Ervaringen van de realisatie boortunnels RandstadRail Rotterdam

Transcriptie

1 Ervaringen van de realisatie boortunnels RandstadRail Rotterdam Ir. Diederik van Zanten Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam Figuur 1 Statenwegtracé (gestippeld weergegeven). Figuur 2 Twee enkelsporige tunnels. 1. Inleiding RANDSTADRAIL RandstadRail is een light-rail verbinding tussen Rotterdam, Den Haag en Zoetermeer. Met deze verbinding is het mogelijk om te reizen tussen (i) Rotterdam en Den Haag en (ii) Den Haag en Zoetermeer zonder over te stappen. Voor de verbinding tussen Rotterdam en Den Haag is voor een groot deel gebruik gemaakt van de Hofpleinlijn, de voormalige heavy-rail lijn van de Nederlandse Spoorwegen (NS). In Rotterdam is RandstadRail, bij metrostation Rotterdam Centraal, gekoppeld aan de metrolijn naar Rotterdam- Zuid. Om de Hofpleinlijn met het metrostation Rotterdam Centraal te verbinden, is een drie kilometer lange verbinding gerealiseerd. De verbinding volgt het zogenaamde Statenwegtracé (figuur 1). STATENWEGTRACÉ Het Statenwegtracé is, afgezien van de aansluiting op de Hofpleinlijn, volledig ondergronds aangelegd. Van het tracé is 80% (2,4 km) gerealiseerd met de boortechniek en 20% (0,6 km) middels open bouwputten. Met de boortechniek zijn twee enkelsporige tunnels, beide met een uitwendige diameter van 6,5 m, gerealiseerd (figuur 2). Ter hoogte van het St. Franciscus Gasthuis takt het Statenwegtracé aan op de Hofpleinlijn. De nieuwe verbinding passeert vanaf hier de spoorlijn Rotterdam-Gouda (de Goudse Lijn) alsmede de rijksweg A20 en het Noorderkanaal. Halverwege het tracé is het station Blijdorp gebouwd. Het tracé volgt over ruim een kilometer de Statenweg en passeert vervolgens het NS-emplacement van Rotterdam Centraal om vervolgens aan te sluiten op het metrostation Rotterdam Centraal. Voor het Statenwegtracé is betreffende het veiligheidsconcept het zogenaamde Safe Haven principe (veilige haven) als uitgangspunt gehanteerd. Dit betekent dat bij een calamiteit in de tunnel, zoals bijvoorbeeld een brandende trein, de treinen doorrijden naar de stations. Deze stations zijn ontworpen als een veilige haven, hetgeen betekent dat reizigers veilig kunnen vluchten. Investeringen en voorzieningen binnen de te bouwen objecten concentreren zich daarbij op de stations. Bij de exploitatie wordt veel aandacht besteed aan het materieel, de procedures en de opleiding om de veiligheidsketen te complementeren. Voor het geval dat een trein toch onverhoopt in de tunnel tot stilstand komt, zijn er tussen de boortunnels dwarsverbindingen aangebracht. Bij een calamiteit, zoals een stilstaande brandende trein, kunnen de reizigers via deze dwarsverbindingen naar een veilige tunnelbuis vluchten. De veilige tunnelbuis wordt hiertoe onder overdruk ge- 32 GEOTECHNIEK Januari 2011

2 Auteur De auteur was ontwerpleider tijdens de voorbereiding van de boortunnel en grondverbeteringen ( ) en heeft in de periode als projectleider zowel de uitvoering van de boortunnel alsmede de afbouw van het Statenwegtracé begeleid. Dankwoord Dit artikel is mede gebaseerd op ervaringen van een multi-disciplinair team, dat heeft gewerkt aan de succesvolle realisering van RandstadRail. Langs deze weg dank ik mijn collega s die vanuit hun vakgebied de inhoud van dit artikel hebben getoetst en aanwijzingen hebben gegeven voor de leesbaarheid. plaatst, opdat er geen rook via de dwarsverbindingen deze tunnel indringt. De afstand tussen de dwarsverbindingen bedraagt 350 m. BOUW STATENWEGTRACÉ De aanleg van het Statenwegtracé is gestart in maart De uitvoering hiervan werd ge daan door Saturn v.o.f. een aannemerscombinatie bestaande uit de firma s Dura Vermeer en Züblin. Het tunnelboorproces is gestart in december Het boorproces voor de twee tunnelbuizen is gereedgekomen in maart Op 16 augustus 2010 is het Statenwegtracé voor exploitatie in gebruik genomen. Dit artikel gaat in op enkele specifieke aspecten welke voor toekomstige boortunnelprojecten in stedelijk gebied interessant kunnen zijn, de onderwerpen zijn gerubriceerd naar (i) boortunnel, (ii) geotechniek en (iii) geluid en trillingen. 2. Boortunnel 2.1 KENMERKEN ALIGNEMENT De boortunnel van RandstadRail/Statenwegtracé ligt over het grootste deel van het boortunnel - tracé volledig in het Pleistocene zand. De krachtswerking in de tunnel is dan optimaal. Daarnaast is de kans op obstakels, welke het boorproces zouden kunnen hinderen, bij een dergelijke diepteligging kleiner dan bij ligging in de hoger gelegen Holocene lagen. Enkel bij de aansluitingen van de boortunnel op de conventioneel gebouwde delen: (i) de startschacht nabij de Goudse Lijn, (ii) station Blijdorp en (iii) de ontvangstschacht nabij het N.S.- emplacement, ligt de boortunnel gedeeltelijk in de Holocene kleilagen (figuur 3). De aansluitende conventioneel te bouwen tunneldelen zijn door de hogere ligging van de boortunnel dan goedkoper te realiseren. Het station Blijdorp heeft als maat voor bovenkant spoor (b.s.) NAP -18 m, het perron ligt op NAP -17 m. Bij het diepste punt van de tunnel is de bijbehorende b.s.