CONDITIONERING VAN ZAND- GROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN HET GRONDDRUKBALANSSCHILD S. van der Woude 03

Transcriptie

1 CONDITIONERING VAN ZAND- GROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN HET GRONDDRUKBALANSSCHILD S. van der Woude 03

2 CONDITIONERING VAN ZANDGROND VOOR UITBREIDING VAN DE INZETBAARHEID VAN BET GRONDDRUKBALANSSCBILD s.van der W oude, Augustus 1996, student Ingenieurs Geologie, Technische Universiteit Delft, interfacultaire werkgroep; "Gebruik van de Ondergrondse Ruimte",

3 SAMENVATTING De verkeers- en vervoersinfrastructuur in Nederland zal de komende jaren worden uitgebreid. Door gebrek aan ruimte wordt de uitbreiding van infrastructuur bemoeilijkt. Ondergrondse constructie met behulp van schildsystemen is een technisch haalbaar altematief, voor aanleg vanafhet maaiveld. In het westelijk gedeelte van Nederland wordt de ondergrond gekenmerkt door een afwisselling van cohesieve en niet-cohesieve lagen met losse pakking en hoge grondwaterstand. In deze omstandigheden komen het vloeistofschild en het gronddrukbalansschild in aanmerking voor tunnelbouw. Grofweg is het gronddrukbalansschild inzetbaar in cohesieve grond en het vloeistofschild in niet-cohesieve grond. Een schild dat toepasbaar is in zowel cohesieve als niet-cohesieve grondsoorten is ideaal voor tunnelbouw in dit gedeelte van Nederland. Hiervoor moet de inzetbaarheid van de schildsystemen worden uitgebreid. Het gronddrukbalansschild wordt algemeen beschouwd als een eenvoudiger en goedkoper systeem. De grond in het gronddrukbalansschild moet functioneren als ondersteuningsmediurn en moet derhalve steundruk kunnen overdragen, slecht doorlatend, goed vervormbaar en gemakkelijk transporteerbaar zijn. Door toevoegingen kunnen de eigenschappen van grond veranderd worden (grondconditionering) zodat de oorspronkelijke grond voldoet aan de eisen voor een ondersteuningsmedium. Hiermee wordt de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild vergroot. Zandgrond voldoet niet als ondersteuningsmediurn en moet worden geconditioneerd zodanig dat de permeabiliteit verlaagd wordt, de vervormbaarheid verbeterd en de samendrukbaarheid en elasticiteit worden verhoogd. Toevoeging van bentoniet-suspensies met hoog volurnegewicht, schuim en polymeergel worden in de praktijk gebruikt om de eigenschappen van zand te veranderen. Uit experimenten en literatuuronderzoek is gebleken hoe deze conditioneermiddelen werken en wat de zwakke punten van de verschillende injectiesystemen zijn. Hierbij is in het bijzonder gekeken naar de conditionering van middelgrof korrelig zand, dat veel voorkomt in Pleistocene afzettingen, en dat in het verleden veel problemen heeft veroorzaakt bij tunnelconstructie met gronddrukbalansschilden. Hoge dichtheid suspensies (HDS) werken op basis van waterbinding. Vanwege de hoge zwichtspanning van dit conditioneermiddel, is het niet in staat de formatie te penetreren en daarbij het grondwater te verdringen. Al het aanwezige grondwater wordt in de grondbrij opgenomen en moet door de HDS worden gebonden zodat geen vloeibare maar een plastisch vervormende grondbrij ontstaat. HDS geconditioneerde grondbrij is daarmee gevoelig voor fluctuaties in het watergehalte van de oorspronkelijke grond. Schuim penetreert de formatie en verdringt daarbij het grondwater. De grondbrij die ontstaat is slecht doorlatend, goed vervormbaar en droog. De schuimbellen in de grondbrij zijn samendrukbaar, waardoor fluctuatie in de aangebrachte steundruk uitgedempt worden. Schuimconditionering is gevoelig voor variaties in de poriengrootte en permeabiliteit van de oorspronkelijke grond. i

4 Bij conditionering met polymeergel moet een optimum worden gevonden tussen lage zwichtspanning, diepe penetratie en hoge viscositeit voor de vorming van een plastisch vervormende en laag permeabele grondbrij. Dit vereist een nauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie van de polymeren. Bij conditionering van zandgrond is het belangrijk dat de oorspronkelijke grondparameters bekend zijn en dat de eigenschappen van de grondbrij voortdurend worden gecontroleerd. Voor zandgrond moeten de wrijvingshoek, cohesie, korrelgrootte verdeling, volumegewicht, porositeit, poriengrootte en permeabiliteit nauwkeurig worden bepaald. De werking van de conditioneermiddelen is gevoelig voor variaties in deze grondparameters. Het is van belang om fluctuaties van de waarden van de verschillende grondparameters op voorhand te kennen, zodat het injectiesysteem tijdig kan worden aangepast. Hierbij kunnen instrumenten die vanuit de tunnelboormachine metingen verrichten uitkomst bieden. Op basis van het verrichte onderzoek lijkt het gronddrukbalansschild met schuimconditionering goed toepasbaar in de Nederlandse ondergrond. Experimenten waarbij de omstandigheden tijdens ontgraving en in de tunnelboormachine beter worden benaderd dan bij de experimenten die in het kader van dit onderzoek zijn uitgevoerd, moeten aantonen of dit ook daadwerkelijk het geval is. Verder onderzoek naar de optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium en het functioneren van de conditioneermiddelen moet worden uitgevoerd zodat het gronddrukbalansschild nauwkeuriger kan worden bestuurd en probleemloos kan worden toegepast in zandgrond. ii

5 VOORWOORD Dit onderzoek is uitgevoerd ter afsluiting van de studie Mijnbouwlrunde en Petroleum winning in de richting Ingenieursgeologie, aan de Technische Universiteit Delft. Het onderzoek is uitgevoerd bij de sectie Geotechniek aan de faculteit Civiele Techniek van de Technische Universiteit Delft, in het kader van de interfacultaire werkgroep; "Gebruik van de Ondergrondse Ruimte" (GOR) van de de faculteit Civiele Techniek. Het GOR wordt gecoordineerd door de leerstoel Ondergronds Bouwen van de faculteit Civiele Techniek, de leerstoel is ingesteld parallel aan de oprichting van het Centrum Ondergronds Bouwen (COB). Het onderzoek heeft plaats gevonden vanjanuari tot augustus 1996 en is afgesloten met een presentatie op 27 augustus De directe begeleiding van het onderzoek is geleverd door de leden van de afstudeercommissie. Deze bestaat uit: Prof Jr. D.D. Genske (MP, ingenieursgeologie) Prof Jr. E. Horvat (CT, ondergronds bouwen) Prof II. A.F. van Tol (CT, geotechniek) Jr.B. Polen! Ir.W. Broere (CT, geotechniek) Jr. la. Ringers (Visser & Smit Hanab) Drs.P.N.W. Verhoef(MP, ingenieursgeologie) Graag wi! ik de leden van de afstudeercommissie bedanken voor de bijdrage die zij hebben geleverd aan dit onderzoek. Ik heb veel geleerd van hun kennis en instructies. Verder ben ik dank verschuldigd aan de mensen en bedrijven die mij hebben voorzien van materiaal, apparatuur en kennis welke onmisbaar waren voor de uitvoering van dit onderzoek. Ad Verhagen van het laboratorium van de Koninklijke Militaire Academie in Breda voor het uitlenen van zijn schuimgenerator, Alberto lannaci van Lamberti spa. voor de levering van schuimstoffen, Jaap Groen van Cebo Holland voor het uitlenen van zijn shear-o-meter. Willen Verwaal, van de vakgroep ingenieursgeologie voor het lenen van de vintest apparatuur. Oscar Vos ben ik dankbaar voor het verstrekken van de geotechnische gegevens van de Botlekspoortunnel. Ulrich Maidl van Billfinger und Berger die mij voorzien heeft met nuttige opmerkingen en adviezen ben ik tevens dank verschuldigd. In het bijzonder wi! ik de heren Gert Klaassen, Hans Ringers, Adriaan van Seeters en Frans Verduin van Visser & Smit Hanab bedanken voor hun ondersteuning, ideeen en de prettige samenwerking. Ten slotte wi! ik Gea Datema, Jacco Haasnoot, Edwin van der Holst en Rob Zilver bedanken voor hun geduldige nakijkwerk en zinvolle opmerkingen. Sallo van der Woude Augustus III

