februari 1995

blz.35

~~~~~

I

I

,

~

I

'"

.~.

It)

,

l

'\

'

.

I..

---',,--

. ...., ,

. "

. "-""""""",,...

::::::::

-

-- ::J

'" ""-'::', ........

CD=I)\O~

~~

~::

E..!

nn

~

!/

!'(!).!

,/

...1.

n

d~

~

,/

l U)=~~ @=~~ @;:::~ @)

= ~O

Figuur 3.2

Staartafdichtingsprofielen


3 februari 1995

EIz.36

3.2.2.8

Staartdichting

Staartvulling am de spleet tussen de buitenkant van de mantel en de buitenkant van de lining (oversnijding) met grout te vullen zijn groutdrukleidingen langs de schildmantelomtrek opgenomen. Er zijn 4 groutdrukleidingen voorzien. Deze treden in een boog in het mantelstaal en lopen door tot de buitenzijde van staartdichting. ledere aangesloten leiding wordt door een eigen pomp aangedreven. Op deze manier kan op verschillende hoogten over de schilddiameter de groutdruk worden aangepast. De capaciteit van de groutpompen wordt zo ontworpen dat zelfs bij uitval van enkele groutleidingen de voortgang zonder problemen en met voldoende groutdruk doorgang kan vinden. Het schoonmaken van de groutpijpjes is mogelijk. Hiervoor zijn schoonmaakprocedures ontwikkeld. Staartafdichting Voor de staartdichting staan 2 bewezen afdichtingen ter beschikking namelijk: een staalborsteldichting met vetinjectie; een rubberprofielafdichting met nooddichting. In de figuren 3.2 is het principe van de beide staartafdichtingen weergegeven. De staalborsteldichting vereist bij een buitendruk tot 6 bar minstens 3 rijen borstels. De tussenruimten van de borstels worden met vet geinjecteerd tijdens de TBM-voortgang. De voegen worden op deze wijze afgesloten en het aanhechten van de grout aan de afdichtingsvezels van de staalborstels wordt verhinderd. Er is een voorkeur voor de rubberprofielafdichting onder andere vanwege het hoge vetgebruik. De rubberprofielafdichting wordt in secties ingebouwd, door trekbouten voorgespannen en wordt op het uiterste einde van de schildmantel opgespannen. Het rubberprofiel wordt naast de voorspanning ook door de morteldruk tegen de lining g~drukt. Het werkingsbereik van de dichting bedraagt circa 40 mm. Aan de schildbinnenkant is in geval van calamiteit een nooddichting aanwezig die de spleet tussen het schild en de lining kan afsluiten.

3.2.2.9

Trailers

De aan het schild geschakelde installaties zijn op 3 trailers ondergebracht. De trailers hebben brede kunststofbanden. Op de trailers zijn (van voren naar achteren) ondergebracht: Trailer 1 (circa 10 meter lang); * tijdelijk 2 beweegbare werkplateaus voor de segmentmontage; * de groutdrukpompen; * de segmentoverdrachtsband; * de centrale hydrauliekverzorging met pompen en tank; * de afvoerpomp en afvoerpijp van het hydraulisch transport. Trailer 2 (circa 10 meter lang) * de segmentkraan; * een reservoir voor speciale steundruksuspensie; * apparatuur tbv van de elelctrische energievoorziening zoals kabelhaspels, verdeelkast; Het verzorgingsspoor loopt via een sleepspoor op trailer 1 naar trailer 2 over. Trailer 3 (circa 10 meter lang) * materieel tbv verlenging van de volgleidingen gangen, buizen- en railsmagazijn; * een kleine werkplaats.


zoals telescoopbuizen,

3 februan 1995

trafo,

slangover-

Elz37

Trailer 3 staat stil tijdens de TBM-voortgang. Deze wordt slechts bij het intrekken van de telescopische buis weer naar de TBM getrokken.

