~T Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat Bouwdienst Rijkswaterstaat Droge infrastructuur Afdeling Tunnelbouw Samenvatting ontwerpberekeningen geboorde gedeelte Tweede Heinenoordtunnel -_._.. - YB N :J: Y1 N :J: '..... Y3 '. ---_._~ m :J: '............ "... datum documentnr. opsteller bron status november 1996 1933-T-963116 ir Arjan van der Put Tunnelcombinatie Heinenoord bestaande uit: Ballast Nedam Beton & Waterbouw b.v. Hollandse Beton & Waterbouw b.v. Van Hattum en Blankevoort b.v. en Wayss & Freytag ag. definitief
Voorwoord Beste lezer, Dit rapport is een uitbreiding en voltooiing van het concept rapport "Standaard berekeningen Boortunnel Heinenoord" van juli 1994. De ontwerpberekeningen van de eerste geboorde tunnel in Nederland, de Tweede Heinenoordtunnel, zijn in dit rapport samengevat. In ontwerpfase zijn de berekeningen uitgevoerd door het bouwteam Tweede Heinenoordtunnel waarin de Bouwdienst Rijkswaterstaat en de Tunnelcombinatie Heinenoord (TCH) deelnemen. Men moet zich goed bedenken dat dit rapport slechts de ontwerpmethoden weergeeft zoals die voor de eerste geboorde tunnel in Nederland zijn toegepast. Door proefnemingen en ervaringen kunnen in de toekomst misschien andere methoden worden toegepast. Aan de totstandkoming van dit rapport hebben de volgende mensen meegeholpen: Michel Langhout (beschrijving tapse ringen en toleranties 3.3.4 en 3.3.5), Harry Dekker (beschrijving grondonderzoek hoofdstuk 4), Eelco Negen (beschrijving 3-dimensionale raamwerkberekening 6.3.3) en in het bijzonder de heer Gürkan die het geduld en de moeite iedere keer nam om de boortunnelberekeningen toe te lichten. Met vriendelijke groet, Arjan van der Put Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel november 1996
Inhoudsopgave Voorwoord Inhoudsopgave Verklaring gebruikte afkortingen en termen iii v vii Inleiding. 1.1 Algemeen. 1.2 Doel rapport. 1.3 Overzicht ontwerpberekeningenboorgedeeltetweede Heinenoordtunnel. 2 Ontwerp-aspectenboorgedeelte Tweede Heinenoordtunnel.................. 3 2.1 Algemeen 3 2.2 Randvoorwaardenen uitgangspunten 3 2.3 Programmavan eisen 3 2.4 Berekeningstechnischeaannamen..................................... 4 3 Korte beschrijving boortunnelontwerp 5 3.1 Algemeen 5 3.2 Diepteligging boortunnel........................................... 5 3.3 Liningontwerp 5 3.3.1 Algemeen 5 3.3.2 Aantal en dikte van de segmentenin de tunnelring 5 3.3.3 Boutverbindingen.......... 6 3.3.4 Links-,rechts-en parallelringen 8 3.3.5 Liningtoleranties 9 3.3.6 Voegprofielen................................................... 10 4 Bepalinggrondparametersen waterstanden.............................. 13 4.1 Algemeen,... 13 4.2 Het uitgevoerdegrondonderzoek..................................... 13 4.3 De adviseringvan de aan te houden grondparameters 13 4.4 De maatgevendedoorsnedenvoor de verschillende berekeningen 16 Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel novemb<'< 1996
5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.2.1 6.5.2.2 6.5.2.3 6.5.3 6.6 7 7.1 7.2 Opdrijf- en graaffrontstabiliteitsberekeningen geboorde tunneldeel Tweede Heinenoordtunnel.............................. 17 Algemeen 17 De opdrijfberekening 17 Berekening graaffrontstabiliteit....................................... 18 Algemeen 18 Het horizontale evenwicht van de steundrukberekening..................... 18 Het verticale evenwicht van de steundrukberekening (blow out-berekening), 20 De opbreekberekening 22 De liningberekening, 25 Algemeen 25 Probleemverkenning liningberekening 25 Mechanicamodellen liningberekening Tweede Heinenoordtunnel..... 26 Algemeen 26 liningschematisatie voorontwerp 27 liningschematisatie definitief ontwerp.................................. 30 Schematisatie van de beddingswaarden................................. 32 Belastingen 34 Algemeen 34 BelastingschematisatieSchulze Duddeck-model........................... 34 Algemeen 34 Aannamen en uitgangspunten 35 Belastingformules 35 Belastingsgevallen, 36 Overzicht veiligheden liningberekening Tweede Heinenoordtunnel............. 40 Resultaten 41 Gekozen liningontwerp, 41 Wapening ö, 41 5.lmen\/ilning berekeningl!f1 Tweede Heinenoordtunnel november 1996