6 INHOUDSOPGAVE Samenvatting V 0orwoord Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Algemeen 1.2 Probleemstelling 1.3 Doelstelling 1.4 Plan van aanpak 1.5 Rapportindeling Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines 2.1 Inleiding 2.2 Vloeistofschild 2.3 Gronddrukbalansschild 2.4 V 0or- en nadelen van het EPB- en vloeistofschild Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium in EPB-schild 3. 1 Inleiding 3.2 Permeabiliteit 3.3 Vervormbaarheid of consistentie 3.4 Samendrukbaarheid en elasticiteit 3.5 Abrasiviteit 3.6 Kleverigheid Hoofdstuk 4 Conditioneermiddelen 4. 1 Inleiding 4.2 Conditioneermiddelen Algemeen 4.3 Bentoniet en hoge dichtheid suspensie 4.4 Schuim 4.5 Polymeergel Hoofdstuk 5 Praktijk studie 5. 1 InIeiding 5.2 Constructie van metrolijn nr.5 invalencia, Spanje 5.3 Constructie van metrolijn nr.12, traject 2 in Tokyo, Japan 5.4 Kruising van transportleiding met ringvaart in Zevenhuizen, Zuid-Holland 5.5 Bot1ekspoortunne~ toekomstig proefproject voor grote diameter tunnel constructie. 5.6 Discussie (vergelijking van de vier praktijkprojecten) 5.7 Conc1usies 1 ill IV

7 Hoofdstuk 6 Testprogramma 6.1 Inleicling 6.2 Grondmonsters 6.3 Conditioneermiddelen 6.4 Grondbrij (mengsels van zand, water en conditioneermiddel) 6.5 Conclusies Hoofdstuk 7 Conclusies 115 Hoofdstuk 8 Aanbevelingen 117 Referentielijst 119 v

8 Hoofdstuk 1 Inleiding HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1.1 ALGEMEEN Maatschappelijk relevantie Om de prominente positie van Nederland als hande1s- en transportland te behouden zal m de komende jaren de verkeers- en vervoersinfrastructuur m Nederland worden verbeterd en uitgebreid. Door het kabinet Kok zijn extra middelen beschikbaar gesteld voor uitbreidffig van de infrastructuur. In stedelijk gebied is het in veel gevallen onmogelijk om ruimte te creeren voor nieuwe infrastructuur. In rurale gebieden wordt, als gevolg van recreatie- en milieuoverwegingen, bovengrondse aanleg van nieuwe verkeerswegen steeds vaker als ongewenst beschouwd. Ondergrondse constructie met behulp van schildsystemen is een technisch haalbaaraltematiefvoor constructie aan de oppervlakte. Op dit moment zijn een aantal boortunnelprojecten in voorbereidffig. De Heinenoordtunnel en de Botlekspoortunne1 zijn proefjjiojecten met als doel ervaring op te doen met grote diameter boortunnels in de Nederlandse ondergrond. Andere boortunnelprojecten die in de toekomst hoogstwaarschijn1ijk uitgevoerd zullen worden zijn de Westerschelde-oeververbinding, de Noord-Zuidlijn voor de metro in Amsterdam en een deeltraject van de Hogesnelheidslijn door het groene hart. Naast deze grote diameter tunnels worden net als m de laatste jaren, op grote schaal transportleidingen voor olie, gas, afval- en drinkwater geboord Schild system en voor de Nederlandse ondergrond. In de Nederlandse ondergrond, die gekenmerkt wordt door jonge sediment en zonder cementatie met losse pakking en hoge grondwaterspiege~ moet om een tunnel te kunnen aanleggen, de grond worden ondersteund. Bij ondergrondse constructie gebeurt dit met behulp van een schild. Omdat ook het boorftont waar de grond afgegraven wordt instabiel is als deze niet ondersteund wordt, moet de afgraving worden gecombineerd met ondersteuning. Voor de Nederlandse ondergrond komen twee principes voor de ondersteuning van het boorftont m aanmerking: ondersteuning met vloeistof(vloeistofschild) en ondersteuning door middel van de afgegraven grond zelf (gronddrukbalansschild). Het gronddrukbalansschild wordt algemeen beschouwd als een eenvoudiger en goedkoper systeem Bij tunne1constructie met schildsystemen worden eisen geste1d aan de te ontgraven grond. Omdat de ontgraven grond bij een gronddrukbalansschild dienst doet als ondersteuningsmedium worden in vergelijking met het vloeistofschild meer en streng ere eisen gesteld aan de eigenschappen van de grond. Grond met een hoog gehalte aan fijne delen en een geschikt watergehalte voldoet aan deze eisen. Als de oorspronkelijke grond niet de gewenste eigenschappen heeft kunnen deze worden veranderd met conditioneerstoffen. Hiermee wordt het inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild uitgebreid. Het schild is op dit moment reeds economisch inzetbaar in grondsoorten die in het verleden een ander type schild vereisten. 1

9 Grondconditionering in het EPB-schild 1.2 PROBLEEMSTELLING Algemeen beschouwd bestaat de Nederlandse ondergrond uit een afwisseling van cohesieve en niet cohesieve lagen. Het vloeistofschild is inzetbaar in niet cohesieve grond (zandgrond). Het gronddrukbalansschild is inzetbaar in cohesieve grond (kleigrond). A1sbij een project wordt besloten om gebruik te maken van 6en type tunnelboormachine dan kunnen problemen ontstaan als langs het traject verschillende grondsoorten ontgraven moeten worden. Aannemers die pionierswerk hebben verricht op het gebied van tunnelconstructie in Nederland hebben dit probleem aan den lijve ondervonden. Door toepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild worden uitgebreid zodat ook niet cohesieve grond met een gronddrukbalansschild ontgraven kan worden. Met de toepassing van de recent ontwikkelde schullninjectietechnologie zijn goede resultaten geboekt in niet cohesieve grond. In Nederland is echter weinig kennis aanwezig omtrent de toepassing en werking van conditioneerstoffen voor niet cohesieve grond. 1.3 DOELSTELLING Het doe! van dit onderzoek is de kennis op het gebied van grondconditionering voor toepassing in gronddrukbalansschilden te vergroten. Hierbij wordt in het bijzonder gekeken naar conditionering van de eigenschappen van zand, werking van de verschillende conditioneerstoffen en zwakke punten van de verschillende conditioneersystemen. Dit onderzoek kan worden gezien als verkenning van de recente ontwikkelingen op het gebied van grondconditionering bij gronddrukbalansschilden. Msluitend worden een aantal aanbevelingen voor verder onderzoek gedaan. 1.4 PLAN VAN AANP AK Als eerste is een literatuurstudie uitgevoerd. Hierbij is achterhaald wat de mogelijkheden zijn van de verschillende schildsystemen, wat de ideale eigenschappen zijn van de grondbrij in de werkkamer van een gronddrukbalansschild en hoe en met welke middelen de oorspronkelijke grondcondities veranderd kunnen worden opdat een ideale grondbrij gevormd wordt. Vervolgens zijn een aantal praktijkstudies uitgevoerd waarin conditionering van zandgrond centraal staat. Hieruit is gebleken dat het gronddrukbalansschild succesvol kan werken in zandgrond. 2

