PRAKTIJKONDERZOEK BOORTUNNELS 3D predicties 'Meetgebied Zuid' CO-358870/15 april 1996
PRAKTIJKONDERZOEK BOORTUNNELS 3D predicties 'Meetgebied Zuid' Beknopte versie Definitief april 1996 COB: K100-W-028 Opgesteld in opdracht van: CUR/COB Postbus 420 2800 AK GOUDA AFDELING FUNDERINGSTECHNIEK EN ONDERGRONDSE WERKEN projectleider: ir. E.P. van Jaarsveld projectbegeleider: dr. ir. P. van den Berg GRONDMECHANICA DELFT Stieltjesweg 2, 2628 CK DELFT Postbus 69, 2600 AB DELFT Telefoon (015) 269 35 00 Telefax (015) 261 08 21 Postbank 234342 Bank MeesPierson NV Rek.nr. 25.92.35.911
Titel en subtitel: Praktijkonderzoek boortunnels, 3D predicties 'Meetgebied Zuid' Datum rapport: april 1996 Rapportnummer opdrachtnemer: CO-358870/15 Projectleider opdrachtnemer: Ir E.P. van Jaarsveld Schrijver: Ir E.P. van Jaarsveld Type rapport: werkdocument COB/K100-document nummer: K100-W-028 Projectbegeleider opdrachtgever: Ir J.W. Plekkenpol Projectbegeleider opdrachtnemer: Dr ir P. van den Berg Naam en adres opdrachtnemer: Grondmechanica Delft Postbus 69 2600 AB DELFT Naam en adres opdrachtgever: Centrum Ondergronds Bouwen Postbus 420 2800 AK GOUDA Samenvatting rapport: In opdracht van CUR/COB zijn 3D predicties gemaakt van het tunnelboorproces van de Tweede Heinenoordtunnel. De 3D predicties, die zijn uitgevoerd met het eindige-elementenmethodeprogramma DIANA, zijn gemaakt voor 'Meetgebied Zuid'. Geanalyseerd zijn de spanningen en deformaties, die in de ondergrond ontstaan als gevolg van (i) een variatie van de steundruk, (ii) het aanbrengen van een 'spiegeldaling' van de boorvloeistof en (iii) door optredende staartverliezen. Het betreft hier de onderzoeksdoelen B-04, B-07, V-09, V-10, V-11, V-12, V-17 en G-08 van de CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 'Praktijkonderzoek Boortunnels'. Als gevolg van het ontgraven van de grond binnen de (toekomstige) tunnel en de opwaartse waterspanningen op de tunnelwand ovaliseert de tunnel en ontstaat achter het boorfront een rijzing van het maaiveld van maximaal 4,5 mm. De maximale maaiveldzetting voor het boorfront als gevolg van het verlagen van de steundruk tot 160 kpa is 0,8 mm. De maximale horizontale grondverplaatsing aan het boorfront is 8,7 mm. Bij de spiegeldaling neemt de maximale maaiveldzetting nagenoeg niet toe. Aan de bovenzijde van het boorfront nemen de horizontale verplaatsingen af terwijl aan de onderzijde de horizontale verplaatsingen toe nemen. De maximale horizontale verplaatsing aan het boorfront is 11,1 mm. De vervormingen aan het maaiveld worden hoofdzakelijk bepaald door de staartverliezen. Achter de tunnelboormachine wordt (de opgelegde verplaatsing rondom de tunnel is circa 58 mm). De maximale maaiveldzetting door een opgelegd staartvolumeverlies van 2,7% van de tunneloppervlakte ontstaat ongeveer 20 m achter het boorfront en is gelijk aan 41 mm. De vorm van de zettingstrog uit de 3D berekeningen blijkt meer overeen te komen met de berekening volgens Peck met i=10 m dan met i=5 m. Bij de vergelijking van de 3D EEM berekeningen met 2D EEM berekeningen blijkt aan het maaiveld de verplaatsing bij de 3D berekeningen 13 keer kleiner zijn dan bij de 2D berekeningen; aan het boorfront zijn de verplaatsingen 2,8 keer kleiner. Relationele rapporten: Trefwoorden: Boortunnel, fronteffecten, staarteffecten Verspreiding: COB-commissie K100 Classificatie: Intern COB-rapport Classificatie deze pagina: Nee Aantal blz.: 35 Prijs: Versie: Datum: Namens opdrachtnemer: Paraaf: Namens opdrachtgever: Paraaf: 1 (con.) 12/3/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol 2 (con 2) 1/4/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol 3 (def.) 18/4/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol
Title and subtitle: 3D predictions Southern Study Area Date report: April 1996 Report number contractor: CO-358870/15 Project manager contractor: Ir E.P. van Jaarsveld Author: Ir E.P. van Jaarsveld Type report: interim-report COB/K100-report number: K100-W-028 Project attendant principal: Ir J.W. Plekkenpol Project attendant contractor: Dr. ir P. van den Berg Name and address contractor: Delft Geotechnics P.O. Box 69 2600 AB DELFT Name and address principal: Centrum Ondergronds Bouwen P.O. Box 420 2800 AK GOUDA Summary of report: CUR/COB has commissioned Delft Geotechnics to perform 3D calculations with respect to the tunnelling process of the 'Tweede Heinenoordtunnel' at the Southern Study Area ('Meetgebied Zuid'). The calculations were performed using the finite element program DIANA. The stresses and strains were analyzed due to (i) a decrease of the front pressure, (ii) working under air pressure and (iii) volume losses above and behind the tunnel boring machine. These aspects concern the items B-04, B-07, V-09, V-10, V-11, V-12, V-17 en G-08 of the measurement programme (K100). Before reducing the front pressure, the stresses and strains were determined due to excavation and acting water pressures. Due to these load cases the tunnel deforms and a maximum heave of the ground surface behind the face of 4.5 mm occurs. The front pressure was reduced in 2 steps to an average pressure of 160 kpa. This is probably the front pressure during the tunnelling process. Due to the reduction of the front pressure relative small settlements occur in front of the face. The maximum settlement is 0.8 mm. The maximum horizontal displacement at the face is 8.7 mm. While working under air pressure, almost no additional settlements occur at ground level. At the top of the face the horizontal displacement reduces whereas the horizontal displacement at the bottom of the face increases. The maximum horizontal displacement at the face is 11.1 mm. The settlements are mainly determined by the volume losses above and behind the tunnel boring machine. Behind the tunnel boring machine a volume loss per m tunnel length of 2.7 % of the tunnel area is modelled (the modelled gap is approx. 58 mm). The maximum settlement occurs 20 m behind the face and equals 41 mm. The calculated settlement profile appears to correspond more with the profile according to Peck using i=10 m than with the profile determined using i=5 m. Comparing the 3D finite element calculations with 2D finite element calculations, is appears that the maximum settlement of the 3D analysis is 13 times smaller than the maximum settlement of the 2D analysis; at the front the maximum displacement is 2,8 times smaller. Relational reports: Keywords: Bored tunnel, front effects, tail effects Distribution: COB-committee K100 Classification: Internal COB-rapport Classification this page: No Number of pages: 35 Price: Version: Date: On behalf of contractor: Initials : On behalf of principal: Initials: 1 (con.) 12/3/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol 2 (con 2) 1/4/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol 3 (final) 18/4/96 Ir E.P. van Jaarsveld Ir J.W. Plekkenpol