3.2.3

Maatregelen tbv veiligheid en risico-preventie

Voor het TBM-ontwerp zijn maatregelen t.b.v. veiligheid en risico-preventie onderzocht. In de volgende lijst zijn de resultaten van deze analyse weergegeven. Liist met maatregelen tbv veiligheid en risico-preventie voortstuwingskrachten te groot: smeren van schild, ventielen inbouwen, copy-cutters; extreme winter: scheidingsinstallatie overkappen; verstoppingen onder in boorkamer: jets toepassen; bentonietspiegel tijdens weekends of verlof: hydrostatische druk vanaf scheidingsinstallatie handhaven; hoogspanningskabel: hoog ophangen; wegvallen stroomvoorziening: noodstroomaggregaat voor kritische functies (stabiliteit graaffront); electrosysteem explosievrij maken: gasdetectie; drukluchtvoorziening: dubbele leiding; spiegelniveau: altijd binnen bepaalde grenzen automatisch gegarandeerd; hoofdlager: reserve lager moet beschikbaar zijn, hetzij 2e-hands, dan wel nieuw met terugkoop optie; obstakel: volledige spiegeldaling, vanuit TBM het hoge drukinjectie lichaam aanbrengen (umbrella + druklucht), ventielen inbouwen; rotatie van schild: drukcylinders paarsgewijs op hydraulisch verschuifbare slee geeft reactiecomponent, clockwise en counter clockwise draaien van snijrad; slijtage: moeilijk voorspelbaar, KAS onderzoek, reserve set snijtanden beschikbaar houden; steunplaten bij toetreden boorkamer: 2 stuks aan bovenzijde inbouwen of gehele graaffront afdekken; blowout gevaar: reduceren door speciale bentoniet samenstelling; falen plaatsbepalingssysteem: controle door opdrachtgever!; bestuurbaarheid schild (duiken en vetergang): naast standaard procedures corrigeren met drukcylinders plus (optioneel) tweeledig (gelede) schild; wegvallen hydraulische druk hoofdcylinders: verdeling over 7 gescheiden groepen; staartafdichting: 1 reserve set meenemen; zuur grondwater: speciale bentoniet, Ph-waarden meten; doorboren van verschillende grondlagen met wateroverspanningen.

3.2.4

Ondersteunende TBM-voorzieningen

De TBM wordt vanuit de startschacht voorzien van energie en alle benodigde bouwen bedrijfmaterialen. In deze paragraaf wordt een overzicht gegeven van de benodigde ondersteunende voorzieningen ten behoeve van het boorproces. Voorzieningen in de tunnelbuis tbv het boorproces De voorzieningen in de tunnelbuis zijn: HSP-kabel voor de energie-voorziening; een lichtkabel met tunnelverlichting; een telefoon- en datacommunicatiekabel; een waterleiding; een toe- en afvoerleiding van het hydraulisch systeem; eventueel een waterafvoerleiding. Deze leidingen worden vanuit veiligheidsoogpunt opgehangen aan de zijwand van tunnel. Keuze tunnelboormachine 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blz.38

Op de voet van tunnel ligt een spoorrails waarover de grout, segmenten, verbindingsmaterialen en persQneel 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 dat per gebouwde ring slechts 2 treinbewegingen nodig zijn. De standaardtrein is opgebouwd uit een groutwagon, een segmentenwagon, een materiaalwagon en een locomotief.

Voorzieningen in de schacht en op het maaiveld tbv 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 zander tussentransport in de silo's kunnen worden gestort en van daaruit de mixer voedt. De mixer voorziet de wagon van het tunneltransport; batterij-oplaadstation: 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 treinwagons; tussenvoorraad van segmenten: als buffer en aanbrengen van uitrusting op segmenten. Deze voorraad moet minstens 2 tot 3 segmentdagproducties bevatten; 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 tbv onderhoud, kleine reparaties en herstel van graafwerktuigen; compressiestation: voor de druklucht in het schild en de druklucht van segmentmontagewerktuigen; ziekensluis: zoals deze door de opdrachtgever wordt voorschreven indien geen goed uitgerust ziekenhuis in de oruniddellijke omgeving aanwezig is; noodstroomverzorging: bij uitval van het stroomnet schakelt deze automatisch aan en voorziet de bouwplaats van de minimaal benodigde stroom.

Met behulp van de gegevens uit de voorgaande paragrafen is het programma van eisen (technische specificaties) opgesteld voor de TBM van de 2e-Heinenoordtunnel.

Keuze. funnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.39

~ ~ Q. E 0 jt.

