CONCEPT. K Evaluatierapport Tweede Heinenoordtunnel

Transcriptie

1 CONCEPT K Evaluatierapport Tweede Heinenoordtunnel VERSIE 5 MAART 2004

2

3

4 VOORWOORD...1 SAMENVATTING EN CONCLUSIES...3 HOOFDSTUK INLEIDING Kennisopbouw via praktijkonderzoek naar boortunnels Doelstelling van het evaluatierapport Leeswijzer...7 HOOFDSTUK MONITORING VAN DE TWEEDE HEINENOORDTUNNEL Het project Tweede Heinenoordtunnel Algemeen Bodemgesteldheid bij de Tweede Heinenoordtunnel Boortechnologie Tunnelconstructie Onderzoeksdoelen, predicties, metingen en evaluaties Inleiding Onderzoeksdoelen Predicties Metingen en experimenten bij de Tweede Heinenoordtunnel Werkwijze en overzicht van uitgevoerde evaluaties...19 HOOFDSTUK EVALUATIE VAN BOORPROCES PARAMETERS Inleiding Vormgeving van de snijtanden op de boorkop Groutdrukken en groutvolumes Bentoniet injectie Voortgangssnelheid...29 HOOFDSTUK EVALUATIES OP HET GEBIED VAN DE BOORTECHNOLOGIE Inleiding Stabiliteit van het boorfront Minimale steundruk Maximale steundruk Drukverdeling in de mengkamer Waterspanningen voor het boorfront...40

5 4.2.5 Gemeten boorfrontdrukken in vergelijking met de minimale en maximale steundrukken Krachtenbalans in axiale richting Krachtenbalans in tangentiële richting Effectiviteit van het boorproces Slijtage van de snijtanden Mengselvorming Effectiviteit van pompen en leidingen Samenvatting: ontwikkelde kennis op het gebied van de boortechnologie...58 HOOFDSTUK EVALUATIES OP HET GEBIED VAN DE GEOTECHNIEK Inleiding Deformaties en spanningsveranderingen in de grond Oorzaken van deformaties Maaiveldzakkingen in dwarsrichting Maaiveldzakkingen in langsrichting Spanningsveranderingen in de ondergrond Invloed van aanleg van de tweede buis op de eerste Nadere beschouwing van het groutproces en de invloed ervan op de maaiveldzakking Inleiding Numerieke simulatie van het groutproces Evaluatie grondonderzoek Samenvatting: ontwikkelde kennis op het gebied van de geotechniek...66 HOOFDSTUK EVALUATIES OP HET GEBIED VAN DE TUNNELCONSTRUCTIE Inleiding Spanningsveranderingen en vervormingen in dwarsrichting Spanningsveranderingen en vervormingen in langsrichting Krachtswerking in de tunnel: een 3-dimensionale modellering Inleiding dimensionaal eindige elementenmodel van de globale krachtswerking dimensionaal model met een gesegmenteerde tunnelbuis Samenvatting: ontwikkelde kennis op het gebied van de tunnelconstructie...66 HOOFDSTUK EVALUATIE VAN LEERMOMENTEN Inleiding Lekkage staartafdichting Boorfront instabiliteit Schade aan lining segmenten...66

6 HOOFDSTUK EVALUATIE VAN HET MEET-INSTRUMENTARIUM Inleiding Meet-instrumentarium boortechnologie Geotechniek Tunnelconstructie...66 LITERATUUR...66 OVERZICHT RAPPORTEN CUR/COB COMMISSIE K BIJLAGE ONDERZOEKSDOELEN K BIJLAGE POSITIE SNIJTANDEN OP DE BOORKOP...66 BIJLAGE GEMETEN FRONTDRUKKEN EN BEREKENDE GRENSWAARDEN...66 BIJLAGE MEETRAAIEN MAAIVELDZAKKINGEN...66

7 VOORWOORD Kennis en ervaring op het gebied van ondergronds bouwen in zachte grond is belangrijk als Nederland de actualiteit wil volgen en de (inter)nationale positie van de Nederlandse ontwerpers en bouwers wil handhaven. Door een breed forum van partijen uit bedrijfsleven, overheid en kennisinstituten is in 1994 het Impulsprogramma Kennisinfrastructuur Ondergronds Bouwen opgesteld. Het doel van dit Impulsprogramma is te komen tot een duurzame versterking van de kennisinfrastructuur. De kern van deze kennisinfrastructuur vormt het Centrum Ondergronds Bouwen (COB), dat onderzoek en ontwikkelingen op het gebied van ondergronds bouwen initieert en coördineert. COB maakt gebruik van de werkwijze en infrastructuur van het Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving (CUR) te Gouda. De activiteiten van het COB worden uitgevoerd onder de noemer CUR/COB. Een leerstoel "Ondergronds Bouwen" aan de TU Delft is nauw gelieerd aan het COB. In CUR/COB participeert een breed scala aan bedrijven, brancheorganisaties, onderzoeksinstellingen, wetenschappelijke instituten en overheden. Via een bijdrage van de Interdepartementale Commissie voor het Economisch Structuurbeleid (ICES) in het Impulsprogramma stimuleert de overheid de totstandkoming van deze kennisinfrastructuur. Het onderzoek en ontwikkelingswerk van CUR/COB worden verricht in het kader van een veel omvattend uitvoeringsprogramma. Dit uitvoeringsprogramma kent in eerste instantie vier thema's, te weten "Boren in zachte grond", "Verkennen, voorspellen en monitoren", "Economische tunnelbouw" en "Construeren, beheren en onderhouden". De thema's worden ingevuld met uit te voeren onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten. Een belangrijk project binnen het eerste thema is het Praktijkonderzoek Boortunnels (CUR/COB commissie K100). De kern van dit project bestaat uit een intensieve monitoring van de Tweede Heinenoordtunnel, de eerste geboorde grote diameter tunnel in Nederland. Door middel van deze monitoring worden bestaand instrumentarium voor verkenning van de ondergrond en voorspellingsmodellen voor het gedrag van constructie en grond getest. De activiteiten van dit project zijn begin 1994 gestart als Werkgroep van de Bouwdienst van Rijkswaterstaat. In november 1994 is deze werkgroep overgegaan in CUR/COB uitvoeringscommissie K100. Voorliggend rapport Evaluatierapport Tweede Heinenoordtunnel" is onder verantwoordelijkheid van deze commissie tot stand gekomen. 1

8 Het rapport beschrijft de evaluatie van de metingen die tijdens het boren van de Tweede Heinenoordtunnel zijn uitgevoerd. Doel hiervan is overzicht te verschaffen van de ontwikkelde kennis over het boren van tunnels en over de mogelijkheden en beperkingen van meetsystemen. Dit rapport is samengesteld op basis van de door K100 goedgekeurde werkrapporten. De samenstelling van K100 en een lijst met werkrapporten is in de bijlagen bij dit rapport opgenomen. De eindredactie van dit rapport was in handen van ir. M.Th.J.H. Smits. CUR/COB commissie K100 spreekt haar dank uit aan al diegenen, die de totstandkoming van dit rapport hebben meegewerkt. Oktober 1999 ir. K.J. Bakker voorzitter CUR/COB uitvoeringscommissie K100 2

9 SAMENVATTING EN CONCLUSIES Dit rapport geeft een overzicht van de evaluaties van de metingen bij de bouw van de Tweede Heinenoordtunnel en van de berekeningen die vooraf waren gedaan. Hoofddoel van deze evaluaties was het vergroten van de technische kennis over het boren. Met name werd inzicht verkregen in de waarde van de huidige ontwerp- en rekenmodellen voor de beschrijving van het boorproces en van het gedrag van de tunnelwand en de omringende grond. Hiertoe werden de meetwaarden vergeleken met de predicties en werd een verklaring gezocht voor de verschillen. In enkele gevallen werden deze verschillen toegeschreven aan gewijzigde randvoorwaarden en omstandigheden bij de meting, waardoor de aanvankelijke invoer voor de predicties niet correct was. In die gevallen zijn de predicties met gewijzigde uitgangspunten overgedaan, waarna alsnog een uitspraak over de waarde van de predictiemodellen kon worden gedaan. De evaluaties zijn in 3 fasen uitgevoerd. De derde orde evaluatie vond direct na het binnenkomen van de meetresultaten plaats met als doel meetfouten tijdig te herkennen en een eerste inzicht in de resultaten te verkrijgen. De tweede orde evaluatie was een tussen-evaluatie na afloop van iedere passage van een specifiek meet-traject en bestond uit een beoordeling en eventuele correctie van de ruwe meetdata, grafische weergave van de resultaten en vergelijking van de meetdata met de predicties. Doel hiervan was aanbevelingen te geven voor de monitoring bij de passage van het volgende meettraject en daarnaast om een eerste inzicht te geven in de kwaliteit en nauwkeurigheid van de predicties. De eerste orde evaluatie was de definitieve en brede evaluatie van de meetresultaten. Deze bestond uit een kritische beschouwing van de predictiemodellen, aangevuld met enkele herberekeningen van het gemeten gedrag met gewijzigde uitgangspunten en/of rekenmodellen. In de evaluatiefase is gebleken, dat de kennisontwikkeling over het boren tijdens het project sterk tot ontwikkeling is gekomen binnen en buiten commissie K100. Bij de eerste orde evaluaties zijn daarom verbeterde rekenmodellen gebruikt of ontwikkeld ten opzichte van de predictiemodellen die bij aanvang van het project voorhanden waren. De evaluaties werden uitgevoerd ten aanzien van de aandachtsgebieden boortechnologie, tunnelconstructie en geotechniek. Daarnaast werd ook het meetprogramma zelf geëvalueerd ten behoeve van toekomstige monitoring projecten. De belangrijkste bevindingen uit de evaluaties zijn hieronder samengevat. 3