INHOUD Samenvatting................................................................ 1 Summary................................................................... 2 1 INLEIDING................................................................. 3 2 UITGANGSPUNTEN......................................................... 4 3 BODEMGESTELDHEID...................................................... 5 4 BOORPROCES.............................................................. 6 5 REKENMODEL............................................................ 10 5.1 Eindige-elementenmodel............................................. 10 5.2 Materiaalmodellen.................................................. 11 5.3 Fasering.......................................................... 14 5.4 Staartverliezen..................................................... 16 5.5 Presentatie resultaten................................................ 17 5.6 Invoer en commando files............................................ 18 6 VARIATIE STEUNDRUK.................................................... 19 6.1 Initiële spanningssituatie............................................. 19 6.2 Afname steundruk tot gemiddeld 174 kpa (fase 4)......................... 20 6.3 Afname steundruk tot gemiddeld 160 kpa (fase 5)......................... 21 7 'SPIEGELDALING' BOORVLOEISTOF (FASE 6A)............................... 22 8 ANALYSE STAARTVERLIEZEN (FASE 6B).................................... 23 9 VERGELIJKING MET 2D BEREKENINGSMETHODEN.......................... 27 9.1 Vergelijking met Peck............................................... 27 9.2 Vergelijking met 2D EEM berekeningen................................. 28 10 CONCLUSIES............................................................. 31 Literatuur..................................................................... 33 Bijlagen: 1 Elementennet 2 Horizontale doorsneden 3 Verticale doorsneden 4 DIANA invoer en commando files 5 Berekeningsresultaten afname steundruk tot gemiddeld 174 kpa 6 Berekeningsresultaten afname steundruk tot gemiddeld 160 kpa 7 Berekeningsresultaten 'spiegeldaling' boorvloeistof 8 Berekeningsresultaten staartverliezen
Samenvatting In opdracht van CUR/COB zijn 3D predicties gemaakt van het tunnelboorproces van de Tweede Heinenoordtunnel. De 3D predicties, die zijn uitgevoerd met het eindige-elementenmethodeprogramma DIANA, zijn gemaakt voor 'Meetgebied Zuid'. Geanalyseerd zijn de spanningen en deformaties, die in de ondergrond ontstaan als gevolg van (i) een variatie van de steundruk, (ii) het aanbrengen van een 'spiegeldaling' van de boorvloeistof en (iii) door optredende staartverliezen. Het betreft hier de onderzoeksdoelen B-04, B-07, V-09, V-10, V-11, V-12, V-17 en G-08 van de CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 'Praktijkonderzoek Boortunnels'. Voordat de steundruk aan het boorfront is gereduceerd, zijn eerst de spanningen en vervormingen als gevolg van het ontgraven van de grond binnen de (toekomstige) tunnel en de opwaartse waterspanningen op de tunnelwand bepaald. Als gevolg van deze belastingssituatie ovaliseert de tunnel en ontstaat achter het boorfront een rijzing van het maaiveld van maximaal 4,5 mm. Vervolgens is de steundruk in 2 stappen gereduceerd tot gemiddeld 160 kpa; dit is de steundruk die waarschijnlijk tijdens het boren door de booraannemer zal worden gehanteerd. Hierdoor ontstaan relatief kleine maaiveldzettingen vóór het boorfront. De maximale maaiveldzetting voor het boorfront als gevolg van het verlagen van de steundruk is 0,8 mm. De maximale horizontale grondverplaatsing aan het boorfront is 8,7 mm. Bij de 'spiegeldaling' is verondersteld dat de spiegel van de boorvloeistof daalt tot het midden van de tunnel. De luchtdruk tijdens deze fase is gelijk gesteld aan 147 kpa. Bij de spiegeldaling neemt de maximale maaiveldzetting nagenoeg niet toe. Aan de bovenzijde van het boorfront nemen de horizontale verplaatsingen af terwijl aan de onderzijde de horizontale verplaatsingen toe nemen. De maximale horizontale verplaatsing aan het boorfront is 11,1 mm. De vervormingen aan het maaiveld worden hoofdzakelijk bepaald door de staartverliezen. Achter de tunnelboormachine wordt een staartvolumeverlies opgelegd dat gelijk is aan 2,7% van de tunneloppervlakte (de opgelegde verplaatsing rondom de tunnel is circa 58 mm). Door de conische vorm van de tunnelboormachine is de opgelegde vervorming ter plaatse van de tunnelboormachine kleiner. De maximale maaiveldzetting ontstaat ongeveer vanaf 20 m achter het boorfront en is gelijk aan 41 mm. De berekende zettingstrog is vergeleken met de zettingstrog volgens Peck. De vorm van de zettingstrog uit de 3D berekeningen blijkt meer overeen te komen met de berekening volgens Peck met i=10 m dan met i=5 m. Bij de vergelijking van de 3D EEM berekeningen met 2D EEM berekeningen blijkt aan het maaiveld de verplaatsing bij de 3D berekeningen 13 keer kleiner te zijn dan bij de 2D berekeningen; aan het boorfront zijn de verplaatsingen 2,8 keer kleiner. 1