-maat NAP -28,65 m. TUNNELLINING De boortunnel heeft een beoogde levensduur van 100 jaar. De tunnel is opgebouwd uit tunnel - ringen, die elk een breedte van 1,5 m en een dikte van 0,35 m hebben. De ringen zijn elk opgebouwd uit zeven segmenten en één sluitsteen. De ringen zijn onderling geplaatst in een halfsteensverband en zijn onderling gekoppeld door zogenaamde kom-nok verbindingen. De tunnelringen zijn op - gebouwd uit hoofdzakelijk betonnen segmenten. De betonkwaliteit van deze segmenten is B55. Er is gebruik gemaakt van zogenaamde uni-ringen met een tapsheid van 50 mm. Door deze tapsheid was het mogelijk de tunnel ook op die locaties te realiseren waar het tracé een horizontale bocht heeft met een straal van 240 m. GRONDVERBETERINGEN EN STALEN TUNNELLINING Bij de aansluiting van de boortunnel op de con - ventioneel gebouwde tunneldelen liggen de twee geboorde tunnels meer dan 50% in de Holocene klei. Op deze locaties zijn daarom aanvullende maatregelen genomen om de tunnel een stabiele ligging te geven en daarmee de levensduur van de tunnel te garanderen. Hierbij is (i) de grond verbeterd of (ii) een stalen tunnellining toegepast als vervanging van de betonnen tunnellining. Aansluitend op de startschacht is de Holocene grond over een lengte van ca. 60 m vervangen voor verdicht zand. Aansluitend op deze grondvervanging is de grond over een lengte van ca. 70 m verbeterd door het mengen van de grond met cement, welke onder een relatief lage druk van 6 bar in de grond is gebracht. Aan de zuidzijde van station Blijdorp ligt het pleistocene zand ca. 2 m dieper dan aan de noordzijde van het station. Bij de diepteligging van het station, zijnde NAP -17 m voor de perrons, liggen de boortunnels aan de zuidzijde van het station, ter hoogte van de kruising van de straten Statenweg en Stadhoudersweg, over een lengte van ca. 50 m voor meer dan 50% in de Holocene klei. Op deze locatie is daarom een stalen tunnellining toegepast. Aansluitend op de ontvangstschacht, welke naast het NS-emplacement is gelegen, zijn zowel een grondverbetering als een stalen lining toegepast. Daar waar de grond op een praktische wijze kon worden verbeterd, is dit gedaan middels de techniek van het jetgrouten. Onder het sporencomplex van het NS-emplacement bleek het vanwege de beperkte bereikbaarheid van deze locatie niet praktisch mogelijk de grond te verbeteren; op deze locatie is daarom een stalen lining toegepast. STALEN LINING De stalen lining is in ringrichting voorzien van permanente boutverbindingen, om in deze richting een momentstijve ring te realiseren. In de lengterichting hebben de stalen ringen een vlakke voeg. Ook tussen de tunnelringen is bij de stalen tunnel- Figuur 3 Verticaal alignement tunnel (grijs= antropogene grond, oranje=veen, groen=klei, geel=zand). 33 GEOTECHNIEK Januari 2011

3 lining gebruik gemaakt van permanente bout - verbindingen. Bij de overgang van een stalen naar een betonnen tunnellining is een kom-nok verbinding toegepast. De stalen lining is voorzien van (i) een coating en (ii) een kathodische bescherming om corrosie van de lining te voorkomen. De grootte van de beschermspanning is ca. 1V. De stalen tunnellining is over 5% van het totale boortunneltracé toegepast. De inbedding van de boortunnel in het Pleistocene zand varieert daar tussen 0,7 m en 3,25 m. 2.2 INMETINGEN TUNNELSEGMENTEN De tunnelsegmenten vormen een essentieel onderdeel van de geboorde tunnel. De kwaliteit van de maatvoering van de segmenten bepaalt voor een belangrijk deel de kwaliteit van de tunnel. Om de maatvoering van de tunnelsegmenten te borgen, zijn voorafgaand aan het productieproces de stalen bekistingsmallen ingemeten. Dit om te bepalen of deze kwalitatief voldoende waren om de segmenten Openingshoek Hoek langsvoegconiciteit Breedte Dikte Binnenstraal Buitenstraal Tolerantie +/- 0,02 (grote segmenten) +/- 0,01 (sluitsteen) +/- 0,04 (grote segmenten) +/- 0,01 (sluitsteen) +/- 0,3 mm +/- 2,0 mm +/- 1,5 mm +/- 2,0 mm Tabel 1 - Toleranties segmenten. binnen de gestelde tolerantie-eisen te kunnen realiseren. Vervolgens zijn ook de betonnen segmenten ingemeten. Uit de resultaten van de ingemeten betonnen segmenten is gebleken dat binnen de besteksmatig gestelde tolerantie-eisen kon worden geproduceerd. Om het productieproces te toetsen is vervolgens 10% van de tunnelsegmenten ingemeten met behulp van een zogenaamde lasertracker. Enkele maximaal toelaatbare afwijkingen zijn weerge geven in tabel 1. De ingemeten segmenten voldeden doorgaans aan de gestelde eisen voor de afmetingen. In de overige gevallen waren de afwijkingen dermate gering dat er vanuit de opdrachtgever geen noodzaak was om aanpassingen in het productieproces te eisen, danwel segmenten af te keuren. 