10 Voor tunnels met een geringe dekking is de marge, waartussen de minimale en maximale boorfrontdruk zich mag bewegen om instabiliteiten te voorkomen, gering. Tijdens het ronddraaien van het snijrad wordt de afpleisterende werking van de boorvloeistof aan het front voortdurend verbroken. Hierdoor ontstaat een wateroverspanning die de stabiliteit van het boorfront negatief beïnvloedt. Rekenmodellen zijn ontwikkeld, die bij de bepaling van de minimale steundruk rekening houden met wateroverspanning. Deze modellen zijn een aanzet voor aanscherping van de ontwerppraktijk. De kracht op de hoofdvijzels van de tunnelboormachine wordt voor een belangrijk deel bepaald door de steundruk aan het boorfront, welke op het drukschot wordt uitgeoefend. Dit aandeel is goed te kwantificeren. De reaktiekrachten die door de grond op de boormachine worden uitgeoefend, namelijk de mantelwrijving en de snijkrachten, blijken moeilijk kwantificeerbaar. Het aandeel van de genoemde krachten is echter relatief gezien klein. De krachtenbalans wordt dan ook niet sterk beïnvloed door de grondsoort waar doorheen wordt geboord. De in de praktijk geconstateerde afname van de effectiviteit bij het boren in de kleilagen is derhalve te wijten aan andere factoren, zoals bijvoorbeeld vorming van kleibrokken die de afvoerleidingen verstoppen. Gronddeformaties en in het bijzonder maaiveldzakkingen zijn met de huidige analytische ontwerpmodellen niet goed te voorspellen. Vooral de onzekerheid ten aanzien van het in te voeren volumeverlies is hier debet aan. Ook predicties met behulp van eindige-elementenberekeningen die het volumeverlies schematiseren tot concentrische contractie van de tunneldoorsnede geven onrealistische resultaten. Gegeven een bepaald volumeverlies is de berekende zakkingstrog te breed en te ondiep. Metingen geven aan, dat de maaiveldzakkingen hoofdzakelijk ontstaan bij passage van de boormachine en bij het grouten van de staartspleet. Er is een nagenoeg lineair verband gevonden tussen het volume geïnjecteerd grout en de maaiveldzakking. De bepalende factor voor de omgevingsbeïnvloeding is dus het gedrag van de groutomhulling rondom de tunnelwand. Toekomstige ontwerpberekeningen zullen op dit gedrag dienen te worden afgestemd. De spanningen die ontstaan door het opbouwen van de lining uit losse segmenten zijn van ongeveer gelijke grootte als de spanningen die op een later tijdstip door de grond en de grout rondom de tunnel worden veroorzaakt. Verdere modelontwikkeling is nodig om deze spanningen in de toekomst met enig succes vooraf te kunnen berekenen. 4

11 Op het detailniveau van de tunnelsegmenten is de krachtswerking sterk drie-dimensionaal. Dit wordt onder meer veroorzaakt doordat spanningen in langsrichting ook leiden tot spanningen en rekken in dwarsrichting. Binnen K100 hebben drie-dimensionale berekeningen het inzicht in de lokale krachtswerking sterk vergroot. Ter bepaling van de globale liggerwerking is een 2-dimensionaal model van de tunnel (elastisch ondersteunde ligger) voldoende nauwkeurig. Een goede evaluatie van metingen en berekeningen is slechts mogelijk wanneer metingen aan de boormachine, in de grond en in de tunnelwand op elkaar worden afgestemd en integraal worden geanalyseerd. De processen die zich aan het boorfront, in de grond en in de tunnelwand afspelen kennen namelijk een sterke onderlinge beïnvloeding. 5

12 HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1.1 Kennisopbouw via praktijkonderzoek naar boortunnels Om een impuls te geven aan de kennisvermeerdering betreffende het boren van tunnels in zachte bodem en om praktijkervaring op te doen, heeft de minister van Verkeer en Waterstaat in overleg met de ministeries van Economische Zaken en van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu besloten twee praktijkprojecten voor geboorde tunnels uit te laten voeren. Als praktijkprojecten zijn aangewezen: de Tweede Heinenoordtunnel onder de Oude Maas nabij Barendrecht; de Botlekspoortunnel onder de Oude Maas in het Botlekgebied. De kennisopbouw wordt tot stand gebracht door tijdens en na de bouw van deze tunnels doelgericht onderzoek uit te voeren, de procesgang vast te leggen door middel van monitoring en de resultaten te evalueren. Het onderzoek bij de Tweede Heinenoordtunnel wordt begeleid door CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 Praktijkonderzoek Boortunnels. Voor en tijdens de uitvoering van dit onderzoek is door de commissie K100 een serie rapporten opgesteld. Uit deze uitgebreide serie worden met name de volgende basisrapporten genoemd: het instrumentatie- en meetplan [K100-01]; het instrumentatierapport [K100-02]; het evaluatieplan [K100-03]; het predictierapport [K100-04]; het instrumentatie- en meetrapport [K100-05]. RAPPORT EVALUATIE- PREDICTIE- RAPPORT K INSTRUMENTATIE EN MEET-RAPPORT K PROCESGEGEVENS K100 evaluatierapport, EN 5 maart 2004 PRAKTIJKWAARNEMINGEN 6

13 De waarde van het praktijkonderzoek wordt verhoogd door vooraf voorspellingen te maken van de resultaten van metingen en experimenten. Om deze reden is een groot aantal predicties uitgevoerd, die in het predictierapport [K100-04] zijn samengevat. De meetresultaten zelf zijn samengevat in het instrumentatie- en meetrapport [K100-05]. Vervolgens zijn tijdens de aanleg van de tunnel vele proces- en omgevingsparameters gemeten en zijn tal van waarnemingen gedaan. Deze procesgegevens en praktijkwaarnemingen zijn niet apart gerapporteerd, maar hebben uiteraard wel een belangrijke rol gespeeld in de evaluatie van de metingen. Tijdens de aanleg van de tunnel zijn diverse deelevaluaties van de meetgegevens uitgevoerd en vastgelegd. In onderhavig evaluatierapport wordt de integrale evaluatie en beoordeling van de uitgevoerde predicties en de uitgevoerde metingen binnen het gehele praktijkproject vastgelegd. 1.2 Doelstelling van het evaluatierapport De doelstelling van het evaluatierapport is het verschaffen van een overzicht van de door het monitoringprogramma voor de Tweede Heinenoordtunnel ontwikkelde technische kennis over het boren van tunnels. Dit is kennis ten aanzien van de aandachtsgebieden boortechnologie, geotechniek en tunnelconstructie, maar daarnaast ook ten aanzien van meetsystemen, uitvoeringsaspecten bij de bouw van de tunnel, alsmede ten aanzien van het opzetten van een dergelijk monitoring project. Deze doelstelling is nagestreefd door het systematisch beoordelen van de ontwerp- en rekenmodellen, die zijn gebruikt om predicties te maken. Op basis van een analyse van de eventuele verschillen tussen de predicties en de meetwaarden wordt aangeven waar deze modellen te kort schieten en dus verbeterd dienen te worden. 1.3 Leeswijzer 7

14 In hoofdstuk 2 wordt het project Tweede Heinenoordtunnel besproken, toegespitst op het monitoring project. Bij veel predictieberekeningen spelen vooraf onbekende boorproces parameters, zoals frontdrukken, volumeverliezen en dergelijke een belangrijke rol. Evaluatie van deze predicties is alleen zinvol indien deze boorproces parameters bekend zijn. In hoofdstuk 3 is dan ook een overzicht gegeven van de boorproces parameters, en zijn deze waar relevant vergeleken met de vooraf verwachte waarden. De kern van dit evaluatierapport zijn de hoofdstukken 4, 5 en 6. In deze hoofdstukken wordt de ontwikkelde kennis op het gebied van boortechnologie, geotechniek en tunnelconstructie beschreven. Hoofdstuk 7 bevat een evaluatie van het meet-instrumentarium, die voor toekomstige monitoring projecten van belang kan zijn. In hoofdstuk 8 tenslotte worden enige algemene leermomenten, die tijdens de bouw van de tunnel zijn opgetreden, besproken. 8

15 HOOFDSTUK 2 MONITORING VAN DE TWEEDE HEINENOORDTUNNEL 2.1 Het project Tweede Heinenoordtunnel Algemeen Ten zuiden van Rotterdam zorgt de kruising van de A29 met de Oude Maas, de Heinenoordtunnel, in de gemeenten Barendrecht en Binnenmaas dagelijks voor verkeersfiles. De tunnel is oorspronkelijk ingericht met twee rijstroken voor het snelverkeer en één rijstrook voor het langzame verkeer in beide richtingen. De toenemende filevorming op de A29 ter hoogte van de tunnel heeft geleid tot het besluit de capaciteit van de tunnel te vergroten van 2x2 naar 2x3 rijstroken voor het snelverkeer. Voor het langzame verkeer - voetgangers, (brom)fietsers en landbouwverkeer - wordt een nieuwe tunnel aangelegd; de Tweede Heinenoordtunnel. <figuur 1: locatie Tweede Heinenoordtunnel > De Tweede Heinenoordtunnel wordt uitgevoerd als een tweetal geboorde tunnelbuizen, waarvan het gesloten tunnelgedeelte een uitwendige en inwendige diameter heeft van respectievelijk 8,28 m en 7,58 m. Eén tunnelbuis is toegankelijk voor landbouwverkeer en één voor fietsverkeer en voetgangers. De toerit naar het gesloten tunnelgedeelte, uitgevoerd met een helling van 1:15, bestaat uit een hellingbaan, welke alleen toegankelijk is voor landbouwverkeer. Voetgangers en fietsers bereiken het gesloten tunnelgedeelte door middel van een roltrap of een lift. In verband met het gemeenschappelijk gebruik van de tunnel is de maximale helling 1:30. De lengte van het geboorde tunneldeel is circa 950 m per tunnelbuis. De beide toeritten, inclusief toegangsschachten hebben een lengte van circa 200 m. <figuur 2: Artistieke impressie van de Tweede Heinenoordtunnel > De Tweede Heinenoordtunnel is bewust gekozen als eerste praktijkproject boortunnels, omdat de risico s ten aanzien van de uitvoering relatief beperkt zijn. Zo is in de directe nabijheid van de tunnel geen bebouwing aanwezig en zijn er geen dwarsverbindingen voorzien tussen de beide tunnelbuizen. De diameter van de tunnel is ruim 8 meter. Dit is voor een grote boortunnel een relatief geringe diameter, ruim één meter minder dan de diameter van de Botlekspoortunnel. 9

16 Ook het feit dat de grond reeds in eigendom van Rijkswaterstaat was en complexe planologische procedures niet noodzakelijk waren heeft een rol in gespeeld in de keuze voor de Tweede Heinenoordtunnel als eerste praktijkproject Bodemgesteldheid bij de Tweede Heinenoordtunnel De tunnel kruist de Oude Maas. Door voortdurende wijziging van de loop van deze rivier in de afgelopen duizenden jaren is een complex patroon van geulen in de ondergrond ontstaan, met afwisselend klei-, veen- en zandlagen, zie figuur 3. <figuur 3: geotechnisch lengteprofiel > Het maaiveld op beide oevers ligt op circa NAP + 2 m. De kruin van de beide dijken ligt op ca. NAP + 6 m. Juist onder het maaiveld bevinden zich in het verleden kunstmatig aangebrachte grondlagen met variabele samenstelling en stijfheid. Als gevolg van deze grondaanvullingen is de ondergrond aan de beide oevers nog enigszins aan zetting onderhevig. Vanaf circa NAP - 2 m tot circa NAP - 10 m bevindt zich een pakket zandige grondlagen. Dit lagenpakket gaat op de noordelijke oever over in een zandige kleilaag (afzettingen van Duinkerke) terwijl op de zuidelijke oever nog een tussenlaag van veen wordt aangetroffen (Hollandveen). Vanaf NAP - 10 m tot ongeveer NAP - 15 m wordt een matig tot vast gepakte Holocene zandlaag aangetroffen. Onder deze laag begint het zo genaamde Pleistoceen. Dit is een verzamelnaam voor een aantal grondlagen, die vóór het einde van de laatste IJstijd zijn afgezet. Bij de Tweede Heinenoordtunnel bestaat dit Pleistoceen uit een vaste tot zeer vaste zandlaag (formatie van Kreftenheye), vanaf een diepte van NAP 20 meter gevolgd door een stelsel van zeer stijve klei- en zandlagen (formatie van Kedichem/Tegelen). De bodemgesteldheid ter plaatse van de Tweede Heinenoordtunnel is redelijk representatief voor de bodemgesteldheid in West Nederland, zij het dat er geen echt slappe veenlagen in het tracé voorkomen. Het grootste deel van het te boren tunnelgedeelte ligt in het Pleistocene zand of in stijve kleilagen. In vergelijking met eerder uitgevoerde Duitse of Japanse projecten is de bodem hier een factor 2 à 5 minder stijf. Teneinde de rivierbodem te fixeren is op de bodem een steenbestorting aangebracht. 10

