Dichtblok. Tunnelbouw. in de grond' komt in deze van cement aan de orde. In uitvoeringstechniek specifiek

Transcriptie

1 I Uitvoerin Tunnelbouw Dichtblok in de grond' komt in deze van cement aan de orde. In uitvoeringstechniek specifiek wordt een afdichslappe grond. Hierdoor is kan doen, zonder het gevaar wordt in vaktermen 'dicbtblok' Met de bouw van de vele boortunnels in Nederland (voor o.a. de Westerscheldetunnel, de 2 e Heinenoordtunnel, de Betuwelijn of HSL) staan we er eigenlijk niet meer zo bij stil dat dit nog maar een recente ontwikkeling is in ons land. Zinktunnels kennen we al jaren, de Maastunnel in Rotterdam was in 1942 de eerste. De aanleg van boortunnels vereist specifieke technieken in de uitvoering. Het boorproces brengt met zich mee dat op een grote diepte moet worden begonnen met boren (hier komen we later op terug). Eerst wordt een bouwkuip gemaakt waarin de boormachine wordt opgebouwd. Deze bouwkuip is doorgaans vervaardigd uit stalen damwanden waarin, na ontgraving. onderwaterbeton wordt gestort. Tegen de wand waar de boormachine met zijn werk gaat beginnen wordt beton gestort met daarin een groot rond gat waar de machine net in past. Deze wand wordt de 'brilwand' genoemd. Vooral heel treffend bij twee gaten. als twee tunnels naast elkaar moeten worden geboord. (zie foto van de Botlektunnel). Zo'n bouwkuip wordt doorgaans startschacht genoemd en de bouwkuip waar de boormachine uiteindelijk het daglicht weer ziet heet ontvangstschacht. Dat is mooi zal de oplettende lezer denken, maar hoe komt die boormachine nu door die stalen damwand? Als je die weghaalt stroomt de schacht vol en kun je het verder wel vergeten, om maar niet te denken wat er met die slappe Nederlandse grond gebeurt! Er zal dus een voorziening moeten worden aangebracht die het mogelijk maakt dat de boormachine vanuit de droge startschacht zich een weg baant naar de omringende In veel gevallen. bodem. zeker in het westen van ons land, gaat het daarbij om slappe grond met hoge grond- juli 2002

2 waterstanden. Een dergelijke voorziening moet dus waterdicht zijn, waterdicht aansluiten op de startschacht én bovendien in staat zijn de achterliggende grond te keren. Als laatste, niet onbelangrijke, eis moet de boormachine zich er doorheen kunnen boren. Kortom, wat we zoeken is een grote, waterdicht 'kurk' die past op het gat in de wand van de startschacht. graafwiel niet meer kan ronddraaien en dat verder boren onmogelijk is. We moeten ervoor zorgen dat dit niet gebeurt. Een typische plaats waar de kans op deze calamiteit groot is, is bij de start (of het einde) van het boorproces (zie kader 'Stabiliteit van het boorfront'). Een maatregel om dit te voorkomen is het toepassen van een soort grondverbetering. Hier komen we op terug bij de 'kurk' in de damwand. Het boorproces iiililllt~l'we ingaan op de mogelijkheden hoe zo'n :iifiiiijüing kan worden vervaardigd is het goed :i~wj;~tê'ven wat te vertellen over het boorproces en i JiiliJbehorende vaktermen. Het boren in de grond gebeurt door een graafwiel rond te laten draaien vlak voor de boormachine. Op dit graafwiel zijn tanden gemonteerd die de grond afschrapen. Het graafwiel draait dus rond in een door hem zelf gemaakte ruimte. Het afgeschraapte vlak in de grond vóór het graafwiel noemt men het boorfront. Vervolgens wordt de losgemaakte grond via de boormachine afgevoerd. Dit kan op verschillende manieren, maar daar gaan we hier niet verder op in. De boormachine verplaatst, door zich afte zetten met behulp van vijzels tegen de reeds gemonteerde tunnelwand achter de machine. Zo snel gezegd lijkt het allemaal heel eenvoudig, maar er zijn een paar addertjes onder het gras. Eén ervan is instabiliteit van het boorfront of, met andere woorden, het boorfront blijft niet als één vlak staan en stort in. Gevolg hiervan is dat het lil t Q n i e k juli