~u .:

~ t::>

C>

v

C>

v

.¥ 0

.JJ -0 0

~ 0 0 >

~

~ CI c: II

0

rn ~

.E t>

u 'c 0

' .:

I

' : '

C

en

c .+:

t.J .JJ

.c

u .C .E .. C1)

! Bel)

CI)

Figuur

3.3

Principe


Keuze tunnelboonnachine 2e-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blz.40

3.3


3.3.1

Algemeen

Het functioneren van de scheidingsinstallatie is direct aan de TBM-voortgang gekoppeld. Ondanks deze directe relatie met de TBM is de scheidingsinstallatie niet vanzelfsprekend een onderdeel van de TBM-aanbieding van een leverancier. Bij de aanvraag zijn door de TBMwerkgroep geen technische specificaties mbt de scheidingsinstallatie meegestuurd en is er door de TBM-Ieveranciers geen scheidingsinstallatie in de aanbiedingen opgenomen. Desondanks wordt in deze rapportage een beschrijving gegeven van de voor het boorproces van een Hydro-schild noodzakelijke scheidingsinstallatie.

3.3.2

Eisen en keuze van bet scheidingsmaterieel

De steunvloeistof dient om het graaffront te ondersteunen en de afgegraven gronddeeltjes met het hydraulisch systeem af te voeren. De taak van de scheidingsinstallatie is om de gronddeeltjes te scheiden van de steunvloeistof. Een complete scheiding wordt niet nagestrereefd echter een grote gronddichtheid is voor de stortlokatie gewenst. Voor kleine korrelgroottes is de scheiding lastig. Aan de steunvloeistof worden namelijk additieven toegevoegd om de vloeistof de gewenste eigenschappen te geven. De korrelgrootte van de toevoegingen en de afgegraven grond liggen soms dicht bij elkaar. De scheidingsinstallatie is niet in staat om de gewenste en ongewenste kleinere korreldeeltjes te onderscheiden zodat er een compromis mbt de scheidingsintensiteit moet worden gemaakt. Afhankelijk van de benodigde ruimte, de opstelvoorwaarden en de ontwateringsmogelijkheden is er een duidelijk onderscheid van de scheidingsapparatuur bij een scheiding van korrels met een grootte van 25J.L. Scheiding van grotere korrelfracties geschiedt met een hydrocycloon met een aangekoppelde ontwaterinstallatie. Ter bescherming van de cycloon worden de grootste gronddelen eerst door een zeef gescheiden van de suspensie. De scheiding van de fijnere korrelfracties vereisen een grotere inspanning. Een vlokkingsbekken met aangekoppelde gronddroging in centrifuges of filterpersen brengen hoge investerings- en bedrijfskosten met zich mee. Alternatieven zoals storten of mengen van de restvloeistof kunnen lokaal economisch aantrekkelijke oplossingen zijn. Omdat de afmetingen van de tunnel het niet toelaten de cyclonen op de trailers te bouwen moet de complete scheidingsinstallatie op de oever worden geplaatst.

3.3.3

Techniscbe beschrijving van de scheidingsinstallatie

De scheidingstrappen van de scheidingsinstallatie worden in deze paragraaf achtereenvolgens beschreven. Eerste scheidingstrao De vervuilde steunvloeistof doorloopt vanuit de afvoerpijp: de stenenkist : deze dient om de bewegingsenergie van de vloeistofstroom te verkleinen en voor een gelijkmatige verdeling op het zeefvlak; deze dient om de nakomende installaties te beschermen tegen grate de voorzeef korreldelen. Het bestaat uit een trillende metalen- of kunstofzeef met een maaswijdte van 4 a 5 mm. De afgezeefde gronddelen worden afgevoerd. Tweede scheidingstrao (middelste cycloonscheidingstrap) Het afvoermengsel stroomt van de voorzeef in een opvangreservoir onder de ontwaterinstallatie, van waaruit het mengsel naar de eerste cyeloon wordt gepompt. De eerste cycloon scheidt de korrelgroottes van lOOILen groter (de zandfracties). Op een ontwaterinstallatie Keuze tunnelboormachme 2e-Heinenoordtunnel

3 februan 1995

blz.41

