O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 1 73M e e t r i n gOm de montagespanningen teonderzoeken is ??n tunnelringvan de Botlekspoortunnel voor-zien van rekopnemers: de zoge-noemde meetring. In alle seg-menten van de meetring,inclusief de sluitsteen, zijnrekopnemers ingestort (foto 1),in totaal 233. Met de verdelingvan de opnemers in een segmentzoals getoond in figuur 2 wordtinzicht verkregen in de rekver-deling per segment in zowelaxiale richting (langsrichting vande tunnel) als tangenti?le rich-ting (de omtreksrichting van eenring). De metingen zijn uitge-voerd in oktober 2000 tijdens deaanleg van de noordelijke tun-nelbuis. De meetring bevindtzich onder de oostoever van deOude Maas, ongeveer op hetdiepste gedeelte van de tunnel-buis.Omdat montagespanningen af-hankelijk zijn van de verschil-lende bouwstadia van eensegment en van een tunnelring, isKennis van het gedrag van eengeboorde gesegmenteerde tun-nel is essentieel voor het makenvan een optimaal tunnelontwerp.Reeds bij de eerste geboordetunnel in Nederland (de TweedeHeinenoordtunnel) is doormiddel van rekmetingen onder-zoek gedaan naar de krachtswer-king in enkele tunnelringen. Uitdeze metingen bleek dat de optre-dende spanningen veel groterzijn dan de beschikbare reken-modellen voorspellen. Geconclu-deerd werd dat de grotere opge-treden spanningen een gevolgzijn van het gehele bouwprocesvan de tunnel. De veronderstel-ling dat deze spanningsverhogin-gen vooral ontstonden tijdens deMontagespanningen in Botlekspoortunnel helder in beeldMet spanning monteren20050150i50150200i+11 | Rekopnemers bevestigdaan de wapeningskorvenvan de segmenten.ir. S.J. Lokhorst, Holland Railconsultir. N.M. Naaktgeboren, Bouwdienst RijkswaterstaatHet COB-deelonderzoek Montagespanningen (F340) heeft als doel inzicht tekrijgen in de effecten van de verschillende bouwfasen op de spanningsont-wikkeling in de segmenten van een tunnelring. Dit inzicht moet worden ver-kregen met metingen enerzijds en rekentechnieken anderzijds. Dit artikelbeschrijft naast enkele meetresultaten van het COB-onderzoek Montage-spanningen ook noodzakelijke voorwaarden waaraan rekenmodellen moetenvoldoen, opdat de invloed van de bouwfase op de krachtswerking goed inrekening wordt gebracht.montage van de segmenten tot??n ring hebben geleid tot eennieuw onderzoeksgebied `Mon-tagespanningen', waarover inCement regelmatig is gepubli-ceerd [o.a. 1,2]. Bij het Praktijk-onderzoek Botlekspoortunnelvan het Centrum OndergrondsBouwen (COB-F300) is het feno-meen Montagespanningen ??nvan de vier onderzoeksthema's.In het COB-onderzoek zijn mon-tagespanningen gedefinieerd als:`De spanningen in de tunnelli-ning die ontstaan vanaf hetmoment van inbouwen van debetonnen segmenten tot en metde verharding van het groutrondom de tunnellining.'O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 174begonnen met meten vanaf hetinstalleren van de segmenten vande meetring. Het resultaat van demetingen is een registratie vanhet rekverloop in elk segmentvanaf het optillen, vervolgenstijdens het plaatsen van hetsegment en van de vijzels, hetafbouwen van de ring en hetdaarna verlaten van de tunnel-boormachine (TBM) tot circa 25m achter de TBM (zie kaderteksten fig. 3). Bij de evaluatie van derekmetingen is ook gebruikge-maakt van groutdrukmetingen,verplaatsingsmetingen en de pro-cesgegevens van de TBM.E n k e l e r e s u l t a t e n v a nd e m e t i n g e nDe resultaten van de rekmetingengeven een scherp beeld van demontagespanningen in de meet-ring. Deze montagespanningenontstaan niet alleen tijdens hetopbouwen van de ring, maar ookin de periode dat de achter elkaarliggende ringen zich in het vloei-bare en verhardende grout bevin-den. De axiale en tangenti?lerekken in de meetring zijn directachter de TBM significant groterdan in de `eindsituatie' op circa 25m achter de TBM. In de figuren 4en 5 is het verloop van de axiale entangenti?le rekken weergegevenals functie van de afstand tussende meetring en de TBM. Hetnulpunt in de figuren is de situatiedat de meetring is opgebouwd,direct voor het hervatten van hetboorproces, en