C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelcement 2005 130ir. D.C. van Zanten, ir. E. Taffijn, ir. R. Dalmeijer, ir. M.de Vries en ing. H.M.J. de Waard, ProjectbureauRandstadRail RotterdamHet grootste gedeelte van de boortunnel ligt in dePleistocene zandlagen. Het ontwerp is echter voor eengroot deel bepaald door de ligging van de tunnel in deHolocene klei. Dit heeft geleid tot enkele fundamenteleontwerpkeuzes en nader onderzoek.Het constructief ontwerp van de boortunnel isgebaseerd op een levensduur van 100 jaar en richtzich op het bepalen van de respons van de liningonder inwerking van de verschillende belastingen(met zogenoemde ringberekeningen) en op dedetaillering van de segmenten en hun onderdelen.De visie bij het ontwerpen van de boortunnel is datdeze bij voorkeur gelegen is in het Pleistocenezand. De krachtswerking in de tunnel is dan opti-maal. Tevens is de kans op obstakels die het boor-proces kunnen hinderen in het Pleistocene zandgering. Nabij conventioneel gebouwde tunneldelenis het echter om economische redenen gunstig deboortunnels hoger dan het Pleistocene zand en welter hoogte van de Holocene klei te projecteren.Deze ligging heeft geleid tot een fundamentele ont-werpkeuze in relatie tot de koppeling tussen de tun-nelringen. Tevens heeft de keuze voor een liggingin de Holocene klei geleid tot nader onderzoek naarhet gedrag van de boortunnel in klei en zijn in hetcontract met de aannemer verschillende beproevin-gen voor de betonnen tunnellining opgenomen.Doel van dit alles is te komen tot een veilig enrobuust constructief ontwerp. In dit streven zijn inhet tunnelontwerp voor zowel betonnen als stalenlining doorsneden uitgewerkt met verschillendeinbeddingshoeken in het Pleistocene zand en/ofgrondverbetering.Het bestek biedt de mogelijkheid om segmenten ineen betonsterkteklasse B 45 of B 55 toe te passen.De te hanteren milieuklasse bedraagt 2 voor de bin-nen- en 5d voor de buitenzijde van de boortunnel.Voor de stalen lining is een kwaliteit S355J2G3voorgeschreven.M o d e l l e r i n g t u n n e l l i n i n gVoor de modellering van de betonnen lining iservoor gekozen voor de ringberekeningen een een-voudig en robuust model te hanteren. De gunstigwerkende axiale voorspanning ten gevolge van hetboorproces wordt hierin niet meegenomen. Bij deringberekeningen van de betonnen lining wordtgebruik gemaakt van het gekoppelde dubbelring-model, waarvan de segmenten met staven zijngemodelleerd en radiaal met elastische veren zijningebed (fig. 1). Tussen de ringen zijn koppelstavengemodelleerd voor de krachtswerking in de kom-nokconstructie. De langsvoegen zijn gemodelleerdmet momentveren. De sluitsteen is in het voor-noemde model niet beschouwd. Bij de detailleringvan de segmenten worden door de aannemer debelastingen uit het boorproces meegenomen.De oostelijk gelegen tunnelbuis onder het NS-emplacement zal over een lengte van circa 120 mworden gerealiseerd met een stalen lining. Dezebestaat net als de betonnen lining uit zeven segmen-ten en ??n sluitsteen. In tegenstelling tot de beton-nen lining worden de segmenten zowel in de ring-als in de langsvoeg permanent aan elkaar gebout.1 |Configuratie en modelle-ring lining1. normaal segment2. verkort segment3. sluitsegment1.1.1.1.aanzicht segmententunnelbuis3.1.2.2.brandwerendebekledinghartlijn segmentenR=3250R=2900kleizandinbeddingshoekmomentveerkoppelstaafradiale veer35065005800 350Constructief ontwerp endimensionering tunnelliningC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelcement 2005 1 31Afgezien van de overgang tussen de betonnen en sta-len lining zijn de ringvoegen bij de stalen lining vlak.Bij de overgang van de betonnen naar de stalenlining is voor de stalen segmenten gekozen voor detoepassing van twee nokken per segment. De komvan de kom-nokconstructie wordt geplaatst bij debetonnen segmenten. De stalen segmenten zijnvoorzien van een coating om corrosie door zwerf-stromen te voorkomen. In de bouwfase wordentevens de nodige maatregelen aangebracht voor eenkathodische bescherming. Door metingen zal wor-den beschouwd of deze kathodische beschermingdaadwerkelijk moet worden toegepast.B e l a s t i n g s s c h e m a ' s , b e d d i n g g e g e v e n sBij de verschillende