C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 6 41voorgespannen stempelsconstructieve wandstempelontgraving onderverhoogde luchtdrukjetgrout stempel(NAP -32m)diepe vloerdakdiepwand0afstand uit midden bouwput (m)diepwandverticaleverplaatsing(mm)151050-5-10-15-2010 20 30 40 50 60 70 80verwachtingondergrensB o u w p u t o n t w e r pDe diepe stations, Rokin, Vijzel-gracht en Ceintuurbaan, wordengebouwd met de wanden-dakme-thode. De wanden bestaan uitzwaar gewapende 1,2 m dikkediepwanden. Tijdens de ontgra-ving tot circa NAP ?30 m wordt debouwkuip ondersteund met stalenstempels op een hart-op-hartafstand van 5 m in zowel horizon-tale als verticale richting. Deze tij-delijke stempels worden voorge-spannen om de elastischevervorming bij belasting te com-penseren. Daarnaast wordt in eenvroegtijdig stadium de vervormingvan diepe grondlagen geminimali-seerd door een groutstempel. Hethart van dit stempel bevindt zichin de Eemklei op circa NAP ?32 m.Het ontwerp van de bouwput isschematisch weergegeven infiguur 1 en is uitgebreid beschre-ven in het themanummer `Noord/Zuidlijn' van Cement in 2004 [1].Eindige-elementenmethode (EEM)analyses, uitgevoerd met Plaxis,tonen aan dat op deze wijze dezetting van de eerste zandlaagbeperkt blijft tot circa 20 mm.Figuur 2 toont de zettingstrog, dezettingen als functie van deafstand tot de diepwand. Aan dehand van de zettingstrog zijn dehoekverdraaingen van de belen-dingen berekend en de effectenhiervan op de gebouwen geanaly-seerd. Uiteindelijk zijn zettingscri-teria vastgesteld die per fase vande uitvoering nauwkeurig wordenbewaakt.Tijdens de gehele bouw wordt devervorming van alle belendingencontinu gemonitord met eenonline monitoringssysteem. Elkpand langs het trac? is voorzienvan prisma's waarvan de positieselk uur met laserstralen wordeningemeten door een Robotic TotalStation. Verder zijn alle bekenderisico's benoemd en zijn maatre-gelen omschreven voor als dezeoptreden. Alle stalen stempelskunnen bijvoorbeeld (extra ofminder) worden voorgespannenen de mogelijkheid van extrastempellagen is nadrukkelijk aan-wezig in het ontwerp.G r o u t s t e m p e lDe stijfheid van een groutstempelkent, zeker in tegenstelling tot eenstalen buisstempel, een grootaantal onzekerheden. In de eersteplaats zijn de materiaaleigen-schappen zoals de elasticiteitsmo-dulus en kruip van het grout,afhankelijk van de grond waarinhet stempel wordt gerealiseerd envan de hoeveelheid cement diewordt ge?njecteerd. Ook de ouder-dom van het groutstempel bijontgraving ligt niet exact vast,waardoor de kruip van het grout-stempel, die afneemt bij toene-mende ouderdom, onzekerderwordt. Naast de materiaaleigen-schappen zijn de uitvoeringstole-ranties in de diepte en afwijkin-gen in het horizontale vlak nietOmgaan met onzekerheden in de materiaaleigenschappen en uitvoeringstolerantiesGroutstempel indiepe bouwputdr. ir. T.A.M. Salet, ir. S. Delfgaauw en ir. G.S. Bhageloe, AdviesbureauNoord/Zuidlijn / Witteveen+BosBij de in aanbouw zijnde Noord/Zuidlijn in Amsterdam worden stationsgerealiseerd in de binnenstad tot op een diepte van 26 m onder maaiveld. Hetontwerp van deze bouwputten is in sterke mate bepaald door de naastgele-gen historische belendingen. Dit betekent dat veel aandacht is besteed aanhet beperken van vervormingen, met name ter hoogte van de eerste zandlaagop NAP -12 m waarop de meeste oude gebouwen zijn gefundeerd. De ont-werpberekeningen tonen aan dat zettingen effectief kunnen worden beperktmet een diep gelegen stempel dat moet worden aangebracht voor aanvangvan de ontgraving. Gekozen is voor een groutstempel. De onzekerheden inzowel de materiaaleigenschappen van grout als de uitvoeringstolerantiesvragen extra aandacht in de ontwerpfase. In dit artikel wordt de aanpakbeschreven die is gevolgd om te komen tot een robuust ontwerp van hetgroutstempel.1 |Schematische weergavevan de bouwput2 |ZettingstrogC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunn elbou w42 cement 2007 