17 2.1.3 Boortechnologie De twee buizen van de Tweede Heinenoordtunnel zijn geboord met een speciaal hiervoor gebouwde boormachine. Deze bestaat uit een 8 meter lang stalen cylindervormig schild (diameter ca. 8,5 m) met aan de voorzijde het snijrad. Aan de achterzijde van de boormachine bevindt zich de gereedgekomen tunnel. Binnen het schild worden de tunnelringen opgebouwd, zie figuur 4. <figuur 4: schematische dwarsdoorsnede van de tunnelboormachine > De gebruikte boortechniek is de slurryschild methode. Het ronddraaiende vijf-armige snijrad van de tunnelboormachine is voorzien van snijmessen die de grond lossnijden. Aan het einde van de armen bevinden zich oversnijders ( overcutters ) waarmee desgewenst buiten de diameter van het schild kan worden gegraven. De ontgraven grond wordt vermengd met een sterk kleihoudende vloeistof, bentoniet-slurry. Dit mengsel kan eenvoudig weggepompt worden. De bentoniet-slurry wordt door middel van luchtdruk op spanning gehouden. Daarmee wordt voorkomen dat water en grond de boormachine in kunnen stromen. Het mengsel van bentoniet en grond wordt afgevoerd naar een scheidingsinstallatie die zich buiten de tunnel bevindt. In deze installatie wordt de grond van de bentonietslurry gescheiden, waarna de slurry weer in het systeem terug gepompt kan worden. Het voorste deel van de tunnel kan alleen onder luchtdruk betreden worden. Onder bepaalde omstandigheden kan de bentonietvloeistofspiegel geheel of gedeeltelijk worden verlaagd, om reparaties zoals bijvoorbeeld het vervangen van beitels uit te voeren. In het staartstuk, het ca. 5,5 meter lange achterste deel van het schild, heerst de atmosferische druk. Hier bevinden zich de aandrukvijzels, de luchtsluis en de erector voor het plaatsen van de tunnelsegmenten. Telkens wanneer de tunnelboormachine anderhalve meter heeft gegraven, worden de wanden van de tunnelbuis verder opgebouwd. Daar kan de tunnelboormachine zich op afzetten om het volgende stuk te ontgraven. De tunnelboormachine heeft een grotere diameter dan de tunnelwand. De ruimte die hierdoor ontstaat wordt volgeperst met grout. Per boordag kan gemiddeld zo n 10 à 15 meter tunnel worden gerealiseerd. De voortgangssnelheid is sterk afhankelijk van de grondsoort waarin geboord wordt. Bij de Tweede Heinenoordtunnel bedroeg de voortgang in zand maximaal ca. 22 meter per dag, terwijl in stijve klei slechts zo n 2 à 5 meter per dag gerealiseerd kon worden. 11

18 2.1.4 Tunnelconstructie De tunnelwand, ofwel lining is opgebouwd uit 1,5 m brede ringen van geprefabriceerde betonnen elementen, zie figuur 5. <figuur 5: opbouw van de tunnelconstructie > De ringen hebben een inwendige diameter van 7,6 m en een wanddikte van 0,35 m. De voegen tussen de ringen worden aangeduid als ringvoegen. In iedere ring zijn 7 segmenten opgenomen, alsmede 1 sluitstuk. De voegen tussen de segmenten worden aangeduid als langsvoegen. Twee naast elkaar liggende ringen zijn een half segment ten opzichte van elkaar verschoven, zodat er een halfsteens verband ontstaat. Het contactvlak in de ringvoegen wordt gevormd door twee nokken per segment, die een dwarskracht kunnen overdragen. Plaatjes van een sterk samendrukbaar materiaal ( Kaubit ) zorgen hierbij voor een soepeler krachtsoverdracht. Daarnaast zijn in het contactvlak triplex plaatjes aangebracht, om de axiale vijzelkrachten te verdelen over de segmenten. De waterdichting tussen de segmenten wordt verzorgd door een rubber afdichtingsprofiel langs de gehele omtrek van elk segment. 2.2 Onderzoeksdoelen, predicties, metingen en evaluaties Inleiding Op basis van een algemene inventarisatie van onderzoeksdoelen zijn voor de Tweede Heinenoordtunnel prioriteiten vastgesteld en is een definitief onderzoeksprogramma opgesteld in de vorm van een uitvoeringsplan. De gekozen aanpak is het achtereenvolgens voorspellen van het gedrag; meten van het gedrag; evalueren van de meetresultaten. Deze keten voorspellen meten evalueren is voor zoveel mogelijk onderzoeksdoelen compleet gemaakt. Voor een aantal onderzoeksdoelen was het per definitie niet mogelijk om metingen te doen, zoals bij de analyse van bezwijkmechanismen die in de praktijk gelukkig niet zijn opgetreden. Omgekeerd zijn voor een aantal metingen en observaties geen voorspellingen gedaan, bijvoorbeeld omdat de benodigde rekenmodellen op dat moment niet voorhanden waren, zoals bij de vervormingsmetingen aan de tunnelconstructie. 12

19 2.2.2 Onderzoeksdoelen Het boren van grote diameter tunnels ten behoeve van weg- of railverkeer is in Nederland nog niet eerder uitgevoerd. Wel is elders in de wereld een groot aantal van dergelijke tunnels gebouwd, maar nauwelijks in bodemomstandigheden zoals deze in West Nederland worden aangetroffen, namelijk relatief slappe grond met een hooggelegen grondwaterstand. De doelstelling die CUR/COB commissie K100 zichzelf gesteld heeft is dan ook het ontwikkelen van kennis en kunde ten aanzien van boren van tunnels in de Nederlandse slappe bodem. De manier waarop deze doelstelling wordt nagestreefd is het door middel van metingen, berekeningen en experimenten toetsen of de bestaande theoretische modellen de tijdens en na het boren optredende gronddeformaties, krachten op en in tunnelboormachine en tunnelwand adequaat kunnen beschrijven. Vanuit het oogpunt van risicobeheersing en optimaliseren van het ontwerp bestaat voor deze specifieke bodemomstandigheden vooral de behoefte aan meer inzicht in de wijze waarop het boorfront stabiel gehouden wordt, de krachtswerking in de uit losse onderdelen bestaande tunnelwand als functie van de tijd, en de invloed van het bouwen van de tunnel op belendingen. Naast deze technische aspecten zijn uiteraard ook economische aspecten, met name de snelheid waarmee in verschillende grondlagen geboord kan worden, belangrijk. Tot slot zijn ook bruikbaarheidsaspecten van de tunnel, met name trillingen vanuit de tunnel en het hergebruik van de ontgraven grond belangrijk in het praktijkonderzoek naar boortunnels. Genoemde aspecten zijn onder te verdelen in vier aandachtsgebieden: boortechnologie, tunnelconstructie, geotechniek en trillingen en milieu. Voor laatstgenoemd aandachtsgebied is het onderzoek hoofdzakelijk in andere CUR/COB commissies uitgevoerd. De overige drie aandachtsgebieden zijn door CUR/COB commissie K100 uitgewerkt in concrete onderzoekdoelen voor de Tweede Heinenoordtunnel, zoals hieronder beschreven. In bijlage 1 zijn deze onderzoeksdoelen in detail aangegeven. Op het gebied van de boortechnologie: Bepaling van de stabiliteit van het boorfront Bij het bepalen van de stabiliteit van het boorfront is het allereerst van belang inzicht te verkrijgen in de minimale en maximale waarde voor de gronddruk aan het boorfront. De te hanteren bentonietdruk dient tussen beide waarden in te liggen. Bij een bentonietdruk lager dan de minimale gronddruk zal grond en grondwater de tunnelboormachine instromen. Bij een 13

20 bentonietdruk hoger dan de maximale gronddruk wordt de grond voor het boorfront weggeperst, waardoor eveneens een instabiele situatie ontstaat. Bij deze stabiliteitsbeschouwing is de drukverdeling in de mengkamer, waarbinnen zich een mengsel van bentoniet en afgegraven grond bevindt, van belang. Verder is het belangrijk om de door de tunnelboormachine in de omringende grond gegenereerde extra waterspanning te kennen, omdat deze de stabiliteit kan beïnvloeden. Bij de bepaling van de stabiliteit van het boorfront dient ook gekeken te worden naar de gevolgen van een stilstand van de tunnelboormachine, eventueel gecombineerd met een verlaging van de bentonietspiegel (waarbij het boorfront met luchtdruk stabiel gehouden moet worden), en naar het effect van gelijktijdig boren door goed waterdoorlatende en slecht waterdoorlatende grondlagen. Krachtenbalans bij het ontgraven De vijzels die de tunnelboormachine voortduwen en de aandrijving van het graafwiel dienen voldoende capaciteit te hebben om vastlopen te voorkomen. Het is dus van belang om de grootte van de vijzelkrachten, als functie van bijvoorbeeld de eigenschappen van de te doorboren grondlagen, te kennen. De vijzelkrachten dienen uiteindelijk ook door de tunnelwand en de omringende grond te worden opgenomen. Ook daarom is kwantificering van de vijzelkrachten, en vooral ook de verdeling ervan over de individuele vijzels, van belang. Bepaling van de effectiviteit van het boorproces Hierbij ligt de nadruk op onderzoek naar het ontgravingsproces en de mengselvorming in de mengkamer. De verschijningsvorm van de ontgraven grond in de mengkamer (bijvoorbeeld als grote brokken klei of als suspensie) heeft invloed op de drukverdeling in de mengkamer en dus op de stabiliteit van het boorfront. Tevens heeft de verschijningsvorm van de ontgraven grond invloed op de effectiviteit van pompen en leidingen voor het transport van slurry en grond. Ook wordt de effectiviteit van het boorproces in belangrijke mate bepaald door nader te onderzoeken slijtage aan snijtanden, pompen en transportleidingen. Op het gebied van de tunnelconstructie: Bepaling van de belastingen op de constructie en van de krachtswerking in de constructie De tunnelwand en de opbouw daarvan is één van de belangrijkste kostencomponenten van de bouw van de tunnel. Een economisch optimaal en voldoende veilig ontwerp van deze constructie is dan ook van groot belang. De bruikbaarheid van rekenmodellen voor het ontwerp is hoofddoel van het onderzoek op het gebied van tunnelconstructie. De krachtswerking in de tunnelconstructie ofwel de tunnellining is een bijzonder complex en tijdsafhankelijk proces. Achtereenvolgens ondervindt de tunnel, die uit losse segmenten is opgebouwd, axiale en torsie krachten door de vijzels die de tunnelboormachine en het graafwiel voortbewegen, 14

