C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 1 35Tijden het schildboren van detunnels treden spanningsverande-ringen en deformaties op in deondergrond. De mate van zoweldeformaties als spanningsveran-deringen hangt van een aantalaspecten af, onder meer de matevan beheersing van het boorpro-ces, de diepteligging, de grond-soort waarin wordt geboord, deaanwezigheid van eventuele dis-continu?teiten en/of objecten inde ondergrond. Om te kunnenontwerpen is de passage van deboortunnel met de omgevinggetoetst met een eenvoudig mo-del (fig. 1), waarbij de invloed vanhet boorproces richting de omge-ving is aangegeven. Rondom deboortunnel, eigenlijk het boor-schild, zijn verschillende zonesgedefinieerd. Aan de hand van deobjecten die zich binnen deinvloedszones bevinden, is eentechnische overweging gemaaktin hoeverre maatregelen noodza-kelijk zijn om negatieve effectente voorkomen.Bij het voornoemde model iszowel de invloed van zettendegrondlagen boven de tunnel alsde invloed van mogelijke span-ningsveranderingen rond de tun-nel weergegeven. Bij het ontwerpis ervan uitgegaan dat indien eenfundering zich in zone 3 bevindtgeen of zeer beperkte invloed vanhet boren aanwezig is op dezefundering. De constructieve inte-griteit van de constructie bovenop de fundering is dan verzekerd.K e n m e r k e n d e l o c a t i e sVanaf de startschacht tot aan deontvangstschacht zijn enkele ken-merkende locaties ge?nventari-seerd.Sint Franciscus DriehoekVanwege de hoge ligging van deboortunnels ter hoogte van deHolocene klei zijn aanvullendemaatregelen in de vorm vangrondverbeteringen nodig, voorzowel de sterkte van de tunnelli-ning als de stabiliteit van het boor-front. Aansluitend op de start-Invloed boortunnels opde omgevingir. D.C. van Zanten, ir. M. de Vries, ir. H.M.A. Pachen en ir. M. van deBosch, Projectbureau RandstadRail RotterdamDe tunnels worden voor een groot deel door het stedelijke gebied vanRotterdam geboord. Daarom is noodzakelijkerwijs nadruk gelegd op de invloedvan het tunnelboren op de omgeving. Dit gaat normaalgesproken gepaard metzeer beperkte hinder. De boortechniek is derhalve uitermate geschikt om te bou-wen in een stedelijke omgeving. Om het tunnelboren mogelijk te maken zijndesalniettemin in sommige gevallen maatregelen nodig, die de positieve kantvan het tunnelboren (beperkte hinder) doen verminderen.1 |Be?nvloeding omgevingt.g.v. boorproces? gebied 1&2: objectbevindt zich in zet-tingstrog? gebied 3: objectbevindt zich in `veilig'gebied? gebied 4: in deze zonekunnen mogelijk span-ningsveranderingenoptredenb.s.1.2.3.2.3.4.maaiveld60?45?0.5 . DS o o r t e n m a a t r e g e l e nIn het project is onderscheid gemaakt in:mitigerende maatregelen: maatregelen die nodig zijn omhinder richting de omgeving te beper-ken;aanvullende maatregelen: maatregelen die nodig zijn omaanleg mogelijk te maken of desterkte van de tunnel te garanderen.