de vijzels zijn inge-trokken.De axiale rekken zijn maximaaltotdat de meetring zich voor dehelft buiten de TBM bevindt ennogdirectdoorvijzelswordtbelast(tot een afstand van 1,5 m). Dooraanbrengen van een nieuwe ringworden de axiale vijzelkrachtengelijkmatiger in de meetring inge-leid en nemen de rekken sterk af.De tangenti?le rekken zijn aan-vankelijk positief. De meetringbevindt zich dan nog geheel in deTBM en wordt niet in radiale zinbelast. Deze tangenti?le rekkenwordenveroorzaaktdoordeaxialebelastingen en door buiging vande segmenten als gevolg van eenongelijkmatige oplegging op devoorgaande ring. In deze fasetreden ook langsscheuren op. Detangenti?le rekken nemen af enwisselen van teken wanneer demeetring de TBM verlaat (overeen afstand van 0,75 tot 2,25 m):de ring wordt door de radialebelasting samengedrukt. Daarnanemen de rekken weer af.Wordt de afstand groter dan 10 mdan zijn de veranderingen in derekken klein. Opgemerkt wordtdat naarmate de meetring verderverwijderd is van de TBM, deaxiale rekken aan de bovenzijdevan de tunnel tot nul reduceren!M e t i n g e n v e r s u sb e r e k e n i n g e nIn eerste instantie is een evaluatiegemaakt op basis van alleen demeetresultaten. Later zijn ookberekeningen met een 2D- en een3D-model in de evaluatie betrok-ken. Het 2D-model is gebouwd inhet EEM-pakket DIANA en isdoor TNO Bouw voor dit onder-zoekontwikkeld.Het3D-modelishet bestaande model BorTAS vande projectorganisatie HSL-Zuid.BorTas is gebouwd in het EEM-pakket Ansys door Holland Rail-consult en CST. In beide model-len is het gefaseerde karakter vanhet boorproces expliciet meege-nomen, zoals het laten groeienvan het model door plaatsing vannieuwe ringen, de veranderingvan de bedding door de verhar-ding van het grout en de verande-ringen in axiale en radiale belas-ting. Bij de vergelijking van demetingen met de berekeningen iseen onderscheid gemaakt tussende ringwerking dicht bij de TBMen de liggerwerking van de tunnelover grotere afstand achter deTBM.R i n g w e r k i n gUit de meetresultaten blijkt dat ertijdens het opbouwen van de ringtussen de segmenten nog geenbelangrijke interactie is. De plaat-singvandesluitsteenishieropeenuitzondering. De sluitsteen wordtdoor ruimtegebrek enigszinsgeforceerd geplaatst. Van samen-werking tussen de segmenten vandemeetringispassprakewanneerde ring de TBM verlaat. Dat blijktuit de toename van de negatievetangenti?lerekkenindemeetring.Voor deze samenwerking, dieringwerking wordt genoemd, iseen radiale uitwendige belastingnoodzakelijk. Deze belasting ver-oorzaakt in omtreksrichting nor-maalkrachten in de ring en moge-lijk ook buigende momenten.In de gefaseerde 3D-berekeningmet BorTAS [3] (fig. 6) wordt eennieuwe ring niet segmentsgewijsopgebouwd, maar als een com-plete ring aan het model toege-voegd. Evenals in de praktijk krijgtde nieuwe ring de vorm van devoorgaandering.Deringkrijgteeniets grotere diameter, zodat de2 | Bovenaanzicht van drie segmenten van de meetring met schematisch de verdeling vande rekopnemers+ : opnemers in axiale en in tangenti?le richting? : alleen opnemers in tangenti?le richtingDe pijlen geven de positie van de vijzels aanO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 1 75langsvoegen tussen de segmentenopen staan. De ring is aanvanke-lijk spanningsvrij. Vervolgenswordt de ring axiaal door de vijzelsbelast.Doordeopenstaandelangs-voegen is er geen interactie tussende segmenten. De aanpak in het3D-model sluit dus goed aan bij deresultaten van de metingen.In de volgende fase wordt eenradiale belasting op de ring aange-bracht en worden de ringkrachtenge?ntroduceerd. Bij de evaluatievan de resultaten van deze reken-fase is geconstateerd dat de ring-werking alleen goed kan wordenbeschrevendoorgebruiktemakenvan het axiale spel van vijzelkrach-ten zoals dat plaatsheeft tijdens deringbouw: de zogenoemde vijzel-dans. In werkelijkheid zijn tijdenshet aanbrengen van een segmentde vijzelkrachten tijdelijk afwezig.Wordthettijdelijkafwezigzijnvande vijzelkrachten per segment inde berekening meegenomen (devijzeldans), dan blijken door eenlokaal