Literatuurlijst............................................................. 44 Bijlagen Bijlage 1 Bijlage 2 Bijlage 3 Bijlage 4 Het ruimtelijk steundrukmodel volgens Jancsecz Voorbeeld opdrijfberekening Voorbeeld steundrukberekening en blowoutberekening Formule-afleiding en voorbeeld opbreekberekening Verklaring gebruikte afkortingen en termen TBM ringvoeg langsvoeg voegprofiel segmentsteen tunnelring tunnellining tunnel mantel tunnelboormachine voeg tussen twee aanliggende tunnelringen voeg tussen twee aanliggende segmentstenen in dezelfde tunnelring rubber afsluitvoeg tussen de segmentstenen t.b.v. de waterdichtheid tunnellining betonnen segment uit de tunnel ring een boortunnel is in langsrichting opgebouwd uit ringen van beton de betonnen tunnelomhulling tunnellining van de Samenvaning berekeningen Tweede Heinenoordtunnel november 1996
1 Inleiding 1.1 Algemeen Ten behoeve van de capaciteitsuitbreiding van de A29 worden de langzaam verkeer stroken uit de bestaande Heinenoordtunnel verwijderd. Het langzaam verkeer zal door een nog aan te leggen Tweede Heinenoordtunnel worden geleid. Deze Tweede Heinenoordtunnel wordt naast de bestaande Heinenoordtunnel aangelegd. In 1989 is voor de Tweede Heinenoordtunnel een aanbieding gevraagd door de Bouwdienst Rijkswaterstaat. Vanwege geldgebrek is het project toen echter uitgesteld. In 1993 is de Tweede Heinenoordtunnel echter aangewezen als praktijkproject voor een geboorde tunnel en is er geld vrijgemaakt om het project uit te voeren. Het ontwerp van de Tweede Heinenoordtunnel is uitgewerkt in projectteamverband. In dit projectteam nemen de participanten van de Tunnelcombinatie Heinenoord (TCH) en de Bouwdienst Rijkswaterstaat deel. De TCH bestaat uit de volgende combinanten: Ballast Nedam Beton en Waterbouw, Wayss & Freytag, van Hattum & Blankevoort, de Hollandsche Beton & Waterbouw. Voordat met het boortunnelontwerp is begonnen, zijn in samenwerking met het bouwteam door Grondmechanica Delft (GD) en Erdbouwlaboratorium Essen (ELE) rekenregels opgesteld voor het ontwerp van de boortunnel. Aan de hand van deze rekenregels heeft de TCH een ontwerp voorgesteld dat door de Bouwdienst als geheel en door GD en ELEop bepaalde elementen is beoordeeld. Om een algemene indruk van de Tweede Heinenoordtunnel te krijgen is in figuur 1.1 het bovenaanzicht en het langsprofiel van de tunnel weergegeven. 1.2 Doel rapport De Tweede Heinenoordtunnel is een praktijkproject voor een geboorde tunnel in Nederland. Het doel van dit project is om met de boortunneltechniek in Nederland ervaring op te doen. Voor het ontwerp van de boortunnel Heinenoord zijn een aantal berekeningen gemaakt die specifiek voor boortunnels gelden. Dit rapport heeft als doel verspreiding van kennis ten aanzien van de ontwerpberekeningen van de boortunnel Heinenoord aangezien er in het algemeen in Nederland weinig bekend is over de rekenmethodes van boortunnels. In dit rapport worden de architectonische en afbouw-aspecten van de Tweede Heinenoordtunnel niet behandeld. 