O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcement 1999 8 67Sinds 1994 is door commissieK100 intensief gewerkt aan devoorbereiding, uitvoering en eva-luatie van de monitoring van deeerste geboorde tunnel met grotediameter in Nederland: de Twee-de Heinenoordtunnel. De aanlegvandezetunnelisdestijdsdoordeminister van Verkeer en Water-staat aangemerkt als een van detwee proefprojecten voor geboor-de tunnels in de Nederlandseslappe bodem (de andere is deBotlekspoortunnel).De Tweede Heinenoordtunnel isprimair bedoeld ter uitbreidingvan de verkeerscapaciteit op deA29, die Rotterdam verbindt metwestelijk Noord-Brabant en Zee-land. Het langzame verkeer nameen deel van de ruimte in debestaande tunnel in beslag. Doorhiervoor een afzonderlijke tunnelte bouwen, kon de rijksweg in deoude tunnel worden uitgebreidvan twee naar drie rijstroken.Het wezenlijke van de proefpro-jecten was het opdoen van kennisen ervaring bij de bouwmethode.De tot dan toe (1994) beschikbarekennis en kunde met bijbeho-rende rekenmodellen op hetgebied van boortunnels warenvanuit het buitenland gekomen.Het was de vraag of die kennis endie modellen ook voor onzeslappe bodem toepasbaar zoudenzijn. De doelstelling van de inten-sieve monitoringactiviteiten wasverdere ontwikkeling van kennisen kunde, met daaraan gekoppeldverificatie en validatie van debeschikbare rekenmodellen voorde Nederlandse situatie.R e k e n m o d e l l e nHet praktijkonderzoek bij deTweede Heinenoordtunnel heefteen schat aan meetdata opgele-verd, waarmee de kennis overboren van tunnels in de Neder-landse slappe bodem sterk is ver-groot. Vooral het inzicht in dewaarde van theoretische model-lenvoordeberekeningvangrond-deformaties en in de krachten open in de boormachine en tunnel-Afronding monitoring eerstegeboorde tunnel in Nederlandir. K.J. Bakker, Bouwdienst Rijkswaterstaat, Utrecht / Centrum Ondergronds Bouwen, Goudadrs. W. van Schelt, Bouwdienst Rijkswaterstaat, Utrecht / Centrum Ondergronds Bouwen, Goudair. M.Th.J.H. Smits, Fugro Ingenieursbureau bv, LeidschendamOp 16 september j.l. is de Tweede Heinenoordtunnel geopend. Met de over-handiging van het eindrapport van CUR/COB-commissie K100 aan de minis-ter van Verkeer en Waterstaat is ook formeel een einde gekomen aan de moni-toring van het eerste proefproject voor geboorde tunnels in Nederland. In heteindrapport wordt op een beknopte wijze verslag gedaan van de belangrijksteresultaten die met het project zijn bereikt. Tijdens het COB/1-congres op 30september j.l. zijn die resultaten, tezamen met de resultaten van een grootaantal andere COB-projecten, uitvoerig gepresenteerd.1 | Overzicht locatie TweedeHeinenoordtunnel enbelangrijkste monitoring-activiteitenA meetveld noordB meetveld zuidC meetring noordD meetring zuidE metingen tunnel-boormachineF deformatiemetingenG metingen scheidings-installatieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcement 1999 868wand is sterk vergroot. Daarbij iseen aantal kennisleemten vastge-steld, die reeds tijdens de project-uitvoering hebben geleid totverdere modelontwikkeling. Demeetdata zijn zodanig gearchi-veerd, dat deze voor nadere ana-lyses toegankelijk zijn en blijven.Vooral het gebruik van dit archiefbij de analyse van monitoring-resultaten van toekomstige boor-projecten strekt tot aanbeveling.Uit evaluatie van de meetresulta-ten blijkt dat deze, eventueel doormiddel van verdere modelontwik-keling en postdicties (berekeningachteraf met de in de predictiesgebruikte modellen, op basisvan