lagere wrijvingsweerstand,verschuivingen tussen segmentenvan achtergelegen ringen te kun-nen ontstaan met een andere ring-werking als gevolg. Het tegelijker-tijd verlagen van allevijzelkrachten van de boorbelas-tingtotdestilstandsbelastingzoalsresteert na het opbouwen van degehele ring, heeft niet hetzelfdeeffect als het om en om ontlastenen herbelasten van individuelevijzels.Voorhetjuistuitvoerenvaneen vijzeldans en het plaatsen vantelkens een nieuwe ring is hetnoodzakelijk gefaseerde bereke-ningen uit te voeren.L i g g e r w e r k i n gAchter de tunnelboormachinevormen de ringen een tunnelbuisdie is ingebed in grout en grond.Op deze tunnelbuis worden aande voorzijde door de TBM, via devijzels, een normaalkracht, eenmoment en een dwarskracht uit-geoefend. De ringen achter deTBM ondervinden een belastingdoor grout, grond en grondwater,waarbij de grond zelf ook alsoplegging in de vorm van eenbedding fungeert. Een ring dienet de TBM heeft verlaten, drijftin het vloeibare grout. Deze vloei-bare grout heeft nauwelijks stijf-heid en kan beperkte weerstandbieden tegen de verplaatsingenvan de ring als gevolg van bij-voorbeeld een hydrostatische op-waartse belasting. De weerstandmoet nu worden geboden doorenerzijds de TBM en anderzijdsde naastgelegen ringen van detunnelbuis en het verderop reedsSchematische weergave van het tunnelbouwprocesin fasen (fig. 3)1. Door het uitschuiven van de vijzels wordt in de tunnelboormachineplaatsgemaakt voor een nieuwe ring. Bij de Botlekspoortunnel is dering 1,5 m breed.2. De nieuwe ring wordt segment voor segment opgebouwd. Daartoeworden vijzels individueel ingetrokken en tegen de nieuwe segmentengeplaatst (de zogenoemde vijzeldans).3. Het boorproces wordt hervat. De vijzelkrachten worden verhoogd omde TBM weer 1,5 m te verschuiven. De nieuwe ring komt voor dehelft buiten de TBM. Tijdens het boren wordt aan de achterzijdevan de TBM vloeibaar grout ge?njecteerd om de ruimte tussen deringen en de omringende grond op te vullen.4. Een volgende ring wordt segmentsgewijs opgebouwd. Na gereedko-men van een ring is de belasting door de vijzels duidelijk lager dantijdens het boren (stilstandbelasting versus boorbelasting).5. Het boorproces wordt hervat. In deze boorslag komt de ring die infase 2 is opgebouwd, geheel buiten de TBM. De verhardingssituatievan het grout rondom de ringen verandert voortdurend.6. Een volgende ring wordt segmentsgewijs opgebouwd enz.3 | Fasering tunnelbouwprocesO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 176verharde grout. De ringen achterde TBM moeten dus samenwer-ken om een evenwichtsituatie tebereiken. Deze samenwerkingheet liggerwerking.De liggerwerking achter de TBMis onderzocht met een 2D-ligger-model [4]. Hierin zijn het gefa-seerde opbouwen van de tunnelen het toenemen van de stijfheidvan de bedding door het verhar-den van het grout, expliciet mee-genomen. De ligger is een buig-afschuifligger op een verendebedding, waarbij de TBM op ver-schillende wijzen is opgelegd. Debelastingen bestaan uit het eigengewicht van de tunnel, eenopwaarts gerichte hydrostatischegroutbelastingeneenTBM-belas-ting bestaande uit een normaal-kracht en een moment.Het al dan niet gefaseerd uitvoe-ren van een liggerberekeningleidt allerminst tot dezelfde resul-taten. In een gefaseerde bereke-ning wordt het model stapsgewijsuitgebreid en worden per stap debelastingen en randvoorwaardenaangepast aan de situatie van hettunnelmodel. In een niet-gefa-seerde berekening wordt ineenshet gehele model opgebouwd enwordenvervolgensdebelastingenbehorendebijdeeindsituatieaan-gebracht. In een niet-gefaseerdeberekening dempt het buigendmoment in de ligger ten gevolgevan een moment van de TBM uit,terwijl in een gefaseerde bereke-ning juist over de gehele lengtevan de ligger een moment aan-wezig blijft. Een duidelijk gevalvan montagespanningen.De grootte en het teken van ditblijvende liggermoment wordtbepaalddoordeaardvandeopleg-ging aan de voorzijde van hetmodel en de beddingstijfheid. Ineerste instantie is in de bereke-ningen gebruikgemaakt van eenvasteopleggingomdeinvloedvande TBM