Summary CUR/COB has commissioned Delft Geotechnics to perform 3D calculations with respect to the tunnelling process of the 'Tweede Heinenoordtunnel' at the Southern Study Area ('Meetgebied Zuid'). The calculations were performed using the finite element program DIANA. The stresses and strains were analyzed due to (i) a decrease of the front pressure, (ii) working under air pressure and (iii) volume losses above and behind the tunnel boring machine. These aspects concern the items B- 04, B-07, V-09, V-10, V-11, V-12, V-17 en G-08 of the measurement programme (K100). Before reducing the front pressure, the stresses and strains were determined due the excavation and acting water pressures. Due to these load cases the tunnel deforms and a maximum heave of the ground surface behind the face of 4.5 mm occurs. The front pressure was reduced in 2 steps to an average pressure of 160 kpa. This is probably the front pressure during the tunnelling process. Due to the reduction of the front pressure relative small settlements arises in front of the face. The maximum settlement is 0.8 mm. The maximum horizontal displacement at the face is 8.7 mm. While working under air pressure, the level of the drilling mud is lowered to halfway the height of the tunnel boring machine. The air pressure is then equal to 147 kpa. During this phase almost no additional settlements occur at ground level. At the top of the face the horizontal displacement reduces whereas the horizontal displacement at the bottom of the face increases. The maximum horizontal displacement at the face is 11.1 mm. The settlements are mainly determined by the volume losses above and behind the tunnel boring machine. Behind the tunnel boring machine a volume loss per m tunnel length of 2.7 % of the tunnel area is modelled (the modelled gap is approx. 58 mm). Due to the conical shape of the tunnel boring machine, the modelled volume loss is smaller above the machine. The maximum settlement occurs 20 m behind the face and equals 41 mm. The calculated settlement profile is compared with the profile according to 'Peck'. The calculated settlement profile appears to correspond more with the profile according to Peck using i=10 m than with the profile determined using i=5 m. Comparing the 3D finite element calculations with 2D finite element calculations (plane stain), it appears that the maximum settlement of the 3D analysis is 13 times smaller than the maximum settlement of the 2D analysis; at the front the maximum displacement is 2.8 times smaller. 2
HOOFDSTUK 2 INLEIDING Om meer kennis en inzicht te krijgen in de realisatie van boortunnels, zullen bij de realisatie en deels ook in het gebruiksstadium van de Tweede Heinenoordtunnel uitgebreide metingen en experimenten worden uitgevoerd. Om een meerwaarde van de metingen te krijgen en om de inrichting van de meetgebieden te optimaliseren, zullen vóór het uitvoeren van de metingen predicties van de meetwaarden worden gemaakt. Door het CUR/COB is aan Grondmechanica Delft opdracht gegeven 3D predicties te maken van het tunnelboorproces (Cluster 4). De 3D predicties worden gemaakt voor 'Meetgebied Zuid'. De opzet van de berekeningen is gebaseerd op de aanvraag van CUR/COB met referentienummer JA/CE95.641 en COB-Fin-B-95.42, het 'Projectvoorstel 3D predictie Tweede Heinenoordtunnel' van Grondmechanica Delft met kenmerk CF-358870/2 d.d. 1995-07-13 en de opdrachtbrief van CUR/COB met kenmerk JA/mvdh95.62 d.d. 1995-30-10. Het betreft hier de onderzoeksdoelen B-04, B-07, V-09, V-10, V-11, V-12, V-17 en G-08 van de CUR/COB-uitvoeringscommissie K100 'Praktijkonderzoek Boortunnels'. Als gevolg van het boren van de tunnel zullen spanningswijzigingen en deformaties in de ondergrond ontstaan. De mate van beïnvloeding van het omliggende grondmassief wordt bij een gegeven bodemopbouw onder andere sterk bepaald door de gehanteerde steundrukken aan het boorfront en het ontstaan van staartverliezen. Additionele spanningen en vervormingen kunnen ontstaan als gevolg van een 'spiegeldaling' van de boorvloeistof bij stagnatie van het boorproces. In hoofdstuk 2 worden de uitgangspunten beschreven, die bij de uitgevoerde berekeningen zijn gehanteerd. In de hoofdstukken 3 en 4 worden achtereenvolgens de ter plaatse aanwezige bodemgesteldheid en het boorproces beschreven. In hoofdstuk 5 wordt het gehanteerde rekenmodel gepresenteerd. In hoofdstuk 6 tot en met 8 volgen de resultaten van de analyses met betrekking tot respectievelijk de variatie van de steundruk, een 'spiegeldaling' van de boorvloeistof en de staartverliezen. In hoofdstuk 9 worden de resultaten van de 3D berekeningen vergeleken met de analytische berekeningsmethode volgens Peck en resultaten van de 2D eindigeelementenmethodeberekeningen voor 'Meetgebied Zuid' uit Cluster 3 (zie [Grondmechanica Delft 1996]). In hoofdstuk 10 volgen tenslotte de conclusies. 3
HOOFDSTUK 4 UITGANGSPUNTEN Bij het modelleren en het uitvoeren van de berekeningen zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd: - de predictie wordt gemaakt voor de spanningen en vervormingen, die bij het boren van de eerste (westelijke) tunnelbuis zullen optreden ter plaatse van 'Meetgebied Zuid' - de analyses worden uitgevoerd voor één (1) geometrie - de berekeningen worden uitgevoerd met behulp van het eindige-elementenmethode(eem)- programma DIANA, waarbij alleen van bestaande materiaalmodellen en rekenmodulen gebruik wordt gemaakt - de constructie van alleen de westelijke tunnelbuis wordt gesimuleerd. De constructie van de oostelijke tunnelbuis, die als tweede wordt geboord, wordt dus niet gemodelleerd - bij het modelleren van de geometrie van de tunnel, wordt de helling van de tunnel t.o.v. de horizontaal verwaarloosd. - het materiaal van de tunnelbuis zelf gedraagt zich lineair-elastisch (geen scheurvorming of plasticiteit) - de zandlagen worden als gedraineerd beschouwd en gemodelleerd met een Mohr-Coulomb model - de klei- en veenlagen worden als ongedraineerd beschouwd en gemodelleerd met het Ei Camclay model De klei- en veenlagen worden als ongedraineerd beschouwd omdat de resultaten van de berekeningen dienen als predictie van de spanningen en vervormingen, die tijdens en direct na het boren zullen optreden. Spanningen en vervormingen, die als gevolg van consolidatie op langere termijn zullen ontstaan, worden niet bepaald. De afmetingen en locatie van de tunnel, de steundrukken, het bodemprofiel en bijbehorende grondmechanische parameters zijn vastgesteld in overleg met het Projectbureau Boortunnels. Deze gegevens worden gepresenteerd in de hoofdstukken 3 en 4. 4