2.3 Krachtsoverdracht kom-nok verbinding PROEFNEMINGEN De tunnelsegmenten zijn voorafgaande aan de seriematige productie beproefd op sterkte. Hierbij zijn onder andere de zogenaamde kom-nok verbindingen tussen de tunnelringen tot be zwijken beproefd. In figuur 4 is de proefopstelling weer - gegeven. In de proefopstelling zijn drie seg - menten op een rij geplaatst. Vervolgens is het middelste segment belast. Elk segment heeft twee kommen en twee nokken. In één proef konden dan vier kom-nok verbindingen worden getest. Op de kom zijn zogenaamde Kaubietstroken aan - gebracht, die de krachtoverdracht tussen kom en nok verzorgen. Per kom-nok verbinding zijn twee Kaubietstroken van elk 80 mm breed aangebracht. In het ontwerp was voorzien dat de binnenzijde van de komconstructie maatgevend voor de krachtsoverdracht tussen kom en nok zou zijn. Dit volgde ook uit de proeven. Er zijn twee proevenseries uitgevoerd. De eerste serie van drie proefnemingen betroffen segmenten met een betondekking van de kom van 40 mm. Bij deze configuratie was de opneembare afschuifkracht 200 kn. Vervolgens is een tweede serie van drie proefnemingen uitgevoerd, waarbij de betondekking was verkleind tot 20 mm. De opneembare afschuifkracht bleek kn per kom-nok te zijn. Uit de beproevingen van de kom-nok verbinding werd geconcludeerd dat de ligging van de wapening in de kom bepalend is voor de grootte van de bezwijk-afschuifkracht. BEREKENINGEN De berekeningen, die waren uitgevoerd voorafgaande aan de beproevingen, hadden als basis de toelaatbare betonspanning conform NEN Hierbij is: f bo toelaatbare betonspanning bij oplegging [N/mm 2 ] f b rekenwaarde druksterkte beton [N/mm 2 ] a l lengte lastvlak [m] a b breedte lastvlak (Kaubietstrook) [m] l en b kleinste waarden van een aantal combinaties; zie hiervoor NEN 6720 [m] Uitgaande van een oplegvlak van ca mm 2 levert voornoemde spanning een oplegkracht van 236 kn per Kaubietstrook. Rekening houdend met Figuur 4 Beproeving kom nok van de segmenten (TU Delft). Figuur 5 Detail wapening kom type W2. 34 GEOTECHNIEK Januari 2011

4 ERVARINGEN REALISATIE BOORTUNNELS RANDSTADRAIL ROTTERDAM het feit dat er twee Kaubietstroken zijn en dat de oplegspanning een hoek van 36,3 heeft met de afschuifrichting, betekent dit een berekende afschuifkracht per kom-nok verbinding van 380 kn. CONCLUSIE In vergelijking met de berekende krachten bleken de uit de beproeving volgende opneembare krachten kleiner. De afschuifkrachten volgend uit de proefnemingen waren echter groter dan de benodigde op te nemen krachten. Daarom heeft geen analyse meer plaatsgevonden van de berekeningen van de kom nokverbinding. De resultaten van de proefne - mingen waren in dit geval leidend. De uitvoering van proeven voor dit kritieke constructieonderdeel waren nodig om inzicht en vertrouwen te krijgen in de opneembare kom-nok kracht. SEGMENTEN Uiteindelijk zijn er twee typen segmenten gemaakt, zijnde type W1 en W2. Type W1 verschilt van W2 op (i) de toegepaste wapening en (ii) de betondekking van de komconstructie. Bij type W1 is de betondekking 20 mm en geldt dat de dekking 10 mm groter mag worden, maar niet kleiner. Bij het type W2 (figuur 5) is de betondekking 15 mm en geldt dat de dekking 5 mm groter mag worden, maar niet kleiner. Voor de tunnelsegmenten type W2 is de wapening in de kom verzinkt uitgevoerd om nadelige consequenties voor de levensduur van de constructie te voorkomen. De tunnelsegmenten type W2 zijn toegepast op die locaties waar de tunnel zwaar wordt belast, zoals in de Holocene klei. De tunnelsegmenten type W1 zijn toegepast op de overige delen waar de tunnel minder wordt belast, zoals in het Pleistocene zand. 2.4 Gerealiseerde tunnel MODEL De tunnellining is berekend middels een zogenaamd dubbelrings verenmodel. Er zijn zeven even grote segmenten gemodelleerd. In dit model is de sluitsteen niet gemodelleerd. De stijfheid van de grond is gemodelleerd middels radiale veren, het gedrag van de langsvoegen met momentveren (figuur 6). De interactie tussen de tunnelringen via de kom- en nokverbindingen wordt gemodelleerd met zogenaamde koppelstaafjes. BELASTINGCOMBINATIES Bij de berekening van de tunnel zijn verschillende belastingcombinaties beschouwd. Uit de bere - keningen bleken twee belastingcombinaties dominant, te weten (i) de combinatie waarbij de verticale lasten en daarmee de ovaliserende belasting werd gemaximaliseerd en (ii) de combinatie, waarbij de tunnel als gevolg van een calamiteit volledig is volgelopen met water, waardoor de normaaldrukkracht in de tunnelring sterk reduceert. In alle belastingcombinaties zijn de reguliere korrel- en waterdrukken en het eigen gewicht van de constructie meegenomen. SPECIFIEK BELASTINGGEVAL Bij ligging van de tunnel in de Holocene klei is een extra belastinggeval toegepast. De tunnel wordt dan namelijk belast door negatieve kleef; een belasting volgend uit de primaire en seculaire zetting van de slappe Holocene lagen rond de tunnel. De grond rond de boortunnel zakt, terwijl de boortunnel niet zet. Deze is namelijk in de Pleistocene zandlaag gefundeerd. Voor de bepaling van de grootte van de negatieve kleef zijn de volgende formules gehanteerd: P v = 0,4 h E oed;rep;100 jaar;z / R P h = 0,1 h E oed;rep;100 jaar;z / R h = z Hierbij is: P v vertikaal, neerwaarts gericht, gelijkmatig verdeelde belasting over de breedte van de tunnel [kn/m²]; P h horizontaal, gelijkmatig verdeelde belasting over de hoogte van de tunnel in het Holocene pakket en werkend vanaf dak tunnel tot het as-niveau van de tunnel [kn/m 2 ]; h representatieve waarde van de zetting over de hoogte van de tunnel [m]; z de hoogte waarmee de tunnel