3 Aan de andere zijde kan de damwand worden getrokken. Er is nu tegen de startschacht een blok van mortel gemaakt dat in staat is de grond te keren en de startschacht waterdicht af te sluiten van het omringende grondwater. Door deze functie kreeg het blok al gauw de naam 'dichtblok', De Kurk I~~~~~~bouwvan de ZeHeinenoordtunnel, de eerste ~imhunnel in Nederland, was het in het buiten- ]~j~gebruikelijk een waterdichte aansluiting l:jmê'l1 startschacht en omringende grond te realiseren door toepassing van grondverbetering. Gebruikelijke methoden daarvoor zijn zand-eement stabilisatie, jet-grouting, mix-in-place of diepwandtechniek (zie kader: 'Grondverbetering'). Een nadeel van de drie laatst genoemde methoden is dat de eigenlijke productie zich uit het zicht afspeelt. Men kan simpelweg niet zien wat er nu in de grond wordt gemaakt. Gevolg hiervan is dat de resultaten vaak tegenvallen. Door onvolkomenheden tijdens de aanleg kan het gebeuren terecht is gekomen op plaatsen dat er niet overal grout waar men het graag zou willen hebben of dat de diepwand-panelen goed op elkaar aansluiten. water- en grondkerende men alsnog maatregelen goede afdichting te verkrijgen. niet Gevolg hiervan is dat de werking tegenvalt en dat moet treffen om een Nu kan de boormachine met zijn werk beginnen. De boormachine boort zich vervolgens een weg door het blok van verharde mortel. Het zal duidelijk zijn dat die mortel niet te hard mag zijn anders slijten de tanden op het boorwiel veel te snel of erger, hij komt er in het geheel niet doorheen! Hiermee is meteen een volgende belangrijke eis aan het dichtblok gesteld: de sterkte ontwikkeling. Om van dit probleem afte zijn is voor de ze Heinenoordtunnel een nieuwe techniek ontwikkeld. Hierbij wordt tegen de startschacht een tweede, kleine, bouwkuip gemaakt. Na ontgraven wordt in deze kuip een dunne laag onderwaterbeton gestort. Onder water worden vervolgens de damwanden en de bovenkant van het onderwater beton goed schoon gemaakt. Er mogen geen grond of slib resten achterblijven, om het ontstaan van lekken tegen te gaan. Daarna wordt de kuip van onderaf gevuld met een hoogvloeibare mortel. Deze mortel verdringt het water uit de kuip. Als deze mortel is verhard, kan aan de zijde van de startschacht in de damwand een cirkel worden weggebrand. Bet 0 n i e Ic juli

4 ::f::::::;::::::: Dkhtblok technologie ::::::::~Y.~IDfflat we naar de technologie gaan kijken is 1IIIIIIIiljlÎk:t~:::i::::::~~;a:~:;:=~ ~: ~~tten. ::::\luiri~noordtunnel en de Botlekrannel, wordt eigenlijk net als onderwaterbeton gemaakt. De mortel wordt ook onder water gestort metbehulpvan een betonpomp en een ventiel. De eisen die daar uit voortvloeien zijn: goed en gelijkmatig uitvloeien; goed in allerlei hoeken en gaten van de damwandk;uip vloeien; voldoende stabiliteit, hetmagnietontmengen; Aan de verharde mortel worden de volgende eisen gesteld: scheuren; een minimale sterkte om grond- en waterdruk te kunnen keren; De sterkte en stijfheid mag ook weer niet te hoog zijn; Voldoende gewicht voor verticaal evenwicht met de grondwaterdruk. Alles bij elkaar een set van unieke eisen en daarmee een uitdaging voor de (beton}technoloog. Vooral de eis ten aanzien vaneen maximale druksterkte en stijfheid mag hier als bijzonder worden genoemd. De kreet 'hoe sterker hoe beter' gaat hier dus in ieder geval niet op! Deze eis staat in direct verband met de slijtage aan de boormachine, in het bijzonder aan de snijtanden. Dit speelt tijdens het doorboren van het dichtblok aan het begin én het eind (!) van het boorproces. Als de tanden te snel slijten moet eerder en vaker onderhoud worden gepleegd. In sommige gevallen kan het een aanzienlijke tijd duren voordat de boormachine het dichtblok doorboort. Er kan wel een jaar (of langer) zitten tussen het tijdstip van vervaardigen van het blok en het doorboren ervan. Al die tijd blijft de eis met betrekking tot sterkte en stijfheid van kracht. Globaal resulteren deze voorwaarden in de volgende eisen: druksterkte tussen de Zen8 N/mmz; elasticiteitsmodulus (stijfheid) < 1000 N/mm 2. Vertaald naar de vloeibare mortel kunnen de volgende eisen worden gesteld: volumieke massa > 1800 kg/m 3 ; bleeding < 2%; vloeimaat mmo Bet 0 n i e k juli