10 Hoofdstuk 1 Inleiding Tenslotte is een testprogramma uitgevoerd om te begrijpen hoe de verschillende conditioneerstoffen werken en te achterhalen wat de zwakke plekken van de verschillende conditioneersystemen zijn. Zodat kan worden bepaald of middelgrofkorrelig grindhoudend zand, dat veel voorkomt in het Pleistoceen, kan worden geboord met een gronddrukbalansschild. Gedurende de verschillende stadia van het onderzoek is informatie uitgewisseld en zijn gesprekken gevoerd met deskundigen op het gebied van grondconditionering en tunnelconstructie. In deze gesprekken zijn problemen uit de praktijk, recente ontwikkelingen en beperkingen van de verschillende systemen besproken. 1.5 RAPPORTINDELING N a een inleidend deel dat bestaat uit een voorwoord, samenvatting en dankwoord worden de bevindingen tijdens het afstudeeronderzoek gepresenteerd in acht hoofdstukken. Hieronder voigt de hoofdstukindeling. Hoofdstuk een is een algemene inleiding. In hoofdstuk twee, drie en vier worden achtereenvolgens het principe en de inzetbaarheid van het vloeistofschild en het gronddrukbalansschild besproken, de optimale eigenschappen van de door een gronddrukbalansschild te ontgraven grond en de conditioneermiddelen die worden gebruikt om de eigenschappen van deze grond te veranderen. De informatie in deze hoofdstukken is gebaseerd op literatuurstudie. In hoofdstuk vijfworden vier praktijkstudies besproken, waarin niet cohesieve grond is ontgrayen met een gronddrukbalansschild. De informatie voor deze praktijkstudies is verkregen uit de literatuur en via de bedrijven die bij deze projecten betrokken zijn. In hoofdstuk zes worden de resultaten van de laboratorium experimenten besproken. Het verslag sluit met een aantal conc1usies en aanbevelingen in hoofdstuk zeven en acht. Hoofdstuk 1, Hoofdstuk 2, Hoofdstuk 3, Hoofdstuk 4, Hoofdstuk 5, Hoofdstuk 6, Hoofdstuk 7, Hoofdstuk 8, inleiding en problematiek. principe en inzetbaarheid van het vloeistof- en gronddrukbalansschild. ideale eigenschappen van de grondbrij in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. fimctie en werking van de drie belangrijkste conditioneerstoffen. praktijkstudies van tunnelprojecten waarbij zandgrond ontgraven wordt met gronddrukbalansschilden. testprogramma naar fimctioneren van de conditioneermiddelen. conc1usies. aanbevelingen. 3

11 Grondconditionering in het EPB-schild 4

12 Hoofdstuk 2 Tunnelboonnachines HOOFDSTUK 2 TUNNELBOORMACHllffiS 2.1 INLEIDING In veel tunne1projecten heeft de ondergrond niet voldoende samenhang om zonder ondersteuning een tunnel te boren; er is een schild nodig dat de grond weerhoud in te storten en dat het grondwater buiten de tunnel houdt. Aan de voorzijde van het schild wordt de grond ontgra- Yen. Bij losgepakte grond moet ook dit graaffront worden ondersteund. Het graaffront kan mechanisch worden ondersteund, met behulp van luchtdruk, gronddruk of vloeistofdruk. In een tunnelboormachine met een graafwiel waarin weinig openingen zitten (gesloten graafwiel genoemd), wordt het boorfront ondersteund door een combinatie van mechanische ondersteuning en ondersteuning door het materiaal in de werkkamer. In de afgelopen decennia zijn een groot aantal Tunnelboormachines (verder aan te duiden als TBM) ontwikkeld voor verschillende typen ondergrond. Voor tunnelboringen in de Nederlandse ondergrond komen twee typen schildmachines in aanmerking; het gronddrukbalansschild en het vloeistofschild. De twee type TBM verschillen in de manier waarop steundruk aan het graaffront, ook wel boorfront genoemd, wordt overgebracht. Bij gronddrukbalansschilden wordt de steundruk overgebracht door de ontgraven grond, bij het vloeistofschild wordt de steundruk geleverd door een vloeistof Het principe, de opbouw en de inzetbaarheid van de twee verschillende TBM's zal in de volgende paragrafen behandeld worden. De inzetbaarheid geeft aan in welke grondcondities een type TBM succesvol kan worden ingezet. Bij het bepalen van de inzetbaarheid spee1t de korrelverdeling van de grond een belangrijke ro!. In de literatuur is tot nu toe voomamelijk aan de hand van de korrelgrootte verdeling bepaald welk type tunnelboormachine ingezet dient te worden. Gronddrukbalansschilden werken optimaal in cohesieve gronden met een plastische consistentie. Scheidingswand Steunvloeistof Grondbrij Drukwand Drukwand Lucht -+ 'loeistof ciculatie =,'>:':'" ~,=II Schroefvij zel Vloeistofschild Gronddrukbalansschild Figuur: 2.1 Principe van Hydro-schild en EPB-schild. Maidl, U (1995), figuur

13 : Giondconditionering in het EPB-schild Vloeistof schilden zijn het best toepasbaar in cohesieloze gronden die bestaan uit grof materiaal zoals zand en eventueel ook grind. Beide methoden hebben echter een ontwikkeling doorgemaakt zodat een duidelijke tweedeling van inzetbaarheid niet meer reee! is, zie figuur 2.1 en 2.2. Het inzetbaarheid van beide machines is vergroot en de grenzen van de grenzen van inzetbaarheid overlappen. Grenzen van inzetbaarheid van EPB- en Hydroschild 100 ~ -; :! 70 III a. 60 :: 50 N 1; 40 "ti.. 30 CD.:! 20 c tj 10 ~ 0 klei.-y silt I zand rind : i i I! I I.- I : I I 1/ 1/I I /1/... I / // /' I / '" :,I",,..." - I..."", I', A I. -,..." I V t '!l ~1" /' i I -grens inzetbaarheid Hydroschild -grens inzetbaarheid Hydroschild grens inzetbaarheid van s:'b-schild -1 Essen -2 Milaan zeefdiameter (mm) i 1 I Figuur: 2.2 Inzetbaarheid van EPB- (links van grens) en vloeistofschild (tussen de grenzen). Lijn I is de zeeflcromme van grand uit Essen die is afgegraven met een Hydroschild, lijn 2 is zeetkromme van grand die is afgegraven met een EPB-schild. Bijde schilden zijn ingezet ver buiten het optirnale inzetbaarheidsgebieden, naar Maidl, U. (1995). I i 2.2 VLOEISTOFSCHILDEN De ontwikkeling van de vloeistofschilden gaat veel verder terug in de tijd dan die van de EPBschilden. AI in 1874 werd een patent verleend aan Greathead voor een tunnelboormachine die als voorloper van de huidige vloeistofschilden is te be schouwen, zie figuur 2.3. Vanaf eind jaren 60 bestaat een groeiende belangstelling voor de uitvoering van geboorde tunnels in grond. Met de toenemende groei ontwik.- kelen de TBM's zich snei, waarbij aanvankelijk de nadruk ligt op boomontondersteuning met behulp van vloeistof Het vloeistofschild heeft in Japan, Engeland en Duitsland "onafhankelijk" ontwik.- kelingen doorgemaakt. Figuur: 2.3, Vloeistofschild van "Greathead". Maidl, B (1995) 6