boven het draagkrachtige zand uitsteekt [m]; representatieve waarde van de verticale rek (samendrukking) van de (klei)laag op t=100 jaar [-]; E oed;rep;100 jaar;z representatieve waarde voor de oedometerstijfheid van de klei [kn/m 2 ], rekeninghoudend met kruip en gemiddeld effectief spanningsniveau tussen dak en as tunnel over 100 jaar; R de straal van de tunnel gemeten t.o.v. de buitenzijde van de tunnel [m];, factoren conform tabel 2. Voor de berekening van de stalen lining onder het NS-emplacement, welke voor ca. 75 is ingebed in het Pleistocene zand geeft voornoemde een extra verticale belasting van 150 kpa, waardoor de ovaliserende belasting op de tunnellining met een factor 1,7 toeneemt. VEILIGHEIDSFACTOREN Bij de uitwerking van de tunnellining zijn overallveiligheidsfactoren toegepast. De grootte hiervan is weergegeven in tabel 3. Figuur 6 Schematische weergave tunnel-/ verenmodel. Inbeddingshoek > 180 0,4 0,1 >135 <180 0,5 0,06 < 135 0,5 0 Tabel 2 Factoren berekening negatieve kleef. Stalen lining Betonnen lining Reguliere belastingcombinatie 1,5 1,7 Calamiteit van volgelopen tunnel 1,2 1,15 Tabel 3 Toegepaste overall-veiligheden. Noot: - Voor de schuifkracht in de langsvoegen is bij de betonnen tunnellining een veiligheidsfactor van 2 aangehouden. - Voor de belasting vanuit de vijzelkrachten zijn verschillende veiligheidscoëfficiënten gehanteerd. Voor de bedrijfsvijzelkrachten zijn de veiligheidsfactoren 2,1 voor de betondruk - spanning en 1,75 voor de splijtwapening. Voor de stalen segmenten is de veiligheidscoëfficiënt dan 1,75. Bij toetsing ten opzichte van de geïnstalleerde vijzelkrachten zijn de gehanteerde veiligheden een factor 1,46 lager. 35 GEOTECHNIEK Januari 2011

5 VERVORMINGEN Op basis van voornoemde berekeningswijze wordt voor de tunnel een zogenaamd liggende ver - vorming berekend; de breedte van de tunnel is dan iets groter dan de hoogte. kwalitatief goede segmenten, (iii) een goede TBM, (iv) een goed voorbereid boorproces en (v) 24-uurs toezicht heeft geresulteerd in een beperkt aantal schades. Per tunnel is dit weergegeven in tabel 4. Er is duidelijk sprake van een leerproces. Na een aanloopfase is het aantal schades sterk afgenomen. Dit type vervorming wordt berekend voor het belastinggeval direct na gereedkomen van de De schades zijn tijdens het boorproces, danwel direct daarna gerepareerd. tunnel, oftewel de bouwfase (t=0), maar ook voor het belastinggeval na 100 jaar (t=100) als de negatieve kleef haar rekentechnisch maximale waarde bereikt. SCHILDSTAART Om te bezien of de segmenten goed en spanningsvrij konden worden ingebouwd, zijn de reguliere metingen naar de luchtmaat uitgevoerd. Hierbij Bij het boorproces is de tunnel ingemeten na gereedkomen van de tunnelsectie. Deze inmetingen zijn per tunnelbuis uitgevoerd op de 22 locaties, waar ook berekeningen waren uitgevoerd voor de tunnel. De vervorming van de tunnel was zeer beperkt, orde 1-5 mm aan ovalisering, met een enkele uitschieter tot 10 mm. Uit de metingen volgde dat een groot deel van de tunnel een zogenaamd staande vervorming liet zien; dat betekent dat de hoogte van de tunnel iets groter dan de breedte was geworden. Ca. 50% van de door - sneden gaf een staande vervorming weer, ca. 30% gaf een liggende vervorming weer. Voor de overige 20% was de vervorming dermate gering of wordt de ruimte tussen de schildstaart (achterzijde van de TBM) en de gebouwde tunnelring gemeten. Naast voornoemde metingen zijn op het trajectdeel tussen het St. Franciscus Gasthuis en het station Blijdorp ook metingen verricht naar de absolute vervorming van de schildstaart. Deze metingen zijn uitgevoerd in 3 raaien over de 3,65 m lange schildstaart. De vervorming van de schildstaart, welke een variabele dikte had van 5 tot 6 cm, was in voornoemd trajectdeel kleiner dan 1 cm. De invloed van de vervorming van de schildstaart was dermate klein dat deze geen wezenlijk effect heeft gehad op het inbouwen van de segmenten. dermate diffuus dat een indeling in voornoemde categorieën niet mogelijk bleek. Gezien de resultaten 3. Geotechniek van de inmetingen wordt geconcludeerd dat het gehanteerde rekenmodel de optredende vervormingen van de tunnel voor de bouwfase niet adequaat weergeeft. De wapening is echter uitgelegd op (i) een aanmerkelijk grotere vervorming en (ii) symmetrisch uitgevoerd, waardoor de tunnel binnen de randvoorwaarden van het ontwerp is gebouwd. De boortunnel zal in de loop van de tijd door de beheerder worden ingemeten. Hierdoor wordt de vervorming van de tunnel in de tijd ook inzichtelijk. Dit kan mogelijk meer informatie geven over de ontwikkeling van de negatieve kleef alsmede de effectiviteit van het gehanteerde rekenmodel. 