1.3 Overzicht ontwerpberekeningen boorgedeelte Tweede Heinenoordtunnel Voor de uitvoering van de Tweede Heinenoordtunnel als boortunnel is gekozen voor een tunnelboormachine (TBM) van het type Hydroschild. Voor de afwegingen van deze keuze wordt naar rapport "Keuze tunnelboormachine Heinenoord (LVTH-D-94005)" van J.L. van der Put verwezen. Deze keuze houdt in dat het graaffront met een vloeistofdruk of in incidentele gevallen met luchtdruk wordt gesteund hetgeen verschillende belastingsgevallen tot gevolg heeft waarvan de graaffrontstabiliteit dient te worden berekend. De ontwerpberekeningen voor de Tweede Heinenoordtunnel in de maatgevende doorsneden bestaan uit: berekeningen ten behoeve van de bepaling van het alignement; opdrijfberekeningen; berekeningen t.b.v. de graaffrontstabiliteit; liningberekeningen. In dit rapport worden eerst de ontwerp-aspecten van de boortunnel beschreven waarna vervolgens verder wordt ingegaan op de verschillende ontwerpberekeningen. Samenvatting bereken ingen Tweede Heinenoordtunnel november 1996
I ~.!l.!l. i. ~. =' :. ti-... L~ ~i J. J. ~! ~ ~ ~ J.... I. ~. L~ ~. 0 L;. L~... J. 0 <J :> 0,. :. ;. ;. ~ ;. I I hi i I i I, II I I :;; o <C ;.,. ~ Lh ~. ~. ~. ~. ~. :,. ~.,:- ~ i ~ ) / figuur 2.1 Samenvaning berekeningen Tweede Heinenoordtunnel november 1996
2 Ontwerp-aspecten boorgedeelte Tweede Heinenoordtunnel 2.1 Algemeen In dit hoofdstuk worden de algemene randvoorwaarden, uitgangspunten, eisen en aannamen vermeld die van belang zijn geweest voor het ontwerp van het geboorde tunneldeel van de Tweede Heinenoordtunnel. 2.2 Randvoorwaarden en uitgangspunten a b c d Grondgesteldheid en grondwaterstand. Om de grondgesteldheid te bepalen is er een grondonderzoek uitgevoerd dat heeft geresulteerd in de grondparameters en een geotechnisch profiel zie figuur 2.1. De grondparameters, de grondwaterspiegelfluctuaties en de eventuele wateroverspanningen zijn van essentieel belang voor een boortunnelontwerp. In hoofdstuk 4 wordt het grondonderzoek van de Tweede Heinenoordtunnel om deze redenen nader beschreven; Waterstanden in de rivier de Oude Maas. De waterstanden in de rivier de Oude Maas staan indirect in verbinding met de diepere zandlagen waarin de boortunnel wordt geboord. De boortunnel wordt gerealiseerd met een Hydro-schild; Het profiel van vrije ruimte. 2.3 Programma van eisen In het programma van eisen is in dit rapport een verdeling gemaakt naar algemene eisen en eisen die in de bouwfase en gebruiksfase worden gesteld aan de boortunnel. De algemene eisen zijn: a de opdrijf-eis de boortunnel moet niet opdrijven. In paragraaf 5.2 wordt de opdrijfberekening behandeld; b opbreek-eis de grond boven de boortunnel moet bij hoogovale vervorming niet opbreken. In paragraaf 5.4 wordt de opbreekberekening behandeld; c sterkte-eisen de lining moet de heersende grond- en waterdrukken en de veranderlijke d beton-eisen belastingen met een vereiste veiligheid kunnen weerstaan; milieuklasse Sb, B45, wapeningsstaal FebSOO; e waterdichtheid de lining moet voldoende waterdicht zijn. In paragraaf 6.6 wordt dit verder f maaiveldzetting behandeld; een maximale zetting van 6 cm; g tracétolerantie de tolerantie in het profiel van vrije ruimte is 10 cm t.o.v. de straal; h brandeis 60 minuten brand volgens de standaard brandkromme. De eisen in de bouwfase zijn: a graaffrontstabiliteit voor de verschillende graafondersteuningbelastingsgevallen dient het graaffront stabiel te zijn. In paragraaf 5.3 wordt de berekening van de graaffrontstabiiiteit behandeld; b belastingsgevallen grond- en waterdrukken, vijzelkrachten van TBM op lining, etc. In paragraaf 6.5 worden deze belastingen verder behandeld. De eisen in de gebruiksfase zijn: belastingsgevallen grond- en waterdrukken. In hoofdstuk 4 worden deze belastingen verder behandeld. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel november 1996