gemeten procesparameters),konden worden verklaard en`teruggerekend'.Daarbijgeldtwelde beperking dat zo'n modeldaarmee nog niet altijd directgeschikt is voor ontwerpomstan-digheden, bijvoorbeeld omdateen belangrijke parameter voorafmoeilijk te voorspellen is. Bij dekeuze voor verdere modelontwik-keling dient daarom de toege-voegde waarde van een nauwkeu-rigerrekenmodelsteedstewordenafgewogen tegen de mogelijkoverheersende onzekerheid inprocesparameters en overige in-voergegevensenuitgangspunten.Voorlopig zal vooral door uitvoe-ren van gevoeligheidsberekenin-gen de invloed van deze onzeker-heden op het voorspelde gedragnauwgezet dienen te worden af-getast.Waartotnutoedemeeralgemeneaspecten en resulaten van demonitoring zijn belicht, zal in hethierna volgende meer in detailworden ingegaan op de resultatenper aandachtsgebied: Boortech-niek, Effecten in de omgeving enTunnelconstructie (fig. 1).M e e r b e g r i p v o o r d eb o o r b e h e e r s i n gHet onderzoek op het gebied vande boortechnologie concentreer-de zich op (fig. 2):- bepaling van de stabiliteit vanhet boorfront;- krachtenbalans bij het ont-graven;- bepaling van de effectiviteitvan het boorproces.Voor de stabiliteit van het boor-front is het van groot belanginzicht te verkrijgen in de mini-male en maximale waarde van degronddruk aan het boorfront. Dete hanteren bentonietdruk dienttussen beide waarden in te liggen.2 | Schematische weergavetunnelboormachine metbelangrijkste gemetenprocesparameters3 | Gemeten waterspanningvlak voor het boorfront alsfunctie van de tijd, noord-oevertijd (minuten)1 omwenteling snijrandboorfront op 200 mmwaterspanning(kPa)boorfront op 600 mmO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcement 1999 8 69Ookdedrukverdelingindemeng-kamer tijdens het boren speeltdaarbij een rol. Verder is hetnoodzakelijk de door de tunnel-boormachine in de omringendegrond gegenereerde extra water-spanning te kennen, omdat dezede stabiliteit kan be?nvloeden.De vijzels die de tunnelboorma-chine voortduwen en de aandrij-ving van het graafwiel dienen vol-doende capaciteit te hebben omvastlopen te voorkomen. Het isdus van belang om de grootte vande vijzelkrachten als functie vanbijvoorbeeld de eigenschappenvandetedoorborengrondlagentekennen. De vijzelkrachten dienenuiteindelijk ook door de tunnel-wand en de omringende grond teworden opgenomen.Bij de effectiviteit van het boor-proces ligt de nadruk op onder-zoek naar het ontgravingsprocesen de mengselvorming in demengkamer. Ook is gekeken naarde effectiviteit van pompen enleidingen voor het transport vanslurry en grond.In het kader van het aandachts-gebied Boortechnologie zijn devolgende observaties gedaan enconclusies getrokken:- tijdens het ronddraaien vanhet snijrad wordt de afpleiste-rende werking van de boor-vloeistof aan het front voort-durend verbroken. Hierdoorontstaat een wateroverspan-ning, die de stabiliteit van hetboorfront negatief be?nvloedt(fig. 3);- een instabiliteit aan het boor-front is opgetreden bij eengemiddelde steundruk diemaar weinig hoger was dan deverticale grondspanning aande bovenzijde van de tunnel;- bij een ondiepe ligging, bij-voorbeeld onder een rivier,zijn de marges waartussen deminimale en maximale boor-frontdruk zich mag bewegenom instabiliteiten te voorko-men, zeer gering;- de kracht op de hoofdvijzelsvan de tunnelboormachinewordt voor een belangrijk deelbepaald door de steundrukaan het boorfront die op hetdrukschot wordt uitgeoefend.Dit aandeel is goed te kwanti-ficeren. De