belastingsgevallen waarop detunnel is berekend behoren vanzelfsprekend degronddrukken, de permanente belasting uit eigengewicht, mobiele lasten, ophogingen, ontgravin-gen, enz. Speciale aandacht is besteed aan de belas-ting ten gevolge van de korreldrukken. Bij de belas-tingen op de tunnel wordt er voor de korrelbelas-tingen namelijk een verschil gemaakt tussen debelasting direct na het boren (t = 0 jaar) en de belas-tingen gedurende de levensduur van de tunnel (t =100 jaar). Voor t = 0 jaar worden de verticale korrel-belastingen gecorrigeerd voor het opdrijven van detunnel. Tevens is reductie van de tangenti?le lastenmeegenomen. Voor t = 100 jaar worden de korrel-belastingen aangepast aan de extra belasting tengevolge van zakking van de Holocene lagen.Bij de belastingsgevallen is tevens aandachtgeschonken aan de belasting ten gevolge van eencalamiteit, zoals het vollopen van de tunnel metwater. De boortunnels sluiten namelijk onder-gronds aan op het bestaande metronet dat deNieuwe Maas kruist. Voor tunnels nabij de NieuweMaas wordt normaliter gerekend met een water-stand binnen de volgelopen tunnel van NAP +3 m,uitgaande van een gat in de tunnel nabij de rivier.Voor de boortunnel binnen RandstadRail is echterrekening gehouden met een lagere optredendewaterstand binnen de tunnel, te weten NAP +0,5 m.Vanwege de grote afstand tussen de boortunnel ende Nieuwe Maas wordt de stijghoogte van het waternamelijk beperkt door wrijvingsverliezen, alsmedevermindering van wateraanvoer door de open ver-binding met andere metrotunnels en de Willems-spoortunnel. Ook de open in- en uitgangen van detussengelegen stations vermindert de wateraanvoerter plaatse van de boortunnels.Negatieve kleef op boortunnelsDe grond in Nederland is onderhevig aan zakking.Langs het tunneltrac? bedraagt deze tussen 9 en17 mm per jaar. De zakking wordt voornamelijk ver-oorzaakt door consolidatie en kruip van de Holocenelagen. De zakking is van grote invloed op de krachts-werking van de geboorde tunnels bij ligging in deHolocene klei. Als de boortunnel deels ter hoogtevan de Holocene lagen ligt, maar gefundeerd is inhet Pleistocene zand, zakt de tunnel namelijk nietmee met de omringende Holocene lagen. Daardoorworden door de zakkende grondlagen krachten opde boortunnel uitgevoerd, die de boortunnel (extra)willen doen ovaliseren. De totale ovalisering van detunnel dient kleiner te blijven dan 60 mm vanwegehet benodigde profiel van vrije ruimte rond het light-railmaterieel. Voor de berekening van de grootte vande krachten ten gevolge van negatieve kleef zijn for-muleringen ontwikkeld. Deze zijn afgeleid uit bere-keningen van een tunnel die gelegen is in een 1/2-oneindig elastisch medium. De formuleringen zijngeverifieerd met geo-centrifugeproeven. Hieruitkwam naar voren dat de formuleringen conservatiefzijn. De onderstaande formuleringen gelden vooreen boortunnel met een inbeddingshoek in hetPleistocene zand van 180? en 135?.Voor inbeddingen van de tunnel in het Pleistocenezand met een hoek van 180?:Pv= 0,4?h?Eoed;rep;100 jaar;z/ RPh= 0,1?h?Eoed;rep;100 jaar;z/ RVoor inbeddingen van de tunnel in het Pleistocenezand met een hoek van 135?:Pv= 0,5?h?Eoed;rep;100 jaar;z/ RPh= 0,06?h?Eoed;rep;100 jaar;z/ Rwaarin:Pv: verticaal, neerwaarts gericht, gelijk-matig verdeelde belasting over debreedte van de tunnel (kN/m2);Ph: horizontaal, naar de tunnel gerich-te, gelijkmatig verdeelde belastingover de hoogte van de tunnel in hetHolocene pakket en werkend vanafdak tunnel tot ten hoogste het as-niveau van de tunnel (kN/m2);h : representatieve waarde van de zet-ting over de hoogte van de tunnel(m);h : ?z (m); : representatieve waarde van de verti-cale rek (samendrukking) van de(klei)laag (-);z : hoogte waarmee de tunnel in de be-schouwde dwarsdoorsnede bovenhet draagkrachtige zand uitsteekt(m);Eoed;rep;100 jaar;z: representatieve waarde voor deoedometerstijfheid van de klei(kN/m2);R : straal van de tunnel gemeten tenopzichte van de buitenzijde van detunnel (m).C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelcement 2005 132Steun uit slappe Holocene lagenEen belangrijke parameter in het ontwerp van degeboorde tunnel is de horizontale steun die degrond aan de boortunnel levert. Hierbij is zowel deneutrale