6praktijkontwerpontwerp praktijkmet zekerheid te stellen op indivi-dueel kolomniveau. Toch zijn dezetoleranties van wezenlijk belangvoor het functioneren van hetstempel dat nu eenmaal bestaatuit een verzameling individuelekolommen.Ver voor de start van de uitvoeringis besloten deze onzekerheden tereduceren door het uitvoeren vaneen praktijkproef. Deze proef isuitgevoerd in 1999 in het trac?van de Noord/Zuidlijn op hetterrein van de Sixhaven inAmsterdam-Noord. De proeftoonde aan dat het mogelijk wasom met hoge-drukinjecties (HDI)groutkolommen aan te leggen inde Eemklei met een te garanderendiameter van 1,10 m, een druk-sterkte van meer dan 5,5 MPa eneen stijfheid van 1800 MPa.Deze gegevens hebben geleid toteen stempelraam dat bestond uitelkaar overlappende groutkolom-men ?1,10 m in een patroon vangordingen en stempels (fig. 3). Detoepassing van overlap tussenkolommen is noodzakelijk om eengoede krachtsoverdracht in hetstempel te kunnen garanderen.De overlap mag echter niet tegroot zijn, omdat hiermee de kansop een misboring (een boring opde plaats van een eerder gemaaktegroutkolom) wordt vergroot.De aanleg van het groutstempelwas in het bestek voorzien vanafeen niveau van NAP ?12 m, onderhet dak van het station. Deze uit-voeringsmethode was om eenaantal redenen voorgeschreven:? beperking van omgevingshin-der;? vermijden van storingen doorde aanwezigheid van onder-grondse obstakels;? aanwezigheid natuurlijke zand-laag als werkvloer.Na de aanbesteding van het werkwerd echter duidelijk dat deaanleg van het groutstempelonderdaks aanzienlijke tijdrisico'smet zich meebracht, doordatgesegmenteerd naar diepte moestworden geboord temidden vanstalen stempels en gordingen.Verder bleek door de snelle ont-wikkelingen in de techniek deaanleg van groutkolommen?2,6 m in Eemklei mogelijk tezijn, waardoor het ontwerp konworden geoptimaliseerd en de uit-voeringstijd aanzienlijk bekort.Een aanleg vanaf maaiveld heeftook een positief effect op debeheersing van zettingen. In 2004is dan ook besloten het grout-stempel vanaf maaiveld uit tevoeren (fig. 4).De veranderingen in het aanlegni-veau hebben de ontwerper vooreen groot dilemma gesteld. Eengroot deel van de diepwanden wasop dat moment immers al gereali-seerd. In het ontwerp van de diep-wanden is uitgegaan van eenonderdakse aanleg van het grout-stempel. Aanleg vanaf maaiveldbetekent dat het stempel ook in deeerste 12 m van de ontgravingwordt belast en daardoor ook eengrotere kracht afgeeft aan de diep-wanden, die hierop niet berekendzijn. Uit EEM-analyses bleek datde minimale stijfheid van hetgroutstempel, nodig voor hetbeheersen van de vervormingen,slechts iets kleiner was dan demaximale stijfheid met het oog opde momenten in de diepwand.Een uitdaging, zeker gelet op dereeds genoemde onzekerhedenverbonden aan een groutstempel.Hierop is besloten het ontwerpvan het groutstempel volledig teherzien. De nieuwe aanpak kenttwee fases.De eerste fase bestaat uit het ont-werpen van een stempel op basisvan de mogelijke eigenschappenen toleranties van individuelekolommen. Er is voor gekozen deonzekerheden onderdeel te makenvan een probabilistische ontwerp-aanpak. Tegelijk zijn de verant-woordelijkheden met de aanne-mer herzien. De aannemer isverantwoordelijk voor de individu-ele kolommen. Er zijn afsprakengemaakt over de grenzen waarbin-nen de diameter en tolerantieszich moeten bevinden. Daarnaastis afgesproken dat de aannemer550 kg cement per m3moet reali-seren in het gerede product. Deopdrachtgever neemt de verant-woordelijkheid voor het ontwerpvan het stempel. Resultaat van hetontwerpproces is een schijf meteen raster waarop de kolommenmoeten worden aangelegd (fig. 5).Het resultaat van het ontwerp inde eerste fase is een schijfwaarvan de stijfheid met eenbepaalde zekerheid bekend is. Omte voorkomen dat de schijf te stijf3 |Oorspronkelijk stempel-ontwerp4 |Aanleg van het stempelvoor stationCeintuurbaan vanafmaaiveld5 |Ontwerp van het gridC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 