wordt het watergehalte van het mengsel tot circa 18 a 20% teruggebracht. Het gescheiden zand wordt met een transportband afgevoerd. Het overloopmengsel van de cycloon en de zeefdoorslag stromen terug naar een opvangreservoir van de ontwaterinstallatie. Bij variabele steunvloeistoftoevoer of plotselinge onderbreking van de toevoer kan de pomp de cycloon enige tijd blijven voeden vanuit het opvangreservoir. Derde scheidingstrap (fijne cycloonscheidingstrap) Een tweede cyc100n sluit op de eerste aan. Ook hier zorgt een circulatie voor het onderhouden van de bedrijfstoestand bij storingen in de steunvloeistoftoevoer. De tweede cyc100n heeft dankzij zijn kleine diameter een aanzienlijk hogere omwentelingsversnelling dan de eerste cyc1oon. Ter orientatie: gangbare diameters van de eerste cycloon en tweede cyc100n zijn 500 en 120 mm. In geval van gunstige en gelijkmatige bedrijfswerkzaamheden kan een scheiding worden verkregen tot circa 30J-L.Met behulp van een ontwaterinstallatie kan een groot deel vaste stof worden ingedikt, opgevangen en afgevoerd. Al naar gelang van de beschikbare apparatuurafmetingen kan de installatie met meerdere parallel werkende installatiemodulen worden uitgevoerd. am overvloedige suspensietoevoer naar de installatie te voorkomen schakelt een elektrisch bewakingsysteem bij funtiestoornissen de scheidingsinstallatie en de toevoer van de suspensie uit. Vierde scheidingstrap (fijnste scheidingstrap)

De scheiding van de gronddeeltjes met een korrelgrootte kleiner dan 30J-L kan op twee manieren gebeuren namelijk: uitvlokken van de suspensie en ontwatering van de uitgevlokte gronddeeltjes door filterpersen; directe scheiding van de zwevende delen door centrifuges. Beide methoden zijn in de praktijk toegepast. De ontwatering mbv filterpersen wordt niet aangeraden vanwege: verontreiniging van de bentoniet door de uitvlokkingsmiddelen; verlies van bentoniet in de reststof; hoger watergehalte van de reststof dan bij centrifugeren. De centrifuges worden door een dichtheidsgeregelde doseerpomp vanuit de tussenopslag gevoed. Onder normale omstandigheden is per installatie bij een toevoer van 50 m3 per uur een produktie van 10 ton vaste stof en een scheiding tot een korrelgrootte 10 J-Lte verwachten. Het bentoniet wordt met het residu weer teruggewonnen.

3.3.4

UitgangspWlten ontwerp van de scheidingsinstallatie

De resultaten van de berekeningen en tot de volgende ontwerpuitgangspunten steunvloeistof : maximale suspensietoevoer : continue suspensietoevoer : maximale dichtheid : continue dichtheid : maximale korrelgrootte :

de ontwerpfilosofie van de scheidingsinstallatie leidt van de scheidingsinstallatie: bentoniet 1000 m3/uur 900 m3/uur 1,35 tonfm3 1,25 m3/uur 150 mm

Keuze tUnnelboormachine 2e-HeinenoordtUnnel

3 februari 1995

51z.42

4

Selectieprocedure

TBM -leveranciers 2e-Heinenoordtunnel

4.1

Aanbiedingen TBM-leveranciers

Na selectie van 7 TBM-Ieveranciers is de TBM-aanvraag voor de 2e-Heinenoordtunnel verstuurd naar deze 7 TBM-Ieveranciers. Door de 7 leveranciers zijn 5 aanbiedingen ingediend omdat 2 TBM-Ieveranciers gezamenlijk een aanbieding indienden. Ondanks dat er door de TBM-werkgroep om een Hydro-schild was gevraagd hadden 2 leveranciers een EPB-schild aangeboden. De redenen hiervoor waren: een EPB zou goedkoper zijn: er is onder andere geen scheidingsinstaIlatie nodig; men heeft veel ervaring met EPB-schilden met een diameter van 8,3 meter. In Japan past men voor de Tokyo Bay-tunnel een Slurry-schild van 13,9 meter toe omdat de referenties van EPB-schilden slechts reiken tot een diameter van 10.8 meter. Voor grotere diameters is veel power nodig bij een EPB-schild. Voor de Slurry-schilden is de ervaring met grote diameters in de range van 10-14 meter talrijker. Ontwikkelingen gaan stap voor stap dus voor het toepassen van EPB-schilden met grote diameter is men nog terughoudend. Voor kleinere diameters, rond de 8 meter, is er wel voldoende ervaring met EPB's. De toepassing van een EPB voor de 2e-Heinenoordtunnel ( D=8.3 m) komt dus goed overeen met de ervaring die men heeft.

