C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 5 49slechte betonvloerporeus beton5 mm5 mmspeling inringvoegenbinnenzijdebuitenzijdeuitzettingtot 16,5 mmAls onderdeel van een uitbreidingvan de bestaande blauwe metro-lijn in Lissabon (fig. 1a) is in 1999een boortunnel gerealiseerd alsverbinding tussen het bestaandeBaixa/Chiado-station en hetnieuwe Santa Apol?nia-station.Tijdens groutingwerkzaamhedenter plaatse van het Santa Apol?nia-station, waarbij groutlansen doorde tunnelmantel zijn aangebracht,ontstond vervolgens ernstigelekkage. Teneinde excessieve ont-gronding rondom de tunnel tevoorkomen, is de grondwaterstro-ming gestopt door de tunnelonder water te zetten. Na behan-deling van de lekkagezone is detunnel leeggepompt en werd eensterk vervormde en gescheurdetunnel van ongeveer 400 m aange-troffen.Gezien de beschadigde staat vande tunnelconstructie moestworden besloten of herstelmaatre-gelen noodzakelijk waren om destabiliteit en levensduur van detunnel te garanderen.C o n s t r u c t i e v eb e o o r d e l i n gOm de constructieve integriteitvan de beschadigde tunnelcon-structie vast te stellen, werd destaat van de tunnel na het voorvalbeoordeeld vanuit vier verschil-lende invalshoeken. Eerst werdhet complete binnenvlak van detunnel visueel ge?nspecteerd(visuele evaluatie). Na vaststellingvan de vervorming van de tunnel-ringen (geometrische evaluatie)werd een analyse uitgevoerd vande interne constructieve staat vande tunnel (mechanische evalua-tie). Ten slotte is de chemischesamenstelling van het grondwaterrond de tunnel bepaald (chemi-sche evaluatie).Visuele evaluatieEen team specialisten voerde eeninspectie uit op het complete bin-nenvlak van de tunnel en vondscheuren van meer dan 1 mmwijd waarin corrosieafzettingenwerden aangetroffen. De scheurenbevonden zich in de top van detunnel en liepen over meer seg-menten door (foto 2a). Tussenindividuele tunnelringen werdengrote afschuivingen gevonden, dieaanzienlijk groter waren dan devoorhanden zijnde speling in demontagenokken. Geconcludeerdmoest worden dat een groot aantalmontagenokken derhalve bezwe-ken was (fig. 2b).Geometrische evaluatieNa de calamiteit is de vorm vanelke tunnelring uitgebreid inge-meten, wat een uitvoerig en gede-Ontwikkelen van maatregelen ter reparatie van een beschadigde boortunnelMetrotunnel Lissabonmet secundaire liningduurzaam hersteldir. W.H.N.C. van Empel, ir. J.W. Sip en ir. F.P. Haring, Tunnel EngineeringConsultants (TEC)Door een voorval tijdens de bouw is in het centrum van Lissabon een boortun-nel ondergelopen, die deel uitmaakt van een in aanbouw zijnde uitbreidingvan het bestaande metrosysteem. Nadat de tunnel was droog gepompt, bleekdeze door de opgetreden calamiteit ernstig vervormd en beschadigd te zijn.Na beoordeling van de reststerkte van de tunnel werd geconcludeerd datherstelmaatregelen noodzakelijk waren. Om de stabiliteit en integriteit van detunnel te garanderen is een secundaire tunnel binnen de bestaande primairetunnel ontworpen. Tijdens de bouw worden de vervormingen van de primaireen secundaire tunnels automatisch geobserveerd en door een GIS toegankelijkgemaakt.1 |Uitbreiding blauwe lijnLissabon2 |Geconstateerde scheur-patronen (links) enbezweken montagenok-ken (rechts)C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunn elbou w50 cement 2007 5-100-80-60-40-20020406080100-150 -100 -50 0 50 100 150sluitsteenradiale vervorming gefitte vervorming-60-40-200204060-150 -100 -50 0 50 100 150204Curve-fit-15-10-5051015-150 -100 -50 0 50 100 150maximumkromming(10-6)D(mm)270- +- +(graden) (graden)-15-10-5051015-150 -100 -50 0 50 100 150270- +- +-500-400-300-200-1000100200300400500-150 -100 -50 0 50 100 150maximaal buigend momentmaximaal buigend moment-500-400-300-200-1000100200300400500-60 -40 -20 0 20 40 60 (?10e-6/mm)M (kNm)gefitte vervormingmaximumkromming(10-6) (graden) (graden)tailleerd beeld opleverde van devervormde staat van de tunnelover de gehele