21 montagespanningen, radiale krachten door de druk van het grout dat in de staartspleet wordt geperst, en gronddrukken na verharden van de groutlaag. Deze gronddrukken werken hoofdzakelijk loodrecht op de as van de tunnel, maar door verschillen in lengterichting wordt ook de liggerwerking van de tunnel aangesproken. De belasting van de grond op de tunnel heeft een bijzonder karakter, in die zin dat de grond ook de ondersteuning van de tunnelwand verzorgt. Het aanleggen van de tweede tunnelbuis, op korte afstand van de eerste tunnelbuis, heeft invloed op de grondspanningen en daarmee op de belastingen op en de krachtwerking in de eerste tunnelbuis. Ook dit fenomeen wordt onderzocht. Lekkages kunnen leiden tot een wijziging van de grond en waterspanningen en daarmee tot gewijzigde belastingen op de tunnel. Aan dit aspect is ook aandacht besteed. Op het gebied van de geotechniek: Bepaling van deformaties en spanningsveranderingen in de omgeving van de tunnel Gronddeformaties en spanningsveranderingen rondom de tunnel als gevolg van het boorproces kunnen leiden tot maaiveldzakkingen en derhalve tot schade aan nabij gelegen bebouwing. Inzicht in deze fenomenen in alle fasen van het boorproces is daarom hoofddoel van het onderzoek op het gebied van de geotechniek. Hierbij gelden ook bijzondere situaties, zoals langdurige stagnaties, spiegeldaling van het bentoniet in de mengkamer en eventuele lekkage van de tunnel. Ook de lange-termijn invloed van de aanwezigheid van de tunnel op de stijghoogten van het grondwater en de veiligheid ten opzichte van eventuele bezwijkmechanismen als opdrijven en opbreken van de tunnel zijn onderzocht. Bepaling van de voor het ontwerp en uitvoering benodigde grondparameters Hiertoe is voor de Tweede Heinenoordtunnel het reguliere onderzoek uitgebreid met een groot aantal specifieke metingen. Op basis van dit uitgebreide onderzoek heeft commissie K100 zich mede ten doel gesteld te onderzoeken wat de betrouwbaarheid van het ondergrondmodel is, zowel met betrekking tot de laagopbouw als tot de eigenschappen per grondlaag Predicties De waarde van de metingen en experimenten die bij dit praktijkproject zijn uitgevoerd is verhoogd door vooraf voorspellingen ( predicties ) te maken van de uitkomsten. De voorspellingen zijn uitgevoerd met behulp van rekenmodellen en in enkele gevallen aan de hand van schattingen of experimenten. Door het toetsen van het voorspeld gedrag aan het waargenomen gedrag wordt onmiddellijk inzicht verkregen in de beperkingen van ontwerp- en berekeningsmodellen voor boortunnels. 15

22 Een predictie is vaak een range aan mogelijke meetwaarden die volgt uit gevoeligheidsberekeningen voor bepaalde invoerparameters. Zeker wanneer het meetresultaat het gevolg is van een complex proces, waarin diverse vooraf onbekende invoerparameters een rol spelen zijn dergelijke gevoeligheidsberekeningen van belang. De kracht die op het graafwiel dient te worden uitgeoefend om dit wiel te laten ronddraaien is bijvoorbeeld onder meer afhankelijk van de indringdiepte van de snijmessen en van het gedrag van de grondprop in het midden van het boorfront. De meetwaarde van deze kracht zegt dan ook weinig zonder dat de onderliggende processen worden beschouwd en waar mogelijk gekwantificeerd. Naast de bovenbeschreven functie als drager van de door de metingen verworven kennis zijn de predicties ook gebruikt om het meet- en instrumentatieprogramma bij te sturen. Voor sommige predicties was geen validatie aan de hand van metingen mogelijk. Dit zijn predicties van metingen, die uiteindelijk niet zijn uitgevoerd of predicties van de veiligheidsmarge voor bezwijkmechanismen die gelukkig niet zijn opgetreden, zoals opdrijven van de tunnel. Uitgangspunt voor de predicties was dat gebruik gemaakt diende te worden van bestaande modellen uit binnen- en buitenland. Het verzamelen van al deze modellen en het toepassen ervan op de Tweede Heinenoordtunnel was op zichzelf al een belangrijk resultaat van het praktijkonderzoek. Over een aantal invoerparameters was bij het uitvoeren van de predicties nog weinig bekend. Dit zijn de zo genaamde procesparameters, zoals groutdrukken, boorfrontdrukken en definitieve configuratie van de snijtanden. Deze parameters zijn dan ook tijdens de uitvoering van het praktijkproject zo veel mogelijk geregistreerd. In een aantal gevallen gaven de geregistreerde procesparameters aanleiding om de predicties in de evaluatiefase te corrigeren. De predicties zijn samengevat in het predictierapport (K100-04) Metingen en experimenten bij de Tweede Heinenoordtunnel Om aan de hierboven beschreven onderzoeksdoelen te kunnen voldoen is een groot aantal metingen en experimenten bij de Tweede Heinenoordtunnel uitgevoerd. De keuze voor de opzet van de metingen, instrumentaties en experimenten is beschreven in K instrumentatie- en meetplan. Voorafgaand aan het aanbrengen van de instrumentaties en data-acquisitie systemen 16

23 zijn uitgebreide specificaties opgesteld, die ervoor hebben gezorgd dat bruikbare meetresultaten werden verkregen. <figuur 6: totaal overzicht metingen > Instrumentaties en metingen zijn uitgevoerd aan de boormachine, in en op de grond in een tweetal meetgebieden op de beide oevers van de Oude Maas en aan de tunnelconstructie zelf, met name aan een tweetal meetringen die in de tunnelwand zijn aangebracht ter plaatse van de beide meetgebieden. De metingen zijn onderverdeeld in boortechnologie metingen, geotechniek metingen, tunnelconstructie metingen en overige metingen. Boortechnologie metingen De aannemer heeft een aantal standaardmetingen uitgevoerd van onder meer vijzelkrachten, stand van de oversnijdingsbeitels, stroomsnelheden en stuwdrukken in de leidingen, voortgangssnelheid, plaats van de boormachine, verplaatsing van het snijrad, alsmede de groutdrukken en het geïnjecteerde volume grout in de staartspleet. <figuur 7: instrumentarium in de boormachine > Deze metingen zijn gecombineerd met de volgende metingen: dichtheid van en drukverschil in het mengsel in toevoer- en afvoerleiding; vloeistofdruk aan de voor- en achterzijde van het snijrad (op acht plaatsen); druk op het duikschot en in de luchtkamer; stand en rotatiesnelheid van het snijrad; niveau van de bentonietspiegel; werkdruk aandrijving snijrad (op twee plaatsen); temperatuur in de mengkamer. Daarnaast zijn in het kader van de verificatie van de predicties nog enkele metingen uitgevoerd, waaronder getijdemetingen, monstername van in- en uitgaande boorvloeistof en metingen aan de slijtage van de snijtanden. Geotechniek metingen Aan beide zijden van de Oude Maas is een meetgebied ingericht ten behoeve van de geotechnische metingen, zie figuur 8. 17

24 <figuur 8: overzicht instrumentarium geotechniek > De volgende metingen zijn uitgevoerd: maaiveldzakkingen op een groot aantal locaties; horizontale verplaatsingen boven en tussen de tunnelbuizen (8 hellingmeetbuizen); verticale verplaatsingen boven en naast beide tunnelbuizen (11 extensometers); gronddruk- en waterspanningsmetingen op 4 plaatsen tussen de beide tunnelbuizen op meetgebied noord ter hoogte van de tunnelas; waterspanningsmetingen voor het boorfront d.m.v. 6 waterspanningsopnemers. Tunnelconstructie metingen Onder de beide geotechnische meetgebieden is de tunnel door middel van meetringen geïnstrumenteerd. Beide ringen maken deel uit van de westelijke tunnelbuis. In de oostelijke tunnelbuis zijn geen meetringen geplaatst. <figuur 9: overzicht meetgebieden en positie meetringen > Beide meetringen bestaan uit zeven geïnstrumenteerde segmenten en één sluitsteen, zie figuur 10. De instrumentatie van beide meetringen is identiek, met uitzondering van de sluitsteen in de zuidelijke meetring, welke naar aanleiding van de resultaten van de noordelijke meetring alsnog geïnstrumenteerd is met zes rekopnemers. Per meetring zijn 70 rekopnemers en 14 gronddrukopnemers aangebracht. Verder zijn per meetring 18 verplaatsingsopnemers geïnstalleerd om de verschilverplaatsingen over de voegen te meten. <figuur 10: overzicht instrumentarium meetring > Op de zuidoever, ter plaatse van het geotechnisch meetgebied, zijn in beide tunnelbuizen de verplaatsingen van 3 net geplaatste tunnelringen gemeten. Doel van deze metingen is het vaststellen van de vervorming in en direct achter de tunnelboormachine. Doordat de metingen al direct na het inbouwen van de segmenten startten, dus nog binnen de tunnelboormachine, werd waardevolle informatie verzameld over de vervorming die de tunnelwand ondergaat tijdens het boorproces. Daarnaast zijn de lange termijn deformaties van de tunnel in langs- en dwarsrichting gemeten door middel van waterpassingen en rondheidsmetingen. 18