3.1 GEOTECHNISCH ONDERZOEK In de ontwerpfase van de boortunnel werd het veldonderzoek voor vier disciplines, zijnde (i) geotechniek, (ii) geohydrologie, (iii) milieu en (iv) archeologie, tegelijkertijd uitgevoerd. Dit resulteerde in een efficiënt uitgevoerd onderzoek en beperking van overlast naar de omgeving. Daarnaast gaf het een kruisbestuiving tussen de verschillende disciplines. Bij het geotechnisch veldonderzoek zijn onder meer sonderingen, boringen, conuspressiometerproeven en vintesten uitgevoerd. Met de sonderingen bleek het mogelijk op een snelle en eenvoudige manier inzicht te krijgen in de grondopbouw. Het uitgangspunt was SCHADES De combinatie van (i) een kundige boorploeg, (ii) een afstand tussen de sonderingen van ca. 25 m (per tunnelbuis) over de gehele lengte van het Aantal segmenten Percentage beschadigde segmenten 1e tunnel (westbuis) 105, waarvan: 0,8% 1575 ringen - 30 bij de eerste 261 ringen - 1,4% - 68 bij de volgende 648 ringen - 1,3% - 7 bij de volgende 666 ringen - 0,1% 2e tunnel (oostbuis) 1552 ringen 29 0,2% Tabel 4 - Schade percentages segmenten. boortunneltracé. Het grondonderzoek is vervolgens geïntensiveerd voor die locaties waar de boortunnel in de Holocene grondlagen is gelegen, aangezien op deze locaties de krachtswerking in de tunnellining sterk afhankelijk is van de mate waarin de tunnel in de Holocene klei ligt. De afstand van 25 m tussen de sonderingen bleek achteraf ook noodzakelijk, aangezien op verschillende locaties smalle geulen in het Pleistocene zand aanwezig zijn. In figuur 7 is een sondering (FG 471) ten noorden van de rijksweg A20 weergegeven. Het Pleistocene zand wordt hier aangetroffen op een diepte van NAP -26 m. Het Pleistocene zand ligt hier ongeveer 10 m dieper dan gemiddeld in Rotterdam; zie hiertoe sondering FG353. De diepteligging van de tunnel is tijdens het ontwerp voor deze locatie dan ook aangepast. 3.2 BOORPROCES Het boorproces is in december 2005 nabij het St. Franciscus Gasthuis, aan de noordzijde van Rotterdam, begonnen. Vervolgens is in zuidelijke richting naar station Blijdorp en de ontvangstschacht bij het station Rotterdam Centraal geboord. Nadat in maart 2007 het boorproces voor de eerste, westelijke, tunnelbuis was afgerond is de TBM in de nachten van 22 op 23 april en van 13 op 14 mei 2007 in delen terug naar de startschacht getransporteerd voor het boren van de tweede, oostelijk gelegen, tunnelbuis. Tijdens het boorproces is de bebouwing langs de Statenweg ingemeten. Invloed van het boorproces op deze bebouwing is niet gebleken, mede gezien de grote afstand van de boortunnels tot de be bouwing (10 à 25 m). Er zijn ook verschillende aspecten in de ondergrond gemeten. Hierbij zijn te noemen: (i) zettingen maaiveld, (ii) horizontale en verticale vervormingen in de ondergrond, (iii) waterspanningen en (iv) trillingen. Daarnaast zijn in de tunnelboormachine de reguliere data gemeten, zoals boordrukken, groutdrukken, etc.. BOORPARAMETERS Bij het boorproces zijn de ingestelde boordrukken gericht op de minimaal toelaatbare waarde. Bij de bepaling van de toelaatbare waarden, zijn veiligheidsfactoren gehanteerd. Dit heeft tot gevolg gehad dat ondanks dat de boordruk gericht was op de minimaal toelaatbare waarde met relatief hoge boordrukken is geboord. Grofweg is geboord met een boordruk die de neutrale gronddruk benadert. De ingestelde groutdrukken waren gericht op de maximaal toelaatbare waarden. Voor de hoeveelheid grout is een waarde van ca. 20% boven de rekentechnische hoeveelheid grout aangehouden. Voor het grout waren twee typen voorhanden, te 36 GEOTECHNIEK Januari 2011

6 ERVARINGEN REALISATIE BOORTUNNELS RANDSTADRAIL ROTTERDAM weten (i) groutmengsel voor ligging van de tunnel in de oorspronkelijke grondlagen en (ii) groutmengsel voor ligging van de tunnel in de weinig tot niet drainerende grondverbeteringen en dichtblokken. BOORSNELHEID Bij het boren is door verschillende grondlagen geboord. De snelheid van het boren werd afgestemd op de te doorboren grondlaag. Op die locaties waar de oorspronkelijke grond aanwezig was, is een boorsnelheid van ca. 40 mm/minuut aangehouden. Bij de grondverbeteringen bestaande uit mixed in place en jetgroutkolommen was de boorsnelheid 20 mm/minuut. Bij het doorboren van de diepwandpanelen (betonkwaliteit B25) was de boorsnelheid orde 1 mm/minuut. FUNDERINGSPALEN In het boortracé waren funderingspalen aanwezig. De meeste palen zijn voorafgaande aan het boorproces verwijderd. Bij de spoorlijn Rotterdam- Gouda (Goudse lijn) zat echter een op houten palen gefundeerde duiker in de grond. De palen zijn hier niet getrokken om de invloed van het werk op de exploitatie van de Goudse Lijn niet te veel te beïnvloeden. Op deze locatie is in korte buitendienststellingen per spoor de bovenbouw van de duiker welke op de palen rustte verwijderd. Tijdens voornoemde buitendienststelling zijn op de bovenzijde van de palen zogenaamd kleipotten geplaatst, welke moeten voorkomen dat de belasting vanuit de treinen enkel via de palen naar de ondergrond worden gebracht en daarmee als een puntlast op de boortunnel zouden komen. De palen zijn vervolgens ingepakt met een zogenaamde hard gel, bestaande uit (i) water (ca. 300 l/m 3 ), (ii) waterglas (ca. 600 l/m 3 ) en (iii) een harder (ca. 100 l/m 3 ), om te zorgen dat de palen stevig zijn ingebed. Vervolgens zijn de palen met de tunnelboormachine succesvol doorboord. GLASVEZELWAPENING In de buitenste diepwanden van de dichtblokken van het station Blijdorp is glasvezelwapening toegepast. Het doorboren hiervan verliep zonder problemen. ZETTINGEN Gemiddeld zijn bij het reguliere boorproces maaiveldzettingen in orde van mm gemeten. De maximaal gemeten maaiveldzetting per tunnelbuis is ca. 30 mm. Bij passage van de 2 tunnel - buizen was de maximaal gemeten maaiveldzetting ca. 42 mm. De contractuele eis hiervoor was 25 mm. De hogere maaiveldzettingen hebben, voor zover bekend, geen gevolgen gehad voor omliggende constructies. Voor de prognose van maaiveldzettingen wordt veelal de formule van Peck gebruikt. In deze formule moeten twee ervaringsparameters worden ingevuld, te weten de steilheid van de zettingstrog (k) en het volume van de zettingstrog (V). Figuur 7 Standaard Rotterdamse sondering (links); sondering in geul (rechts). 37 GEOTECHNIEK Januari 2011

