Moderne tunnelbouwtechniekTunnelwanden van ge?xtrudeerd beton, gewapendmetstaalvezelsCementXXXVII (1985)nr. 11InleidingIneen voordracht tijdens de aanstaande Be-tondag 1985 te Utrecht, stelt Dipl.lng.S.Ba-bendererde, directeur van het Duitse aanne-mingsbedrijf Hochtief, een voor Nederlandnog onbekende tunnelbouwtechniek aan deorde. Het betreft de toepassing van ge?xtru-deerd beton voor tunnelwanden bij een uit-voering volgens de schildmethode. Daarbijwordt in een continu proces een zeer plasti-sche betonspecie achter de wandbekistinggeperst. Door de hoge vloeibaarheidsgraadvan de specie wordt de ringvormige ruimterond de tunneldoorsnede zeer gelijkmatiggevuld. De wand wordt daarbij niet voorzienvan een traditionele wapening. In plaatsdaarvan zijn aan de betonspecie staalvezelstoegevoegd.De combinatie van schildmethode en dezemethodiek voor het bouwen van tunnelwan-den, kan bij praktisch elke samenstelling vande bodem worden toegepast. De eerste uit-voering had plaats in 1978179. Inmiddels ismen bezig met het vierde tunnelproject vandeze aard.Dit artikel besteedt aandacht aan de beton-technologische aspecten van deze toepas-sing en de voordelen die het bijmengen vanstaalvezels biedt. Voorts geeft het een glo-bale omschrijving van een inmiddels vol-groeide tunnelbouwtechniek.Ge?xtrudeerd betonExtrusie is een industrieel proces dat vooralbekend is uit de kunststofindustrie. Het ma-teriaal dat de grondstof vormt voor een be-paald produkt wordt daarbij in een mal ge-perst. Na afkoeling krijgt dat produkt dan debeoogde eigenschappen.In de betonindustrie wordt het extruslspro-ces reeds geruime tijd toegepast bij de pro-duktie van de veel gebruikte kanaalplaten.Wat onder fabrieksomstandigheden jarengeleden tot een beheersbaar proces is ont-wikkeld, doet zich thans voor bij de bouwvan de wanden voor geboorde tunnels. Zeerplastische betonspecie wort onder druk inde ringvormige ruimte gebracht, gevormddoor enerzijds de wanden en dekopbekis-ting, anderzijds doorde bodem. Deinjecteer-openingen bevinden zich in de kopbekisting(fig. 1).Wannneer, zoals bij de aanleg van de Metro-buizen onder de Rh?nein Lyon, de bodemuit waterhoudende losse grindlagen bestaat,8361Inpersen betonspecie via verschillendeinjectie-openingen\SchildBetondruk P P, +. .. 1Grond- en waterdruk +2Extrusiemethode leidt tot een constantebegindruk op de omgevende gronddient het ge?xtrudeerde beton in de plasti-sche fase reeds voldoende steundruk te le-veren tegen de heersende grond- en water-druk (fig. 2). Deze druk is van tevoren nauw-keurig te berekenen.In de plastische fase volgt de betonspeciede wetten vande stromingsleer. Het is vooralvan belang dat die fase wordt beheerst. Im-mers er dient voldoende tijd beschikbaar tezijn om de specie tot in alle ruimten te latendoordringen. Kennis en inzicht in de beton-technologische aspecten maken het moge-lijk om het betonmengsel op het specifiekegebruiksdoel af te stemmen. Behalve doorde korrelopbouw en de hoeveelheid toege-voegd water kan dat door het gebruik vanhulpstoffen. Dat laatste zowel ter verhogingvan de vloeibaarheidsgraad, als voor het ver-we Oostenrijkse tunnelmethode. In Lyon, bijeen grindrijke ondergrond, zijn ter plaatsevan het maaiveld in het geheel geen zettin-gen vastgesteld. De in het algemeen ge-vreesde zakkingen van het maaiveld werdenvermeden door een Bentoniet-ondersteu-ning ter plaatse van de uitgraving met eenhydroschild,alsmede door toepassing vange?xtrudeerd beton voor de aanleg van detunnelwand. Het zal duidelijk zijn dat doorverhoging van de druk bij het extrusieproceshet maaiveld ook omhoog kan worden ge-bracht.Optredende drukspanningen en buigendemomenten bij conventionele bouwwijze(links) en deextrusiemethode (rechts)Reducering van het buigend moment biedtbelangrijke voordelen. In de wand tredendaardoor geen trekspanningen