lengte van de tun-nelsectie (fig. 3). Afwijkingen vande nominale tunnelradius (ovali-sering) tot wel 80 mm werdengevonden, wat ruwweg tienmaalde normaal voorkomende vervor-ming in vergelijkbare tunnelsonder normale omstandighedenis. De tunnelringen bleken groten-deels horizontaal ovaal te zijngeworden. In dit stadium konreeds kwalitatief worden vastge-steld dat de waargenomen matevan ovalisering en de waargeno-men scheurpatronen, die overeen-stemmen met de horizontale ova-lisering, een aanwijzing vormdendat de tunnelconstructie zijnuiterste grenstoestand had bereikt.De vervormingsmetingen warendusdanig uitgebreid (er werdenmeer dan veertig punten per ringgemeten) en de geconstateerdevervormingen dusdanig groot tenopzichte van de gebruikelijkemeetonnauwkeurigheden, datdeze een uniek uitgangspuntvormden voor de mechanischediagnose van een gesegmenteerdetunnel die zijn uiterste grenstoe-stand nagenoeg bereikt heeft.Mechanische evaluatieDe laatste stap in de beoordelingvan de reststerkte van de tunnel-constructie bestond uit de kwanti-ficering van interne krachten inde constructie in relatie tot hetwapeningsontwerp, dat een afspie-geling vormt van het belastingsce-nario waarvoor de tunnel oor-spronkelijk was ontworpen. Devoornaamste stap in de bepalingvan de constructieve staat van detunnel is de M-N--grafiek van degewapende doorsnede van de tun-nelconstructie, die bepaald kanworden op basis van het wape-ningsontwerp en een schattingvan de tangenti?le normaalkrachtin de tunnelringen. Door hetscheuren van het beton en het uit-eindelijke bezwijken van hetwapeningsstaal neemt de stijfheidvan de tunnelconstructie geleide-lijk af met toenemende krom-ming.De ontwikkeling van de krom-ming () langs de tunnelomtrekkon worden bepaald door degemeten radiale vervorming R()te fitten met een dubbele cosinus-functie Ra() volgens onder-staande formule:Ra () = A1?cos(B1? + C1) +A2?cos(B2? +C2) + D (1)Dubbele differenti?ring van de fit-functie Ra () levert de kromme() op:() =1___R2d2Ra____d2(2)Op basis van het gevonden krom-mingsverloop en het M-N--diagram van de gewapende tun-neldoorsnede is vervolgens hetverloop van buigende momentenlangs de tunnelomtrek bepaald. Infiguur 5 zijn de resultaten van eenkritische tunnelring weergegeven.Op basis van de gevonden resulta-3 |Gemeten tunnelvervor-mingen over 400 m4 |Gefitte vervormingen alsbasis voor de bepalingvan het krommingsver-loop langs de tunnelom-trek5 |Vertaling van krommingnaar buigend momentdoor middel van M-N--grafiekC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 5 51secundaire schilbetonnen basiscapaciteitvolledig benutcapaciteitvolledigbenutcapaciteitvolledigbenutcapaciteitvolledig benutscheurvormingbinnenzijdescheurvormingbinnenzijdescheurvormingbuitenzijdescheurvormingbuitenzijdemarieneomgeving staalgecorrodeerdontwikkelingin tijda. b.ten werd geconcludeerd dat detunnel zijn maximale capaciteithad bereikt in vier (plastische)zones. De waargenomen scheur-patronen bovenin de tunnelstemmen overeen met de mecha-nische diagnose van de tunnel.Verder toonde de mechanischeevaluatie aan dat zich scheurenmoesten bevinden aan de linker-en rechterbuitenzijde van detunnel (die uiteraard niet kondenworden onderzocht).Chemische evaluatieNa het testen van de samenstel-ling van het grondwater werdenchlorideniveaus van 1,5% gevon-den en daarnaast sulfaatniveausvan 3000 mg/l. Geconcludeerdwerd dat de zoutwateromgeving(de tunnel bevindt zich in hetgetijdengebied van de rivier deTaag) uiteindelijk zou leiden totcorrosie van de wapening in detunnel.ConclusiesUitgaande van de resultaten vande reststerktebepaling is geconclu-deerd dat de mate van scheuringuiteindelijk zal leiden tot corrosievan het wapeningsijzer doortoedoen van de zoutwateromge-ving. De capaciteit van de tunnel,die in de huidige staat reeds volle-dig wordt benut, zal daardoor opde lange duur afnemen tot hetniveau waarop de stabiliteit van detunnel ernstig gevaar loopt (fig. 