2.4 Berekeningstechnische aannamen Voor het boortunnelontwerp van de Tweede Heinenoordtunnel zijn een aantal aannamen gedaan. 1 Aannamen in de opdrijfberekening Voor de neerwaartse kracht op de tunnel wordt alleen de grondmoot recht boven de tunnel genomen en worden de wrijvingskrachten niet in rekening gebracht, zie paragraaf 5.2. l. Aannamen in de graaffrontstabiliteitsberekeningen zijn: In de literatuur zijn verschillende methoden vermeld die de graaffrontstabiliteit beschrijven. Voor het Tweede Heinenoordtunnelproject is voor het model lansecz gekozen. In bijlage I is een algemene beschrijving van het ruimtelijke steundrukmodel volgens Jancsecz gegeven. J. Aannamen in het liningontwerp zijn: a Er is geen onderlinge beïnvloeding van tunnelbuizen als de boortunnelbuizen meer dan 0.50 uit elkaar liggen; been langsberekening van het boortunneldeel (een zgn.liggerberekening) is niet nodig omdat: * onder de tunnelvoet bevinden zich geen cohesieve lagen die door ontgraving kunnen zwellen; * ophogingen op het maaiveld leiden door het ontbreken van bovengenoemde lagen niet tot noemenswaardige zettingen; * bovendien geldt er dat door de velen scharnieren in de tunnellining (de ringvoegen om de 1,5 meter) de tunnel zich goed kan aanpassen aan de grondvervormingen zodat niet met noemenswaardige dwarskrachten in de ringvoegen hoeft te worden gerekend. Ook zijn er geen plaatselijke hoge bodemspanningen ten gevolge van grondophogingen e.d. of plotselinge overgangen in langsrichting in de verschillende bodemlagen * de opdrijfkracht van het water groter is dan het eigen gewicht van de tunnel en de verkeersbelasting waardoor in de buis in langsrichting nauwelijks dwarskrachten worden geïntroduceerd door eventuele zakking. c Relaxatie van de grout t.g.v. krimp en kruip wordt verwaarloosd omdat: * de grout wordt geïnjecteerd in een met water verzadigde grond. Krimp t.g.v. uitdroging treedt dus niet op. Een verandering van de E- en K-waarden van de grond door kruip van de grout is te verwaarlozen. d Voor de opvulling van de tunnelvoet tot het rijvloerniveau kan ballastzand worden gebruikt i.p.v. ballastbeton omdat de opvulling niet de functie van een buigtrekligger hoeft te vervullen t.b.v. van de ringstabiliteitproblemen; e Verwaarlozing van het restant van de vijzelkracht in langsrichting van de tunnel. Tijdens het boren van de tunnel zet de TBM zich door middel van vijzels op de lining af echter tijdens de bouw van de ring worden de vijzels ter plaatse weer teruggetrokken. Door dit proces van belasten-ontlasten-belasten etc. komt circa 10 à 20% van de totale vijzel kracht als voorspanning in lengterichting van de tunnel terecht. Voor het ontwerp van de Tweede Heinenoordtunnel is er niet gerekend met deze "voorspanning". Er is vanuit gegaan dat de ringen naast elkaar blijven liggen en de voegen niet open kunnen gaan staan door verplaatsing van de ringen in lengterichting. De verbinding van de tunnelbuis met de starre schacht vindt pas na een jaar plaats waardoor eventuele zettingen van de buis kunnen worden opgevangen en de verbinding tunnelbuisschacht vrijwel spanningsvrij kan worden uitgevoerd. Verwaarlozing van de temperatuurbelastingen van de tunnellining. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel 4 november 1996
3 Korte beschrijving boortunnelontwerp 3.1 Algemeen Het boortunnelontwerp kan grofweg worden gesplitst in: a de bepaling van het profiel van vrije ruimte; b de bepaling van het horizontale en verticale tracé; c de bepaling van het lining-, architectonische en E&M-ontwerp. Vanwege het feit dat al deze aspecten m.u.v. het liningontwerp geheel anders zijn voor verschillende boortunnels wordt in dit rapport het liningontwerp nadere aandacht gegeven. In dit hoofdstuk worden de bepaling van de diepteligging en de bepaling van het liningontwerp in het kort beschreven waarna deze punten in hoofdstuk 6 nader worden toegelicht. 