25 Overige metingen en experimenten Behalve door CUR/COB commissie K100 zijn ook door een aantal andere instanties metingen verricht en experimenten uitgevoerd bij de bouw van de Tweede Heinenoordtunnel. In veel gevallen vonden deze metingen in nauw overleg met K100 plaats. palenproef Noord/Zuidlijn: Aan de noordelijke oever is door het adviesbureau Noord/Zuidlijn een proefpalenproject uitgevoerd, waarbij ten behoeve van de aanleg van de nieuwe Noord/Zuid metrolijn in Amsterdam is onderzocht wat de invloed van het boren van de tunnel is op nabij gelegen paalfunderingen. Voorts is in de tunnelbuis een valproef gedaan, waarbij de toekomstige trillingshinder als gevolg van metro s is gesimuleerd met een valgewicht. staalvezelbeton: Binnen het pilotproject Staalvezelbeton in de Tweede Heinenoordtunnel (Bouwdienst Rijkswaterstaat/TU Delft) zijn 16 staalvezelbetonnen ringen voor de tweede buis ontworpen, geproduceerd en geïmplementeerd. hergebruik grond: Binnen CUR/COB commissie K200 Hergebruik grond uit boortunnels is gekeken naar de hergebruikmogelijkheden van de verschillende fracties die vrijkomen bij boortunnels. seismisch onderzoek (TU Delft): In het kader van de Tweede Heinenoordtunnel is gekeken naar de mogelijkheid om de boormachine veroorzaakte trillingen als trillingsbron te gebruiken voor seismisch onderzoek naar obstakels. trillingsmetingen: Door CUR/COB commissie L400 is een trillingsmeting uitgevoerd bij de passage van de boormachine onder de zuidelijke oever. De metingen werden gelijktijdig in de bodem, aan het maaiveld en in de tunnelboormachine uitgevoerd. Doel van deze metingen was een beeld te verkrijgen van de trillingshinder door het boren van tunnels en te zoeken naar de belangrijkste oorzaken van deze trillingshinder. groutdikte meting met radar: Getracht is om met radarmetingen de dikte van de groutschil rondom de tunnellining vast te stellen. Deze metingen leidden niet tot een bevredigend resultaat, als gevolg van verstoring door de wapening in de tunnelsegmenten Werkwijze en overzicht van uitgevoerde evaluaties De evaluatie van de meetresultaten heeft hoofdzakelijk bestaan uit het toetsen van de predicties aan de metingen. Hoofddoel van deze evaluatie is het verkrijgen van antwoord op de gestelde onderzoeksdoelen, dus met andere woorden het vergroten van de technische kennis over het boren. 19

26 Door het toetsen van de predicties aan de metingen ontstaat ook inzicht in de waarde van de huidige ontwerp- en rekenmodellen: aangegeven kan worden waar deze modellen te kort schieten en dus verbeterd dienen te worden. De planning van het evaluatieproces is gekoppeld aan de planning van het boorproces, waarbij evaluaties op verschillende momenten en niveaus uitgevoerd zijn. Op deze wijze werden zo genaamde derde-, tweede- en eerste orde evaluaties onderscheiden. Derde orde evaluatie De derde orde evaluatie was een snelle evaluatie op het moment dat meetdata beschikbaar kwam met als doel fouten in het instrumentarium en/of de data-acquisitie tijdig te herkennen, en een eerste communicatie over de resultaten aan te gaan. Deze evaluatie werd op lokatie in de bouwkeet van het projectbureau uitgevoerd. De derde orde evaluaties werden gedurende zes langere perioden van ca. 1 week uitgevoerd, bij passages van de tunnelboormachine langs kritieke locaties of langs de meetinstrumenten. Hierbij werd de bouwkeet van het projectbureau wanneer nodig dag en nacht bemand door het projectbureau en door vertegenwoordigers van de opdrachtnemers, ten behoeve van de onmiddellijke verwerking van de geotechnische, tunnelconstructie- en boortechnologische metingen. Tweede orde evaluatie De tweede orde evaluatie was een tussen-evaluatie na afloop van iedere passage van een specifiek meet-traject. De tweede orde evaluaties werden enige weken na iedere passage afgerond en bestonden uit het beoordelen en waar nodig corrigeren van de ruwe meetdata, het grafisch weergeven van de resultaten alsmede het vergelijken van de meetdata met de predicties. Doel van de tweede orde evaluaties was om adequate aanbevelingen te kunnen doen voor een passage van een volgend meettraject en daarnaast om een eerste inzicht te geven in de kwaliteit en nauwkeurigheid van de predicties. De resultaten van de tweede orde evaluaties zijn in de volgende werkrapporten vastgelegd: Op het gebied van boortechnologie: [K100-w-058]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied noord; [K100-w-069]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-081]: tweede passage (oostelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-092]: tweede passage (oostelijke buis) in meetgebied noord. Op het gebied van geotechniek: [K100-w-059]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied noord; 20

27 [K100-w-071]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-085]: tweede passage (oostelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-090]: tweede passage (oostelijke buis) in meetgebied noord. Op het gebied van tunnelconstructie: [K100-w-061]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied noord; [K100-w-066]: eerste passage (westelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-086]: tweede passage (oostelijke buis) meetgebied zuid; [K100-w-095]: tweede passage (oostelijke buis) in meetgebied noord. In deze werkrapporten is sprake van een voortschrijdend inzicht in de waargenomen fenomenen. Mogelijke verklaringen voor meetresultaten worden in sommige gevallen bevestigd en in sommige gevallen tegengesproken door de meetresultaten bij de volgende passage. Zo is bijvoorbeeld de correlatie tussen vijzelkrachten en axiale krachten in de tunnelwand, die aanvankelijk niet goed werd bevonden als gevolg van een vermeende onzuivere meting van de vijzelkracht [K100-w-061], uiteindelijk toch als goed gekwalificeerd [K100-w-066] omdat de axiale krachten zich na verloop van tijd volledig bleken aan te passen aan de vijzelkrachten. Dit voorbeeld illustreert, dat de tweede orde evaluatierapporten in samenhang met elkaar dienen te worden gezien. In de eerste orde evaluaties is getracht deze samenhang aan te brengen. Eerste orde evaluatie De eerste orde evaluatie is de definitieve en brede evaluatie van de meetresultaten. De eerste orde evaluaties bestonden per aandachtsgebied (boortechnologie, geotechniek en tunnelconstructie) uit 3 hoofdonderdelen: 1. Kritische beschouwing van de predictiemodellen op basis van een vergelijking met alle meetresultaten (dus alle vier de passages) en nader onderzoek naar het geldigheidsgebied van de predictiemodellen. De parameterkeuze bij de predicties en de overige uitgangspunten en randvoorwaarden zijn daarbij ook vergeleken met de daadwerkelijke omstandigheden. Uit deze kritische beschouwing volgden ook conclusies over de eventuele noodzaak van postdicties. Dit onderdeel van de eerste orde evaluatie kan worden gezien als een samenvatting en synthese van de tweede orde evaluaties, die telkens, zonder onderlinge samenhang, per meetgebied waren gerapporteerd; 2. Daar waar nodig werden ook postdicties uitgevoerd, bestaande uit herberekening van het gemeten gedrag met gewijzigde uitgangspunten en/of rekenmodellen. Postdicties zijn alleen uitgevoerd voor die onderwerpen waarvan het uit eerdere evaluatie noodzakelijk bleek om het inzicht te verhogen; 21

28 3. Op basis van de kritische beschouwingen en de postdicties doen van uitspraken over de waarde van de diverse predictiemodellen, aangeven waar deze modellen verbetering behoeven en doen van aanbevelingen voor toekomstige projecten. Onderdeel van de eerste orde evaluatie was ook het beoordelen van het uitgevoerde meetprogramma. Daarbij werd de vraag beantwoord of de metingen relevant, voldoende nauwkeurig en voor wat betreft meetfrequentie, tijdspanne en aantal lokaties uitgebreid genoeg waren om de onderzoeksdoelen te kunnen bereiken. De evaluatie van het gehele meetinstrumentarium is gerapporteerd in [K100-w-107]. Een nabeschouwing van het grondonderzoek is gepresenteerd in [k100-w-105c]. De kritische beschouwingen van de predictiemodellen zijn gerapporteerd in: [K100-w-102]: beschouwing predictiemodellen boorfrontstabiliteit; [K100-w-103]: beschouwing predicties van krachtenbalans en effectiviteit van het boorproces; [K100-w-104]: beschouwing predicties slijtage snijelementen; [K100-w-105a]: beschouwing analytische predicties spanningsveranderingen en deformaties in de ondergrond, hoofdzakelijk geconcentreerd op de voorspelde en gemeten zakkingstroggen aan het maaiveld; [K100-w-105b]: beschouwing numerieke predicties spanningsveranderingen en deformaties in de ondergrond; [K100-w-106]: beschouwing rekenmodellen voor de krachtswerking in en belasting op de tunnellining Op basis van de tweede orde evaluaties en de genoemde kritische beschouwingen van de predictiemodellen werden in grote lijnen de volgende onderwerpen relevant geacht voor nadere analyse in het kader van de eerste orde evaluatie, onder meer in de vorm van postdicties: op het gebied van boortechnologie: - [K100-w-102]: Een nader onderzoek naar de invloed van wateroverspanningen vóór het boorfront op de minimaal benodigde steundruk en herberekeningen van de maximale en minimale steundruk voor een 14-tal doorsneden. Deze minima en maxima werden vergeleken met de gemeten steundrukken langs het gehele tracé. - [K100-w-103]: nadere invulling van de axiale en tangentiële krachtenbalansen, waarbij de onzekerheden in de meetwaarden en in de diverse componenten in de krachtenbalans werden benoemd. Verder zijn in deze analyses ook de sleepkrachten van de niet-snijdende elementen meegenomen en is aandacht besteed aan excentriciteiten in de vijzelkracht. 22

29 - [K100-w-103]: nadere beschouwing over de effectiviteit van het boorproces aan de hand van onder meer beschouwingen over het gedrag van de boorvloeistof en het mengsel hiervan met de ontgraven grond en over het uitzakgedrag van deeltjes; - [K100-w-103]: nadere beschouwing over de effectiviteit van pompen en leidingen, met name door de vloeistofstromen nader te analyseren aan de hand van de gemeten eigenschappen van de boorvloeistof en de metingen in de tweede tunnelbuis tijdens perioden van ringbouw. - [K100-w-104]: postdicties van de slijtage van de snijelementen en vergelijking met de gemeten slijtage. Deze postdicties werden noodzakelijk geacht doordat de snijtand geometrie, die in eerdere predicties was gebruikt, niet met de werkelijkheid overeen kwam. Op het gebied van de geotechniek: - [K100-w-105a]: nadere analyse van het volumeverlies bij het boren en de gevolgen hiervan voor maaiveldzakkingen en deformaties in de grond. Hierbij is met name het grouten van de staartspleet, als belangrijk onderdeel van dit proces, nader geëvalueerd. Verder is een vergelijking gemaakt met de diverse empirische formules. - [K100-w-105b]: postdicties van de gronddeformaties in meetgebied zuid met behulp van een drie-dimensionaal model, waarin onder meer de groutdruk nauwgezet gemodelleerd wordt (meetgebied noord is in het kader van CUR/COB commissie L520 nagerekend). - [K100-w-105b]: nadere beschouwing van de invloed van de aanleg van de tweede buis op de eerste buis, aan de hand van twee- en drie-dimensionale eindige-elementenberekeningen en vergelijking met de metingen. In deze beschouwing, die uitmondde in aanbevelingen voor de minimale tunnelafstand, is ook weer het groutproces (groutdrukken en groutvolumes) betrokken. - [K100-w-105c]: in het kader van de eerste orde evaluaties is nagegaan of het grondonderzoek ten behoeve van de Tweede Heinenoordtunnel adequaat geweest is. Dit mondde uit in aanbevelingen voor toekomstige projecten. Op het gebied van tunnelconstructie: - [K100-w-106]: gekozen is om de eerste orde evaluatie op het gebied van de tunnelconstructie geheel te concentreren op een verbeterde modelvorming (drie-dimensionale eindige elementen modellering), omdat reeds bij de tweede orde evaluatie gebleken was, dat de bestaande tweedimensionale modellen te kort schoten om bepaalde waargenomen fenomenen te kunnen verklaren. Met name moest deze verbeterde modellering in staat zijn om de montage spanningen, de invloed van het voeggedrag op de krachtswerking, de interactie tussen de ringen en de liggerwerking van de tunnel te verklaren. Hiertoe is een drie-dimensionaal schalenmodel 23