6).Daarom werd vastgesteld dat her-stelmaatregelen noodzakelijkwaren om de integriteit en stabili-teit van de tunnel voor zijn levens-duur te waarborgen.O n t w e r p h e r s t e l -m a a t r e g e l e nNa bestudering van een aantalontwerpalternatieven werd beslo-ten een secundaire tunnel binnende bestaande tunnel te bouwen alseen sterke en duurzame oplossing(fig. 7a). Deze secundaire tunnelis bedoeld om de constructievefunctie van de huidige tunnel opde lange duur over te nemen,wanneer deze zijn sterkte zalhebben verloren. De secundairetunnel moet tevens de gevolgenopvangen van de verwijdering vaneen tijdelijk grondlichaam, datzich bovenop de tunnel bevindt(fig. 7b). Door het verwijderen vanhet grondlichaam, dat nodig wasvoor toereikende grondbedekkingtijdens het tunnelboorproces, zalde bestaande grondbedekking opde tunnel aanzienlijk worden ver-minderd, tot de helft van zijnhuidige waarde.OntwerpberekeningenIn de huidige situatie draagt debestaande tunnel de door degrond uitgeoefende belasting,maar door de degradatie van dewapening zal de tunnel uiteinde-lijk zijn ductiliteit, stijfheid enmogelijk zijn waterdichtheid ver-liezen. Daarom moet de secun-daire tunnel zodanig wordenontworpen en versterkt dat dezein staat is de belastingen tedragen die het gevolg zijn van devoortschrijdende degradatie vande bestaande boortunnel. Desecundaire tunnel moet tevensde belasting dragen die hetgevolg is van de verwijdering vanhet grondlichaam.De gevolgde strategie in de voorhet wapeningsontwerp van desecundaire tunnel benodigdeberekeningen, omvat vier verschil-lende stappen (fig. 8). Een centralerol wordt gespeeld door eeneindige-elementenmodel, dat zichricht op de interactie tussen debestaande en secundaire tunnel.In het model is de bestaandetunnel ingebed in grondveren enheeft een materiaalmodel datbetonscheuren toelaat. Binnen hetmodel van de bestaande tunnelwordt wapening gemodelleerd.Het toegepaste betonscheurmodelen de aangebrachte wapeningresulteren in een realistischmodel van de bestaande tunnel.De eerste stap in de ontwerpbere-keningenstrategie bestaat uit debepaling van de heersende belas-tingen die op de huidige tunnelwerken. Voor dit doel werd eenovaliserende belasting aange-bracht op het model van debestaande tunnel en werd zodanigbepaald dat de gemeten mate vanovalisering in het model weerspie-geld werd.In de tweede plaats werden deeffecten bepaald van de verwijde-ring van het grondlichaam op degrondspanningsverdeling rond debestaande tunnel, met een 2D-6 |Huidige en toekomstigeconstructieve staat vande tunnel7 |Ontwerp secundaire tun-nel en toekomstige situa-tiea. secundaire tunnel bin-nen bestaande tunnelb. huidig grondlichaamverwijderdC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunn elbou w52 cement 2007 5waterdrukkenovaliseringhuidige situatieverschillendegronddrukkenverwijdering grondlichaamcorrosiebuitenschildegradatie buitenschilwater doorlatingmarieneomgeving staalgecorrodeerdontwikkelingin tijdcontinu?mmodel van de grond.Vervolgens werden de gevolgen inrekening gebracht van corrosievan de wapening in de bestaandetunnel, door geleidelijke afnamevan de hoeveelheid effectievewapening tot het punt waar geendoelmatige wapening meer aan-wezig is in de tunnel en eenbrosse constructie overblijft.Ten slotte werden de effecten vanwatertoetreding beschouwd, doorhet aanbrengen van een hydrosta-tische druk tussen de bestaandetunnel en de secundaire tunnel.Deze vier parameters zijn ge?nte-greerd in het centrale model vande bestaande en secundairetunnel, resulterend in een voor-spelling van de inwendige krach-ten in de secundaire tunnel, opbasis waarvan de wapening in desecundaire tunnel kon wordenbepaald.De 400 m lange tunnelsectie isopgedeeld in tachtig segmenten,waarvan er drie reeds geconstru-eerd waren met spuitbeton. Doorde verwijdering van het grondli-chaam zal de tunnel naar ver-wachting onderworpen wordenaan opdrijving. Aangezien de tun-nelsectie aan weerszijden is ver-bonden aan een vaste startschachten station, zal deze opdrijving inlengterichting van de tunnel vari?