4.2

Technische beoordeling TBM-aanbiedingen

Een technische beschrijving van de hoofdonderdelen van de TBM-machines is in hoofdstuk 3 gegeven. De aanbiedingen zijn eerst gecontroleerd op volledigheid. Aan de hand van een technische TBM-checklist is de volledigheid van de verschillende aanbiedingen gecontroleerd en zijn de verschillende aanbiedingen met elkaar vergeleken. De ervaring heeft geleerd dat naast de controle of de aanbiedingen voldoen aan het gestelde programma van eisen ook moet worden gelet op de volgende technische aspecten: waarborging stabiliteit graaffront en mogelijkheid tot betreden van graafkamer; voorzieningen mbt waterdichtheid TBM; hoofdlager (constructie, levensduur, vervangingsmogelijkheid e.d.); staartafdichting; groutsysteem om oversnijdingsruimte op te vuIlen; constructie van snijrad (o.a. aantal bewegingsvrijheden); geinstaIleerd vermogen; voorzieningen mbt voorkoming van tordering van de TBM; veiligheidsvoorzieningen van de TBM bij: * bij stroomuitval (benodigde handelingen); * brand; * explosie; * lekkage; ARBO-wetgeving, Stoomwezen, Caissonwet; reserve-onderdelen; ringbouwplanningssysteem; plaatsbepalingssysteemlbesturingssysteem; mogelijke vervanging van essentiele onderdelen (hoofdlager, staartdichting, snijtanden etc.); meetapparatuur en data-verwerking/opslag (in bijlage 2 is een lijst opgenomen met metingen die standaard tbv van het boorproces worden uitgevoerd); tekensystemen en software (aan de laatste ontwikkelingen aangepast?); zwaartepunt van TBM; vetconsumptie van TBM-onderdelen; Keuze tunnelboormachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

biZA3

wiellast van trailer op lining; aarding van de TBM; fabrikanten en merken van de verschillende TBM-onderdelen;

Financiele beoordeling

4.3

TBM -aanbiedingen

De financiele vergelijking van de aanbiedingen van de verschillende TBM-Ieveranciers gebeurt aan de hand van tabel 4.1 Kostenitems Hydroschild

Kostenitems EPB-schild

1a ontwerp TBM b assisteren, goedkeuren opdrachtgever c tekeningen/handboekenl speci ficaties

la ontwerp TBM b assisteren, goedkeuren opdrachtgever c tekeningenlhandboeken/ sped ficati es




op


op



Sa assistentie eerste 200 meter boren (vastleggen aantal mensen van leverancier) b groutinstallatie c remote control d HV-kabel e reserveonderdelen

Sa assistentie eerste 200 meter boren (vastleggen aantal mensen van leverancier) b remote control c HV-kabel d reserveonderdelen





7 graaffontstabiliteit a bentoniet produktie materieel b bentonietverbruik

7 a b c

8

-

9 ontgravingsmaterieel a toe en afvoerleidingen b boosterpompen met en zonder transformer c scheidingsinstallatie

graaffontstabiliteit foam produktie materieel foamverbruik extra stroomverbruik

8a extra wapening b grondbehandeling tbv afvoer 9 a b c d

ontgravingsmaterieel grondwagons locomotieven rails wissels

10 terugkoopaanbod 10 terugkoopaanbod Tabel 4.1 Kostenvergelijking aanbiedingen TBM-leveranclers.

Keuze tunnelboormachine 2e-HeinenoordtUnnel

3 februari 1995

blz.44

is

Aan de TBM-Ieveranciers zijn vragen gesteld om een volledig financieel beeld te krijgen van de TBM. Het is van belang gebleken bij de leveranciers veel aandacht te besteden aan de check van de volledigheid van de aanbieding (turn-key/klaar voor gebruik zijn). Naast de aspecten uit tabel 4.1 is op kostprijsgebied gelet of de volgende onderdelen in de aanbiedingen waren opgenomen en wat de kosten waren van: reserveonderdelen; slijtdelen zoals een set drill bits; tunnel quidance-system; groutsysteem; bentonietverbruik, foamtoepassing; ontgravingsmaterieel (locomotief, wagons, rails etc.); stroomtransformers e.d.; hydraulisch systeem; pompinstallaties, afsluiters pijpen, spillage tank etc.; scheid ingsinstallatie; tunnelventilatie; voorzieningen tbv industrieel water; kosten om aIle elektrische componenten explosie-proof te maken; toezegging van leverancier dat de in budgetprijs ook de kosten voor levering, installatie, proefdraaien en x meter begeleiding plus inwerken boorploeg op de bouwplaats zijn opgenomen; Opmerking: Bedacht moet worden dat de leverancier meestal alleen de TBM van graafwiel t/m achterkant van het trailersysteem van de TBM aanbiedt. Dit houdt in dat kabels, ventilatie, hydraulisch systeem, rails en bielzen en af- en toevoersystemen van achterkant TBM t/m maaiveld niet in de prijs zijn inbegrepen. Dit geldt meestal ook voor de scheidingsinstallatie, back-up generator, compressors, electriciteits- en bentonietverbruik.