14 Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines In Japan resulteert dit m het "slurry shield". In Duitsland zijn naast het vee1 gebruikte "hydroshield" verscheidene variant en ontwikkeld zoals het "mixshie1d","hydrojetshield" en "thixshield" zie figuur 2.4. De eerste tunnels met een vloeistof schild worden achtereenvolgens m Japan 1970, Engeland 1971 en Duitsland m 1974 gebouwd Principe en machine opbouw Bij de vloeistofschilden wordt de steundruk geleverd door een suspensie van bentoniet of niet zwellende kleien. De suspensie wordt m de gesloten werkkamer gepompt, zodat de druk kan worden geregeld. De suspensie dridgtm de grondformaties, die zij vervolgens bijna ondoorlatend maakt door de vormmg van een filterkoek. De filterkoek zorgt voor afsluitmg van het boorftont zodat de vloeistof in de werkkamer onder druk kan worden gezet en voor stabiliteit van de mdividuele korrels m de matrix. Er zijn ook deskundigen die beweren dat de steundruk geleverd word door het Vloeistofschild ~ graafwiel J drukwand Thixchild graafwiel. De vloeistofdruk draagt slechts m geringe mate bij aan de ondersteuning van het boorftont, Mori (1995). Deze bewering is aannemelijk voor TBM's met een gesloten graafwiel. Door ontgraving wordt de filterkoek voortdurend afgebroken en opnieuw opgebouwd. Het ontgraven materiaal en de suspensie worden m de werkkamer vermengd en vervolgens verpompt. De ondersteuningsvloeistof doet dan dienst als transportmedium Aan het oppervlak worden ontgraven materiaal en suspensie van elkaar gescheiden met behulp van een scheidingsmstallatie. De verschillende constructie varianten van vloeistofschilden berusten op verschillen m ontgraving en op de aanwezigheid van luchtdrukbuffers..l- -- Cutterbagger ~ drukwand ---3.~ -- Hydro schild. vloeistof graaiwiel -- lucht~ scheid~gswand -- drukwand == Hydr()jetschild ~ waterjet """"" ~ "'" scheidingswand drukwand, --- J: jl:e L-.J Vloeistof buffer CF Vloeistof buffer a:. Lucht Figuur: 2.4 Principe opbouw van de verschillende vloeistofscbildsystemen. Maidl, B (1995), figuur

15 Grondconditionering in het EPB-schild De luchtdrukbuffer is in Duitsland ontwikkeld en dient om drukwissellingen in de werkkamer uit te vlakken, zodat de druk aan het boomont stabieler is en het ontgravingsproces beter te controleren is. Afgraving vindt plaats met behulp van een graafwiel, "Slurry shield" en "hydroshield", door een bewegende snijkop "thixshield" of door water onder hoge druk tegen het boomont aan te spuiten "hydrojet shield", zie figuur 2.4. Ontgraving met een graafwiel verdient de voorkeur in de losgepakte Nederlandse grondsoorten omdat deze in (gedeeltelijk) gesloten vorm zorgt voor mechanische ondersteuning van het boomont. Door de aanwezigheid van een luchtbuffer in het "hydro"-schild kan de steundruk nauwkeuriger worden afgesteld dan bij het "slurry"-schild, het ''hydro''-schild verdient daarom de voorkeur in de Nederlandse ondergrond. In de volgende paragrafen wordt bij de bespreking van het vloeistofschild het ''hydro''-schild in het bijzonder bedoeld Bodemgesteldheid en inzetbaarheid Vloeistofschilden functioneren het best in zandgrond. Hier zijn de omstandigheden ideaal voor de vorming van een filterkoek, en de gronddeeltjes mengen goed met de transportvloeistof Omdat de scheiding van suspensie en grond duurder wordt naarmate de korreldiameter afueemt is er wat korrelgrootte betreft een economische inzetgrens voor vloeistofschilden. Technisch gezien zijn er ook grenzen aan de inzetbaarheid met betrekking tot de korrelverdeling zie figuur 2.5. Is de grond te grofkorrelig dan ontwijkt alle suspensie en wordt er geen filterkoek opgebouwd. Men verliest dan veel bentoniet maar belangrijker is dat de steundruk niet meer overgebracht kan worden. Is het materiaal fijnkorrelig en cohesief dan kunnen problemen ontstaan met de afvoer. Als de klei slap is dan kan het gemakkelijk in de werkkamer dringen en goed met de vloeistof in de werkkamer worden gemengd. De afvoer van vloeistofverloopt zonder problemen. Is de klei geconsolideerd en heeft het een hogere consistentie (samenhang) dan ontstaan problemen door verstopping in de transportleidingen en de doorgangen in het graafwiel. Inzetbaarheid van vloeistofschild volgens Krause (1987) klei silt zand grind gj 80 N ~ 70 ~ ~ 00 51::... 4) 50 ClIII CII III 40 CI::! s c.. 30 c f! ~/ i/ - " II f" ~V 1 / V / / 2,I zeefdiameter /' (mm) Figuur: 2.5 Inzetbaarheid van het vloeistofschild volgens Krause (1987). l/

16 Hoofdstuk 2 Tunnelboonnachines 2.3GRONDDRUKBALANSSCHILDEN De gronddrukbalansschilden, "earth pressure balance shield" ofepb-schild zijn voor het eerst ontwikkeld in Japan. De eerste toepassing vindt plaats in 1974 in Tokyo, Peron (1994). In Japan bestaat een voorkeur voor het EPB-schild in vergelijking met het vloeistofschild, Maidl, B.( 1995). Op dit moment zijn twee van de drie gebouwde tunnelboormachines in Japan EPB type tunnelboormachines. In Europa bestaat een lichte voorkeur voor het vloeistofschild, de keuze wordt vooral bepaald door de grondcondities, Herrenknecht (1994), Babendererde (1991), Becker (1993). () <D CD Graafwiel <D Grondbrij CD Schroefvijzel <D Afsluitklep <D Hydraulische vijzels <D Tunnelmantel Figuur: 2.6 Principe van het gronddrukbalansschild. Krause (1987), figuur Principe en machine opbouw In figuur 2.6 staat een gronddrukbalansschild afgebeeld. Als de grond wordt losgewoeld door het graafwiel van de machine wordt deze opgevangen in de direct achterliggende werkkamer. De werkkamer moet geheel zijn gevuld met grond zodat de steundruk die geleverd wordt door de hydraulische vijzels kan worden overgebracht op het boorfront. De schroefvijzel is een belangrijk onderdeel dat zorg draagt voor de afvoervan materiaal uit de werkkamer. Tussen het boorfront en de uitgang van de schroefvijzel bestaat een drukverschil dat de schroefvijzel moet overbruggen. In figuur 2.7 wordt gerdealiseerd weergegeven hoe het materiaal door de werkkamer en de schroefvijzel stroomt. In figuur 2.7 wordt uitgegaan van constante steundruk en zijn de rotatie van de afgegraven materiaal in de werkkamer en de schroefvijzel buiten beschouwing gelaten. Als hogere drukken beheerst moeten worden kunnen twee schroefvijzels met verschillende diameter en rotatiesnelheid achter elkaar opgesteld worden, Babendererde ( 1993). 9