6 43random generatoronderzoeksqueeze gedrag berekeningdeformaties met2D EEM (DIANA)bepalinggatco?rdinatenoptimale oplossingper basisinstellingoptimale oplossingkies (nieuwe)hoh-afstandtoets:vervormingjuistacceptabel5 basisconfiguraties:* huidig ontwerp (stempels)* driehoekspatroon (plaat)* vierkantspatroon (plaat)* rand dicht, midden grof* observational methodneejanieuwe basis-configuratierelatie belastingop groutstempelvs verplaatsinggroutstempel(PLAXIS)grout-eigenschappenboorinstellingenrelatie verplaatsinggroutstempel vsverplaatsing 1ezandlaag(PLAXIS)100 berekeningent.g.v. verplaatsingeerste zandlaagt.g.v. wapening diepwandstijfheid van het groutstempelbandbreedte voor ontwerpbuigendmomentindediepwandverticaleverplaatsingeerstezandlaagUmaxMmaxEmin Emaxwordt en daarmee de diepwand tezeer belast, is gekozen voor eengefaseerde aanleg van de groutko-lommen (fig. 6). Aan de aannemeris gevraagd de groutkolommen ineen bepaalde volgorde uit tevoeren en te beproeven. Op basisvan de waarnemingen is het defi-nitieve aantal kolommen uiteinde-lijk vastgesteld.P r o b a b i l i s t i s c h o n t w e r pIn de eerste plaats moet de hart-op?hart afstand tussen de kolom-men, en daarmee de mate vanoverlap tussen de groutkolom-men, worden bepaald. Deze isenerzijds afhankelijk van de plaat-singstolerantie op maaiveld, deverticaliteit van de boor en de dia-meter van de kolommen. Een zogroot mogelijke overlap is noodza-kelijk om te garanderen dat deindividuele kolommen elkaarraken en er geen gaten tussen dekolommen ontstaan. Anderzijds ishet van belang de kans op eenmisboring zo klein mogelijk temaken. Daarvoor is een minimaleoverlap noodzakelijk.De mate van overlap en daarmeede hoeveelheid gaten tussen dekolommen bepaalt de stijfheid vande jetgroutplaat. Het venster voorde stijfheid is echter beperkt. Dittezamen met onzekerheid over demateriaaleigenschappen (sterkte,stijfheid, krimp) op de langetermijn en uitvoeringstolerantiesmaakten een onconventioneelontwerp noodzakelijk. Gekozen isvoor een probabilistisch ontwerpin combinatie met de `observatio-nal method' in de uitvoering.O n t w e r p p r o c e sHet stroomschema in figuur 7geeft het ontwerpproces weer.De hart-op-hart afstand tussende groutkolommen is metbehulp van een Monte Carlo-analyse berekend in een spread-sheet. De diameter van degroutkolommen, de plaatsingsto-lerantie (maaiveldlocatie) en descheefstand van de boorstangzijn invoerparameters. Een sectiemet een lengte van een tiendedeel van het station wordtbeschouwd. Deze sectie wordtduizend maal doorgerekend,zodat in feite honderd maal hettotale station wordt berekend.Gaten tussen de groutkolommen,gegenereerd in de spreadsheet,zijn ingevoerd in een DIANA2D-plaatmodel. In het model zijndiepwanden in de langsrichtinggemodelleerd. Op deze diepwan-den werken een belasting (q) eneen ondersteuning (k). Vervolgenszijn de vervormingen van het6 |Beperkt stijfheidsvenster7 |Stroomschema bereke-ningenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunn elbou w44 cement 2007 6081624324048566472800.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.0190.0200.0210.0220.0230.0240.0250.0260.0270.0280.0290.0300.0310.032verplaatsing (m)aantal(-)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0cumulatief(-)gemiddeldegemiddelde04812162024283236400.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.0190.0200.0210.0220.0230.0240.0250.