gronddruk als de stijfheid van de grondvan belang. Voor de neutrale gronddruk in zand isde formule van Jaky gehanteerd, te weten K0= 1 -sin, waarbij K0de co?ffici?nt voor horizontalegronddruk is en de effectieve hoek van inwendi-ge wrijving. Voor een tunnel ter hoogte van de kleiis nader onderzoek verricht naar de waarde van deneutrale gronddruk. Hierbij zijn op verschillendegrondmonsters zogenoemde K0-CRS proeven uit-gevoerd. Bij een K0-CRS wordt op een grondmon-ster eendimensionaal een constante reksnelheidopgelegd (Constant Rate of Strain). Gelijktijdigwordt de horizontale spanning in het monster ge-meten. Hierdoor kan de co?ffici?nt van de neutra-le gronddruk worden bepaald. De resultaten uit deproeven zijn weergegeven in figuur 2.De waarden van de neutrale gronddruk voor kleivari?ren tussen 0,36 en 0,55. Uit de proeven kwamnaar voren dat de formule van Jaky goede resultatengeeft als voor de hoek van inwendige wrijving waar-den worden gehanteerd bij een rekgrens van 10%(bepaald uit een triaxiaalproef).Op basis van de verschillende belastingsgevallen isvoor de korrelbelastingen op de tunnel het belas-tingsschema uit figuur 3 bepaald.Bedding tunnelliningDe stijfheid van de Gorkumklei is aanmerkelijkkleiner dan de stijfheid van het Pleistocene zand.Ter vergelijking: de Gorkumklei heeft een oedome-terstijfheid van circa 2000 kN/m2, terwijl voor deoedometerstijfheid van het Pleistocene zand waar-den in de orde van grootte van 40 000 kN/m2zijnbepaald. De krachtswerking bij een boortunnel diedeels in de Holocene klei en deels in het Pleis-tocene zand is gelegen, wordt dan ook voornamelijkbepaald door het zand.De gehanteerde beddingstijfheid voor elke grond-laag wordt in principe op de volgende wijze uit deoedometerstijfheid van de grond afgeleid:k = Eoed;rep/Rwaarin:krad= beddingstijfheid van de desbetreffendegrondlaag (kN/m3);Eoed;rep= representatieve waarde van de oedometer-stijfheid (kN/m2);R = straal van de tunnel gemeten ten opzichtevan de buitenzijde van de tunnel (m).V e i l i g h e i d s f i l o s o f i eIn de voorbereiding is onderzoek gedaan naar demogelijkheden van toepassing van de methode vande parti?le materiaal- en belastingsfactoren ter bepa-ling van het vereiste constructieve veiligheidsniveau.Hiertoe zijn onder meer probabilistische berekenin-gen uitgevoerd ter bepaling van de gevoeligheid vande lining- en beddingparameters. Omdat de omrin-gende grond zowel een dragende als belastende wer-king heeft, bleek deze methode toch weinig prak-tisch en is gekozen voor het systeem met `overall' vei-ligheidsfactoren. Deze hebben de waarden van res-pectievelijk 1,7 voor beton en 1,5 voor staal voor denormale belastingsgevallen en respectievelijk 1,15voor beton en 1,2 voor staal voor het belastingsgevalcalamiteit (volgelopen tunnel). Bij de detaillering vande lining wordt vervolgens rekening gehouden metde desbetreffende materiaalfactoren die impliciet inbovengenoemde factoren zijn verwerkt.O n t w e r p k o m - n o k v e r b i n d i n g e nVoor de ligging van de tunnel in het zand zijn fei-telijk geen kom-nokverbindingen nodig. Bij gedeel-telijke ligging van de tunnel in de klei is dit wel hetgeval. Om de ovalisering van de lining te beperkenen daarmee de waterdichtheid van de tunnel tegaranderen worden alle betonnen segmenten van0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,650,20-5-10-15-20-25kleiveenco?ffici?nt van neutrale gronddrukdiepte(NAPM)Pv, kleefPh, kleefPh, kleef v, bovenK hkleizandv, onderKKK h2 |Proefresultaten K0-CRSproeven3 |Belastingsschema boor-tunnelC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelcement 2005 1 33de tunnelringen voorzien van twee kom-nokverbin-dingen per segment (fig. 4). De belastingen op dezeverbinding zijn groot. Koppelkrachten in de ordevan 200 kN per kom-nokverbinding zijn in de uiter-ste gevallen berekend. Gezien het belang van dezeverbindingen is in het contract met de aannemervoorzien dat via proevenseries op ware grootte aan-getoond moet worden dat de benodigde breukcapa-citeit van de kom-nokverbinding wordt bereikt.Hierbij worden volledige segmenten beproefd. Eenbelangrijk aspect daarbij is dat ten gevolge van deverschilverdraaiing van twee naastgelegen segmen-ten de nokken excentrisch worden