4.4

Definitieve keuze TBM

In een drietal gespreksronden zijn de TBM-Ieveranciers apart ondervraagd. De 2 EPB-aanbiedingen vielen al na de eerste gespreksronde af vanwege onvoldoende vertrouwen van de TBM-werkgroep in de toepasbaarheid van een EPB-schild onder de omstandigheden die er heersen bij de 2e-Heinenoordtunnel (hoge waterdruk van 3,4 bar en 70 a 80 % zandgrond). In de tweede gespreksronde zijn de overgebleven TBM-Ieveranciers verder ondervraagd. Ten slotte is er nog een derde gespreksronde geweest waarbij aan de twee meestbelovende TBM-aanbieders vragen zijn gesteld. Uiteindelijk is voor een Slurry-schildleverancier

Keuze tunnelboonnachme 2e-Heinenoordtunnel

gekozen.

3 februari 1995

Wz.45

1


3 februari 1995

blz.46

Bijlagen

Keuze tunnelboormachine Ze-Hemenoordtunnel

3 februari 1995

blz.47


3 februari 1995

blz.48

Bijlage 1

Overzicht materieelverschillen

tussen EPB- en Hydo-schild Hydro-schild

EPB-schild II

I

I

TBM - schild - aandruk cylinders - graafwiel - frontondersteuning (foam en gronddrukbalance - staartdichting (staalborstels en vet)

TBM - schild - aandruk cylinders - graafwiel - frontondersteuning (bentoniet en luchtdrukbuffer) - staartdichting (neopreen)

segmenthandling

segmenthandling

segmenterector

segmenterector

groutinjectie

groutinjectie

foaminstallatie - foamconsumptie

bentonietcentrale

afvoer grond - rotadumpers - locomotieven

afvoer grond - baggerpomp

-

depot

-

-

bentonietconsumptie

boosterstation

leidingen grondsche idingsinstallatie





diverse transportmaterieel - segmenttrein

diverse transportmaterieel - segmenttrein

-

platte trein

-

grouttrein personeelstrein platte trein

locomotief

-

locomotief

grouttrein personeelstrein

diverse services in tunnel - HSP-kabell0 kV - luchtdruk dubbel

diverse services in tunnel - HSP-kabel 10 kV - luchtdruk dubbel

-

-

rails/wissels

-

aanvoerleidingbentoniet350 mm afvoerleiding grondmengsel 350 mm rails/wissels



segmentopslag aanbrengen neopreen afdichtingsprofielen

segmentopslag - aanbrengen neopreen afdichtingsprofielen - aanbrengen bitumenstroken

-

-

aanbrengen bitumenstroken

inzepen segmenten


-

inzepen segmenten

3 februari 1995

biZA9


3 februari 1995

blz.50

Bijlage 2

Standaard metingen tbv het boorproces

Voor geboorde tunnels worden ten behoeve van de kwaliteitsborging van het boorproces en de ringbouw de volgende metingen uitgevoerd en gerapporteerd.

Metingen ten behoeve van het boorproces steundruk aan het graaffront; bentonietspiegelni veau; draaimoment en draaisnelheid van het snijrad; draaitijd en draairichting van het snijrad; snijradpositie; drukkracht van de drukvijzels; schildregeling (horizontale en vertikale helling van de schildas); schildverdraaiing tgv torsie; grondwaterdruk aan het graaffront; aan- en afvoermengsel van de suspensie; kwaliteitscontrole van de suspensie; luchtverbruik tijdens graaffrontondersteuning onder druklucht; stroomverbruik van de aggregaten.

Metingen ten behoeve van het bouwen van de tunnel ring geometrische positie van de ring ter plaatse van staartopening (spleet tussen buitenkant schildmantel en segment); geometrische positie van de ring ten opzicht van de schildas; groutdruk en groutmengsel van het grout dat de staartopening opvult tussen schildmantel en segment.

Keuze tunnelboonnachine 2e-Heinenoordtunnel

3 februari 1995

blz.51

RDC Keuze tunnelboormachine Tweede Heinenoordtunnel

Recommend Documents