7 Westbuis Oostbuis Uitgangspunt ontwerp Rechte kolommen Schuine kolommen Volumeverlies [-] 1,1% 1,5% 0,5% (gemiddelde) 1% (bovengrens) 0,2% (toeslag bij boren in een bocht) k-waarde [-] 0,35 0,36 0,4 Tabel 5 Zettingsparameters. Gemiddelde sterkte 7,9 [N/mm 2 ] 6,5 [N/mm 2 ] Standaard afwijking sterkte 2,45 [N/mm 2 ] 2,6 [N/mm 2 ] Aantal waarnemingen 30 [-] 54 [-] Tabel 6 28-daagse sterkte jetgroutkolommen, gemeten aan de hand van de retourspecie. Figuur 8 - Zetting grondlagen boven de tunnel als functie van de diepte, locatie sportvelden. Figuur 9 - Schuin jetgrouten onder sporen NS-emplacement Onderstaand is de formule van Peck weergegeven. Hierbij is: s;x zetting op afstand x uit hart tunnel [m] max maximale zetting [m] V volume zettingstrog [m 3 /m] i horizontale afstand tussen hart tunnelbuis en buigpunt zettingskromme [m] x horizontale afstand vanaf hart tunnel [m] k constante afhankelijk van de grondsoort [-] z 0 afstand maaiveld tot tunnelas [m] Op basis van de resultaten van de 22 meetraaien is teruggerekend wat het gemiddelde van voornoemde parameters is. In tabel 5 is (i) het zogenaamde volumeverlies, als percentage van het volume van de tunnel, en (ii) de k-waarde weer - gegeven. In deze tabel is ook weergegeven waar in het ontwerp vanuit is gegaan. Er is een struc - tureel grotere zetting opgetreden dan verwacht. In figuur 8 is de zetting van de grond als functie van de diepte weergegeven voor een meetlocatie bij de sportvelden, die ten noorden van de A20 zijn gelegen. De bovenkant van de boortunnel bevindt zich op een niveau van ca. NAP -23 m. Op beperkte afstand van de tunnelboormachine/tunnel zijn zettingen gemeten van ca. 40 mm, terwijl de vervorming aan maaiveld ca. 15 mm bedraagt. 3.3 JETGROUTEN Voorafgaande aan en gedurende het tunnelboorproces werd in de nabijheid van het NS-emplacement een grondverbetering middels jetgroutkolommen gerealiseerd. Deze jetgroutkolommen zijn in blokvorm geplaatst, zodat na passage van de TBM rond de tunnel ten minste 2,5 m jetgrout aanwezig is. Op deze wijze krijgt de tunnel een stevige inbedding en is de levensduur van de tunnel, zijnde 100 jaar, gegarandeerd. De jetgroutkolommen zijn zowel verticaal als schuin aangebracht. Reden om de kolommen schuin (figuur 9) aan te brengen is gelegen in het feit dat lokaal onder de sporen van het NS-emplacement moest worden gejetgrout. Dit is uitgevoerd vanaf een verhoogd platform ten zuiden van het NS-em - placement. De maximale helling waaronder is gejetgrout is 45 graden. Bij de uitvoering van het jetgrouten is gemeten aan de bereikte sterkte van de kolommen en aan de invloed van het jetgrouten op de omgeving. Het testen van de sterkte van de kolommen is uitgevoerd door de uitvoering van druktesten op uitgeharde retourspecie en op monsters van kern - boringen. Uit de metingen naar de sterkte kwam naar voren dat er een grote spreiding in de sterkte aanwezig is (tabel 6). De contractuele eis voor de jetgroutkolommen was een 5% ondergrens van de druksterkte van 2 N/mm 2 (28-daagse sterkte). Enkele gehanteerde parameters: Water-cement factor: 1,0; Treksnelheid voorsnijden: m/uur; Treksnelheid jetgrouten: 12 m/uur. De invloed van het jetgrouten op de omgeving was duidelijk merkbaar. Als gevolg van het jetgrouten kwam het meest zuidelijke spoor van het NS-emplacement meerdere centimeters omhoog. Aan - gezien deze verhoging over een lange zone optrad, had dit geen effect voor het treinverkeer. Uit hellingmetingen volgde dat er horizontale vervormingen van meerdere centimeters optraden in de ondergrond (figuur 10). De vermoedelijke oorzaak van de grondvervor - mingen is het ontstaan van wateroverspanningen tijdens het jetgrouten, welke kunnen optreden bij stops in de retourspecie. Uit metingen bleek dat wateroverspanningen tot ten minste 25 kpa kunnen optreden op een afstand van ca. 5 m tot de jetgroutkolom in de Holocene grondlagen. 3.4 ANKERS WEENAHAL Tijdens de uitvoering van het werk werd gecon - stateerd dat er nog in gebruik zijnde groutankers, 38 GEOTECHNIEK Januari 2011