HOOFDSTUK 6 BODEMGESTELDHEID Het bodemprofiel met bijbehorende grondmechanische parameters is bepaald aan de hand van het profiel, dat is gegeven in [Projectbureau Boortunnels 1995]. Het profiel wordt inclusief parameters gegeven in tabel 3.1. grondlaag (K100) grondsoort BK laag (NAP..m) (kn/m 3 ) sat (kn/m 3 ) c (kpa ) ( o ) ( o ) (-) E oed (MPa) K 0 (-) ophoging zand +2,5 18,0 20,0 0 32,5 2,5 0,3 7,5 0,46 toplaag siltige klei +1,0 16,6 18,0 3 28 0 0,33 5,5 0,55 3 zand -3,25 17,0 20,0 0 33 3 0,3 9,5 0,47 4 veen -4,5-13,0 7 22,5 0 0,35 4,2 0,6 16 klei -7,25-17,0 5 26 0 0,34 4,1 0,6 18A kleiig zand -10,5-20,5 0 36,5 6,5 0,3 32 0,45 31 siltige klei -14,0-18,0 5 27,5 0 0,32 5,3 0,55 32 zand -14,75-20,5 0 36 6 0,3 50 0,55 38A klei -21,5-20 7 31 0 0,32 17 0,55 38E zand -24,5-20,5 0 37 7 0,3 47 0,55 Tabel 3.1 Bodemprofiel en bijbehorende grondmechanische parameters Ter plaatse van de beschouwde doorsnede worden tot bovenzijde tunnel zandpalen Ø 300 mm hartop-hart 4 m aangebracht. De h.o.h.-afstand van de zandpalen is zo groot en de diameter van de zandpalen is dusdanig klein, dat de invloed van de zandpalen op de eigenschappen van de grondlagen, die van belang zijn voor de uit te voeren EEM berekening, verwaarloosbaar is. Bij de berekeningen wordt uitgegaan van de volgende waterstanden en stijghoogten: - freatische grondwaterstand: NAP +0,3 m - stijghoogte aan het boorfront: NAP -0,5 m Aangenomen wordt dat de watersprong van NAP +0,3 m naar NAP -0,5 m lineair verloopt over grondlaag 31. 5
HOOFDSTUK 8 BOORPROCES De uitvoering van het geboorde deel van de Tweede Heinenoordtunnel zal geschieden met behulp van een tunnelboormachine (TBM) volgens het principe van het vloeistofschild. Als gevolg van het aanbrengen van de geboorde tunnel ontstaan deformaties in de ondergrond. Deze deformaties worden veroorzaakt door: - het verwijderen van de grond (inclusief het grondwater) ten behoeve van de tunnel. Als gevolg van verwijderen van het gewicht van de grond, die zich ter plaatse van de toekomstige tunnel bevindt, zal een ontspanning van de onder de tunnel gelegen grondlagen optreden, waardoor de tunnel omhoog zal worden gedrukt. - ovalisering van de tunnel - het boorproces. De deformaties, die als gevolg van het boorproces ontstaan, kunnen worden verdeeld in: * deformaties, die zich vóór en aan het boorfront voordoen. Deze worden veroorzaakt doordat de boordrukken veelal lager zijn dan de waterdrukken vermeerderd met de neutrale korreldrukken * deformaties, die zich tijdens het passeren van de TBM voordoen. Doordat de TBM enigszins conisch is met de grootste diameter ter plaatse van het boorfront, ontstaan na het passeren van het boorfront additionele deformaties * deformaties, die zich direct na de passage van de TBM voordoen. Op de overgang van de TBM naar de tunnelwand treedt een staartspleetverlies op, omdat de uitwendige diameter van de tunnelwand hier kleiner is dan de uitwendige diameter van de TBM. Dit staartspleetverlies kan worden gereduceerd door ter plaatse van de staart van de TBM onder hoge druk grout aan te brengen * deformaties, die op langere termijn door consolidatie van de slappe lagen boven de tunnel ontstaan Bij onderhoud of problemen wordt het niveau van de boorvloeistof verlaagd en zal onder hoge druk lucht in de TBM worden gebracht. Ook in deze situatie zullen de drukken in de TBM niet in evenwicht zijn met de waterdrukken vermeerderd met de neutrale korreldrukken, waardoor deformaties in de ondergrond zullen ontstaan. Gegevens met betrekking tot de afmetingen en locatie van de TBM en de tunnelwand worden gegeven in tabel 4.1. 6
TBM tunnelwand uitwendige diameter (m) 8,55 8,3 niveau bovenkant (NAP..m) -8,275-8,4 niveau onderkant (NAP..m) -16,825-16,7 lengte (m) 8,6 - Tabel 4.1 Afmetingen en lokaties TBM en tunnelwand Ter plaatse van de beschouwde doorsnede bevindt het maaiveld zich op NAP +2,5 m. De gronddekking op de tunnel is hierdoor 10,8 m (1,26 D). Door de conische vorm van de TBM (zie figuur 4.1) ontstaat rondom de tunnel een ruimte van 0,010 m. Achter de TBM ontstaat rondom een staartspleet van 0,115 m. Na overleg met het Projectbureau Boortunnels is aangenomen dat ca. 60% van de ontstane staartspleet met grout wordt dichtgepompt. Verondersteld is dat achter de TBM een extra ruimte van ca. 0,047 m ontstaat. De totale staartspleet (incl. de bijdrage als gevolg van de conische vorm van de TBM) is dan gelijk aan 0,057 m. Deze waarde van de staartspleet komt overeen met een volumeverlies van 2,7% van de tunneloppervlakte. Verdere gegevens met betrekking tot de tunnelwand zijn: - wanddikte t: 0,35 m - volumieke massa : 2400 kg/m 3 - elasticiteitsmodulus E wand : 23,45 10 6 kpa - dwarscontractiecoëfficiënt wand : 0,2 7
Figuur 4.1 Conische vorm TBM De tunnelwand is opgebouwd uit verschillende segmenten. Om de reductie van de buigstijfheid van de totale tunnelwand als gevolg van de segmentering in rekening te brengen, is de elasticiteitsmodulus van beton (33,5 GPa) gereduceerd met 30%. De ingevoerde elasticiteitsmodulus is hierdoor 23,45 10 6 kpa. Voor de materiaaleigenschappen en de wanddikte van de TBM zijn dezelfde waarden ingevoerd als voor de tunnelwand. 8
0 horizontale spanning s_h (kpa) 100 150 200 250 300 afstand tot BK tunnel (m) 1 2 3 4 5 6 in-situ q_k0 q_gem = 160 kpa spiegeldaling 7 8 9 Figuur 4.2 Horizontale spanningen t.p.v. het boorfront De gemiddelde steundruk q gem (de steundruk ter plaatse van het midden van de tunnel), die door de aannemer tijdens het boren van de tunnel wordt gehanteerd, zal waarschijnlijk ongeveer gelijk aan 160 kpa zijn. Deze steundruk is gelijk aan de waterspanning ter plaatse van het midden van de tunnel van 129 kpa vermeerderd met 30 kpa. Volgens een vuistregel gepresenteerd in het rapport met de resultaten van de 2D predicties [Grondmechanica Delft 1996] is de minimale waarde van de gemiddelde steundruk gelijk aan 1,05 maal de gemiddelde waterspanning u vermeerderd met 20 kpa. In deze situatie zou dat betekenen dat de gemiddelde steundruk gelijk is aan 155 kpa. Deze steundruk wijkt slechts 3% af van de bij de berekeningen gehanteerde steundrukken. Het volumieke gewicht van de boorvloeistof is 12 kn/m 3. In figuur 4.2 worden de horizontale spanningen aan het boorfront gegeven voor de initiële situatie (in-situ spanningen), een steundruk q, waarbij de spanningen ter plaatse van het midden overeenkomen met de in-situ spanningen (q_k0) en tijdens het boren met q gem = 160 kpa. Bij het berekenen van de gevolgen van een 'spiegeldaling', wordt verondersteld dat de spiegel van de boorvloeistof daalt tot het midden van de tunnel: ca. NAP -12,55 m. De luchtdruk tijdens deze fase is gelijk aan 147 kpa. De grootte van de luchtdruk is bepaald door te veronderstellen dat de totale belasting op het boorfront bij een 'spiegeldaling' gelijk dient te zijn aan de totale belasting tijdens het boren (met een gemiddelde steundruk q gem van 160 kpa). Het verloop van de horizontale spanningen bij een 'spiegeldaling' is gegeven in figuur 4.2. 9