mantelwrijving opde machine levert een sub-stantieel, maar moeilijk kwan-tificeerbaar aandeel in de vij-zelkracht;- gebruik van oversnijdingsmes-sen (snijrad groter dan boor-schild) leidt tot een sterkeafname van de mantelwrijvinglangs de machine en daarmeetot een verlaging van de krachtin de hoofdvijzels. Gevolghiervan is dat geringere belas-tingen op de tunnelwandworden uitgeoefend.Daarnaast neemt door hetgebruik van oversnijdings-messen de bestuurbaarheidvan de boormachine toe,omdat de vijzelkracht minderexcentrisch aangrijpt.E f f e c t e n i n d e o m g e v i n gGronddeformaties en spannings-veranderingen rondom de tunnelals gevolg van het boorproceskunnen leiden tot maaiveldzak-kingen en derhalve tot schade aannabijgelegen bebouwing. Inzichtin deze fenomenen in alle fasenvan het boorproces was daaromhoofddoel van het geotechnischonderzoek. Hierbij gelden ookbijzondere situaties zoals lang-durige stagnaties, spiegeldalingvan het bentoniet in de meng-kamer en eventuele lekkage vande tunnel. Ook de langetermijn-invloed van de aanwezigheid vande tunnel op de stijghoogten vanhet grondwater, alsmede de vei-ligheidtenopzichtevaneventuelebezwijkmechanismen als opdrij-ven en opbreken van de tunnelzijn onderzocht.Voor de geotechnische metingenzijn op beide oevers van de OudeMaas meetvelden ingericht meteen oppervlakte van ongeveer75 x 50 m2(fig. 4).De volgende waarnemingen zijngedaanvandeelmechanismendiebijdragen aan het volumeverliesen daarmee aan gronddeforma-ties en spanningsveranderingen:- het frontverlies, als gevolg vanontspanning van de grond terplaatse van het boorfront,bleek uit metingen van demaaiveldzakking relatief ge-ring te zijn (maximaal enkelemm);- de conische vorm van detunnelboormachine en hetwel of niet gebruiken van deoversnijdingsmessen geveneen toename van de maaiveld-zakking van enkele mm totcirca 15 mm;- het (onvolledig) vullen van destaartspleet met grout achterde boormachine blijkt sterkbepalend voor de uiteindelijkemaaiveldzakking;- er is een duidelijke correlatietussen de hoeveelheid grouten de gehanteerde groutdruk-ken enerzijds en de gemetenmaximale maaiveldzakkingenanderzijds (fig. 5);- tijdsafhankelijke effecten(naijleffecten) bleken op denoordoever geen rol vanbetekenis te spelen. Op een4 | Overzicht geotechnisch meetveldnoordoeverA zakbakenB hellingmeetbuizenC extensometersD waterspanningsmeters v??r boorfrontE gronddrukdozenF peilbuisG referentiepuntH opstelpuntenI meetkastO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcement 1999 870afstand van 20 ? 30 m achterhet front stabiliseerden dezettingen zich. Op de zuid-oever, waar meer samendruk-bare lagen voorkomen in deondergrond, werden wel tijds-afhankelijke zettingen waar-genomen.Geconcludeerd wordt dat maai-veldzakkingen,deformatiesrond-om de tunnel en spanningsver-anderingen in de grond met debestaande rekenmethoden moei-lijk waren te voorspellen, omdathet volumeverlies bij het borenhierbij een belangrijke rol speelt.Dit volumeverlies is sterk afhan-kelijk van de uitvoering en vooralvan het toegepaste groutvolumeen de daarbij optredende grout-druk(verdeling).2 D o f 3 D , w a t i s d e m e e s tg e s c h i k t e b e n a d e r i n g ?Voor het aandachtsgebied tun-nelconstructie was er in feite ??ngrote doelstelling, namelijk debepaling van de belastingen op deconstructie en van de krachtswer-king erin (fig. 6).De tunnelwand en de opbouwdaarvan zijn de belangrijkstekostencomponenten. Een econo-misch en voldoende veilig ont-werp