3.2 Diepteligging boortunnel In het algemeen geldt de vuistregel dat de gronddekking boven de tunnel één maal de diameter van de tunnel moet zijn om de volgende drie gevallen af te dekken. a gedurende de bouw- en gebruiksfase van de tunnel moet de opwaartse kracht t.g.v. van het water gebalanceerd worden door de neerwaartse krachten (grond en wrijving). Kort gezegd de tunnel mag niet opdrijven; b gedurende de bouwfase moet het graaffront stabiel zijn en moet er de mogelijkheid zijn het graaffront (deels) te kunnen betreden voor onderhoud of tijdens calamiteiten. De grond- en waterdruk moeten evenwicht maken met de luchtdruk in de graafkamer. In dit geval mag er geen blow-out optreden; c bij hoog-ovale vervorming (vervorming als een staande ovaal) van de tunnel dient de grond boven de tunnel niet als een wig eruit gedrukt te worden. De tunnel mag niet opbreken. 3.3 Liningontwerp 3.3.1 Algemeen Er zijn grofweg twee typen liningsystemen voor boortunnels namelijk meerwandige en enkelwandige liningsystemen. Bij meerwandige liningsystemen wordt binnen de eerst aangebrachte lining nog een permanente waterdichte lining aangebracht. Een enkelwandig liningsysteem bestaat slecht uit één wand die zowel grond- als waterkerend is. Liningsystemen kunnen gemaakt worden uit gietijzer, staal en gewapend beton en kunnen worden opgebouwd uit één geheel of uit verschillende segmenten. Voor de Tweede Heinenoordtunnel is gekozen voor een enkelwandig Iiningsysteem van beton bestaande uit verschillende segmentstenen. De reden hiervan zal in dit hoofdstuk duidelijk worden. 3.3.2 Aantal en dikte van de segmenten in de tunnelring Voor het liningontwerp is eerst een schatting gemaakt van de dikte en het aantal segmentstenen in de tunnel ring. Vervolgens is met nadere berekeningen het definitieve liningontwerp vastgesteld. De dikte van segmentstenen Als vuistregel wordt vaak 1/10 van de straal voor het bepalen van de segmentdikte genomen. De dikte van segmentstenen wordt voornamelijk bepaald door: a de belasting in gebruiks- en uitvoeringsfase met name: * ontgravingen en ophogingen op het maaiveld boven de tunnel; * asymmetrische belastingen gedurende de verschillende levensfasen van de tunnel; * de belastingen t.g.v. de segmentverplaatsing tijdens de bouwfase. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel 5 november 1996
b c d e de ruimte ten behoeve van de detaillering van de wapening, de langsvoegen en de ringvoegen; de minimum dekking; de afmetingen van het rubberprofiel; de kostenbeschouwing: dikkere segmenten geven minder wapening, echter een grotere diameter en diepere schachten. Vanwege het grotendeels ontbreken van belastingen onder a genoemd en het kunnen toepassen van een geringe dekking (35mm) is er voor het liningontwerp van de Tweede Heinenoordtunnel gekozen voor segmentstenenmet een dikte van 35 cm. Het aantal segmentstenen Het aantal segmentstenen in de tunnelring is een zaak van optimalisering en wordt voornamelijk bepaald door: a economie: des te minder segmenten des te minder bekistingsmallen, transporthandelingen, etc.; b tolerantie: indien een tunnelring uit veel segmentstenen wordt opgebouwd kan de uitvoeringsnauwkeurigheid groter zijn omdat het ringsysteem flexibeler is om montage- en fabrieksfouten te corrigeren. Echter bij teveel stenen in een ring wordt de tolerantie van de gehele ring ongunstig. Aangezien er slechts een bepaalde tolerantie haalbaar is moet hiermee voor de bepaling van het aantal segmentstenen in een tunnelring rekening worden gehouden. De haalbare tolerantie is afhankelijk van de vormvastheid van de bekistingsmallen; c statische berekening: indien de koppelkrachten tussen twee ringen te groot worden moeten er meer koppelstaven worden toegepast. Het aantal koppelstaven per segment is beperkt zodat deze berekening bepalend kan zijn voor het aantal segmenten in een ring. Voor het liningontwerp van de Tweede Heinenoordtunnel is gekozen voor een tunnelring bestaande uit zeven segmentstenenen een sluitsteen. 