10
HOOFDSTUK 10 REKENMODEL 10.2 Eindige-elementenmodel Bij de berekeningen is gebruik gemaakt van het EEM programma DIANA. Voor het modelleren van de grond en de tunnelwand zijn daarbij de volgende elementen gebruikt: - grondlagen: 3582 stuks 8-knoops volume-elementen (HX24L) met een selectief gereduceerd integratieschema (CDILAT) - tunnelwand/tbm: 117 stuks 4-knoops vlakke schaalelementen (Q20SH). Omdat de geometrie en de optredende belastingen symmetrisch zijn kan worden volstaan met het modelleren van de helft van de tunnel. De zijkanten en de onderkant zijn rollend opgelegd; dit wil zeggen dat de randknopen van zowel de volume-elementen als de schaalelementen alleen in de richtingen evenwijdig aan de rand kunnen bewegen. Uit symmetrie overwegingen is tevens de rotatie om de x-as van de knopen van de schaalelementen, die zich in het vlak y=0 bevinden, vastgelegd. De totale afmetingen van het elementennet zijn: - breedte: 25,7 m (ca. 3D) - hoogte: 36,4 m maaiveld: NAP +2,5 m onderzijde elementennet: NAP -33,9 m (2D onder de onderzijde van de TBM) - lengte: 60,4 m vóór TBM: 27 m (2,5 H = 3,15 D) lengte TBM: 8,6 m achter TBM: 21,6 m (2H = 2,52 D) Het elementennet is gegeven in bijlage 1. Het boorfront bevindt zich op x=0. Voor de knopen en elementen vóór het boorfront geldt x < 0; voor de knopen en elementen achter het boorfront geldt x > 0. Bij het modelleren van het interactie-gedrag tussen de tunnel en de omliggende grond wordt verondersteld dat de grond volledig gehecht is aan de tunnelwand. Om de volgende redenen is voor deze modellering gekozen: - het groutmengsel, dat in de startspleet wordt geïnjecteerd, zal binnen enkele uren zijn uitgehard. Dit betekent dat reeds enkele meters achter de TBM de omliggende grond volledig aan de 11
tunnelwand zal zijn gehecht - met het gebruik van gekromde 3D interface elementen is op dit moment nagenoeg geen ervaring. In het algemeen kan worden gesteld dat interface-elementen zich als gevolg van grote stijfheidsverschillen en daardoor slecht geconditioneerde systeemmatrices slecht gedragen. Daardoor zal bij het modelleren van het interface-gedrag met behulp van gekromde 3D interface elementen de betrouwbaarheid van de berekeningsresultaten zeer waarschijnlijk in negatieve zin worden beïnvloed - het onderzoek, dat moet resulteren in een beschrijving van het gedrag van de grenslaag constructie-grond (ter plaatse van de TBM, achter de TBM voordat de grout is uitgehard en achter de TBM nadat de grout is uitgehard), zal pas worden afgerond na het afronden van de 3D berekening. Hierdoor kan op het moment geen model worden beschreven voor de te gebruiken interface-elementen. De berekeningen worden uitgevoerd met effectieve spanningen. De waterspanningen langs de tunnelwand en aan het boorfront worden afzonderlijk gemodelleerd met verdeelde belastingen. 10.4 Materiaalmodellen De kleilagen worden als ongedraineerd beschouwd en gemodelleerd met een Ei Camclay model. De zandlagen worden als gedraineerd beschouwd en gemodelleerd met een Mohr-Coulomb model. Aan de hand van de in tabel 5.1 gegeven geotechnische parameters kunnen de materiaalparameters voor de materiaalmodellen in DIANA worden bepaald. Voor het Mohr-Coulomb model dienen de volgende materiaalparameters te worden ingevoerd: c effectieve cohesie effectieve hoek van inwendige wrijving dilatantiehoek dwarscontractiecoëfficiënt E elasticiteitsmodulus De waarden van c,, en zijn gelijk aan de waarden van de parameters, die zijn gegeven in tabel 3.1. De elasticiteitsmodulus E wordt met behulp van formule 5.1 bepaald. E E oed (1)(12) 1 (5.1) Als gevolg van het boren van de tunnel, zal een ontlasting optreden van de onder de tunnel gelegen grondlagen. Omdat in het Mohr-Coulomb model slechts één stijfheid (voor belasten èn ontlasten) kan worden ingevoerd, worden de elasticiteitsmoduli van de zandlagen die onder de tunnel liggen vermenigvuldigd met een factor 2. Deze factor is bepaald aan de hand van de resultaten van de voor de Tweede Heinenoordtunnel uitgevoerde triaxiale extensie en compressie proeven 12
[Grondmechanica Delft 1995]. Uit de proefresultaten blijkt de factor tussen de stijfheid bij extensie en compressie te variëren tussen ca. 1,5 en 3,5. De gemiddelde waarde van de factor is gelijk aan 2. In het Ei Camclay model kunnen verschillende stijfheden voor belasten en ontlasten worden ingevoerd. Het is daardoor niet nodig ook de elasticiteitsmoduli van de onder de tunnel gelegen kleilagen aan te passen. De elasticiteitsmoduli, die bij de berekeningen voor de zandlagen worden gehanteerd, worden gegeven in tabel 5.1 grondlaag (K100) Voor Mohr- Coulomb en Ei Cam Clay Voor Ei Cam Clay E (MPa) (-) (-) (-) (-) n (-) OCR (-) ophoging 10 - - - - - toplaag 3,7 0,2 1,53 0,051 0,013 0,52 1,05 3 7,1 - - - - - - 4 2,6 0,2 1,94 0,276 0,069 0,74 1,05 16 2,7 0,2 1,44 0,218 0,054 0,58 1,05 18A 23,8 - - - - - - 31 3,7 0,2 1,58 0,240 0,060 0,52 1,05 32 74,3 - - - - - 38A 11,9 0,35 1,25 0,184 0,046 0,39 1,2 38E 69,8 - - - - - Tabel 5.1 Parameters voor materiaalmodellen DIANA (Mohr-Coulomb en Ei Camclay) Voor het Ei Camclay model dienen de volgende materiaalparameters te worden ingevoerd: E OCR n elasticiteitsmodulus parameter, die de vorm van de ellips aan de rechterzijde van het vloeicontour bepaalt zwelling index compressie index dwarscontractiecoëfficiënt, welke afwijkt van de dwarscontractiecoëfficiënt die wordt bepaald met triaxiaalproeven graad van overconsolidatie porositeit 13
De porositeit van de grond wordt bepaald aan de hand van formule 5.2. e n 1 e waarbij (5.2) n porositeit e poriëngetal, bepaald met formule 5.3 (zie ook [NEN 6744] art. 6.2.1). voor zand en klei e s sat sat 10 voor veen e 2,9 indien sat 13 kn/m 3 (5.3) waarbij s sat volumieke gewicht van de korrels volumieke gewicht van verzadigde grond. De waarde van de compressie index is bepaald door de in cluster 3 gehanteerde 'modified compression index' * (zie rapport 'Praktijkonderzoek boortunnels, 2D predicties stabiliteit boorfront', kenmerk K100-W-023 CO-358800/11) met behulp van formule 5.4 om te rekenen. De waarden van de zwelling index en zijn bepaald met behulp van respectievelijk formule 5.5 en 5.6 (zie ook [Van Eekelen en Van den Berg 1994]) (1 e) (5.4) 4 (5.5) y± y 2 4xz 2x (5.6) waarbij x T 2 (5.7) y 2T 1 nc M 2 (5.8) z 1 nc M 2 (5.9) T 1 (2a nc 1) 2 M nc 6a 2 1 (5.10) 14