op. De heer-sende drukspanning voorkomt het optredenvan scheuren: de tunnelwand is dus dichter(fig. 5-6).Een ander bouwtechnisch voordeel betrefthet optreden van slechts geringe buigendemomenten, indien de wand hecht tegen deomgevende ondergrond wordt aangebracht.Ook de bedding van de tunnel is dan opti-maal. Het is voorts mogelijk onder een zoda-nige druk te betonneren, dat de horizontalespanningen op de wand in de orde van groot-te van de verticale spanningen komen te lig-gen. Overeenkomstig de huidige rekenme-thoden bereikt men daarmee, ook gezien deoptimale bedding, dat de buigende momen-ten op de tunnelwand aanzienlijk worden ge-reduceerd. Bij een rekenkundige vergelijkingtussen de op de doorsnede werkende krach-ten bij een traditionele tunnelwand enerzijdsen een wand van ge?xtrudeerd beton ander-zijds, blijkt bij de laatste sprake te zijn vaneen reductie van het buigend moment metca. 50%.BelastingenBeddinghY(h+r)-v,BuigmomentenNormaalkrachtenStaalvezelbetonhKonventioneleMethodeBouwtechnische voordelenDoor de constante druk bij extrusie wordende volgende voordelen bereikt:De zettingen ter hoogte van het maaiveld zijnbij het aanbrengen van de tunnelwand zeergering en praktisch te verwaarlozen. Ze zijntrouwens moeilijk te onderscheiden van an-dere zettingsinvloeden bij geboorde tunnels,zoals die ten gevolge van het ontgraven vande onder druk staande grond en de rnanoeu-vreerruimte bij de voortstuwing van hetschild.Bij de uitvoering van vak 36 van de Frankfurt-se U-Bahn met behulp van een messenschilden ge?xtrudeerd beton zijn zettingen geme-ten die in totaal slechts 75% bedroegen vandie bij een tunneluitvoering volgens de Nleu-4Werkingsgebied en ondersteuning van dekopbekistingDe vooraf berekende steundruk wordt be-heerst door de ruimte die ontstaat bij hetvoorwaarts glijden Van de kopbeklstlnq on-middellijk op te vullen met betonspecie. Een-voudig is dat niet, daar zelfs een gering ver-schil in volume tussen ontstane ruimte enin-gebrachte betonspecie een afname van dedruk te zien geeft. Teneinde dergelijke volu-meverschillen te ondervangen, zijn voorzie-ningen getroffen waarbij de kopbekistingvoorw?arts schuift onder invloed van de drukwaarmee de betonspecie wordt ingepompt.Hiertoe is de kopbekisting, een ringvormigestaalconstructie, ter plaatse van de aanslui-ting met het schild beweeglijk en verend on-dersteund. Daardoor ontstaat een spelingvan ca. 0,3 m tussen de voortstuwing van hetschild en de voortstuwing van de kopbekis-ting onder invloed van de pompdruk. Despleet tussen kopbekisting en schltdaanslul-ting enerzijds en tussen kopbekisting en bin-nenbekisting anderzijds is met rubber afge-dicht (fig. 4).De onafhankelijke spelingsruimte van dekopbekisting wordt gerealiseerd door eenhydraulisch systeem dat op een gasreservoiris aangesloten. Het gasreservoir functie-neert als een nauwkeurig te regelen veercon-stante. Op deze wijze wordt achter de kop-bekisting een stabiele drukgehandhaafd, diebinnen bepaalde grenzen onafhankelijk isvan de voortgang van het schild.Voor de volledigheid wordt erop gewezendat een ander hydraulisch systeem er zorgvoor draagt dat de slanke kopconstructie pa-rallel wordt voortbewogen ofschoon de hy-drostatische druk aan de onderzijde groteris dan boven.Wat de vloeibaarheidsgraad betreft, moet ervoorts op worden gewezen dat deze nadeligte be?nvloeden is door toenemende inwendi-ge weerstand als gevolg van opstijven, maarook door ander verlies aan werkzaam water.Het laatste doet zich voor wanneer de onder-grond uit zeer doorlaatbare korrelige lagenbestaat. Als gevolg van het doordringen vande fijn verdeelde ruimte in de bodem metspecie, verliest de laatste onder druk zgn.filtraatwater (fig. 3). Het verlies van slechtsgeringe hoeveelheden water heeft onmiddel-lijke invloed op de vloeibaarheidsgraad.StaalvezelbetonHet