3.3.3 Boutverbindingen In de bouwfase van de boortunnel wordt na het plaatsen van een segment in de ring het segment vastgebout aan de voorgaande ring m.b.v.langsbouten en de naastliggende segmenten m.b.v. dwarsbouten. Deze boutverbindingen zorgen ervoor dat de segmenten niet uit de ring kunnen vallen in de bouwfase. Voor de Tweede Heinenoordtunnel zijn de boutverbindingen van tijdelijke aard. Ongeveer 50 meter achter de TBM worden de bouten verwijderd en opnieuw gebruikt. Als de TBM is gepasseerdis de injectiemortel verhard en zijn er nauwelijks ontspanningen meer mogelijk. Overigens wordt over de afstand van 50 meter de "voorspankracht" in langsrichting, veroorzaakt door de vijzel krachten, overgenomen door de wrijvingskracht langs de tunnelomtrek. In andere projecten worden soms wel definitieve boutverbindingen toegepast om bijvoorbeeld de ringstabiliteit te vergroten door trekspanningen op te nemen of omdat het uitvoeringstechnisch goedkoper is de bouten te laten zitten. Bij definitieve boutverbindingen moeten de bouten worden verzinkt vanwege het gevaar van afspringen van beton bij roesten van de bouten of om esthetische redenen. Er kunnen twee soorten bouten worden toegepast, namelijk rechte en kromme bouten. De afweging om een van beide toe te passen is afhankelijk van de kromming van de segmenten (de tunneldiameter) en hiermee de realiseerbare grootte van de cassette (kleine tunneldiameters hebben een sterke kromming waardoor er gekromde bouten moeten worden toegepast). De boutverbinding wordt voorzien van een boutring en een schotelveer. De schotelveer kan worden uitgevoerd als wig waardoor er een voorspanningsreserve is of als veer waarbij deze de spanning van de bout onder de boutkop verdeelt. Zowel het wig- als veerprincipe hebben tot doel de bout onder spanning te houden. Op de contactvlakken in de ringvoeg wordt kaubit aangebracht, zie figuren 3.1. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel 6 november 1996
I tj. ~ (3..._.~_..-;;.._.._~.._.. t BINNENAANZI(HT AANZICHT SEGMENT 'A" IN BOORRICHTING 1 - Kaubit 10,, I.'" I -.,I I I I I I I I - A5I[YUTI'1H6 - A5 UlJSPARlllli I.-or == figuren 3.1 \\\ - Kaubit Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordlunnel 7 november 1996
Kaubit heeft als doel het eerstecontact tussen twee naast elkaar liggende ringen te verzorgen op het moment dat de TBM zich met zijn vijzels tegen de tunnelring afzet. De kaubitplaatjes verdelen de vijzel krachten zoveel mogelijk gelijkmatig over het liningoppervlak en voorkomen piekspanningen. Kaubit reageerteerstelastischen vervolgens plastisch. Voor de sluitsteen is naast een boutverbinding ook een hol-dolverbinding nodig omdat anders de sluitsteentijdens de ringbouwfasenaar beneden zou vallen. Voor de sluitsteen kan worden gekozen uit een sluitsteen met wel of niet radiaal gerichte zijkanten. Bij een sluitsteen met radiaalgerichte zijkanten moet de steen over de hele breedte van de steen naar voren worden geschovenom in de ring te kunnen worden geplaatst.voor een niet radiaal gerichte (vlakke) zijkant geldt dit niet en heeft de sluitsteen minder breedte nodig om in de ring te kunnen worden geplaatst. 3.3.4 Links-,rechts en parallelringen Algemeen Het alignement van de tunnel heeft zowel in het horizontale als verticale vlak boogstralen met een verschillende straal(450m < R < 4500m). In eerste instantie moet de TBM het alignement volgen, in tweede instantie moet de tunnelwand de TBM volgen. Om dit mogelijk te maken moet de tunnelwand derhalve ook bochten kunnen volgen. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van tapse ringen. Type ringen Er zijn verschillende combinaties van typen tapse ringen mogelijk. De voor- en nadelen zullen navolgend kort worden besproken. 