a (1 )(1 ) 3(1 2) (5.11) nc 3sin 3 2sin (5.12) nc M 3 sin 6 4sin (5.13) (5.14) waarbij x, y, z, T, a, nc, en M hulpvariabelen zijn. De parameters voor het Ei Cam Clay model worden eveneens gegeven in tabel 5.1. 10.6 Fasering De berekeningen zijn onderverdeeld in de volgende fasen: 1. aanbrengen effectief eigengewicht Tijdens deze fase bevinden zich ook binnenin de (toekomstige) tunnel volume-elementen met materiaaleigenschappen van de betreffende grondlaag. De totale verplaatsingen na het aanbrengen van de effectieve eigengewichtsbelasting worden gelijkgesteld aan nul. 15
Figuur 5.1 Waterspanningen en initiële steundrukken bij ontgraven (fase 2) 2. ontgraven en aanbrengen waterspanningen en initiële steundrukken ter plaatse van het boorfront. De spanningen, die in deze fase ter plaatse van het boorfront worden aangebracht, worden in figuur 5.1 grafisch weergegeven. Bij het ontgraven worden de volume elementen, die zich binnen de toekomstige tunnel bevinden verwijderd. Tegelijkertijd worden de schaalelementen voor het modelleren van de tunnelwand aangebracht. Ter plaatse van het boorfront wordt een steundruk q van gemiddeld 188 kpa aangebracht zodat de druk ter plaatse van het midden van de tunnel gelijk is aan de initiële horizontale grondspanning (korrelspanning + waterspanning) 3. aanbrengen waterspanningen langs de tunnelwand als verdeelde belasting 4. reduceren van de gemiddelde steundruk q gem tot 174 kpa. Voordat de steundruk wordt gereduceerd tot de druk, die waarschijnlijk wordt gehanteerd tijdens het boren, worden eerst de spanningen en vervormingen berekend bij een steundruk tussen de initiële steundruk q gem van 188 kpa (K 0 -situatie) en de uiteindelijke steundruk q gem van 160 kpa. 5. reduceren van de gemiddelde steundruk q gem tot 160 kpa 6A. het verlagen van de spiegel van de boorvloeistof en het aanbrengen van een luchtdruk. Bij een 'spiegeldaling' wordt het boren (met een steundruk q gem van 160 kpa) onderbroken en treedt ter plaatse van het boorfront een spanningswijziging op. Bij het modelleren van deze spanningswijziging wordt daarom uitgegaan van de spanningssituatie, die is ontstaan na het 16
reduceren van de steundruk tot gemiddeld 160 kpa 6B. het opleggen van een staartverlies. Ook bij het opleggen van de staartverliezen wordt uitgegaan van de spanningssituatie, die is ontstaan na het verlagen van de steundruk tot gemiddeld 160 kpa. In paragraaf 5.4 wordt aangegeven op welke manier bij het bepalen van de staarteffecten de eerder opgetreden frontverliezen worden verdisconteerd. De volumeverliezen boven en achter de TBM worden opgelegd met behulp van een temperatuursbelasting. In paragraaf 5.4 wordt op deze berekeningswijze nader ingegaan. 10.8 Staartverliezen Het opleggen van de staartverliezen (fase 6B) geschiedt na het berekenen van de frontverliezen bij de steundruk, die waarschijnlijk tijdens het boren wordt gehanteerd. De initiële spanningssituatie bij deze berekeningsfase komt dus overeen met de spanningssituatie na het reduceren van de steundruk tot gemiddeld 160 kpa. Omdat in het rekenmodel het verplaatsen van de tunnel als gevolg van het voortschrijdende boorproces niet wordt meegenomen, wordt bij het bepalen van het op te leggen staartverlies tevens rekening gehouden met de deformaties, die daarvóór als gevolg van frontverliezen zijn opgetreden. Het frontverlies kan worden beschreven als het volume grond (in m 3 ) dat per eenheid van geboorde lengte van de tunnel (in m) ter plaatse van het boorfront naar binnen komt (zie ook [Lee, Rowe en Lo 1992]): V f 1 4 D 2 u x;gem x (5.15) waarbij: V f frontverlies in m 3 /m D uitwendige diameter TBM in m u x;gem gemiddelde grondverplaatsing aan het boorfront in richting van de tunnelas in m x de afstand van de stapgrootte bij een gefaseerde berekening in m. Op basis van resultaten van 3D elasto-plastische EEM berekeningen [Lee 1989], blijkt dat de kritieke stapgrootte x gelijk is aan de diameter van de tunnel D (x=d). Door te stellen dat het extra op te leggen staartverlies moet resulteren in eenzelfde volumeverlies als het hierboven bepaalde frontverlies, kan het aan weerszijden op te leggen extra staartverlies G 3D op basis van de resultaten van de berekeningen aan het boorfront als volgt worden bepaald: 17
u 1 4 D2 x;gem x 1 4 D 2 (D2G 3D ) 2 (5.16) met x = D, wordt dit: G 3D u x;gem 4 (5.17) Dit staartverlies wordt over de gehele lengte van de tunnel aangebracht. Bij het op te leggen volumeverlies kunnen nu 3 afzonderlijke bijdragen worden onderscheiden: - het frontverlies; te modelleren met de nog te bepalen opgelegde verplaatsing G 3D - het volumeverlies als gevolg van de conische vorm van de TBM; te modelleren met de opgelegde verplaatsing G 1 = 0,010 m (zie hoofdstuk 4) - het volumeverlies G 2 als gevolg van het staartverlies achter de TBM; te modelleren met de opgelegde verplaatsing G 2 = 0,047 m (zie hoofdstuk 4). Bovenbeschreven opgelegde verplaatsingen worden aangebracht met behulp van een temperatuursbelasting. Door de schaalelementen een thermische uitzettingscoëfficiënt te geven en de temperatuur van de schaalelementen af te laten nemen, zullen de schaalelementen krimpen en neemt de diameter van de gemodelleerde tunnel af. De op te leggen temperatuursverandering kan bij een totaal op te leggen verplaatsing G tot en bij een fictieve waarde van de thermische uitzettingscoëfficiënt T worden bepaald aan de hand van formule 5.18. T T 2G tot D (5.18) Om te voorkomen dat de temperatuursbelasting tevens resulteert in een axiale vervorming van de tunnel worden in deze berekeningsfase de axiale verplaatsingen van de knopen van de schaalelementen verhinderd en wordt de dwarscontractiecoëfficiënt van de schaalelementen gelijk aan nul gesteld. Tevens wordt de stijfheid van de tunnelwand vermenigvuldigd met een factor 1000 om te voorkomen dat de opgelegde vervorming significant reduceert door spanningen in de omliggende grond. 10.10 Presentatie resultaten Van de uitgevoerde berekeningen worden in de uitgebreide versie van het rapport de verplaatsingen u x, u y, u z, de normaalspanningen xx, yy, zz, de equivalente spanningen vonmises en de equivalente plastische rek y,vonmises gepresenteerd voor één aanzicht, 3 horizontale doorsneden (doorsneden A-A, B-B en C-C) en 4 verticale doorsneden (doorsneden I-I, II-II, III-III en IV-IV). De lokaties van de doorsneden worden gegeven in de bijlagen 2 en 3. In de beknopte versie van het rapport worden de 18