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 136schacht/dichtblok is gekozenvoor de uitwisseling van Holo-cene lagen voor zand (`zandbak').Binnen een door ankers veran-kerde damwandkuip worden deaanwezige grondlagen vervangendoor zand. Hierna wordt hetzand verdicht, waarbij ondermeer de pakking van het zandgecontroleerd wordt met sonde-ringen (eindcontrole, na trekkendamwanden: qcverlopend van10 tot 14 MPa). Nabij de Goudselijn wordt de grond verbeterd metde mixed-in-place methode.Hierbij wordt grond gemengdmet cement. Deze grondverbete-ring moet een minimale onge-draineerde schuifsterkte hebbenvan 150 kPa na 28 dagen. Dezandbak is niet toegepast tot aande Goudse lijn, omdat het ver-dichten van het zand een moge-lijke inleiding kan geven voor hetverweken van het zand van dezelijn. Anderzijds is de mixed-in-place methode niet tot aan destartschacht doorgezet, omdat deduurzaamheid van deze methodein het Hollandveen zeer onzekeris. De duurzaamheid in de klei isonderzocht in het laboratoriumen als voldoende beoordeeld.Goudse lijnDeze spoorlijn kenmerkt zichdoor een zeer losgepakte antropo-gene zandlaag. Vanwege dezelosse pakking is de baan zettings-en verwekingsgevoelig. In figuur2 is de grondopbouw en een son-dering weergegeven. De sonde-ring geeft inzicht in de conus-weerstand van de lagen. Hiernaastis de conusweerstand gebruikt omde relatieve dichtheid te bepalen(op basis van de methode vanLunne & Christofferson).Normaliter wordt bij projecten inde Rotterdamse haven zand alsgevoelig voor verwekingbeschouwd bij:? relatieve dichtheid < 0,55;? laagdikte > 5 m;? aanwezigheid van een inleidendmechanisme.Voor de passage van boortunnelsonder de Goudse lijn wordt aanalle drie eisen voldaan, aangezienvervormingen en trillingen tengevolge van het boorproces hetinleidend mechanisme voor ver-weking kunnen zijn.Voor een passage van de boortun-nel met een aanvaardbaar laagrisico zijn maatregelen nodig.Hierbij zijn drie ontwerpalterna-tieven overwogen:1. Tijdelijke hulpbrugHet toepassen van een stalen hulp-brug onder de Goudse lijn, waar-2 |Grondopbouw Goudselijn0 20 40 60 80 100dieptet.o.v.NAP(m)conusweerstand (MPa)relatieve dichtheid (%)123451 antropogeen zand2 Holland veen3 Gorkum klei4 Pleistoceen zand5 Kedichemtunnel10 5 10-10 m-20 m-30 m-40 mb.s.= -21,018N.A.P.b.s.= -21,211m.v-0,964bovenzijde Pleistocene zand ca. -18,0 mca. -20,0 mmixed in place grondverbetering en bovenbelasting met zandgellaag type Igellaag type 2 | 3 m dik 0,5 m boven de tunnelgrondophoging150005005003 |Aanbrengen van gel-injecties onder deGoudse lijnC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 1 37door de effecten van tunnelborenen de daarmee gepaard gaandebewegingen en wateroverspannin-gen in de ondergrond geen invloedkunnen hebben op de NS-sporen.De kans van optreden van grotezettingen of instabiliteit wordt doordit alternatief niet kleiner maar degevolgen worden sterk beperkt.2. Verdichting zandpakketGoudse lijnDoor het antropogene zand te ver-dichten wordt de verwekingsgevoe-ligheid van het antropogene zandge?limineerd. Zettingen ten gevol-ge van het boorproces zullen danbeter beheersbaar zijn. Het ver-dichten van zand gebeurt normali-ter dynamisch. Dit zou echter voorde Goudse lijn grote invloed op hetspoorbedrijf hebben. Daarom iseen statische verdichting met com-paction grouting onderzocht. Aanweerszijden van de Goudse lijnzou op deze wijze het antropogenezand worden verdicht. De werkingvan het principe is getest met eenlaboratoriumproef. Uit de resulta-ten van deze proef bleek de metho-de onvoldoende effectief.3. Grondverbeteringen enbemalingEen derde alternatief voor de krui-sing is de toepassing van grond-verbeteringen buiten de baan incombinatie met zandophogingenten noorden van de Goudse lijn.Nabij de kruising zijn ten noor-den van deze lijn de korrelspan-ningen lager dan ten zuidenervan. Door het