30 ontwikkeld, dat aansloot op het drie-dimensionale model dat gebruikt is om de interactie met de grond te kwantificeren [K100-w-105]. 24

31 HOOFDSTUK 3 EVALUATIE VAN BOORPROCES PARAMETERS 3.1 Inleiding Bij het maken van predicties voor de diverse onderdelen van het boorproces (geotechniek, boortechnologie en tunnelconstructie) bleek een aantal boorproces parameters van belang te zijn, die bij het opstellen van de predicties nog niet bekend waren. Genoemd kunnen worden: De bodemomstandigheden. De bodemomstandigheden volgen uit het grondonderzoek. In paragraaf 5.4 is een nabeschouwing gegeven van het grondonderzoek. Een vergelijking tussen de eigenschappen van de afgevoerde grond en de verwachting hierover op basis van het geotechnische lengteprofiel bleek praktisch gezien niet uitvoerbaar te zijn. Boorfrontdrukken. In paragraaf 4.2 (stabiliteit van het boorfront) wordt uitgebreid aandacht besteed aan de gemeten frontdrukken in vergelijking met de minimale en maximale boorfront drukken. In de predicties zijn geen gedetailleerde verwachtingen ten aanzien van de boorfrontdrukken gehanteerd. In de parameterset voor de predicties (K100-w-004) wordt een range van 100 tot 350 kpa aangegeven. Bij de berekening van eventuele maaiveldzakkingen als gevolg van een lage boorfrontdruk werd als uitgangspunt genomen, dat de toegepaste boorfrontdruk gelijk zou zijn aan 105% van de waterdruk plus 20 kpa. Deze verwachting leidde tot verwachte boorfrontdrukken van 170 en 160 kpa onder meetgebied noord respectievelijk meetgebied zuid, uitgaande van een stijghoogte van het grondwater op NAP 0,1 meter en een diepteligging van de tunnelas op NAP 14,3 meter. In werkelijkheid zijn onder beide meetgebieden drukken van 200 à 240 kpa gehanteerd. Eigenschappen van de boorvloeistof. Deze eigenschappen zijn onder meer van belang voor het in suspensie houden van de ontgraven gronddeeltjes en voor de afpleisterende werking van de bentonietsuspensie. In paragraaf 4.5 effectiviteit van het boorproces worden de gemeten eigenschappen van de boorvloeistof beschreven en vergeleken met de vooraf verwachte eigenschappen. Verdeling van de vijzelkrachten. In de predicties is een uitspraak gedaan over de verwachte totale kracht op de hoofdvijzels: zie paragraaf 4.3 krachtenbalans in axiale richting. Uit de metingen blijkt dat deze kracht op de hoofdvijzels niet gelijkmatig is verdeeld over de vijzels. De grootste krachten worden waargenomen op de onderste vijzels. Dit wordt met name 25

32 veroorzaakt door het kopzwaar zijn van de tunnelboormachine. Daarnaast is de verdeling van de krachten ook afhankelijk van de te maken bocht door te tunnelboormachine. De totale kracht in de hoofdvijzels en de verdeling ervan over de hoofdvijzelgroepen is niet constant in de tijd. Het al dan niet gebruiken van overcutters speelt hier ook een rol in. Aan een aantal boorproces parameters wordt in dit hoofdstuk apart aandacht besteed: Vormgeving van de snijtanden op de boorkop. Groutdrukken en groutvolumes bij het injecteren van de staartspleet. Bentonietinjectie Voortgangssnelheid. 3.2 Vormgeving van de snijtanden op de boorkop Het snijrad van de tunnelboormachine is uitgerust met 31 snijtanden ofwel snijelementen (exclusief 2 overcutters) die op verschillende posities zijn aangebracht. De posities van de snijtanden op de gebruikte boorkop wijken af van de posities waarvan is uitgegaan in de predicties. In bijlage 3 is de uiteindelijke configuratie van de snijtanden aangegeven. In de predicties is uitgegaan van een mes met een hoogte en een breedte van respectievelijk 60 en 120 mm. Voor de meshoek werd 90 aangehouden. Met de meshoek wordt de hoek tussen het spaanvlak van het mes en de horizontaal bedoeld, zie figuur 11. <figuur 11: terminologie snijelementen> Na uitvoering van de predicties is het ontwerp van de frontelementen ingrijpend gewijzigd. Zo is de meshoek teruggebracht naar circa 60 en is de slijtvlaklengte, gedefinieerd als de lengte van het slijtvlak in de snijrichting, zeer klein geworden. Daarnaast is er in de predicties van uitgegaan dat het snijrad steeds dezelfde richting opdraait. In werkelijkheid draait het snijrad twee kanten op. Hierdoor hebben de snijtanden bij één van de snijrichtingen van de boorkop een niet-snijdend karakter. Bovengenoemde verschillen hebben grote invloed op de snijkrachten en op de slijtage van de snijelementen. 26

33 3.3 Groutdrukken en groutvolumes Werkwijze bij het grouten Direct achter de staartafdichting is een groutinjectie toegepast. Deze injectie is op twee verschillende manieren uitgevoerd: door de segmenten of door de boormachine. Bij het injecteren door de boormachine heen, hetgeen bij beide passages van meetgebied noord en bij de tweede passage van meetgebied zuid heeft plaatsgevonden, wordt er op 0, 60, 240 en 300 graden gegrout. Bij het injecteren door de segmenten, bij de eerste passage van meetgebied zuid, is op drie posities grout geïnjecteerd (0, 120 en 240 graden, waardoor de groutvolumes per injectiepunt groter zijn dan bij het injecteren door de boormachine. Naast de wijze van injecteren is ook de samenstelling van het grout tijdens het werk aangepast. groutdrukken en groutvolumina Groutdrukken zijn van belang voor de krachtswerking in de lining en voor de berekening van maaiveldzakkingen. De groutdrukken zijn niet gemeten in de staartspleet zelf. In plaats hiervan is de pompdruk bij de uitstroomopening gemeten. Hierdoor treden (onbekende) drukverliezen op. Bij het grouten door de segmenten, zoals bij de eerste passage van meetgebied zuid is gebeurd, is het drukverlies vermoedelijk lager. In onderstaande tabel 1 zijn de voorspelde en gemeten waarden van de groutdrukken weergegeven. Bij de voorspelling is uitgegaan van enerzijds een groutdichtheid van 22 kn/m 3 en anderzijds van een gelijkmatige opbouw van het drukprofiel door het grouten. Voorspelde en gemeten groutdrukken wijken vrij sterk af. tabel 1: predictie en meting groutdrukken in kpa meetring predictie noord predictie zuid meetring noord (78) ( ) meetring zuid (570) ( ) - kruin flank zool De voorspelde dichtheid van 22 kn/m 3 was hoger dan de gemeten dichtheid tijdens de eerste passage van meetgebied noord, met name omdat het water aandeel vrij groot was. De 27

34 gehanteerde injectiedrukken bij de eerste passage liggen ongeveer op het niveau van de waterspanning ter hoogte van de tunnel-as. De verschillen tussen de tijdens de eerste en tweede passage van meetgebied noord gehanteerde injectiedrukken blijkt aanmerkelijk. Bij de tweede passage liggen de gehanteerde drukken hoger. De verdeling van de groutdrukken om de omtrek van de meetring bij de eerste passage van meetgebied noord is bij benadering symmetrisch om de verticale as en ruwweg hydrostatisch. Het verloop tussen kruin en zool is slechts 50 kpa, wat minder is dan wat op basis van een zeer waterig mengsel mag worden verwacht. De groutdrukverdeling verandert nauwelijks in de tijd. Het verschil in groutdruk tussen de beide passages van meetgebied zuid is minder groot dan tussen de passages van meetgebied noord. De wijze van injecteren is echter verschillend geweest (zie hierboven), zodat wellicht de daadwerkelijke groutdruk in de staartspleet bij de eerste passage aanzienlijk hoger heeft gelegen dan bij de tweede passage. Bij de eerste passage van de meetring in meetgebied zuid wordt een ongelijkmatige druk gemeten: de grootste druk wordt gevonden nabij een van de injectiepunten: 350 kpa bij 129 graden. Doordat op drie plaatsen wordt gegrout, is per injectiepunt het groutvolume groter. Dit leidt tot relatief grote drukken in de zones rondom de injectiepunten. Groutvolumina Uit het vergelijken van de metingen met de duimstok van het volume geïnjecteerd grout en het aantal slagen per ring blijkt dat de hoeveelheid slagen geen maat is voor het volume geïnjecteerd grout. Dit wordt veroorzaakt doordat met dezelfde plunjerpompen ook de groutleidingen schoon gespoeld worden en doordat ook lucht in de leidingen voor kan komen. 3.4 Bentoniet injectie Op een aantal plaatsen, waaronder bij de tweede passage van het proefpalenveld ten behoeve van de Noord/Zuidlijn heeft aan de bovenkant van de boormachine een bentonietinjectie plaatsgevonden op ongeveer drie meter van het einde van het schild. Op genoemde lokatie was de bentonietdruk ongeveer gelijk aan de gehanteerde groutdruk. Een eventuele bentonietinjectie heeft invloed op de hoofdvijzelkrachten omdat het als smering fungeert. Daarnaast kan het bentoniet de wateruittreding uit de groutschil verminderen zodat het volumeverlies minder is. Gestructureerd onderzoek naar de toegepaste bentoniet injecties en de gevolgen ervan heeft niet plaatsgevonden. 28