volgende resultaten gepresenteerd: - u x, u z, xx, zz en y,vonmises in één aanzicht - u z ter plaatse van doorsnede A-A - u y, u z, xx en yy ter plaatse van doorsnede I-I - u x, u y en xx ter plaatse van doorsnede II-II. Bij de doorsneden worden alleen de resultaten van de eerste laag elementen (de in bijlagen gearceerde elementen) gepresenteerd. De Von-Mises spanning of rek wordt als volgt bepaald: vonmises 1 2 (s2 x s 2 y s 2 z ) 2 xy 2 yz 2 zx 1 2 (5.19) waarbij s x xx p s y s z yy p zz p (5.20) en p 1 3 ( xx yy zz ) (5.21) Tevens worden de maaiveldzettingen u z langs lijn A (y=0) en de horizontale verplaatsingen u x langs lijn B (x=0 en y=0) gepresenteerd. De lokaties van deze lijnen zijn aangegeven in bijlage 1. 10.12 Invoer en commando files De DIANA commando files en een gedeelte van de invoerfile zijn gegeven in bijlage 4. 19
HOOFDSTUK 12 VARIATIE STEUNDRUK 12.2 Initiële spanningssituatie Bij het ontgraven van grond binnen de tunnel en het aanbrengen van de tunnelwand (fase 2) zal door het wegnemen van het gewicht van de grond in de tunnel een ontspanning van de onder de tunnel gelegen grondlagen optreden, waardoor de onderkant van de tunnel omhoog zal komen. Het gewicht van de grondlagen boven de tunnel zal nu moeten worden gedragen door de juist aangebrachte tunnelwand. Hierdoor vervormt de tunnelwand breed-ovaal en zal de bovenkant (BK) van de tunnel en ook het maaiveld zakken. In figuur 6.1 zijn de verticale verplaatsingen u z van het maaiveld langs de lijn y=0 gegeven. De zijkant van de tunnel verplaatst in de positieve y-richting, waardoor de horizontale normaalspanning yy naast de tunnel toeneemt. u_z (m).00600.00450.00300 na fase 2 na fase 3 na fase 4 na fase 5 na fase 6A.00150 0. -.00150 -.00300-30.0-20.0-10.0 0. 10.0 20.0 30.0 x-coordinaat (m) Figuur 6.1 Verticale verplaatsingen u z van het maaiveld langs de lijn y=0 In fase 2 wordt tevens ter plaatse van het boorfront een steundruk q van gemiddeld 188 kpa aangebracht, die ter plaatse van het midden van de tunnel in evenwicht is met de daar heersende grondspanningen. Omdat het volumieke gewicht van de boorvloeistof afwijkt van het volumieke gewicht van de grond vermenigvuldigd met de neutrale gronddrukfactor K 0 en doordat de K 0 - waarde per grondlaag kan verschillen, zal in deze fase plaatselijk een kleine onbalans ontstaan, waardoor ter plaatse van het boorfront horizontale verplaatsingen u x in de richting van de tunnelas zullen ontstaan. Uit figuur 6.2 blijkt dat na fase 2 de horizontale verplaatsingen u x aan het boorfront 20
klein blijven. 0 horizontale verplaatsing u_x (m) -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 1 2 afstand tot BK tunnel (m) 3 4 5 6 7 8 9 na fase 2 na fase 3 na fase 4 na fase 5 na fase 6A Figuur 6.2 Horizontale verplaatsingen u x aan het boorfront langs de lijn x=0 en y=0 Door het aanbrengen van de waterspanningen (fase 3) neemt de ovalisering van de tunnel enigszins af en heeft de tunnel de neiging op te drijven. Hierdoor ontstaat achter het boorfront een rijzing van het maaiveld van maximaal 4,5 mm (zie figuur 6.1, x > 0). De horizontale verplaatsingen u x aan het boorfront nemen enigszins af (zie figuur 6.2). De maximale horizontale verplaatsing aan het boorfront na het aanbrengen van alle initiële belastingen is gelijk aan ongeveer 1,0 mm en treedt op in de kleilaag nr. 31. 12.4 Afname steundruk tot gemiddeld 174 kpa (fase 4) De aangebrachte steundruk q van gemiddeld 188 kpa wordt gereduceerd tot gemiddeld 174 kpa. Hierdoor zal aan het boorfront grond naar binnen komen. In figuur 6.2 (fase 4) zijn de horizontale grondverplaatsingen aan het boorfront gegeven. De maximale verplaatsing is 4,3 mm en treedt op in de kleilaag vlak onder de bovenkant van de tunnel. Uit figuur 6.2 blijkt dat zandlaag nr. 18A bijna uniform verplaatst door afschuiving over de kleilagen, die boven en onder de beschouwde zandlaag liggen. Omdat de knooppunten langs de randen van het boorfront verbonden zijn met de relatief stijve tunnelwand, zullen deze knopen bij het reduceren van de steundruk niet verplaatsen. Direct onder de bovenzijde van de tunnelwand blijkt een grote verplaatsingsgradiënt te ontstaan. Deze verplaatsingsgradiënt zal zeker bij lage steundrukken en daardoor grote verplaatsingen in sterk mate worden bepaald door het aantal elementen, dat is aangebracht aan het boorfront direct onder de bovenkant van de tunnelwand. 21
Uit figuur 6.1 blijkt dat de incrementele verticale verplaatsingen u z aan het maaiveld relatief klein zijn. Als gevolg van het reduceren van de steundruk q ontstaan vóór de tunnel maaiveldzettingen. In bijlage 5 worden de berekeningsresultaten met behulp van contourlijnen gepresenteerd. De totale verplaatsingen zijn in het algemeen hoofdzakelijk veroorzaakt tijdens de fasen 2 (ontgraven) en 3 (aanbrengen waterspanningen op de tunnelwand). Uit de figuren in bijlage 5 blijkt plasticiteit voornamelijk te ontstaan in de kleilagen, die zich boven en onder zandlaag nr. 18 bevinden. 12.6 Afname steundruk tot gemiddeld 160 kpa (fase 5) De steundruk q wordt verder gereduceerd tot gemiddeld 160 kpa. Uit figuur 6.2 blijkt dat de horizontale verplaatsingen aan het boorfront verder toenemen tot maximaal 8,7 mm. Evenals bij de afname van de steundruk tot 174 kpa, ontstaan nu relatief kleine additionele maaiveldzettingen vóór het boorfront en verwaarloosbare additionele maaiveldrijzingen achter het boorfront. De maximum totale maaiveldzetting vóór het boorfront is gelijk aan ca. 0,8 mm. In bijlage 6 worden de berekeningsresultaten met behulp van contourlijnen gepresenteerd. Ook bij deze belastingsituatie blijken de plastische vervormingen voornamelijk te ontstaan in de kleilagen, die zich boven en onder zandlaag nr. 18 bevinden. Het totale volume grond, dat aan het boorfront de tunnel in verplaatst is, bedraagt 0,22 m 3. De gemiddelde horizontale verplaatsing aan het boorfront is ca. 3,9 mm. 22