aanbrengen vaneen steunberm wordt de lijnzowel aan de noord- als aan dezuidkant gelijkmatig ondersteund.Het verhoogt tevens de effectievespanningen in de ondergrondwaardoor de stabiliteit van debaan wordt verhoogd. Voor hetboorproces zijn ten noorden enten zuiden eveneens de nodigegrondverbeteringen nodig.Hiervoor wordt onder meer demixed-in-place methode toegepast.Deze grondverbetering geeft hetbaanlichaam van de Goudse lijneveneens de nodige horizontalesteun.Additioneel op de voorgaandemaatregelen wordt tijdens beidepassages van de TBM een bema-ling van het grondwater toegepastmet circa NAP -1,7 m tot -4,5 m.Hierdoor worden de effectievespanningen in het antropogenezandpakket onder de sporen ver-hoogd en daardoor de kans op ver-weking sterk gereduceerd.Als extra maatregel worden bo-deminjecties toegepast, waarbijmet een softgel (k = 1?10-7m/s)lokaal de verwerkingsgevoeligezandlaag wordt gestabiliseerd (gel-type 1, fig. 3). Deze maatregel ver-mindert de negatieve invloed vanwateroverspanningen bij het tun-nelboren alsmede trillingen tengevolge van het tunnelboren.Na afweging van de mogelijkhe-den is voor dit alternatief gekozen.D u i k e rTer plekke van de kruising van deboortunnels met de Goudse lijnbevindt zich een duiker. Deze dui-ker dient voor de afwatering vanhet nabijgelegen Schieplein en isgefundeerd op houten palen. Dezehouten palen staan in het boortra-c?. De palen zouden bij voorkeurworden getrokken. Het trekkenvan de houten palen is evenwelgezien de grote invloed op hetspoorbedrijf geen re?le optie. Dehouten palen hebben echter van-uit sterkte-overwegingen eennegatieve invloed op de boortun-nels. De lasten vanuit de palenworden dan namelijk als puntlas-ten op de boortunnel aangebracht.Dit is niet wenselijk, omdat ditleidt tot piekspanningen in detunnelwand. Om deze lastafdrachtte minimaliseren is voorzien debovenbouw van de duiker in eenbuitendienststelling tot op paal-puntniveau te slopen. Op deze4 |Passage boortunnels metSchiepleinb.s.= -24,897hoofdasasspoor2-19,000Schiepleintramviaductpijler 10 pijler 9ankers lang 13,5 mankers lang 23,5 mb.s.= -25,233-22,000+10,000asspoor1N.A.P.Pleistocene zand420x420450x450astunnelastunnel+1,950spronglijndrsn.a-a6650 66501288210082 11101139014265 43562800 3700 2950 2950 3700 2800C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 138paalkoppen worden vervolgenszogenoemde kleipotten geplaatst.Deze kleipotten hebben tot doellasten op de paalkoppen zoveelmogelijk te beperken. Tussen dehouten palen wordt een gel aange-bracht (druksterkte van 2 N/mm2),die de houten palen laterale stabi-liteit dient te geven bij de passagevan de TBM.Passage SchiepleinDe funderingspalen van twee pij-lers liggen binnen de invloedszo-ne van de boortunnel (fig 4); depaalpunten liggen echter in deniet-kritieke zone (3). Derhalveworden geen mitigerende maatre-gelen getroffen. Aangezien ??npijler erg gevoelig is voor span-ningsveranderingen, zal tijdens deuitvoering intensief worden gemo-nitoord, zodat tijdig correctievemaatregelen kunnen wordengetroffen.Passage hoek Statenweg/GordelwegDe fundering van de hoekpandenligt binnen de invloedszone. Depaalpunten liggen echter in deniet-kritieke zone (3). Er zijn der-halve geen mitigerende maatrege-len noodzakelijk.Van der MeydeplantsoenTer hoogte van het Van derMeydeplantsoen bevinden zichfunderingsresten van een voor-malig Stoomgemaal. De