17 Grondconditionering in het EPB-schild Het graafproces wordt gestuurd door een evenwicht tussen geleverde steundruk, aangebracht via de hydraulische vijzels, en de afvoer via de schroefvijzel. Wordt teveel grond afgegraven dan worden de gaten die in de werkkamer ontstaan gevuld met grond uit de omgeving van de tunnel. Dit veroorzaakt deformaties en zettingen aan het oppervlak. Wordt te weinig grond ontgraven dan neemt de steundruk toe en kan er opheffing aan het oppervlak plaatsvinden. Transport van de afgegraven grond door de tunnel vindt plaats via transportbanden, per spoor of via leidingen na menging met water. Laatst genoemde manier van afvoer is niet wenselijk omdat het materiaal gemengd word met water (ofbentonietsuspensie), terwijl droge afvoer juist word gezien als een voordeel van het EPB-schild, Schalkwijk (1993). I ~ Werkkamer stator - - Stromingslijn Equipotentiaallijn geringe drukval mixer e\,!\et pt\\\c.o\1~ \ sc\\t e ~\)1J?\,,:;00!0 \1.\)ec\\e ~ A \ \1.\)ec\\e Get,e- ~ \ 'Lo. - \"" \ \ ~oo/o1 GtU\C.'Iet\Oo\1 sc\\toe\'j\)1j?\. \'!\ Figuur: 2.7, Stroming en equipotentiaallijnen door werkkamer en schroefvijzel. Maidl, U (1995) figuur Bodemgesteldheid en inzetbaarheid De gronddrukbalansschilden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik in homogene fijnkorrelige cohesieve grond. De eerder ontwikkelde vloeistofschilden voldoen niet in deze ondergrond omdat het scheiden van klei- en siltdeeltjes van de bentoniet steunvloeistof moeilijker en kostbaarder wordt bij afllemende korreldiameter. Het schild werkt optimaal in kleiige grond met papperige tot weke consistentie. Door toepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild worden uitgebreid van cohesieve grond tot matig cohesieve grond en zelfs tot niet cohesieve zandgrond, zie figuur 2.8. Links van lijn 1 bevind zich het optimale inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild. 10

18 Hoofdstuk 2 Tunnelboonnachines Conditionering van de grond is alleen nodig indien de consistentie van het materiaal niet geschikt is. Tussen lijn 1 en 2 moet de grond worden geconditioneerd om de permeabiliteit te verlag en, hierbij moet de vervormbaarheid van het materiaal plastisch blijven. Tussen lijn 2 en 3 kan het schild alleen worden ingezet als de tunnel boven het fteatisch vlak blijft. Rechts van lijn 3 is het EPB-schild slecht inzetbaar :: 90 III 80 = :3 70 Do 'Gi 60 :!I ~ 50..~.g 40 & 30 "C 20 Q/ e 10 III Do 0 Verruiming van het inzetbereik van het EPB-schild klei silt zand grind V..../ "!7 -,, " ~I, V 1./, V 2 j,; V zeefdiameter (mm)./ /./ 1/ -' rt V Figuur: 2.8 Inzetbaarbeid van bet gronddrukbalansschild, volgens Maid!, U. (1995). 2.4 VOOR- EN NADELEN VAN BET EPB- EN VLOEISTOFSCHILD Tijdens constructie van de geboorde tunnel streeft men naar behoud van oorspronkelijke grondspanningen, zodat deformaties niet optreden. Het booritont moet gedurende de hele operatie ondersteund worden. De besproken typen tunnelboormachines hanteren verschillende wijzen van ondersteuning en transport. Er is geen universeel toepasbare tunnelboormachine voor gebruik in zachte grond, Babendererde (1991). De machine moet worden aangepast aan de heersende geotechnische condities. In deze paragraaf zullen de voor- en nadelen van het EPB- en vloeistofschild behandeld worden. Een keuze tussen de twee systemen moet berusten op economische maar vooral ook op veiligheidstechnische aspecten Voordelen van vloeistofschild Vloeistofschilden zijn beter te sturen omdat het ontgravingsproces gej;cheiden is van het ondersteuningsproces. Beide processen befuvloeden elkaar (de filterkoek die belangrijk is voor de ondersteuning wordt continu afgegraven door het graafwiel) maar kunnen "onafhankelijk" worden geregeld. Als gevolg van het lage volumegewicht en de lage viscositeit van de bentoniet suspensie in de 11

19 Grondconditionering in het EPB-schild werkkamer ten opzichte van de grondpasta m een EPB-schild is veel mmder energie nodig om het graafwiel aan te drijven en is er minder slijtage. Een groot voordeel van de vloeistof-schilden is dat de suspensie m de werkkamer vervangen kan worden door lucht. De werkkamer is dan toegankelijk voor eventuele reparaties en onderhoudswerkzaamheden. Door de fiherkoek kan de lucht niet ontsnappen en kan voldoende druk worden opgebouwd om het boomont stabiel te houden. Bij EPB-schilden wordt geen filterkoek opgebouwd en dienen andere maatregelen genomen te worden om toegang te krijgen tot de werkkamer. Zo is het mogelijk om gedurende lange tijd extra bentoniet te mjecteren voordat de werkkamer geleegd wordt, het boomont contmu te bespuiten met schuim Maidl, U.(1995) of gebruik te maken van een graafwiel die zich kan sluiten, Wallis (1992). Grote stenen vormen zowel voor vloeistof- en EPB-schilden een probleem Echter bij een vloeistofschild is het mogelijk om een stenenbreker te mstalleren, bij EPB-schilden moeten grote stenen door diskcutters op het graafwiel voldoende klem worden "gesneden" zodat ze m stukken afgevoerd kunnen worden door de schroefvijzel. Eventueel kan ook een steenval m de schroefvijzel worden mgebouwd. Een andere mogelijkheid om grote stenen uit de werkkamer te transporteren is aanpassmg van het type schroefvijzel. Door de schroefte vervangen door een spiraal wordt de maximale opening vergroot Voordelen van gronddrukbalansschild Het ondersteuningsmedium bij EPB-schilden is het afgegraven materiaal ze]f Het is ondenkbaar dat m een volledig gevulde werkkamer ongewenst materiaaltransport plaatsvindt als gevolg van mstabiliteit aan het boomont. Algemeen geldt dat hoe hoger het volumegewicht en de viscositeit van het ondersteuningsmedium hoe stabieler het boomont. De viscositeit van de grondpasta is ongeveer 1500 maal die van de bentoniet slurry. Als zich m de werkkamer van het EPB-schild een homo gene pasta bevrndt zonder holle ruimtes dan heeft men een veel veiliger situatie dan bij een vloeistofschild, Babendererde (1995). Bij tunnelconstructie met EPB-schilden is geen dure scheididgsmstallatie nodig. Dit is een groot voordeel ten opzichte van vloeistofschilden waar dit wel no dig is. Dit aspect wordt belangrijker naarmate de ontgraven grond fijner wordt, en het derhalve moeilijker en duurder wordt om de gronddeeltjes van de suspensie te scheiden. Volledige scheididgis onmogelijk. Na een aantal keren hergebruik bezit de bentoniet, als gevolg van vervuilidg met gronddeeltjes niet meer de gewenste eigenschappen. De bentoniet moet dan worden vervangen. De hoeveelhdeden af te voeren materiaal zijn bij het vloeistofschild veel groter. Bij vervuilde grond kan bentoniet zijn gunstige eigenschappen verliezen, hierdoor kan de vorming van de filterkoek m gevaar komen waardoor de stabiliteit van het boomont niet meer gegarandeerd is. Door toevoegffig van chemicalien kan het effect van de vervuiling verminderd worden. Een voordeel van de EPB-machIDes is dat het afgegraven materiaal droog is en dus eenvoudiger kan worden afgevoerd en verwerkt. Bij een teveel aan conditioneringsstoffen zoals schuim, polymeren en bentoniet kan het te storten materiaal niet meer beschouwd worden als schone grond ook al zijn de conditioneringsstoffen niet schadelijk. 12