HOOFDSTUK 14 'SPIEGELDALING' BOORVLOEISTOF (FASE 6A) De initiële spanningssituatie bij het aanbrengen van de 'spiegeldaling' is de situatie die is ontstaan na het reduceren van de steundruk tot 160 kpa. In figuur 4.2 worden de spanningen, die in deze fase (fase 6A) aan het boorfront worden aangebracht, grafisch weergegeven. Als gevolg van de additionele belastingen, die in deze fase ten opzichte van de spanningen in fase 5 (reductie steundruk tot gemiddeld 160 kpa) worden aangebracht, zullen de horizontale verplaatsingen aan de onderzijde van het boorfront sterk toenemen. De horizontale verplaatsingen aan de bovenzijde van het boorfront nemen daarentegen af. Uit figuur 6.2 blijkt dat bij de 'spiegeldaling' de maximale horizontale verplaatsing aan het boorfront toeneemt tot 11,1 mm. Uit figuur 6.1 blijkt dat de 'spiegeldaling' bijna geen invloed heeft op de maaiveldzettingen. Direct voor het boorfront ontstaan kleine additionele maaiveldzettingen. Op een afstand van circa 25 m voor het boorfront (x=-25 m) treden als gevolg van de spiegeldaling geen extra maaiveldzettingen meer op. Achter het boorfront ontstaan uiterst kleine maaiveldrijzingen. In bijlage 7 worden de berekeningsresultaten met behulp van contourlijnen gepresenteerd. 23
HOOFDSTUK 16 ANALYSE STAARTVERLIEZEN (FASE 6B) Ook bij het modelleren van de staartverliezen is de initiële spanningssituatie gelijk aan de spanningssituatie die is ontstaan na het reduceren van de steundruk tot 160 kpa. De gemiddelde horizontale verplaatsing aan het boorfront na fase 5 is ca. 3,9 mm (zie paragraaf 6.4). De waarde van G 3D is hierdoor 0,98 mm (zie formule 5.17). Hierdoor worden de volgende vervormingen opgelegd (zie ook figuur 8.1): - aan het boorfront: 0,98 mm - ter plaatse van de aansluiting TBM - tunnel: 11 mm - achter de TBM: 58 mm De vervorming die achter de TBM wordt opgelegd komt overeen met een volumeverlies per m van 2,7% van de tunneloppervlakte. Figuur 8.1 Opgelegde vervormingen In figuur 8.2 worden de maaiveldzakkingen, ontstaan na het aanbrengen van de staartverliezen, langs lijnen evenwijdig aan de x-as gepresenteerd. De maximale maaiveldzetting langs de lijn y=0 neemt toe tot 41 mm. Op een afstand van ongeveer 20 m achter het boorfront nemen de verplaatsingen verder nagenoeg niet meer toe; vanaf deze locatie heerst een 2D situatie (vlakke vervorming). De oppervlakte van de zettingstrog op x = 30,2 m is 1,6 % van de tunnel oppervlakte. De maaiveldzettingen, die zijn ontstaan als gevolg van het verlagen van de steundruk, blijken ten opzichte van de verplaatsingen door de staartverliezen verwaarloosbaar klein te zijn. In figuur 8.3 worden de maaiveldzakkingen langs de lijnen evenwijdig aan de y-as gegeven. 24
0-0.01-0.02 u_z (m) -0.03 y=0 y=4.3 y=13-0.04-0.05-30 -20-10 0 10 20 30 40 x-coordinaat (m) Figuur 8.2 Maaiveldzakkingen na fase 6b langs lijnen evenwijdig aan x-as 0-0.01 u_z (m) -0.02-0.03 x=-12.825 x=-4.275 x=0 x=+8.6 x=+20.23 x=+30.2-0.04-0.05 0 10 20 30 y-coordinaat (m) Figuur 8.3 Maaiveldzakkingen na fase 6b langs lijnen evenwijdig aan y-as Uit figuren 8.2 en 8.3 blijkt dat op grote afstand van de tunnel, langs de randen x = -27 m (zie figuur 8.2) en y = +27,7 m (zie figuur 8.3), de maaiveldzetting niet maar nul gaat, maar dat hier een uniforme verplaatsing van ongeveer 2 mm ontstaat. Dit effect wordt ook geconstateerd bij 2D berekeningen (zie ook [Grondmechanica Delft 1996]). Deze verticale plaatsing wordt veroorzaakt doordat de randen van het elementennet rollend zijn opgelegd. Hierdoor kunnen verticale grondverplaatsingen, die op relatief grote afstand vóór het boorfront ontstaan, niet worden verhinderd door schuifspanningen in het grondmassief, dat zich op nog grotere afstand van de 25
tunnel in de onverstoorde zone bevindt. De uniforme verplaatsingen langs de randen van het elementennet kunnen worden verminderd door de rand van het elementennet verder vóór het boorfront te plaatsen of door langs de randen interface elementen te plaatsen, die het gedrag van het grondmassief, dat zich buiten het elementennet bevindt, modelleren. Omdat hier de afstand tussen de randen van het elementennet en de tunnel voldoende groot is, blijven de verticale verplaatsingen langs de randen beduidend kleiner dan de verplaatsingen, die direct boven en naast de tunnel ontstaan. 0 s_yy -50 s_xx spanning (Pa) Thousands -100 s_zz -150-200 -30-20 -10 0 10 20 30 x-coordinaat (m) Figuur 8.4 Normaalspanningen ca. 2 m naast de tunnel 26
-20-40 s_yy spanning (Pa) Thousands -60-80 -100 s_xx -120 s_zz -140-160 -30-20 -10 0 10 20 30 x-coordinaat (m) Figuur 8.5 Normaalspanningen ca. 4 m naast de tunnel In de figuren 8.4 en 8.5 worden de normaalspanningen xx, yy en zz langs lijnen evenwijdig aan de tunnelas op een afstand van achtereenvolgens 2 m en 4 m buiten de tunnelwand gepresenteerd. De locaties van de lijnen worden in bijlage 2 aangegeven. Lijn C bevindt zich 2 m buiten de tunnelwand; lijn D 4 m. Het grillige spanningsverloop van xx en yy tussen x=0 (locatie boorfront) en x=9 m (ongeveer de locatie van de achterzijde van de TBM) wordt veroorzaakt door het verlopende staartverlies, dat is opgelegd. Als gevolg van de opgelegde vervorming nemen achter de TBM op zowel 2 m als 4 m naast de tunnel de horizontale normaalspanningen yy af. De horizontale normaalspanningen xx wijzigen relatief weinig. Opmerkelijk is dat op 2 m naast de tunnel de verticale normaalspanningen zz achter de TBM afnemen, terwijl op 4 m deze spanningen toenemen. De afname van de verticale spanning direct naast de tunnel wordt veroorzaakt door een ontspanning als gevolg van het krimpen van de tunnel. De toename van de verticale spanning op grotere afstand van de tunnel is een gevolg van verticale boogwerking (in y-richting), die als gevolg van het aanbrengen van de staartverliezen ontstaat. Deze boogwerking veroorzaakt geen spanningstoename direct naast de tunnel, maar wel op grotere afstand. In bijlage 8 worden de berekeningsresultaten met behulp van contourlijnen gepresenteerd. Vóór het boorfront en naast de tunnelboormachine ontstaat plasticiteit hoofdzakelijk in de kleilagen 16 en 31. Achter de tunnelboormachine ontstaat de grootste plastische rek schuin boven de tunnel in kleilaag 16 en veenlaag 4. Ook onder de tunnel in de bovenkant van zandlaag 32 ontstaat plasticiteit. 27