35 3.5 Voortgangssnelheid Algemeen Als gevolg van het discontinue boorproces treedt er een verschil op tussen de voortgangssnelheid bij het boren (orde meters per uur) en de voortgangssnelheid van de tunnelbouw (orde meters per dag). Voortgangssnelheid van de tunnelbouw Per boordag kan gemiddeld zo n 10 tot 15 meter tunnel worden gerealiseerd. De voortgangssnelheid van de tunnelbouw is sterk afhankelijk van de grondsoort waarin wordt geboord. Bij de Tweede Heinenoordtunnel bedroeg de voortgang in zand maximaal ca. 22 meter per dag, terwijl in stijve klei slechts zo n 2 tot 5 meter per dag gerealiseerd kon worden. De reden hiervoor is vermoedelijk, dat het ontgraven in klei moeilijker gaat door het plakken van de klei aan de snijtanden. Daarnaast wordt de afvoer van de ontgraven klei bemoeilijkt doordat de afvoerleidingen sneller verstopt raken. Bij bijvoorbeeld de eerste passage van meetgebied noord werd het boren door kleihoudend zand gekenmerkt door een lage voortgangssnelheid. Voortgangssnelheid bij het boren Uit de metingen tijdens de eerste passage van meetgebied noord blijkt dat de voortgangssnelheden van het boorschild en de boorkop nagenoeg gelijk zijn geweest. Hieruit wordt geconcludeerd dat de tunnelboormachine zich in zijn geheel heeft verplaatst. De waarden schommelen met een behoorlijke variatie rond 2,5 m/uur. De voortgangssnelheid neemt enigszins toe naarmate de boormachine dieper komt te liggen. De meest plausibele verklaring hiervoor is het zandiger worden van de te doorboren grond vanaf het begin van het meetgebied tot aan het einde ervan. Tijdens de tweede passage van genoemd meetgebied ligt de gemiddelde boorsnelheid op circa 1,4 m/uur en is er sprake van een beperkte variatie. Tijdens de eerste passage van meetgebied zuid heeft de voortgangssnelheid nogal gevarieerd over het meetgebied. Tijdens het boren van ring 548 was de snelheid van het schild groter dan de snelheid van de boorkop. Daarnaast bleek de snelheid enigszins af te nemen naarmate de afgelegde afstand in het meetgebied toenam. Bij de tweede passage lag de gemiddelde boorsnelheid op circa 2 m/uur en is er sprake van een beperkte variatie. 29

36 HOOFDSTUK 4 EVALUATIES OP HET GEBIED VAN DE BOORTECHNOLOGIE 4.1 Inleiding Hoofddoelen van het onderzoek op het gebied van boortechnologie waren: het bepalen van de boorfrontstabiliteit, met name de boven en ondergrens voor de steundruk, binnen welke de grond rondom het boorfront niet tot bezwijken wordt gebracht. Hierbij zijn ook de optredende steundruk, welke bepaald wordt door de drukverdeling in de mengkamer, en de wateroverspanningen die voor het boorfront kunnen optreden van belang. het vaststellen van de axiale en tangentiële krachtenbalans bij het ontgraven; de effectiviteit van het boorproces, met name het ontgravingsproces en de daaruit volgende mengselvorming in de mengkamer en slijtage van de snijtanden, alsmede de effectiviteit van pompen en leidingen. In dit hoofdstuk wordt een vergelijking gemaakt tussen gemaakte predicties en meetwaarden. De verschillen worden verklaard en er wordt een beoordeling van de betreffende predictiemodellen gegeven. Niet in alle gevallen kon echter de vergelijking tussen predicties en meetwaarden volledig worden doorgevoerd: Tijdens het boren is uiteraard niet bewust gezocht naar instabiliteit. De maximale boorfrontdruk is ongewild wel een keer experimenteel bepaald. Tijdens het boren is een boorfront instabiliteit opgetreden. Het was uiteraard niet mogelijk om alle krachten in en op individuele onderdelen van de boormachine vast te stellen. Wel is ernaar gestreefd het relatieve belang van de hoofdcomponenten aan te geven. 4.2 Stabiliteit van het boorfront Bij een bentonietdruk lager dan de minimale steundruk zal grond en grondwater de tunnelboormachine instromen. Bij een bentonietdruk hoger dan de maximale steundruk wordt de grond voor het boorfront weggeperst, waardoor eveneens een instabiele situatie ontstaat. 30

37 De optredende steundruk wordt bepaald door de drukverdeling in de mengkamer, waarbinnen zich een mengsel van bentoniet en afgegraven grond bevindt. Verder is het belangrijk om de door de tunnelboormachine in de omringende grond gegenereerde extra waterspanning te kennen, omdat deze de stabiliteit kan beïnvloeden. Voor de Tweede Heinenoordtunnel blijken de minimale en maximale waarden voor de steundruk, rekening houdend met de invloed van wateroverspanning, dicht bij elkaar te liggen, zodat de instelling van de steundruk binnen nauwe marges ligt. Dit wordt veroorzaakt door de ondiepe ligging van de tunnel, vooral onder de Oude Maas. In deze paragraaf 4.2 worden eerst de minimaal en maximaal toelaatbare steundruk behandeld. Vervolgens wordt ingegaan op de drukverdeling in de mengkamer en de waterspanning voor het boorfront. Aan het einde van de paragraaf wordt aan de hand van een tweetal bijlagen een uitgebreide evaluatie van de gemeten steundrukken gepresenteerd Minimale steundruk Predictiemodellen Predicties van de minimale steundruk zijn uitgevoerd in diverse stadia en met een veelheid aan predictiemodellen: In [K100-w-024] zijn 6 verschillende analytische modellen gebruikt voor de beide meetgebieden; In [K100-w-015] zijn analytische berekeningen van de minimale steundruk uitgevoerd met het analytische rekenmodel van Jancsecz. Aangezien het hier ging om predicties en niet om ontwerpberekeningen is de spanningsreductie ten gevolge van silowerking in deze berekeningen wel meegenomen, hoewel dit door Jancsecz voor ontwerp-berekeningen niet wordt geadviseerd; In het kader van de eerste orde evaluatie is ter plaatse van een 7-tal maatgevende doorsneden de minimaal benodigde steundruk berekend, zie [K100-w-102]. Omdat deze berekeningen na afloop van de metingen zijn uitgevoerd, zijn dit geen predicties in de letterlijke betekenis. Het toegepaste rekenmodel en de parameters die in de berekeningen zijn gebruikt zijn echter in grote lijnen gelijk aan de predicties in [K100-w-015]. Gebruik is gemaakt van de modellen van Jancsecz (in zand) en Prater (in klei). Omdat veel doorsneden zowel zand als klei doorsnijden zijn telkens 2 berekeningen gemaakt, één met de methode Jancsecz en één met de methode Prater. Vervolgens is de laagste van beide waarden als minimale steundruk gedefinieerd. 31

38 In commissie L520 is een algoritme uitgewerkt om de minimaal toelaatbare steundruk aan het boorfront te berekenen wanneer dit boorfront laagsgewijs bestaat uit zand en klei [lit. 1]. Dit model is nog niet toegepast in de predicties. In [K100-w-023] zijn numerieke berekeningen gemaakt met PLAXIS, waarbij gebruik gemaakt is van een 2D- plane strain model; In [K100-w-024] zijn numerieke berekeningen gemaakt met PLAXIS, waarbij gebruik gemaakt is van een 2D- axiaal symmetrisch model; In [K100-w-037] is een experimentele predictie voor zowel minimale als maximale steundruk voor meetgebied noord uitgevoerd in de geotechnische centrifuge; In het kader van CUR/COB commissie L520 is een back-analysis uitgevoerd naar de resultaten van de genoemde centrifugeproeven. Deze berekeningen zijn uitgevoerd m.b.v. het EEMprogramma DIANA, waarbij gebruik gemaakt is van een 3D-model, [lit. 2]. Bij deze berekeningen is tevens de situatie van passief bezwijken van het front bekeken. In tabel 2 zijn de belangrijkste resultaten van de predicties samengevat. Tabel 2: predicties van de minimale steundruk ter plaatse van de tunnelas lokatie meetgebied noord, tunnelbuis west predictiemodel / werkrapport K100 of literatuur Jancsecz / [K100-w-023] Centrifugeproef / [K100-w-037] Plaxis 2D plane strain / [K100-w-023] Plaxis 2D axisymm. / [K100-w-024] DIANA 3D / [lit. 2] minimale steundruk (kpa) ring 74 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 145 ring 175 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 192 ring 250 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 230 ring 351 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 247 ring 381 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 231 ring 509 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 171 ring 546 tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-102] 152 meetgebied zuid, tunnelbuis west meetgebied zuid, tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-023] Plaxis 2D plane strain / [K100-w-023] Plaxis 2D axisymm. / [K100-w-024] Jancsecz / [K100-w-023] Plaxis 2D plane strain / [K100-w-023] Plaxis 2D axisymm. / [K100-w-024] ring 84 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102] 148 ring 121 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102] 169 ring 249 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102] 232 ring 316 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102]

39 ring 364 tunnelbuis oost Prater / [K100-w-102] 237 ring 455 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102] 196 ring 556 tunnelbuis oost Jancsecz / [K100-w-102] 143 meetgebied noord, tunnelbuis west Jancsecz / [K100-w-023] Centrifugeproef / [K100-w-037] Plaxis 2D plane strain / [K100-w-023] Plaxis 2D axisymm. / [K100-w-024] DIANA 3D / [lit. 2] Beoordeling van de predictiemodellen Opmerkelijk is de goede overeenstemming tussen de experimentele predictie en het Jancscecz rekenmodel. Bij een latere centrifugeproef is dit bevestigd [lit.3]. Het door Jancsecz ontwikkelde model blijkt voor zand nauwkeurig als er geen wateroverspanningen in het zandmassief aanwezig zijn. Bij de 2-dimensionale PLAXIS berekeningen levert het schematiseren van de 3 e dimensie uiteraard een belangrijke onzekerheid. Verder wordt in deze berekeningen geen rekening gehouden met grondwaterstroming, waardoor bezwijkwaarden lager dan de waterspanning kunnen worden verkregen. De lage waarde die gevonden wordt bij de 3D berekeningen met DIANA is te verklaren uit een overschatting van de effectieve cohesie c, zoals die gebruikt is in de berekening, zodat ook hier waarden beneden de waterspanning mogelijk zijn. In onderstaande figuur 12 is de benadering van het bezwijkmechanisme volgens Jancsecz weergegeven. Wanneer het boorfront is afgepleisterd, zal er geen grondwaterstroming zijn in het grondmassief. De boorfrontdruk wordt via de bentonietcake rechtstreeks overgebracht op de korrels. De evenwichtsbeschouwing die ten grondslag ligt aan de methode Jancsecz, is voor deze situatie geldig. <figuur 12: bezwijkmechanisme volgens Jancsecz > Bij een niet of onvoldoende afgepleisterd boorfront, zal de boorfrontdruk via de bentoniet een grondwaterstroming veroorzaken. De boorfrontdruk wordt dan niet rechtstreeks overgebracht naar de korrels, maar is ook buiten het aangenomen bezwijkpatroon nog als vloeistofdruk aanwezig. <figuur 13: Boorfrontstabiliteit: Met wateroverspanning is de netto effectieve kracht waarmee het boorfront wordt ondersteund kleiner > 33