te beschrijven. In ditgeval is er sprake van een exorbi-tante toename van het liggermo-ment achter de TBM. Wordtgebruikgemaakt van een verendeoplegging aan de voorzijde vanhet model, dan zijn de trends inde resultaten afhankelijk van destijfheid van deze veer en van debedding van de tunnel. Bij een`lage' stijfheid van beide neemthet liggermoment achter de TBMaf en wisselt het van teken. Bij een`hoge' stijfheid van beide ontstaatgeen tekenwisseling (fig. 7). Detekenwisseling van het liggermo-ment is niet gevonden in de meet-resultaten met de meetring, nochbij het onderzoek bij de TweedeHeinenoordtunnel.De te kiezen beddingconstantewordt bepaald door de weerstandvan de buis in de grond en is nietrechtstreeks te bepalen uit alleenstijfheid van de omliggendegrond. In het deelonderzoekGeotechniek (COB-F330) isonderzocht op welke wijze deweerstand kan worden bepaald.Het wordt aanbevolen om innieuwe (COB-)onderzoekspro-jecten de interactie tussen TBMen tunnel nader te onderzoeken,rekening houdend met het feitdat de TBM zowel een bron vankrachten is als een ondersteu-ning van de tunnel.-400-350-300-250-200-150-100-500500 1,5 3 4.5 6 7,5 9 10,5afstand tussen TBM en meetring (m)voorachtergem.axialemicrorek(-)-150-100-500501001502002500 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5afstand tussenTBM en meetring (m)voorachtergem.tangenti?lemicrorek(-)4, 5 | Rekverloop in axialeen in tangenti?le rich-ting als functie van deafstand tussen de tun-nelboormachine en demeetring. In elke fasevan het boorprocesneemt deze afstandtoe met de breedtevan een ring: 1,5 m.De rekken zijn hierweergegeven tot eenafstand van 10,5 m enveranderen daarnaniet wezenlijk meertot het einde van demetingen op eenafstand van circa 25m. De getoonde rek-ken die zijn gemetenin ??n segment, zijnrepresentatief voor degehele ring. De rek-ken in de meetringzijn in en direct achterde TBM significantgroter dan op grotereafstand. Een positieverek betekent een ver-lenging6 |Model van vijf gesegmen-teerde ringen gebruikt inde 3D-berekeningenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 1 77C o n c l u s i e sAls gevolg van het bouwprocesvan de tunnel treden andere span-ningssituaties op dan op grondvan alleen de gebruikssituatiewordt verwacht.Rekken in de segmenten in demontagefase zijn significant gro-ter dan in de eindfase.Het is noodzakelijk bij gefaseerde3D-ringberekeningen een vijzel-dans uit te voeren om tot goederesultaten van de ringwerking tekomen.Met de liggerberekeningen zijnde maatgevende parameters voorliggerwerking in beeld gebracht.Het wordt aanbevolen de interac-tie tussen TBM en lining verder teonderzoeken.T e n s l o t t eIn dit artikel zijn slechts enkeleresultaten van het COB-onder-zoek aan bod gekomen. Hetonderzoek montagespanningenis in 2003 afgerond en vastge-legd in COB-werkrapporten,diverse publicaties en een eind-rapport van de deelcommissieF340 [o.a. 3 t.m. 7]. 7 |Schematisch verloop vanhet liggermoment in detunnel bij verschillendestijfheden van de bed-ding en van de opleggingaan de voorzijde van detunnel6. COB-F300, Eindrapport(publicatie verwacht eind2003).7. Oosterhout, G.P.C., N.M.Naaktgeboren, S.J. Lokhorst,Evaluation of extensivestrain measurements in theBotlek Railway Tunnel.Proceedings of the ITAworld tunnelling congress2003, Amsterdam, april2003.liggermoment in tunneltunnelasTBMM TBMtunnel- en TBM-bedding:stijfslapL i t e r a t u u r1. Blom, C.B.M.,Beproevingen en onderzoekaan linings van boortunnels.Cement 2001, nr. 6.2. Bloemhof, K.C., C.B.M.Blom en C. van der Veen,Vermijden van scheurvor-ming in tunnellinings.Cement 2002, nr. 1.3. Lokhorst, S.J., M.P.Koningen, B.M.A. Slenders,Vergelijking van resultatenBorTas-berekeningen metresultaten statische meet-ring. COB-werkrapportF300-W-043, Holland Rail-consult, mei 2003.4. Van Vliet, M.R.A., F.B.J.Gijsbers, Totaaloverzicht lig-gerberekeningenBotlekspoortunnel. COB-werkrapport F300-W-053,TNO Bouw, mei 2003.5. Lokhorst, S.J.,Montagespanningen enDwarsverbindingen; eind-rapportage deelprojectcom-missie COB-F340. COB-werkrapport F300-W-046,Holland Railconsult, 2003.