is dan ook van groot belang.Bruikbaarheidvanrekenmodellenvoorhetontwerpisdaarbijleidend.De ontwikkeling van de krachts-werking in de tunnelwand is eencomplex proces. De uit losse seg-menten opgebouwde tunnel on-dervindt achtereenvolgens axialekrachten en torsiekrachten vanuitde tunnelboormachine, montage-spanningen en radiale krachtendoor de druk van het grout in destaartspleet, en gronddrukken naverharden van de groutlaag. Degronddrukken werken hoofdza-kelijk loodrecht op de as van detunnel, maar door verschillen inlengterichting wordt ook de lig-gerwerking van de tunnel aan-gesproken. Een complicerendefactor daarbij is, dat de belastingvan de grond op de tunnel eenbijzonder karakter heeft, omdatde grond ook de ondersteuningvan de tunnelwand verzorgt.Demeestopvallendewaarnemingbij de metingen aan de tunnel-wand was, dat de spanningen dieontstaan door het opbouwen vande lining, van gelijke orde zijn alsde spanningen die op een latertijdstip door de grond en de groutrondom de tunnel worden ver-oorzaakt (fig. 7). Verdere model-ontwikkeling is nodig om dezespanningen in de toekomst metenig succes vooraf te kunnenberekenen. Hierbij is een drie-dimensionale benadering onont-beerlijk:splitsenvanhetgedraginlangs- en dwarsdoorsnedebereke-ningen, zoals bij de in de predic-ties gebruikte rekenmodellen,blijkt een te sterke vereenvoudi-ging van de werkelijkheid.Wanneer de montagespanningenuit de gemeten krachtswerkingworden ge?limineerd, blijken detunnelbelastingen en doorsnede-krachten redelijk goed met em-pirische modellen en met twee-dimensionale eindige-elementen-modellen te kunnen wordenbeschreven. Hiertoe is het welnoodzakelijk de drukverdelingrondom de tunnel te berekenenmet inachtname van het volume-verlies bij het boren. Het geldig-heidsgebied van analytische entweedimensionale modellen be-perkt zich tot stijfheden van degrond tussen 5 en 120 MPa, zo isuit eerdere literatuurstudie geble-ken. In de Nederlandse bodemwordt aan dit criterium vrijwelaltijd voldaan.In de lengterichting van de tunnelontwikkelt zich een substanti?leliggerwerking. Dit effect wordt6 | Schematisch overzichtgesegmenteerde tunnel-lining en gebruikteinstrumentatieA rekopnemersB drukopnemersC verplaatsingsopnemersD dataloggerE deformatiemetingen5 | Maximale maaiveld-zakking boven de as van detunnel als functie van hetge?njecteerde groutvolumevolume ge?njecteerd grout (m3)maximalemaaiveldzakking(mm)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcement 1999 8 71be?nvloed door krachten vanuit detunnelboormachine. Om dit ge-drag goed te kunnen beschrijvenis een rekenmodel nodig dat ener-zijds uit gesegmenteerde ringenbestaat (driedimensionale lokalekrachtswerking),maaranderzijdsook een voldoende lengte van ge-koppelde ringen bevat om deglobale krachtswerking te kunnenbeschrijven. Dergelijke modellenwaren ten tijde van het opstellenvan de predicties nog niet voor-handen.Voor de evaluatie van de metin-gen bij de Tweede Heinenoord-tunnel zijn berekeningen uitge-voerd met een state-of-the-artrekenmodel, waarbij in een eersterekenstap de interactie tussenboormachine en tunnelconstruc-tie in de omringende grond opdriedimensionale wijze wordtgesimuleerd. De tunnelboorma-chine en de tunnel worden metschaalelementen gemodelleerd,waarbij in de tunnelconstructiegeen rekening wordt gehoudenmet voegen. De omliggendegrond wordt gemodelleerd metvolume-elementen.In een tweede stap is een gedeeltevan de in en achter de boorma-chine aanwezige tunnelconstruc-tie gedetailleerd gemodelleerd,rekening houdend met de seg-mentele opbouw, inclusief sluit-stenen en ring- en langsvoegen.Met deze tweede stap worden metname de krachtswerking in en devervormingen van de tunnelcon-structie op verschillende positiesachter de boormachine berekendtotaandeplaatswaarhetmomentdat door de boormachine wordtuitgeoefend is uitgedempt, circa15 ? 