40 Zoals in figuur 13 is weergegeven, betekent dit dat de boorfrontdruk slechts ten dele beschikbaar komt om de wig te stabiliseren. Dit leidt ertoe dat, om evenwicht van de afschuivende grondwig te krijgen zonder of bij slechts een gedeeltelijke afpleistering, een hogere boorfrontdruk nodig is. In de evaluatiefase is daarom een aangepast rekenmodel afgeleid om de minimale boorfrontdruk te berekenen bij aanwezigheid van een wateroverspanning voor het boorfront [K100-w-102]. Dit model is gebruikt voor herberekening van de minimale boorfrontdruk bij de verschillende dwarsdoorsneden. De resultaten staan in onderstaande tabel 3. Tabel 3: vergelijking predicties van de minimale steundruk ter plaatse van de tunnelas met en zonder invloed wateroverspanning lokatie oorspronkelijke predictie minimale steundruk (kpa) minimale steundruk, rekening houdend met wateroverspanning (kpa) ring 74 tunnelbuis west ring 175 tunnelbuis west ring 250 tunnelbuis west ring 351 tunnelbuis west ring 381 tunnelbuis west ring 509 tunnelbuis west ring 546 tunnelbuis west ring 84 tunnelbuis oost ring 121 tunnelbuis oost ring 249 tunnelbuis oost ring 316 tunnelbuis oost ring 364 tunnelbuis oost 237-1) ring 455 tunnelbuis oost ring 556 tunnelbuis oost ) Model Prater is hier maatgevend Door het in rekening brengen van de wateroverspanning voor het boorfront neemt de minimaal benodigde boorfrontdruk over het gehele tunneltracé met 10 à 20 % toe, ofwel 20 à 40 kpa. De berekeningen zijn uitgevoerd met een voorlopig en nog onvoldoende getoetst rekenmodel, maar de orde van grootte van de toename van de minimaal toelaatbare boorfrontdruk bij het in rekening brengen van de invloed van wateroverspanning is waarschijnlijk wel correct. 34

41 4.2.2 Maximale steundruk Predictiemodellen In de predicties zijn hoofdzakelijk analytische modellen gebruikt waarin de maximale steundruk wordt bepaald door het gewicht van de bovenliggende grond en de wrijving van die grond met de daarnaast liggende grond die niet omhoog wordt geduwd. De predicties geven een bezwijkdruk die aanzienlijk groter is dan de druk veroorzaakt door het eigen gewicht van de bovenliggende grond. De resultaten van de berekeningen lopen sterk uiteen. De meest conservatieve berekeningen geven een maximale druk die gelijk is aan de waterspanning plus 1.6 maal de korrelspanning voor een dekking op de tunnel van 1 maal de diameter. Naast de analytische berekeningen zijn er ook numerieke berekeningen uitgevoerd van de maximale steundruk. Ook deze resultaten lopen sterk uiteen. In de centrifugeproef, waarin de situatie bij meetgebied noord werd gesimuleerd, is geen maximale steundruk gevonden. Zelfs bij een steundruk van 1300 kpa bleef het boorfront stabiel. Vergelijking van de predicties met de metingen Bij de Tweede Heinenoordtunnel is een instabiliteit aan het boorfront opgetreden. Dit is gebeurd op 28 augustus 1997 bij het boren van de westelijke tunnelbuis, bij ring 351. De hierbij gemeten boorfrontdruk kan worden vergeleken met de voorspelde maximaal toelaatbare waarden. De nabij de tunnelas gemeten druk dient daarbij te worden teruggerekend naar de druk aan de bovenzijde van de tunnel. Deze berekende druk aan de bovenzijde bedraagt, afhankelijk van het (onbekende) gewicht van de slurry, 268 à 277 kpa. Dit betreft de gemiddelde druk die gemeten is bij het boren van ring 351. De steundruk aan de bovenzijde van 268 à 277 kpa komt globaal overeen met de verticale grondspanning, dus met het totale gewicht van de bovenliggende grond lagen. Wanneer echter niet de gemiddelde druk over de gehele ring als uitgangspunt wordt genomen, maar de gemeten druk nauwkeuriger als funktie van de tijd wordt uitgezet, dan ontstaat een geheel ander beeld: zie figuur

42 600 gemeten boordruk bij tunnelas (kpa) vermoedelijk tijdstip blow-out P tijd na begin :00:00 (uren) <figuur 14: gemeten druk in de mengkamer op tunnelas niveau tijdens boren ochtend 28 augustus 1997 > De fluctuerende druk rond 1 uur en 2 uur geeft aan dat er daadwerkelijk wordt geboord. Duidelijk is te zien dat het boren stopt omstreeks 2:40 uur (de fluctuaties nemen af). Dan neemt de druk, zonder dat er geboord wordt, toe tot 380 kpa. Mogelijk tijdens de voorbereiding van een nieuw stuk boren (er is wat extra ruis op het meetsignaal, maar minder dan tijdens het echte boren) neemt de druk verder toe tot boven de 450 kpa, om daarna weer snel in te zakken. Er ontstaat nog even een wat hogere druk, maar daarna zakt deze snel tot 260 kpa, nog maar weinig boven de berekende waterspanning op die plaats (238 kpa). Meer in detail wordt het drukverloop ten tijde van het optreden van de instabiliteit getoond in figuur 15a. 36

43 gemeten boordruk bij tunnelas (kpa) vermoedelijk tijdstip blow-out 11,000 11,500 12,000 12,500 13,000 13,500 tijd na begin :00:00 (s) P15 <figuur 15a: detail verloop boordruk op tunnelas ten tijde van de boorfront instabiliteit > Het blijkt dat voor de instabiliteit de druk in de mengkamer weer al langzaam aan het dalen is. Waarschijnlijk kan de druk worden weerstaan door de afpleisterlaag die zich heeft gevormd in de tijd dat er niet wordt geboord. Wanneer echter het snijrad in beweging wordt gebracht, ongeveer op het tijdstip waarop de instabiliteit plaatsvindt, zie figuur 15b, wordt de afpleisterlaag door het mes verwijderd, zodat er een grondwaterstroming in het grondmassief ontstaat. Hierdoor nemen de korrelspanningen juist boven de tunnel af en blijkt er onvoldoende sterkte aanwezig. De latere kortdurende drukpieken kunnen ontstaan door instorten van (een gedeelte van) het boorfront. <figuur 15b: stand van het snijrad en drukverloop ten tijde van de boorfront instabiliteit> De boorfrontdruk was in de paar minuten voor de instabiliteit gelijk aan de waterspanning plus 2.4 maal de verticale korrelspanning. Volgens de predicties is er dan bezwijken door opdrukken mogelijk, ook zonder dat er van een eventuele zwakke plek in de grond sprake is. In deze rekenmodellen wordt echter niet de invloed van grondwaterstroming, door het verwijderen van de afpleisterlaag, meegenomen. Hoe deze invloed in rekening moet worden gebracht is niet onderzocht. 37

44 Beoordeling van de predictiemodellen Evenals bij de bepaling van de minimale steundruk gaan de rekenmethoden voor de bepaling van de maximale steundruk er impliciet vanuit dat het boorfront in het geheel is afgepleisterd door de slurry. Gebleken is echter dat dit tijdens het boren niet het geval is, zie paragraaf Ook naar boven toe is er dus tijdens het boren een continue grondwaterstroming. Deze leidt mogelijk tot een verlaging van de korrelspanning en tot verzwakking van de grond. Hoe deze invloed in rekening moet worden gebracht is niet verder uitgewerkt in het kader van de evaluatie. Een absolute ondergrens voor de maximale boorfrontdruk wordt gevonden wanneer een naar boven gerichte opwaartse waterstroming opdrukken veroorzaakt. Deze ondergrens voor het maximum is ongeveer gelijk aan de verticale totaalspanning. Deze methode houdt geen rekening met de radiale spreiding van de opwaartse druk en geeft daarom alleen realistische uitkomsten bij een tunnel met een relatief kleine dekking. Bij een goede afpleistering is het onwaarschijnlijk dat dit mechanisme optreedt. Bij het boren is echter van een goede afpleistering geen sprake. De gemeten boorfrontdrukken hebben met name bij het boren van de westelijke tunnelbuis substantieel boven de verticale totaalspanning in de grond gelegen (op het niveau van bovenzijde tunnelbuis), zonder dat bezwijken optrad. Wanneer het bezwijken van de grond voor het boorfront als puur passief bezwijken wordt opgevat, zoals in het model van Leca en Dormieux [lit. 4], zie ook [K-100-w-024], worden zeer hoge waarden voor de toelaatbare druk gevonden, die kennelijk voor de praktijk niet geschikt zijn. Dergelijke hoge waarden werden ook in de centrifugeproef [K100-w-037] gevonden. Wanneer er niet wordt geboord en het boorfront is afgepleisterd, zijn relatief hoge drukken mogelijk. Dit laatste kan van belang zijn wanneer het boorfront onder luchtdruk dient te worden gezet. Bij het (gedeeltelijk) onder luchtdruk zetten van het boorfront wordt vooraf onderzocht of het luchtverlies beperkt is. Een beperkt luchtverlies betekent dat het boorfront is afgepleisterd. Waarschijnlijk is de maximale toelaatbare boorfrontdruk in die situatie hoger dan tijdens het boren. Concluderend moet worden gesteld, dat er veel rekenmodellen zijn, die onderling sterk uiteenlopende resultaten geven. De gemeten boorfrontdruk aan de bovenzijde van de tunnel ten tijde van de boorfrontinstabiliteit was gelijk aan de waterspanning plus 2,4 maal de korrelspanning. 38

45 4.2.3 Drukverdeling in de mengkamer De gemiddelde druk en de drukverdeling in de mengkamer is sterk van invloed op de boorfrontstabiliteit. Een voorbeeld van de gemeten drukken in de mengkamer is gegeven in de onderstaande figuur 16. Deze drukken zijn gemeten met de drukopnemers aan de voorkant van het snijrad. <figuur 16: voorbeeld van de gemeten drukken in de mengkamer > De gemeten drukverdeling in de mengkamer is vrijwel lineair. Hieruit volgt dat de dichtheid in de mengkamer vrijwel uniform is. In deze situatie kan de dichtheid via een gewone verdunningsberekening berekend worden. De absolute waarde van de dichtheid in de mengkamer varieert wel per meetgebied en is aanzienlijk hoger dan in de predicties was verondersteld: Meetgebied noord, passage 1: 1450 kg/m 3, Meetgebied zuid, passage 1: 1290 kg/m 3 Meetgebied zuid, passage 2: 1260 kg/m 3, Meetgebied noord, passage 2: 1390 kg/m 3 39