houtenfunderingspalen moeten wordenverwijderd, omdat ze in hetboortrac? staan. Binnen eenbouwkuip worden de palen ver-wijderd. Om een opwaartsestroom van water uit het eerstewatervoerende pakket te voorko-men tijdens het trekken, is gedu-rende de werkzaamheden eenspanningsbemaling actief.Passage Statentunnel en SSH-gebouwLangs het SSH-gebouw zijn miti-gerende maatregelen nodig. Deafstand tussen de boortunnel ende fundering is te gering (circa3 m). Tussen de boortunnels ende bebouwing wordt daarom eenstijve constructie gerealiseerd,bestaande uit Tubex-palen, dieafscherming van de funderingmoet bieden voor spanningsveran-dering en/of deformaties tengevolge van het boren. Bij de Sta-tentunnel komt de boortunnel zodicht bij de palen daarvan, dat deTBM er bijna doorheen moetboren. Aangezien deze palenbelast zijn, is dit niet gewenst.Daarom wordt een deel van deonderheide tunnelinrit gesloopt.De overige funderingselementenzullen met Tubex-palen wordenbeschermd tegen de invloedenvan het boorproces. Deze palendienen tevens als funderingsher-stel van de inritconstructie.NS-emplacementHet spooremplacement bestaat toteen diepte van circa NAP -10 mvoornamelijk uit zandig materiaal.Met een spoorniveau van circaNAP +3 m betekent dit een rede-lijk draagkrachtig bodempakketter dikte van 13 m, dat in de loopder tijd is aangebracht. In 1870 isbegonnen met het inrijden vangrote hoeveelheden duinzand. Hetzand werd destijds per schip dooreen speciaal gegraven kanaal van-uit de Schie aangevoerd. Verder isbekend dat in de jaren `50 van detwintigste eeuw het spoor nog-maals een grote ophoging heeftondergaan.De bovenzijde van het Pleistocenezand is ter plaatse van het spoor-emplacement erg grillig. Vanwegedit grillige verloop en de aanslui-ting van het tunneltrac? op hethuidige metronet, ligt de boortun-nel aan de zuidzijde van het NS-emplacement ter hoogte van de6 |Boorfrontstabiliteit5 |Toepassen van de jet-grouttechniekGert-Jan van EckPHZI 15/6/95N.A.P.m.v.b.s.= -15,245Antropogeen zandPleistoceen zand2,50 3,40 2,506,503,10HoloceenNS-emplacementbetonnen lininggrondverbetering aan te brengenvanuit ConradstraatConradstraat t.p.v. Albeda Collegeindicatief Pleistoceen zand2,503503002502001501005000,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0spanningen(kPa)kilometrering (km)NS-emplacement stationBlijdorpNoorderkanaalminimale steundrukmaximale steundrukC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 1 39Holocene klei. Om intensievegrondverbeteringswerken tebeperken is gekozen voor een sta-len lining. Lokaal moet voor dewestelijk gelegen tunnelbuisonder het NS-emplacement degrond toch nog worden verbeterdom aan de onderzijde van de tun-nel voldoende bedding te verkrij-gen. Gekozen is hier voor de tech-niek van het jetgrouten (fig 5).Daarmee is het mogelijk om van-uit zogenoemde luwtezonesschuin onder het NS-emplace-ment de grond te verbeteren.Direct ten zuiden van het NS-emplacement, aansluitend op deontvangstschacht in deConradstraat, ligt de boortunneleveneens ter hoogte van de Gor-kumklei. Hier wordt de grond ver-beterd met jetgroutkolommen(circa 14 000 m3grond). De mini-male druksterkte van de jetgrout-kolommen moet 2 N/mm2bedra-gen.B o o r f r o n t s t a b i l i t e i tIn verschillende boorprojecten inNederland zijn instabiliteiten aanhet boorfront opgetreden. Dezekunnen bij dit project, vanwegehet stedelijke karakter grote gevol-gen