20 ringen achter de boor-machine.Met deze driedimensionale mo-dellering bleek het mogelijk hetgemeten gedrag te beschrijven.Overigens betekent dit nog niet,dat een dergelijke geavanceerderebenadering ook per definitie eengroterevoorspellingskrachtheeft.Uiteraard vergt een dergelijkeberekening ook een gedetailleer-dere kennis van procesparame-ters zoals (verdeling van de) vij-zelkrachten, groutdruk en lengtewaarover de groutschil onverhardis, gedrag van de voegen, ovalisa-tie van de meest recent gebouwdering enz.K e n n i s - i n f r a s t r u c t u u rNaast de technisch inhoudelijkekennis heeft het monitoring-project ookeenhecht netwerkvanspecialisten opgeleverd, dwarsdoor de traditionele scheidslijnentussen vakgebieden heen. Verde-ling van het uitvoerende werkover een groot aantal partijenheeft de door het COB nage-streefde kennisverbreiding ingang gezet. Door samenwerkingvan praktijkgerichte en onder-zoekgerichte instellingen en be-drijven is een goede mix van diep-gang en praktijkgerichtheid vanhet onderzoek tot stand gebracht.Het hebben van een projectbu-reau voor de dagelijkse aanstu-ring en afstemming van het uit-voerende werk is hierbij wel eenvoorwaarde.Bij het praktijkonderzoek bleekintensieve communicatie nood-zakelijk tussen de aannemer, deopdrachtgever en de onderzoe-kers, teneinde de doelstellingenvan deze drie belanghebbendenop elkaar af te stemmen. Hetmaken van duidelijke afsprakenvooraf,enerzijdsoverhetpreciezeonderzoeksprogramma en ander-zijds over de informatievoorzie-ning door de aannemer, kunnendit proces vergemakkelijken. Hetvooraf defini?ren van risico'ssamenhangend met het praktijk-onderzoek en het toedelen daar-van aan partijen, heeft goed ge-functioneerd.De gekozen volgorde bij hetpraktijkonderzoek - eerst doelenstellen, vervolgens prioriteitenstellen, budgetten verdelen, pre-dicties uitvoeren, meten en eva-lueren - heeft geleid tot eengerichte besteding van de onder-zoeksgelden.Het eindrapport van commissieK100 is beschikbaar via het Cen-trum Ondergronds Bouwen. s7 | Tangenti?le normaal-spanning als functie van detijd, gemeten in de eerstetunnelbuisL i t e r a t u u r1. Bakker, K.J., W. van Schelt and J.W. Plekken-pol, Predictions and a monitoring scheme withrespect to the boring of the Second Heinenoordtunnel. Proc. Geotechn. Aspects of UndergroundConstr. in Soft Ground, pp 459-464, 1996.2. Bakker, K.J., Boortunnels in Nederland: Standvan zaken met betrekking tot de geotechniekrond de Tweede Heinenoordtunnel. Geo-techniek, 1ejaargang nr.1, januari/maart 1997.3. Bakker, K.J., F. de Boer, J.B.M. Admiraal andE.P. van Jaarsveld, Monitoring Pilot ProjectsUsing Bored tunnelling: the Second Heinen-oord Tunnel and the Botlek Rail Tunnel.Tunnelling and Underground Space Technology,Vol 14, No. 2, pp 121-199, 1999.4. COB-commissie K100, Monitoring bij deTweede Heinenoordtunnel, verslag van eengrootschalig praktijkonderzoek naar geboordetunnels. CUR/COB, Centrum OndergrondsBouwen, september 1999.5. Van Schelt, W., Voorlopige resultatenCOB/K100-monitoring Tweede Heinenoord-tunnel. Land en Water 1998, nr.6. tijd (dagen)N-tangentieel(kN)krachtsniveau na montage