-ren, waarmee liggerwerking vande secundaire tunnel wordt ge?n-troduceerd. Door deze liggerwer-king ontstaan axiale trekspannin-gen, die zijn gekwantificeerd meteen 3D eindige-elementenmodel(fig. 9). Uiteindelijk is besloteneen elastische laag aan te brengentussen de bestaande en de secun-daire tunnels om beide tunnelselastisch te isoleren en daarmeeaxiale trekspanningen in desecundaire tunnel tot een aan-vaardbaar minimum terug tebrengen.MonitoringTijdens de bouw wordt de bewe-ging van de huidige en secundairetunnels automatisch gemonitoredmet total stations, die de positievan een groot aantal prisma'smeten. Tijdens het uitgraven vande bestaande betonnen vloer in detunnel worden de bewegingen vande huidige beschadigde tunnelgecontroleerd. Na voltooiing vande secundaire tunnel worden deprisma's overgebracht naar desecundaire tunnel (foto 10) enworden de vervormingen en deverticale beweging van dezetunnel door het verwijderen vanhet grondlichaam gemeten. Dealdus verzamelde gegevensworden doorgegeven aan een GIS,dat wordt beheerd in een backof-fice in Nederland. Door middelvan het GIS worden de vervor-mingsgegevens niet alleen zicht-8 |Ontwerpberekeningen-strategie9 |Axiale spanningen in eensegment10 | Prisma's op binnenzijdebestaande tunnelC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelb ou wcement 2007 5 53baar gemaakt, maar ook gerela-teerd aan vooraf gedefinieerdetriggerniveaus. Wanneer de trig-gerniveaus worden bereikt, gene-reert het systeem automatisch eenalarm, waarop de verantwoorde-lijke personen de nodige actiekunnen ondernemen.B o u w v a n d e t u n n e lIn januari 2006 is gestart met debouwwerkzaamheden. Met behulpvan een tweetal verplaatsbarebekistingen zijn in negenmaanden tijd de tachtig segmen-ten gestort. Om ??n segment terealiseren moesten verschillenactiviteiten plaatsvinden. Aller-eerst werd een gedeelte van debestaande betonnen vloer in detunnel deels (trillingsarm)gesloopt. Vervolgens werd in-situeen wapeningsnet vervaardigd enwerd de kist voor de vloer van hetsegment gesteld. Na storten enontkisten van de vloer werd ver-volgens de wapening van hetschaalgedeelte van het segmentaangebracht en ??n van de tweeverplaatsbare bekistingen gesteld,waarna storten en uiteindelijk ont-kisten plaatsvond. Aangezien doorde bouw van de binnentunnel eenminimale tolerantie op het profielvan vrije ruimte resteerde, moestdeze plaatsing uiterst nauwkeurigplaatsvinden.De verschillende stappen van hetbouwproces van de segmentenvonden gelijktijdig in een grootaantal segmenten plaats. Tijdensde bouw was slechts ??n ingangvan de tunnel voor de aannemertoegankelijk, hetgeen het projectzowel een technische als eenlogistieke uitdaging maakte.In oktober 2006 is uiteindelijk hetlaatste segment gerealiseerd. Hetresultaat is een kwalitatief hoog-waardige tunnel, waarmee eenhonderdjarig gebruik van de uit-breiding van de metrolijn is gega-randeerd.O v e r i g e b o u w a c t i v i t e i t e nGelijktijdig met de bouwwerk-zaamheden ten behoeve van detunnel worden tevens de tweenieuwe, tot de uitbreiding beho-rende metrostations afgebouwd.In mei 2007 is aangevangen methet aanbrengen van betonpalen inhet gebied rondom de tunnel, datgevoelig is voor `cyclic mobility' inhet geval van een aardbeving. Tenbehoeve van deze werkzaamhedenis het bestaande grondlichaam tij-delijk uitgebreid, wat heeft geleidtot een aanzienlijke voortgaandezetting (50 mm) van de tunnel,die door het monitoringsysteemfeilloos werd geregistreerd.Begin 2008 zal de nieuwe metro-lijn in gebruik worden genomen.Halverwege 2008 zal het grondli-chaam boven de tunnel wordenverwijderd. Tijdens de exploitatievan de metrolijn blijft het monito-ringsysteem actief tot twee jaar nahet moment van ingebruiknamevan de metrolijn. n12 | Bouw schaaldeel vaneen segment11 | Bouw vloerdeel van eensegment