hebben.Voor een goed boorproces moetde marge tussen de minimaalbenodigde en de maximaal toe-laatbare steundruk voldoendegroot zijn. De beheersing van dedrukfluctuaties in de TBM is danook een van de belangrijkstebeheerscomponenten van hetboorproces. Bij de toetsing van hetverticaal alignement is de moge-lijkheid een zogenoemde `HalbAbsenkung' te kunnen toepassennaast de sterkte van de tunnelli-ning ??n van de belangrijksteaspecten geweest.Voor de bepaling van de maximalesteundruk heeft toetsing aan hettotale gewicht van de boven deTBM aanwezige lagen plaatsge-had. Voor de bepaling van deminimale steundruk moet naastde waterdruk de horizontale kor-reldruk worden overwonnen. Voorde bepaling van deze korreldrukop het graaffront is een driedi-mensionaal grondwigmodelgebruikt, waarin het evenwichtvan de grondmoot voor het boor-front langs een verondersteldrecht glijvlak wordt beschouwd.Voor kenmerkende en maatgeven-de doorsneden is aan de boor-frontdrukken gerekend. In figuur6 is een overzicht gegeven van deberekende drukken langs hettrac?.Naast het bovengenoemde modelzijn ook berekeningen gemaakt,waarbij de invloed van waterover-spanningen ter hoogte van hetboorfront is bepaald. Tijdens hetontgraven wordt de filtercake diezich aan het graaffront heeft ont-wikkeld voortdurend afgegravendoor de TBM. Daardoor is tijdensontgraven nauwelijks filtercakeaanwezig en heeft continu infiltra-tie van bentoniet uit de werkkamervan de TBM in het massief ervoorplaats. Deze berekeningen zijn uit-gevoerd voor enkele belangrijkelocaties, te weten de kruising metde beide spoorlijnen alsmede debinnenkomst van Station Blijdorpen het Noorderkanaal. Bij ditmodel zijn lagere veiligheidsfacto-ren gehanteerd dan bij het eenvou-dige model (tabel 1), vanwege dehogere modelnauwkeurigheid.Beide modellen gaven aan dat ervoldoende marge tussen de mini-male en maximale steundruk aan-wezig is. Uit de berekeningenwaarin de wateroverspanningenmeegenomen zijn, kwam naarvoren dat de wateroverspanningsterk afhankelijk is van de voort-gangssnelheid.Z e t t i n g e nVoor de berekeningen van de zet-tingen is in het ontwerp in eersteinstantie gebruik gemaakt van deformule van Peck (1969).waarin:s;x: zetting op afstand x uithart tunnel;max: maximale zetting;V : volume zettingstrog;i : horizontale afstand tus-sen hart tunnelbuis enbuigpunt zettingskrom-me = 0,4?z;x : horizontale afstand vanafhart tunnel;z : diepteligging hart tunnel.De parameter V (volumeverlies) iseen maat voor de boorprestatie. Inde berekeningen is het volumever-lies gevarieerd tussen 0,5% en1%, overeenkomend met een goe-de (0,5%) en redelijke boorpresta-tie (1%). Op basis van voornoem-de gegevens zijn zettingen pertunnelbuis berekend tussen 10 en25 mm. Zettingsberekeningenmet de formule van Peck zijn een-voudig en uitermate geschikt vooreen eerste inschatting van de ordevan grootte. Om de invloed vanhet boorproces nader te beschou-wen is getracht het boorproces tesimuleren in de eindige-elemen-tenmethode. Doel hiervan was devariatie in de zetting ten gevolgevan instellingen in het boorproceste bepalen. Voor de kruising methet NS-emplacement zijn daaromberekeningen gemaakt met hetprogramma PLAXIS 3D TUNNEL(fig. 7). Hierbij zijn berekeningenuitgevoerd voor een boortunneldie 135? en ??n die 230? is inge-bed in het Pleistocene zand.Boven het Pleistocene zand is demaxVi 2 =s x; max e-x22 