belast. Deafschuifcapaciteit van de kom-nokverbinding wordtdaardoor gereduceerd. In dezelfde proef wordt hetstijfheidsgedrag van de kaubitstroken gemeten. Destijfheid van deze stroken bepaalt in sterke mate degrootte van de krachten in de kom-nokverbinding.Op basis van de proefresultaten worden de defini-tieve berekeningen gemaakt.T e s t e n b e t o n n e n s e g m e n t e nBuiten de reeds genoemde proeven met betrekkingtot de toetsing van de kom-nokverbindingen wor-den conform bestekseisen proevenseries uitge-voerd met betrekking tot de volgende aspecten:? ringvoegproeven voor het aantonen van de door-gifte van de vijzelkracht via hardboardplaten;? langsvoegproeven om de breukcapaciteit en hetrotatiestijfheidsgedrag te bepalen;? afspatproeven in relatie tot de plaatsing van deafdichtingsprofielen.Via deze beproevingen wordt zowel de geometrieals de wapening van de segmenten getoetst.B r a n d w e r e n d h e i dWaar de tunnel geheel in het Pleistocene zand ligt, isde krachtswerking dermate robuust dat geen addi-tionele maatregelen in de vorm van brandwerendebekleding nodig zijn. Bij ligging ter hoogte van deHolocene kleilagen hebben de boortunnels echtereen gevoelige krachtswerking. Op basis van dezeconstatering en de gevolgen van een brand, is voor-zien in het aanbrengen van een brandwerende bekle-ding daar waar de tunnel niet geheel in het Pleis-tocene zand is gelegen. Uit onderzoek van TNO isgebleken dat het maximale vermogen van de brand,afhankelijk van de ventilatie voor een 30 m langRandstadRailvoertuig, 20 tot 40 MW is. Dit vermo-gen is aanzienlijk lager dan het vermogen dat voorverkeerstunnels wordt gehanteerd (200 - 300 MW).D w a r s v e r b i n d i n g e nVoor de bepaling van de uitvoeringsmethode van dedwarsverbindingen is een aantal alternatievenonderzocht:? vriezen vanuit de hoofdbuizen;? vriezen vanuit een prefab hulpschacht;? conventionele bouwput rondom beide hoofdbui-zen.Gezien de beperkte afstand tussen de buizen en debeperkt beschikbare ruimte op het maaiveld isgekozen voor het vriezen vanuit de beide hoofdbui-zen. Gezien de volledige ligging van de dwarsver-5 |Dwarsdoorsnede dwars-verbinding4 |Kom-nokverbindingzoals voorzien in bestek175175R=3250R=2900kom/ nokkaubit strokenvijzelpuntspuitbetonin-situ betonstalen segmentbetonnen segmentenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelcement 2005 134bindingen in het Pleistocene zand is de vriesme-thode ook goed toepasbaar.De vijf dwarsverbindingen, op een hart-op-hart af-stand van circa 350 m, worden uitgevoerd als dub-belschalige buizen met een buitenschaal van spuit-beton en een binnenschaal van ter plaatse gestortbeton (fig. 5).Om de invloed van de realisatie van de dwarsver-binding op de hoofdbuizen te bepalen is in de voor-bereiding een 3D-model gemaakt (fig. 6). Voor debelastingen vanuit het vriesproces zijn daarbij tweesituaties te onderkennen. Ten eerste een druk op dehoofdbuis tengevolge van het zich (mede) in langs-richting ontwikkelende ringvormige vrieslichaam;ten tweede een opgelegde vervorming tengevolgevan het instandhouden van het vrieslichaam ondereen hogere temperatuur dan waarbij deze is gefor-meerd. Het eerste aspect blijkt in zand marginalebelastingen op te leveren. Het tweede aspect (opge-legde vervormingen) geeft vervormingen van dehoofdbuizen van elk circa 5 mm.De resultaten van de berekeningen hebben ertoegeleid dat ter plaatse van de dwarsverbinding eenversteviging van de hoofdbuis noodzakelijk is. Dezeis aangebracht in de vorm van het toepassen vaneen aantal stalen segmenten, alsmede over eenlengte van circa 10 m ter weerszijden van de dwars-verbinding een permanente koppeling van de rin-gen van de hoofdbuis. Zogenoemde betonnen vul-segmenten worden later verwijderd om de openin-gen naar de dwarsverbinding te cre?ren.C o n c l u s i eHet grootste gedeelte van de boortunnels ligt in dePleistocene zandlagen. Het ontwerp van de boor-tunnels is echter voor een groot deel bepaald doorde ligging van de tunnel in de Holocene klei. Hetverticaal alignement met op sommige locaties eenhoge ligging van de boortunnel is binnen de rand-voorwaarde van het ontwerp haalbaar, maar steltwel de nodige eisen aan het lining ontwerp. 6 |Vervormde constructie ineindsituatie