extrusie-proc?d? betekent een continuarbeidsproces, dat niet kan worden onder-broken voor het in de wand aanbrengen vanwapeningsstaal. Ten behoeve van het opne-men van vooral buigtrekspanningen wordtaan het beton - kwaliteit B35, overeenkom-stig de Duitse norm DIN 1045 - ca. 50 kgstaalvezels per m3bijgemengd.Om praktische redenen (het verkrijgen vaneen goede verdeling), worden gladde vezelsgebruikt van 0,6 - 0,8 mm met lengte van 40mmo Toevoeging van staalvezels be?nvloedtde druksterkte maar weinig. De buigtrek-sterkte neemt echter toe met N/mm 2? Voorde tunnelwand is het breukgedrag van destaalvezels van wezenlijke betekenis. Betongewapend met staalvezels is vanwege degrotere dwarskrachtsterkte in staat om bijbreuk nog aar?zienlijkekrachten over te bren-gen. Dit gegeven vergroot de veiligheid te-genover de bijzondere belastinggevallen diezich bij calamiteiten voordoen.De bouwmethodeHochtief is in staat gebleken om de bouwwij-ze van ge?xtrudeerd beton, met bijmengingvan staalvezels, uitvoerbaar te maken doorhiervoor een economische en rationele me-thode te ontwikkelen. Aan de vereiste con-stante kwaliteit kan worden voldaan dank zijeen aantal bijzondere voorzieningen. Essen-tie daarbij is, de druk op de specie in de plas-tische fase stabiel te houden. Deze immersbepaalt de vereiste steundruk.tragen van de binding van cement.Die hoge vloeibaarheidsgraad maakt het ex-tra verdichten met tril apparatuur overbodig.De noodzaak daartoe zou trouwens moeilijkin de vervaardigingsmethode gepast heb-ben.3Indringing van betonspecie in omgevendegrondCementXXXVII (1985)nr. 11 8376Evenwicht van belastingen door'voorspanning' van grond7Extruslemethode toegepast in Lyon bijbouw metrotunnelSA1NTJEANAankomstschacht1DrukluchtsluisLuchtkussenDuikwandfront gesteunddoor bentoniet(1985)nr. 11ToepassingExtrusie van beton werd voor het eerst toe-gepast in 1978/79 bij de bouw vanhoofdleiding voor afvalwater in Hamburg. In1980/81 volgde de uitvoering van een u-Bahngedeelte in Frankfurt. Momenteel wor-den twee tunnelbuizen geboord van elk 1250m lengte onder de Rh?ne en Sa?ne in Lyon.In deze stad wordt het hydroschild toege-past, met ondersteuning van het graaffrontdoor een Bentonietsuspensie. De Water-doorlatendeondergrond bestaat in hoofd-zaak uit grind met grof gesteente. De afge-graven ondergrond wordt tegelijk met de :Bentoniet door een afvoerleiding naar de op-pervlakte gepompt. In een scheidingsinstal-latie worden afgegraven materie en Bento-niet van elkaar gescheiden. De gereinigdeBentoniet wordt via de afvoerleiding weer te-rug naar het graaffront gevoerd (fig. 7).Om een oontmu arbeidsproces mogelijk temaken is de werkkamer voorzien van eensteenbreker die stenen met een maximalegrootte van 40 cm kantlengte breekt, zodathet via de afvoerleiding kan worden ver-pompt.Grotere obstakels zoals de steenfunderingBELLECOUR838onder de pijler van een in de 12e eeuw ge-bouwde brug of plaatselijke houten palenmet ijzerbeslag moesten met de hand uit dewerkkamer worden verwijderd. Daartoe washet noodzakelijk om de steunvloeistof als-mede de caissondruk af te laten.Debinnenbekisting voor de tunnelwand sluitop het schild aan. Deze bestaat uit 15 stalenschachtringen van elk 1,20 m breedte. Deringen worden in het continue proces telkensvan achter naar voren gedemonteerd, naarvoren verplaatst en opnieuw gemonteerdmet behulp van speciaal hydraulisch hulp-materieel en drukregelingsapparatuur.De bekistingsstellage wordt gevolgd dooreen 65 m lange trein waarop de menginstal-latie, de pompen en de elektrische voorzie-ningen.Op het ogenblik wordt ge?xtrudeerd betonten behoeve van de bouw van tunnelwandenvoor de vierde maal toegepast. Het betrefteen tunnel voor de Bundesbahn met 5,20 mdiameter en 6000 m lengte. De tunnel wordtgeboord door een ondergrond van watervrijezwavelzure kalk.RedactieGUILLOTI?REVertrekschacht