8 ERVARINGEN REALISATIE BOORTUNNELS RANDSTADRAIL ROTTERDAM Figuur 11 - Ankers in boortunneltracé. Figuur 10 - Horizontale vervormingen jetgrouten. bestaande uit Dywidag staven, aanwezig waren. Deze groutankers zaten onder het spooremplacement nabij Rotterdam Centraal en kruisten het alignement van de tunnel (figuur 11). Besloten is om een vervangende verankering middels groutankers toe te passen. Voor de te ver - wijderen groutankers is een bouwkuip direct naast het spoor geformeerd. De bestaande ankers zijn tot en met de groutprop losgeboord, waarna het anker kon worden verwijderd. De ontstane ruimte is vervolgens volgegrout. Voorafgaande aan de passage van de tunnelboormachine zijn op voornoemde wijze 44 groutankers succesvol verwijderd. Figuur 12 - Uitboren groutankers in bouwkuip (foto Dick Sellenraad, Aeroview). 4. Geluid en trillingen 4.1 LAAGFREQUENT GELUID SCHEIDINGSINSTALLATIE De toegepaste tunnelboormachine (TBM) was uitgerust met een slurry-schild. Als slurry is bentoniet gebruikt ten behoeve van enerzijds de stabiliteit van het boorfront en anderzijds als transport - medium om de afgegraven grond te verpompen. Om de grond van de bentoniet te scheiden is een scheidingsinstallatie nodig. Deze scheidingsinstal- Figuur 13 - Scheidingsinstallatie nabij ziekenhuis (foto Dick Sellenraad, Aeroview). 39 GEOTECHNIEK Januari 2011

9 Figuur 14 - Geluidsmetingen scheidingsinstallatie. Figuur 15 - Spoorlijn Rotterdam-Gouda (foto Dick Sellenraad, Aeroview). latie, met een capaciteit van ca m 3 /uur, was opgebouwd nabij de startschacht. De afstand van de scheidingsinstallatie tot enerzijds de startschacht en anderzijds het nabijgelegen ziekenhuis St. Franciscus Gasthuis, was respectievelijk ca. 100 en 200 m (figuur 13). De scheidingsinstallatie was modulair opgebouwd middels containers en was met de bijbehorende silo s gefundeerd op prefab-betonpalen. Tussen de containers en de funderingsplaat waren trillingsdempers aangebracht. Om de invloed van de scheidingsinstallatie naar de omgeving en met name het nabij gelegen ziekenhuis te bezien zijn trilling- en geluidmetingen verricht. De trillingen naar de omgeving bleken niet noemenswaardig. Bij de geluidmetingen is specifieke aandacht gegeven aan laagfrequent geluid. De laagfrequent geluidmetingen zijn uitgevoerd nabij de scheidingsinstallatie voor een bronmeting. Daarnaast zijn metingen uitgevoerd aan de gevel van het ziekenhuis en binnen het ziekenhuis. Bij een woning aan de Gordelweg, welke op een afstand van ca. 350 meter van de scheidingsinstallatie was gelegen, zijn dezelfde soort metingen, derhalve aan de gevel en binnen de woning, uitgevoerd. De resultaten van enkele metingen van laag - frequent geluid zijn weergegeven in figuur 14. In deze grafiek zijn zowel de bronmetingen van de scheidingsinstallatie weergegeven alsmede de metingen binnen in het ziekenhuis en binnen de woning aan de Gordelweg. In de grafiek is daarnaast het toetsingscriterium weergegeven. Het achtergrondgeluid bij het ziekenhuis is groter dan bij de Gordelweg. De invloed van de schei - dingsinstallatie is bij het ziekenhuis dan ook nauwelijks meetbaar. De invloed van de schei - dings installatie bij de woning op de Gordelweg is duidelijk zichtbaar in de lagere terts banden. Naast voornoemde metingen bij een actief boorproces (bentoniet inclusief te scheiden materiaal) zijn ook metingen uitgevoerd bij een stilstaand boorproces (enkel recirculatie van de bentoniet). De resultaten van deze metingen weken niet sterk van elkaar af. Opvallend was wel dat de piek ter hoogte van de tertsband 31,5 Hz sterker zichtbaar was bij een belaste installatie dan bij een niet belaste installatie. Het verschil tussen de metingen aan de gevel en de metingen binnen is afhankelijk van de locatie en de tertsband, en varieerde tussen 6 en 25 db. Er hebben zich voor zover bekend geen laag - frequente verschijnselen voorgedaan in het ziekenhuis en in de woonomgeving. 4.2 TRILLINGEN BOORPROCES De tunnelboormachine moest vrijwel direct na de start van het boorproces de spoorlijn tussen Rotterdam en Gouda (Goudse Lijn) kruisen. Deze spoorlijn ligt op een antropogeen zandbed met een maximale dikte van ca. 14 m. Deze zandlaag is gevoelig voor (gedeeltelijke) verweking en voor zetting als gevolg van verdichting. De relatieve dichtheid van het zand in het zandbed is namelijk zeer laag, circa 20%-30%. Voor de passage van de boortunnel met de spoorlijn is gezien deze lage relatieve dichtheid een pakket van maatregelen doorgevoerd. Zo zijn aan weerszijden van het baanlichaam grondverbeteringen en ophogingen aangebracht om het baanlichaam op te sluiten. Daarnaast is soft-gel in het zandpakket geïn - jecteerd (figuur 15). Tijdens de passage van de tunnelboormachine is de freatische waterstand ca. 2 meter verlaagd om de korrelspanning te verhogen en zo het risico van verwerking te verkleinen. Dit alles met als doel een gecontroleerde passage van de tunnelboormachine met de spoorlijn mogelijk te maken. INJECTIE VAN SOFT-GEL De gel betrof een zogenaamde soft-gel, bestaande uit (i) water (ca. 545 l/m 3 ), (ii) waterglas (ca. 400 l/m 3 ) en (iii) een harder (ca. 55 l/m 3 ). Bij het injecteren van de gel traden wateroverspanningen op in de orde van 10 kpa en is een maximale opwaartse verplaatsing van het baanlichaam van 20 mm gemeten. TRILLINGEN TBM In het traject tot aan de spoorlijn zijn de trillingen als gevolg van de TBM gemeten. Eén van de resultaten is weergegeven in figuur 16. Deze meting heeft plaatsgevonden ter hoogte van de as van de TBM (ca. NAP -15 m) en op een horizontale afstand van de TBM van ca. 1 m. De metingen gaven aan dat het bronvermogen van de TBM piekwaarden aan trillingen kan geven van ca. 10 mm/s. De bijbehorende frequentie van deze trillingen is orde Hz. In het contract met de aannemer waren geen eisen gesteld aan de trillingen van de TBM. 40 GEOTECHNIEK Januari 2011