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0verplaatsing (m)aantal(-)cumulatief(-)groutstempel en de horizontaleverplaatsing van de diepwandengesimuleerd (fig. 8).De belasting op het groutstempel isbepaald met een 2D-Plaxismodel.De belasting is afhankelijk van deelasticiteitsmodulus van hetstempel. De relatie tussen de belas-ting in het groutstempel en dehorizontale verplaatsing van dediepwand is bepaald door de elasti-citeitsmodulus van het groutstem-pel in het Plaxismodel te vari?ren.Uit het Plaxismodel is tevens derelatie tussen de horizontale ver-plaatsing van de diepwand en deverticale verplaatsing van de eerstezandlaag, waarop de palen van debelendingen zijn gefundeerd,afgeleid. Met behulp van hetresultaat van de DIANA-analysewordt vervolgens de zetting van deeerste zandlaag bepaald. Er issprake van falen als op enigelocatie de verplaatsing van deeerste zandlaag groter dan 20 mmis. Voor de bijbehorende faalkanswordt 5% gehanteerd.Uit de praktijkproef bleek een elas-ticiteitsmodulus van de individuelegroutkolommen van 1500 MPahaalbaar. Hierbij werd aangetekenddat de contractueel vastgelegdewaarde van 2500 MPa mogelijk zouzijn indien meer cement zouworden gebruikt. De berekeningenzijn daarom uitgevoerd uitgaandevan beide waarden. De invloed vankruip op de stijfheid is echter nogniet meegenomen in deze waarde.In de berekeningen is daarom aan-genomen dat de algehele axialestijfheid circa 50% lager kan liggen.Uit het resultaat van de bereke-ningen blijkt dat een vollediggevuld groutstempel altijdvoldoet. Zowel bij een hoge alslage stijfheid van het grout blijktde kans op overschrijding van hetzakkingscriterium van de eerstezandlaag voldoende klein.Naar aanleiding van dit resultaatis besloten in het DIANA-modelgroutkolommen weg te laten, uit-gaande van een hoge stijfheid vande individuele kolommen. Aange-zien boogwerking belangrijkerwordt, zijn voor de maatgevendeconfiguraties enkele niet-lineaireberekeningen uitgevoerd. Figuur9 beschouwt een sectie bestaandeuit twee sparingen van elk vierkolommen. Het meest extremevervormingspatroon uit duizendberekeningen is weergegeven.Figuur 10 laat de zetting van deeerste zandlaag zien. Geconclu-deerd is dat bij deze configuratienog juist aan de eisen wordtvoldaan.8 |Maximale vervormingvan het groutstempelinclusief twee sparingen(Egrout= 1250 N/mm2)9 |Resultaat Monte Carlo-analyse: gemiddelde ver-plaatsingen diepwandt.p.v. groutstempel10 | Resultaat Monte Carlo-analyse: zettingen opde eerste zandlaagC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 6 45O b s e r v a t i o n a l m e t h o dDe stijfheid en kruip van het jet-grout blijven, ondanks de jetgrout-proef, de grote onbekenden in hetgeheel. In het ontwerp is hieropgeanticipeerd door de `observatio-nal method' hierin te integreren.Er is een ontwerp afgegeven metkleuren (fig 12).Groene kolommen moeten altijdworden gemaakt. Rode kolommenhoeven niet gemaakt te wordenindien uit proefname blijkt datindividuele groutkolommen (endaarmee het groutstempel) eenhogere stijfheid hebben dan ver-wacht. De blauwe kolommen zijnproefkolommen; deze worden alseerste gemaakt. Middels kernbo-ringen in deze kolommen zijnsterkte en stijfheidseigenschappenbepaald. De blauwe kolommenzijn altijd midden tussen de diep-wanden gekozen.De tijdens de uitvoering niet metgroutkolommen gevulde sparin-gen kunnen alsnog worden opge-vuld indien de kruip van het mate-riaal groter blijkt dan verwacht.Een groot aantal kruipproeven isinmiddels uitgevoerd. De resulta-ten worden momenteel geverifi-eerd met een grote schaalproef inhet laboratorium van de universi-teit van Leuven.U i t v o e r i n gIn de zomer van 2007 is de laatstehand gelegd aan de aanleg van hetgroutstempel. Hiermee is eeneinde gekomen aan een fasewaarin voor de drie stations intotaal circa 3600 groutkolommenzijn gemaakt, 37 000 ton cementis ge?njecteerd en 100 000 m3retourspoeling (spoil) is afgevoerd.T e n s l o t t eDe uitvoering van een jetgrout-stempel op grote diepte kent veleonzekerheden. Met een probabi-listische ontwerpmethodiek eneen flexibel ontwerp, dat kanworden aangepast op basis vanmetingen tijdens de uitvoering, isdeze onzekerheid uiteindelijkbeheersbaar geworden en wordtnaar verwachting zelfs een kosten-besparing bereikt. nL i t e r a t u u r1. Themanummer Cement 2004nr. 2, Noord/Zuidlijn: impassedoorbroken.12 | a) Bovenaanzichtbouwkuipb) Ontwerp van het jet-groutstempel. De temaken kolommen zijngroen (verplicht),blauw (proef) en oranje(afhankelijk van proef-opname).11 | De bouwkuipa. b.