20 Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines EPB-schilden zijn het best te gebruiken in fijnkorrelige bodems maar zijn met toevoeging van conditioneringsmiddelen ook inzetbaar in grotkorrelige bodems. Hierdoor is dit type TBM zeer geschikt voor bodems met een afwisseling van verschillende lagen. Om een beeld te krijgen van eventueel optredende deformaties is het nuttig om te bepalen of de voortgangssnelheid in overeenstemming is met de hoeveelheid afgegraven materiaal. Bij gronddrukbalansschilden kan de hoeveelheid afgegraven grond worden gemeten aan de hand van het aantal omwentelingen van de schroefvijzelof de dikstofpomp. Bij vloeistofschilden geeft het dichtheidsverschil tussen in- en uitgevoerde bentoniet een idee over de hoeveelheid afgegraven grond. De laatst genoemde methode duurt langer en is minder nauwkeurig, Babendererde (1993). EPB-schilden kunnen worden ingezet op geringe diepte onder het maaiveld. Vloeistofschilden kunnen niet op geringe diepte worden ingezet omdat dan het gevaar bestaat voor ontsnapping van bentoniet aan het oppervlak, Becker (1993). Vanwege de lagere startkosten zijn EPB-schilden economisch aantrekkelijker op korte trajecten. Schalkwijk (1993):"bij grot ere tunneldiameters is het vloeistofchild pas economisch te gebruiken bij grotere tunnellengtes ỊI Herrenknecht (1995) en Schalkwijk (1993) merken op dat het EPB-schild als tunnelboormachine eenvoudiger en gemakkelijker te hanteren is dan het vloeistofschild Deformaties Bij het boren worden de oorspronkelijke grondspanningen gewijzigd. Hiedoor treden deformaties (vervormingen) op rond de tunnel die eventueel kunnen leiden tot zettingen aan het oppervlak en verminderde draagkracht van funderingselementen. Een aantal factoren die deformaties veroorzaken zijn niet te verhelpen en kunnen worden gezien als constante factoren. Om de wrijving te verlag en is het schild van de TBM meestallicht conisch (de diameter aan de voorzijde is iets groter dan aan de achterzijde). De afuame in diameter wordt door de grond die grenst aan het schild gevolgd, dit veroorzaakt deformaties in een zone rond de tunnel. Het schild omhult de uiteindelijke tunnelmantel en heeft dan ook een grot ere buitendiameter. Om het verschil in diameter op te heffen wordt grout gefujecteerd. Compensatie van het volumeverlies door groutinjectie lukt echter maar ten dele. De bovengenoemde factoren hebben kleine deformaties tot gevolg, die van te voren bekend zijn. Instabiliteit van het boorfront, onverwachte verlaging van het :treatische vlak en andere niet voorziene gebeurtenissen hebben veel grot ere deformaties tot gevolg. Bovengenoemde factoren zijn afhankelijk van de bestuurbaarheid van het boorproces, de complexiteit van de ondergrond, het management en het vakmanschap van de boorploeg. Om instabiliteit van het boorfront en deformatie te voorkomen dient de steundruk gelijkmatig en zonder fluctuaties aangebracht te worden op het boorfront, Babendererde (1995). Bij het Duits hydro shield kunnen variaties van de steundruk in de werkkamer gedeeltelijk worden opgevangen door de luchtdrukbuffer die in contact staat met de werkkamer. De luchtdruk regeling vermindert de fluctuaties tot i: 5 % Babendererde (1991). Bij EPB- TBM's is de steundrukregeling veel moeilijker. Er dient een optimum gevonden te worden tussen afvoer van materiaal via de schroefvijzel en de aangebrachte druk. 13

21 Grondconditionering in het EPB-schild Anders gezegd tussen de hoeveejheid ontgraven grond en de voortgang van de TBM. Toch hoeven de fluctuaties niet groot te zijn. Toevoeging van conditioneringsmiddelen versoepelt het proces en verminderd de fluctuaties. Als schuim wordt toegevoegd functioneert dit tevens als luchtbuffer, Wallis (1995), Maidl,U (1995b) en Herrenknecht (1995). Schuim kan tevens gebruikt worden om de steundruk direct te rege1en, Herrenknecht (1995). Op deze manier worden de fluctuaties en deformatie sterk verminderd; zettingen lager dan 3mm worden regelmatig behaald, Wallis (1995). Bij zowel de vloeistofschilden als de gronddrukbalansschilden moet men rekening houden met zettingen. Algemeen kan worden gesteld dat met de juiste TBM en bekwaam personeel de zettingen beperkt kunnen blijven tot 10 rom, van Tol (1995). 14

22 Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van grondbrii HOOFDSTUK 3 OPTIMALE EIGENSCHAPPEN VAN BET ONDERSTEUNINGSMEDIUM IN EEN EPB-SCHaD 3.1 INLEIDING De functies van het ondersteunmgsmedium in het EPB-schild zijn: 1) overbrenging van de steundruk, 2) waterkering, 3) gemakkelijk transport door graafwie~ schroefvijzel en transportbanden. Om deze fimcties goed te kunnen vervullen worden er een aantal eisen gesteld aan de eigenschappen van de grondbrij in de werkkamer. De betreffende grondparameters zijn de vervormbaarheid of consistentie, permeabiliteit, compressibiliteit of elasticiteit, abrasiviteit en kleverigheid. Niet voor al deze parameters zijn in de literatuur absolute waarden te vinden waaraan de grondbrij moet voldoen. De eigenschappen van de pasta in de werkkamer worden grotendeels bepaald door de ontgraven grondsoort. Voor het functioneren als ondersteunmgsmedium zijn vooral de volgende grondeigenschappen van belang, Mai~ U (1995): * korrelgrootte verdeling, * mineralogie, * electrische eigenschappen van het oppervlak van de gronddeeltjes, * eigenschappen van het grondwater en daarin opgeloste ionen, * interactie van de deeltjes, grondwater en opgeloste ionen. Definitie grondbrij: Grondbrij is het ondersteunmgsmedium in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. Het is een mengsel van grond, grondwater en eventueel conditioneermiddel. Dit ontstaat als de grond wordt ontgraven door het graafwiel van de tunnelboormachine en vermengd wordt met de toegevoegde conditioneerstoffen. Bij het ontgraven wordt de oorspronkelijke structuur van de grond verstoord waarbij het porienvolume wordt vergroot. De ontstane ruimte wordt opgevuld door de gebruikte conditioneersto 3.2 PERMEABILITEIT De waterkerende werking van de grondbrij wordt bepaald door de permeabiliteit van het mengsel in de werkkamer. Als we een grofkorrelige bodem hebben en deze zonder conditioneringsmiddelen in de werkkamer gebruiken als ondersteuningsmedium, dan gebeurt het volgende: De steundruk veroorzaakt een toename van de totaalspanning. Deze spanning werkt alleen op het korrelskelet van de bodem omdat het water ontsnapt. 15