5 Op het eerste gezicht geen schokkende eisen, maar als we er wat beter naar kijken blijkt het toch niet zo eenvoudig te zijn. Neem de druksterkte bijvoorbeeld, tussen de 2 en 8 N/mm 2. Geen minimum waarde, maar een bandbreedte waarbinnen de sterkte moet blijven. Wordt daarbij op de gebruikelijke wijze rekening gehouden met de standaard afwijking, dan komen er toch wat problemen om de hoek kijken. Als namelijk op de gebruikelijke manier wordt gerekend met de standaard afwijking, dan betekent dit sturen in het productie proces op een hogere waarde dan 2 Njmm-' en een lagere (!)waarde dan 8 N/mm 2 Gevolg hiervan is dat er helemaal geen bandbreedte meer over blijft. Conclusie is dat men hier anders met de resultaten moet omgaan om te kunnen voldoen aan de gewenste eisen. Ontmengen openbaart zich door bleeding op de vloeibare mortel. Feitelijk is dan de mengselopbouw niet meer homogeen en mag worden verwacht dat ook het gehalte aan vaste stoffen (cement, zand etc.) over de hoogte varieert. Gevolg hiervan is dat ook de sterkte over de hoogte van het dichtblok varieert. Gemiddeld genomen kan dan nog wel aan de eisen worden voldaan, maar bovenin en/of onderin absoluut niet meer! Het mag duidelijk zijn dat dus veel aandacht moet worden besteed aan de stabiliteit van de vloeibare mortel. Om hiervoor een goed mengsel te maken met de gewenste eigenschappen is een uitgekiende samenstelling noodzakelijk. In een praktijkproef moet worden getest ofhet in het laboratorium ontwikkelde mengsel ook geschikt is om op grote schaal te worden toegepast. Gezien de factor tijd in de eisen (bijvoorbeeld een jaar) moet tijdig gestart worden met het geschikheidsonderzoek. Het zou erg sneu zijn als na een jaar moet worden geconstateerd dat niet wordt voldaan aan de eisen. Bij de 2 Heinenoordtunnel is een mengsel toegepast met bentoniet (zie tabel voor de globale samenstelling). Het mengsel van water en bentoniet wordt op de bouwplaats gemaakt en in aangepaste hoeveelheden per normale truckmixer naar de betoncentrale vervoerd. Daar zijn zand, cement, een deel van het water en hulpstoffen reeds gemengd. Deze mortel wordt aan het mengsel in de truckmixer toegevoegd, goed doorgemengd en weer naar de bouwplaats vervoerd. Daarna wordt deze zogenoemde 'lagesterktemortel' in het werk aangebracht. Bij de Westerscheldetunnel en de boortunnel onder het Groene Hart, ten behoeve van de HSL, is geen bentoniet gebruikt. Hierdoor vervalt de fase van het maken en het rijpen van het bentonietmengsel. Bij beide tunnels is gebruik gemaakt van vliegas. Aan de noordzijde van de Westerseheldetunnel, bij de ontvangstschacht. is weer een ander mengsel toegepast. Hier is gebruik gemaakt van kalksteenmeel. Deze mengsels zijn in een betoncentrale gemengd. Een globale indicatie van de samenstelling is in de tabel gegeven. Bet 0 n i e k juli

6 111 Westerschelde tunnel, dichtblok met catsson. 111 Bflonnachine Betoniek ;uli2002 6