1) Alleen linkse of rechtseringen voordelen Geen mogelijkheid tot inbouwen verkeerd type ring; Eenvoudigelogistiek; nadelen Een groot aantal ringen (circa de helft) moet worden ingebouwd met de sluitsteenop of onder de tunnelas. Het toepassenvan een type ring waarbij de sluitsteen voor de helft van het aantal ringen aan de onderzijde van de tunnel moet komen is niet gewenst. Normaal gesproken wordt de ring van onder naar boven opgebouwd en wordt de sluitsteen als laatstegeplaatst. Een segment wordt op deze wijze altijd aan de onderzijde gesteund hetgeen het nauwkeurig kunnen bouwen van een ring en de veiligheid tijdens de werkzaamheden ten goede komt. Aangezien de sluitsteen als laatsteonderin wordt ingebouwd, wordt aan veiligheid en nauwkeurigheid ingeboet. Derhalve is deze oplossing afgevallen. 2) Linkse en rechtseringen voordelen Beperkt aantal type ringen met hieraan verbonden de voordelen van een eenvoudige logistiek, opslag en geringe kans op fouten; Sluitsteenaltijd boven; nadelen In theorie is het, bij een recht gedeelte van het alignement, minder perfect mogelijk om het alignement te volgen. 3) Linkse, rechtseen parallel ringen voordelen In theorie is het beter mogelijk om het alignement te volgen; De sluitsteen is altijd boven geplaatst; nadelen Maximaal aantal verschillende ringen op werk, met als gevolg grotere kans op fouten; Meer typen bekistingen benodigd; Ingewikkelder logistiek en opslag. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordlunnel 8 november 1996
Keuze oplossing Als reeds bij de beschrijving van de verschillende typen ringen is aangegeven, is het toepassen van één type ring niet gewenst geacht. Belangrijke factoren bij de afweging tussen het toepassen van twee of drie verschillende typen ringen zijn logistiek, kans op fouten en flexibiliteit tot het volgen van de TBM. De voordelen van slechts twee typen ringen ten aanzien van logistiek en kans op fouten zijn evident. Het toepassen van alleen linkse en rechtse ringen heeft tot gevolg dat de afwijking van een recht alignement maximaal 5 mm bedraagt, dit valt ruim binnen de toleranties van de TBM. Een opmerking die hierbij moet worden gemaakt is dat de tunnelwand de TBM moet volgen en het alignement van de tunnel dus niet door het theoretisch alignement wordt bepaald, maar de mate waarin de TBM in staat is het theoretisch alignement te volgen. Vanwege deze "vetergang" van de TBM is het niet mogelijk enkelvormige ringen toe te passenvoor een rechte tunnel. Op basis van de bovenstaande overwegingen is gekozen voor linkse en rechtse ringen toe te passen voor het Tweede Heinenoordtunnelproject. 3.3.5 liningtoleranties Algemeen De tunnelwand van het geboorde deel van de tunnel bestaat uit geprefabriceerde betonnen segmentstenen welke in de TBM worden samengevoegd tot een complete ring. De waterdichtheid van de tunnelwand wordt verzorgd door voegprofielen rondom de segmenten. Navolgend wordt een toelichting gegeven op de geëiste toleranties. Toleranties De gespecificeerde toleranties zijn naar normale beton maatstaven klein. De noodzaak hiervan wordt, in volgorde van belangrijkheid, bepaald door de eisen met betrekking tot: I waterdichtheid; 11 beschadigingen tijdens bouwfase; 111 - krachtswerking constructie. Waterdichtheid De waterdichtheid wordt verzorgd door de neopreen profielen rondom de segmenten. De indrukking van de profielen bepaalt de waterdichtheid. Indien de afstand tussen twee segmenten na inbouwen te groot is, zal het neopreen profiel niet voldoende worden ingedrukt hetgeen tot lekkage kan leiden. Wanneer een profiel zeer sterk wordt ingedrukt nemen de krachten in het profiel sterk toe wat beschadiging van het beton tot gevolg kan hebben (scheurvorming) indien de betonvoeg niet voldoende ruim is. Bij de gegeven segmentvormgeving, de toleranties en het gekozen neopreen profiel dient de tunnelwand waterdicht te zijn en tevens dienen er geen beschadigingen aan het beton voor te komen. De belangrijkste aspecten worden hier gegeven en van een korte toelichting voorzien. Factoren, die de waterdichtheid van de afdichting bepalen, zijn: indrukking gekozen profiel in relatie tot waterdichtheid; toleranties van neopreen profiel; toleranties van betonsegment; vervormingen van segmenten t.o.v. elkaar; relaxatie van neopreen. Gegeven de te keren waterdruk, is een bepaalde indrukking van het neopreen profiel vereist. Hierbij moeten de toleranties van neopreen en beton, de relaxatie van het neopreen en de vervormingen van de segmenten in rekening worden gebracht bij de bepaling van de vereiste indrukking. Samenvatting berekeningen Tweede Heinenoordtunnel 9 november 1996