23 Grondconditionerin~ in het EPB-schild De aandrijfinomenten van graafwiel en schroefvijzel nemen toe met toenemende effectieve spanning van de grondbrij. Tegen de grondwaterdruk kan geen tegenkracht worden geboden en onder het heersende potentiaalverschil stroomt het water door het graafwiel en de schroefvijzel de tunnel in. Het grondwater uit de omgeving stroomt naar de tunnel waardoor de grondwaterspiegel daalt en deformaties optreden. De permeabiliteit dient voldoende laag te zijn om waterdoorstroming te voorkomen. De permeabiliteit van de bodem wordt bepaald door de korrelgrootteverdeling, de opbouw en structuur, de porositeit, de verzadigingsgraad en de viscositeit van de doorstromende vloeistof Door de viscositeit van de vloeistofte laten toenemen neemt de permeabiliteit af Vervanging van water door bentonietsuspensie met een hogere viscositeit heeft dus een verlaging van de permeabiliteit tot gevolg. Hebben we te maken met een sterk doorlatende bodem dan hebben vloeistoffen met hoge viscositeit geen effect meer omdat zij als gevolg van de hoge steundruk simpelweg worden uitgeperst. Verbindingen tussen vloeistof en vaste stof kunnen er voor zorgen dat de vloeistof niet tussen de porien wordt uitgeperst. Als het aandeel fijne delen (korrels < 0.06 mm) van een bodem groter is dan 30 % dan is de permeabiliteit laag genoeg. Als niet voldoende fijne delen in de grond aanwezig zijndan kan deze hoeveelheid worden verhoogd met conditioneermiddelen. Het aangeven van een grenswaarde voor de doorlatendheid van de oorspronkelijke bodem is moeilijk omdat de pemeabiliteit (k) afhangt van de steundruk in de werkkamer, Maid!, U(1995). Uit ervaring blijkt dat k=10-5m/s een maximum is voor de doorlatendheidgrondbrij in het EPB-schild met een steundruk kleiner dan 2 bar, Maid!,U(1995) en Maid!, B.(1995). In dit rapport waarbij de permeabiliteit is bepaald onder atmosferische druk is de grenswaarde gesteld op 0.5*10-5 m/s. 3.3 VERVORMBAARHEID OF CONSISTENTIE Goede vervormbaarheid is belangrijk voor gelijkmatige overbrenging van de steundruk, Maid!, U (1995) en Maidl, B. (1995). De vervormbaarheid is tevens belangrijk voor een gemakkelijk transport door graafwiel, werkkamer en schroefvijzel, Schalkwijk (1993), Maid! U (1995) en Babendererde (1993). Voor vloeibare en vaste materialen worden verschillende parameters gebruikt om de vervormbaarheidseigenschappen uit te drukken. Voor vloeistoffen zijn het de viscositeit en zwichtspanning die een idee geven over de vervormbaarheid. De deformatie modulus (opgebouwd uit p1astische en elastische vervorming geeft de vervormbaarheid van vaste stofweer, Goodman (1989). Optimale grondbrij gedraagt zich plastisch. De vervormbaarheidsgedrag van plastische materialen houden het midden tussen die van vaste stof en vloeisto Deze vervormbaarheid is moeilijk te kwantificeren. Consistentie (of samenhang) is een kwalitatiefbegrip dat een idee geeft over de vervormbaarheid van plastische materialen. Het begrip is niet geschikt om de vervormbaarheidseigenschappen goed te beschrijven en is verschillend gedefinieerd voor cohesieve gronden en niet cohesieve gronden. 16

24 Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van grondbrii Eventueel kan met geschikte meetapparatuur de vervormbaarheid van plastische materialen beschreven worden met viscositeit en zwichtspanning. Deze parameters worden in de literatuur over optimale grondbrij nauwelijks besproken. In het testprogramma zijn enkele viscositeits- en zwichtspanningsmetingen op grondbrij uitgevoerd Vervormbaarheid in de werkkamer en schroefvijzel. De werkkamer moet volle dig gevuld zijn met een homo gene pasta zodat de steundruk gelijkmatig over het boornont verdeeld wordt. De grond wordt tijdens ontgraving door het graafwiel voor de eerste keer gemengd, in de werkkamer wordt het materiaal verder gemengd door roerstaven die zich op de achterkant van het roterende graafwiel en op de drukwand bevinden. Plastische materialen worden suel gemengd waardoor de steundruk gelijkmatig wordt overgebracht. Bij te hoge vervormbaarheid wordt het materiaal vloeibaar en zal het ontwijken via de schroefvijzel, de druk in de werkkamer daalt en het boornont kan instabiel worden. Bovendien ontstaan er problemen met de verdere afvoer nadat de grondbrij de schroefvijzel is gepasseerd. Een te lage vervonnbaarheid kan verstopping veroorzaken in het graafwiel en het schroefvijzel met veranderingen in de steundruk als gevolg. Andere positieve effecten van een plastische vervormbaarheid zijn een laag aandrijfinoment en energieverbruik van de schroefvijzel en het graafwiel en een vermindering van de slijtage aan de TBM Consistentie Veel factoren zijn van invloed op de consistentie zoals: mineralogie, korrelgrootte verdeling, korrelvorm, watergehalte en chemisch milieu. In de grondmechanica wordt de consistentie index Ie gedefinieerd voor cohesieve materialen. In de betontechnologie is het begrip gedefinieerd om de vervormbaarheid en verwerkbaarheid van natte beton en mortel uit te drukken, zie tevens paragraaf "Geotechnische consistentie" De "geotechnische consistentie" van cohesieve materialen wordt bepaald door het watergehalte en de Atterbergse grenzen met behulp van de volgende formule. I = WI-W c- I p (3.1) waarbij Ie w WI Wp Ip : consistentie index : het watergehalte van de bodem, : de vloeigrens, : plasticiteitsgrens, : het plasticiteitsgetal WI- wp' 17