7 Uit de tabel blijkt dat gewerkt wordt met relatief lage cementgehaltes en grote hoeveelheden water. De water-cementfactor zit ergens tussen de 2,5 en 5, erg hoog dus in vergelijking met beton! Het resultaat hiervan is de lage gewenste sterkte, want ook bij deze mortels gaat de wet van de watercementfactor op. Door de hoge wcf zal nagenoeg al het cement hydrateren in een relatief korte tijd, hierdoor zal ook de doorgroei in sterkte eerder stoppen dan bij beton! Ten behoeve van de stabiliteit van de mengsels is bij een dergelijke wcf een grote hoeveelheid fijn nodig in de vorm van vliegas ofkalksteenmeel. Bentoniet vormt hierop qua hoeveelheid een uitzondering door de afwijkende werking zoals eerder is uitgelegd. Als voorbeeld is in onderstaande figuur de ontwikkeling van de sterkte in relatie tot de tijd weergegeven van een van deze mortels. machine zich in dit blok bevindt, bestaat de mogelijkheid om eventueel versleten snijtanden te wisselen en ander onderhoud te plegen. Voor de Westerschelde tunnel heeft men aan de zuidkant een startschacht in den droge gebouwd en een dichtblok aangebracht door in lagen van één meter een zand-cement stabilisatie aan te brengen achter de 'brilwand'. Aan de noordzijde is een ontvangstschacht gemaakt in een pneumatisch afgezonken caisson. Hiertegen is een dichtblok gemaakt met de al eerder genoemde lagesterktemortel met kalksteenmeel. Verder is het caisson deels met zand-cement gevuld. Uit bovenstaande blijkt dat er niet één uniek samenstelling is voor de lagesterktemortel ten behoeve van een dichtblok. Afhankelijk van de uitvoeringswijze en de specifieke omstandigheden zal een keuze moeten worden gemaakt. Diversen HSL wordt met verschillende methoden Bij de startschacht van de Groene Hart is met behulp van diepwandtechniek een Ook hier bleek dat de al eerder gemaakte kanttekening bij deze uitvoeringsmethode niet onterecht was. Men heeft lekkage van het dichtblok moeten repareren met injectie. Drie ontsnappingschachten zijn onderdeel van de boortunnel onder het Groene Hart. Hier wordt een ronde schacht gemaakt met behulp van diepwanden en onderwaterbeton. Deze schacht wordt opgevuld met een lagesterktemortel. De boormachine boort zich een weg door deze mortel. Als de boor- l)lfhnnimale afmetingen van het dichtblok worden WiJfje bepaald door de lengte van de boormachine. VJhrdat deze het dichtblok helemaal verlaat moet Mé!dmnnen grouten om de ruimte tussen de buitenzijde van het boorgat en de tunnelsegmenten op te vullen. Wordt dit niet goed gedaan dan ontstaat een spleet langs de buitenzijde van de segmenten waardoor alsnog water en mogelijk ook grond in de startschacht kan komen. Door de grote afmetingen van het blok zijn de benodigde hoeveelheden mortel zeer omvangrijk, ca m 3 of meer zijn hoeveelheden waar al gauw rekening mee moet worden gehouden. De stortsnelheid zal daarbij over het algemeen hoog zijn, zodat het van belang is een goede balans te vinden tussen de prestatie-eisen, het pakket aan grondstoffen en de productie mogelijkheden op de centrale. Producten als beton, en ook lagesterktemortel, vallen onder het Bouwstoffenbesluit. Voor producten die niet in het reguliere leveringspakket van de betoncentrale vallen betekent dit dat nader onderzoek noodzakelijk is om aan te tonen dat wordt voldaan aan het Bouwstoffenbesluit. El e 0 i e juli

8 Colofon Slot [n e'l"l"steinstantie zou je denken wat moet een blad äls Bet 0 n i e k nou met een artikel over 'lagesterktt'~llmtel'. Bij nader inzien blijkt dat aan die mortel loc'h wel hele specifieke eisen worden gesteld en dat het mogelijk is deze mortel op een betoncentrale te vervaardigen. Ineens wordt dan de uitdaging voor de betontechnoloog duidelijk. Als je altijd bent gewend te sturen op een ondergrens van de sterkte, dan is een bovengrens een hele uitdaging! De lezer die zich nog wat meer wil verdiepen in het fenomeen boortunnels kan terug grijpen op Bet 0 nek 10/21. Literatuur Hoortunnels, Bet 0'1 i e k 10/21, januari 1997 x Cement in de grond, Bet 0 n i e k 12/13, maart '2U(}Z D-khtblok van lagesterktebeton, R.H.C. van Berkel, Cement 1999/2.'l.lx>1ll1emel1IJijtrijzeJl ;)001. Neó.~Jhl1(j 1';,1:; lklglt' 11,75 Overige landen 24,30 Aanmeldingen/opzeggingen. Abonnementen kunnen op ieder gewenst moment ingaan. Aan het eind van het kalenderjaar wordt het abonnement automatisch verlengd, tenzij vóór 1 december schriftelijk wordt opgezegd, Overname van artikelen en illustraties is toegestaan, onder voorwaarde van bronvermelding. ISSN x - -- Ned"U"î'i'g eve rs V e rbo n d Groep uitgevers voor vak en wetenschap Bet 0 n lek juli