Factoren,die bepalend zijn voor het beschadigenvan het beton, zijn: netto doorsnede neopreen profiel (- de totale doorsnedemin de holle ruimten); beschikbaredoorsnede groef in segmenten; toleranties van neopreen profiel; toleranties van beton; vervormingen van de segmentent.o.v. elkaar. Hiervoor geldt dat de netto doorsnedevan het neopreen profiel kleiner moet zijn dan de beschikbare doorsnedevan de groef in de betonnen segmenten.indien dit niet het geval is, nemen de krachten in het neopreen profiel zeer sterk toe. Ook hierbij moeten de toleranties en de vervormingen van de tunnel in acht worden genomen. Wanneer de eigenschappen en toleranties van de neopreen profielen en de vervorming van de segmententen opzichte van elkaar in ogenschouw worden genomen, kan met de geëiste toleranties ten aanzien van de betonnen segmentenaan de twee bovenstaandeeisen worden voldaan. Beschadigingentijdens bouwfase De vijzelkracht welke door de TBM op de tunnelwand wordt uitgeoefend, veroorzaakt een grote axiale kracht in de tunnel. Indien als gevolg van lokale oneffenheden in de ringvoegen er spanningsconcentratiesoptreden, zal dit in combinatie met de grote vijzel krachten tot het afboeren van stukken beton kunnen leiden. De eisen welke ten aanzien van de waterdichtheid van de segmentenzijn gesteldzijn strenger dan de eisen ten aanzien van beschadigingen.het nauwkeurig werken tijdens het opbouwen van een ring in de TBM is echter wel van belang. Krachtswerkingconstructie De krachtsoverdracht tussen de segmentenin omtreksrichting (langsvoegen)is beton op beton. Het is derhalve noodzakelijk dat deze vlakken nauwkeurig op elkaar aansluiten. Indien dit niet het geval is, zullen er spanningsconcentraties optreden die scheurvorming tot gevolg kunnen hebben. In de ringvoegen worden door middel van nokken de koppelkrachten tussen twee naast elkaar liggende ringen overgedragen. Ook hiervoor geldt dat nok en sparing goed in elkaar moeten passen om scheurvormingte vermijden. Wanneer is voldaan aan de eisen ten aanzien van waterdichtheid en beschadigingen tijdens de bouwfase zullen er als gevolg van toleranties er geen problemen zijn ten aanzien van de krachtswerking in de constructie. 3.3.6 Voegprofielen De keuze van een geschikt voegprofiel t.b.v. de waterdichtheid is hoofdzakelijk afhankelijk van de grootte van de door het voegprofiel op te nemen waterdruk. Op basis van de te keren waterdruk kan een voegprofiel worden gekozen. Bij de benodigde indrukking voor het behalen van de waterdichtheid behoort een bepaalde kracht in het voegprofiel aanwezig te zijn. Vaak wordt kracht gerelateerd aan afstand/indrukking waarbij een bepaalde waterdruk kan worden opgenomen door het voegprofiel. In figuur 3.2 is dit weergegeven. Tevens is voor het profiel in deze figuur aangegevenwat de opneembare waterdruk is bij verschuiving van de voegprofielen ten op zichte van elkaar van twee aanliggendesegmentstenen. Het voegprofiel wordt langs de omtrek van de segmentsteenin een groef aangebracht. De werking van het voegprofiel hangt onder andere af van de voeggrootte tussen de segmentstenen. Deze voeggrootte kan variëren door: 1 de tolerantie van de montagevan de segmentstenen; 2 de fabricagetolerantiesvan de segmentstenenen het voegprofiel; 3 vervormingen van de lining. Samenvalling berekeningen Tweede Heinenoordtunnel 10 november 1996