25 Grondconditionering in het EPB-schild De waarde Ie is gerelateerd aan kwantitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel 3.1. <0 vloeibaar half Dlastisch lastisch stiif > 1.0 I aardvochtig I TabeI3.!: Relatie tussen consistentiegetal Ie en kwalitatieve begrippen van concistentie. Bij bepaling van de plasticiteitsgrens dient het materiaal gekneed te worden, en moet het materiaal kunnen worden uitgerold tot rolletjes met een doorsnee van 3mm. Dit is onmogelijk voor een zandige grondbrij. Om toch uitspraken te kunnen doen over de vervormbaarheid en consistentie van een zandige grondbrij kunnen we gebruik maken van de betontechnische bepaling van de consistentie. "Betontechnische consistentie ". De "betontechnische consistentie" wordt meestal bepaald met behulp van de kegel van Abrams. De zetmaat in centimeter, zoals gemeten met de kege1van Abrams, kan worden gerelateerd aan een kwalitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel 3.2. li!':i:.i.ii.,..!..'::i~:~"'i..i.i,i~lllllli!!/:i:'11ili!!,:ii:i.iiiiiiiiii!iiiiii!!:iiiiiiiiiiiiiiii:! !1:1!1!1!1!!iii!i!ill!11 1!!!I!!!!il!I/II/!'II!;!!!!!!llillllllllllllllllll!://!/IIIIIIIIIIIIIIIIIII!!I!;III.II!IIIIIIIIIIII!llllilll!!:!liIIII11111!:!~il!I!IIIIIIIIIIII~llllllllllllllli..II.III! ::: 16 vloeibaar halfplastisch 5-9 plastisch ::::4 aardvochtig TabeI3.2: Relatie tussen zetmaat en consistentie volgens Souwerbren (1995) Relatie "betontechnische en geotechnische consistentie". Het is niet mogelijk de consistentie van de zandige grondbrij te bepalen met behulp van de plasticiteitsgrenzen omdat de uitrolgrens van de mengsels niet bepaald kan worden. In een kort testprogramma is getracht de "betontechnische en geotechnische consistentie" termen aan elkaar te koppelen, zie hoofdstuk

26 Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van grondbrii Viscosititeitsmetingen Het vervormingsgedrag van plastische materialen kan worden bepaald met viscositeitsmetingen. In deze meting en wordt de schuifspanning en de schuithoeksnelheid gemeten. Vit deze parameters kunnen de zwichtspanning en de viscositeit worden bepaald. De zwichtspanning ("yield stress") geeft een maat voor de kracht die nodig is om een beweging op te starten. De viscositeit geeft de kracht weer die nodig is voor een toename in de stroomsnelheid, Wallevik (1995). Afhankelijk van de ratio viscositeit/ zwichtspanning gedraagt de grondbrij zich als Binghamplastische vloeistof (ratio=hoog) of als plastische vloeistof (lage ratio, ratio=o voor een ideaal plastische vloeistof), Ammerlaan (1994). Voor het ideaal plastische materiaal geldt dat als de zwichtspanning bereikt is, de schuifspanning constant blijft en onafhankelijk is van de schuithoeksnelheid, lijn 1 in figuur 3.1. De vervormingseigenschappen van de plastische vloeistofworden vooral bepaald door de zwichtspanning. De vervormingseigenschappen van een Binghamplastische vloeistofworden bepaald door de zwichtspanning en de viscositeit, lijn 2 en 3 figuur 3.1. Bij lage ratios is de grondbrij in de schroe:fvijzelte beschouwen als een plastisch lichaam dat langs het staal wordt geduwd. Een Binghamplastische grondbrij stroomt als een spiraalvorm door de schroe:fvijzel,ammerlaan (1994). Voor de rheologische eigenschappen van grondbrij zijn geen grenswaarden bekend. Definiering van grenswaarden voor deze eigenschappen is wenselijk. De parameters geven een vollediger beschrijving van de vervormbaarheidseigenschappen dan het begrip consistentie. De parameters zijn kwalitatief, zodat ze gebruikt kunnen worden voor berekeningen. Schuifspanning versus schuifhoeksnelheid iu a.. -- OJ c: 'c c: IV c.. ~ ':;.c: uci) 0 0 schuifhoeksnelheid y (dv/dr) Figuur 3.1: Rheologisch diagram, Met 1) ideaal plastische vloeistof, 2) en 3) Bingham vloeistof en 4) Newtonse vloeistof Naar Janssen (1991), 19

27 Grondconditionering in het EPB-schild Eisen aan de vervormbaarheid van grondbrij. In de literatuur worden bodems met een percentage fijne de1en(diameter < 0.06mm) groter dan 30% als goed verwerkbaar voor een EPB-schild genoemd. Bij een gehalte aan fijne delen van meer dan 30% kan men spreken van een cohesiefmateriaal. Hier is dus de geotechnische consistentie van toepassing. Maid!, U(1995) heeft deze grenswaarden duidelijker vastgelegd met behulp van de concistentie index Ic. Volgens Maid!, U (1995) en Maid!, B (1995) heeft grondbrij een optimale vervormbaarheid als de ~ tussen 0.4 en 0.75 ligt. Dit komt overeen met een plastische consistentie, Maid!, U (1995), Babendererde (1993). De consistentie van de oorspronkelijke cohesieve grond kan met toevoeging van water of andere conditioneerstoffen in het plastische gebied worden gebracht. Steiner (1996) stelt dat het watergehalte van de oorspronkelijke grond net onder de vloeigrens moet worden gebracht om te kunnen worden afgegraven. Dit resulteert in een grondbrij met negatieve consistentie index Ic,in dit rapport wordt dat als te vloeibaar beschouwt. Zandige grondbrij lijkt meer op nat beton. De consistentie moet worden bepaald met de zetmaat. Een zetmaat van 7.5! 5 em is kenmerkend voor een materiaal met goede consistentie en vervormbaarheidseigenschappen. Deze waarde is vastgeste1d in overeenstemming met gegevens uit de literatuur, Kanayasu (1995), Kawaeda (1992), Mizuno (1993), Tarnai (1995), Kuribashi (1993) en het praktijkadvies van de heer Verduin (Visser & Smit Hanab). De waarden is volgens de NEN 5956 kenmerkend voor plastisch gedrag. Babendererde (1991) stelt dat de ondersteuningspasta een zekere schuifsterkte ("non frictionless properties") moet hebben. Als er spanningsverschil heerst tussen de grond en de pasta in de werkkamer en de pasta heeft geen interne wrijving (zoals bij vloeistofschilden) dan bezwijkt het front, de grondbrij ontsnapt bij de schroefvijze1 of wordt omgewisseld door bezwijkende grond van voor het booritont. Als de pasta we1 schuifsterkte bezit dan kan geen deformatie optreden omdat er als gevolg van die deformatie meteen een spanningsverhoging optreedt die deformatie tegenwerkt. De schuifsterkte zorgt ervoor dat de steundruk in de werkkamer kan worden behouden door de wrijvingkrachten die via de schroefvijzel worden overgebracht. 3.4 SAMENDRUKBAARHEID EN ELASTICITEIT Samendrukbaarheid is een belangrijke eigenschap van de zandige grondbrij. In het geval de consistentie van onsamendrukbare grondbrij (vloeistofgeconditioneerde grondbrij) verandert, dan heeft dit effect op de afvoersnelheid en daarmee ook de ondersteuningsdruk. Stel dat de grondbrij in de werkkamer te vloeibaar wordt. Er wordt per tijdseenheid te vee1 rnateriaal afgevoerd omdat het gernakkelijk door de schroefvijzel stroomt. De druk in de werkkamer daalt dan onmiddellijk omdat het rnateriaal onsamendrukbaar is en als gevolg van de drukwisseling niet uitzet. De luchtbellen die zijn toegevoegd bij schuimconditionering zullen we1 uitzetten bij deze drukverlaging waardoor de ondersteuningsdruk langer gehandhaafd blijft en er meer tijd is om in te grijpen. 20