i2=( )Tabel 1 | Toegepaste veiligheidsfactoren in relatie tot boorfrontstabiliteitmodel met model zonderwateroverspanningen wateroverspanningenminimale steundruk (korreldruk) 1,3 1,5minimale steundruk (waterdruk) 1,025 1,05maximale steundruk 1,1 1,1C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2005 140Holocene Gorkumklei gemodel-leerd alsmede het Hollandveen ende antropogene zandlaag. In deberekeningen zijn de boorfront-drukken gemodelleerd, de conici-teit van het schild alsmede hetgroutproces.De zettingsberekeningen zijn uit-gevoerd voor zowel de toepassingvan hoge als lage groutdrukkenalsmede gedraineerde en onge-draineerde eigenschappen voor deHolocene lagen. Opmerkelijk uitdeze berekeningen is dat deinvloed van het groutproces almerkbaar is aan het boorfront.Het leggen van relaties tussen dezetting aan het boorfront en degrootte van de boordruk heeft danook beperkte waarde, aangeziende kwaliteit van de groutinjectiedeze relatie zeer kan verstoren.Voor een inbedding van de boor-tunnel met 135? in hetPleistocene zand zijn de bereken-de dwarstroggen in figuur 7 weer-gegeven. In deze figuur zijntevens twee dwarstroggen opbasis van de formule van Peckweergegeven. Het wordt duidelijkdat de EEM-berekeningen meerzettingen geven dan verwacht opbasis van de formule van Peck.Voor de boortunnel met eeninbedding van 230? in hetPleistocene zand werden met deeindige-elementenmethode aan-merkelijk kleinere zettingen bere-kend (5 - 15 mm). Deze bereken-de zettingen kwamen redelijkovereen met de formule van Peck.Toetsing aan de eisen van ProRailDoor ProRail zijn strikte eisengesteld aan de ligging van hetspoor, te weten scheluwte, ver-kanting, waterpasse ligging,schift (zijdelingse verschuiving)en spoorwijdte. De passage vanhet NS-emplacement van tweeschildboringen met een diametervan de TBM van circa 6,8 m uit-wendige diameter, moet dan ookzorgvuldig worden uitgevoerd enuitgebreid worden gemonitoord,om ontoelaatbare spoordeforma-ties te voorkomen. De verwachtezettingen tijdens het boorproceszijn getoetst aan de ligging vande sporen en de wissels. Tweeverschillende zettingstroggen(max. zetting van 15 en 45 mm)zijn geprojecteerd over het hori-zontaal alignement van de tun-nels ter plaatse van het NS-emplacement. Met de maximaalte verwachten deformaties wor-den de veiligheidswaarden voorde sporen volgens toetsing ner-gens overschreden. Ook watbetreft de bovenleiding wordenmet de te verwachten deformatiesnergens de geldende veiligheids-normen overschreden.C o n c l u s i e sHet aanleggen van een boortunnelkan normaliter geschieden metbeperkte hinder. Het gebruik vande boortechniek is dan ook eenaantrekkelijk perspectief voor hetbouwen in een stedelijke omge-ving. Essentieel daarbij is eengoede beheersing van het boor-proces in relatie tot het ondersteu-nen van het boorfront alsmede debeheersing van zettingen en span-ningsveranderingen in de onder-grond. Echter de in het stedelijkgebied aanwezige objecten kun-nen aanleiding zijn voor aanvul-lende en mitigerende maatrege-len. Deze maatregelen beperkende positieve kant (beperkte hin-der) van het tunnelboren. 7 |Berekening zetting inPLAXIS 3D TUNNEL10-1-2-3-4-5-6maaivelddeformatie(cm)afstand van hart tunnel (m)gedraineerd en hoge groutdrukgedraineerd en lage groutdrukongedraineerd en hoge groutdrukongedraineerd en lage groutdrukpeck (V=1%, i=0,4?z)peck (V=3%, i=0,4?z)0 10 20 30 40 50