10 ERVARINGEN REALISATIE BOORTUNNELS RANDSTADRAIL ROTTERDAM Figuur 16 - Trillingen boorproces diepte NAP -14,5 m. Figuur 17 - Locatie metingen trillingen bij passerende trein (locatie Statenweg-Gordelweg). Trillingen zouden kunnen leiden tot herschikking van de korrels van het antropogene zandbed onder de Goudse Lijn. Voor de zogenaamde drempelwaarde van de relatieve versnelling, waar herschikking van de korrels bij plaatsvindt, is in het ontwerp uitgegaan van 0,05g voor zand met een relatieve dichtheid van 20%. Dit betekent dat bij een versnelling van 0,5 m/s 2 herschikking van de korrels op kan treden. In het ontwerp is echter opgenomen dat het antropogene zand in de nabijheid van de boortunnel wordt behandeld met een gel, waardoor herschikking van de korrels en derhalve (gedeeltelijke) verweking van dit deel van het losgepakte antropogene zand niet meer mogelijk is. Het deel van het antropogene zand dat niet behandeld is met gel heeft een drempelwaarde van ca. 0,1g. Voor de bepaling van de drempelwaarde is de volgende formule gehanteerd (CUR 166): Hierbij is: 0 drempelwaarde, relatief ten opzichte van vrije valversnelling [-] D,0 relatieve dichtheid zand [-] B empirische factor, waar een waarde van 4 voor is aangehouden [-] In de onbehandelde zandlaag, op een afstand van ca. 2,5 m ten opzichte van bovenzijde TBM traden als gevolg van het boorproces trillingen op van ca. 2 mm/s. Bij een frequentie van 10 tot 15 Hz leidt dit tot versnellingen van ca. 0,2 m/s 2. Dit betekent een relatieve versnelling van 0,02g; aanmerkelijk minder dan de gestelde drempelwaarde. Daarnaast bleken de trillingen van de treinen gelijksoortige trillingen op te leveren. Bij de passage van de TBM met het spoor van de Goudse Lijn zijn de maaiveldzettingen en de vervorming van het spoor gemeten. De zetting van het maaiveld was maximaal ca. 15 mm. Gedurende het boorproces is het spoor binnen de door Pro- Rail gestelde eisen gebleven voor verschuiving, scheluwte en verkanting. Er waren dan ook geen onderstopacties nodig om de ligging van het spoor te herstellen. Het effect van de trillingen op de optredende zettingen is niet bekend, maar wordt gezien het voorgaande beperkt geacht. 4.3 TRILLINGEN TREIN Tijdens het test- en proefbedrijf van RandstadRail zijn metingen verricht naar trillingen als gevolg van het rijden van de light-rail voertuigen (type RSG3) door de geboorde tunnels. Hierbij zijn de metingen verricht op achtereenvolgens (i) railopstorten, (ii) tunnelwand en (iii) de ondergrond en maaiveld, zie figuur 17. De metingen zijn uitgevoerd (i) op een locatie waar een reguliere vaste railbevestiging is gebruikt en (ii) op een locatie waar de rail was opgelegd op een zogenaamde afgeveerde plaat. De afgeveerde plaat is aangebracht om trillingen naar de grond toe te beperken. Uit de metingen kwam naar voren dat bij een rijsnelheid van de treinen van 100 km/uur ter hoogte van de railstoelen trillingen tot maximaal 2 mm/s werden gemeten. Ter plaatse van de afgeveerde plaat werden in de trillingsmetingen twee pieken waargenomen, één bij een lage frequentie van Hz en één bij Hz. Bij de reguliere vaste railbevestiging werd slechts één piek aangetroffen, bij Hz. De trillingen gemeten aan de tunnellining waren een factor 10 kleiner dan de trillingen op de railstoelen. In de ondergrond werden bij de locatie waar de vaste railbevestiging aanwezig is geen substantiële trillingen gemeten in de ondergrond. Bij de locatie waar de afgeveerde plaat aanwezig is, werden nog wel enige trillingen in de ondergrond gemeten. Deze hadden een lage frequentie (ca. 15 Hz) en hadden als maximale grootte orde 0,2 mm/s. 5. Conclusies en aanbevelingen De geboorde tunnels van RandstadRail in Rotterdam zijn succesvol gerealiseerd. Afgezien van het onverwachte obstakel van de ankers Weenahal hebben zich geen moeilijkheden voorgedaan. Binnen het contract waren diverse proefnemingen van de segmenten voorzien. Deze proefnemingen hebben er aan toe bijgedragen dat een zeer de gelijke tunnel is gerealiseerd. De uitvoering van beproevingen op segmenten, voorafgaand aan de reguliere productie van de segmenten is dan ook een aanbeveling voor volgende boor - tunnelprojecten. De optredende zettingen als gevolg van het boorproces waren substantieel groter dan verwacht, maar gaven geen probleem naar de omgeving. Het optreden van grotere zettingen is echter een duidelijk aandachtspunt voor toekomstige boortunnelprojecten, waarbij de gevoeligheid voor zettingen groot is. Voorafgaand aan het boorproces was er zorg dat de scheidingsinstallatie als gevolg van laag - frequent geluid hinder zou kunnen veroorzaken naar de omgeving. Deze zorg werd niet bewaarheid. Het is echter een fenomeen waar nog relatief weinig ervaring mee is. Het verdient dan ook aanbeveling om bij volgende boortunnelprojecten hier de nodige aandacht aan te schenken. 41 GEOTECHNIEK Januari 2011