O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelsIn het artikel "Design by Testing"(zie blz. 46-50) is vermeld dat dehouten palen van de Amster-damsefunderingenhunlastvoor-namelijk via de onderkant over-dragen op de ondergrond (80%puntlastcapaciteit). Aan het beginvan de ontwerpfase was ??n vande belangrijkste vragen bij hetontwerp van het verticale aligne-ment van de geboorde tunnels dekwantificering van de invloed vande tunnelbouw op de (draagcapa-citeit van de) palen. Zo bestonddestijds de zorg dat de palen meerkunnen verzakken dan de omrin-gende ondergrond, doordat despanning in de samengedruktezone rondom de paalpunt (kegelvan Koppejan) kan wegvallen alsde afstand tussen de boorproces-sen en de fundering te klein zouworden. De tunnelboormachines(TBM's) genereren immers een(klein) volumeverlies in de bo-dem, wat theoretisch samen moetgaanmetbodemontspanning.Ditfenomeen wordt paalpuntont-spanning genoemd. Over dit ont-werpvraagstuk was wereldwijdnauwelijks enige kennis uit depraktijk voorhanden.G e o c e n t r i f u g e t e s t sOp dat moment werden er, onaf-hankelijk van het (hernieuwde)initiatief tot de bouw van deNoord/Zuidlijn, proeven gedaanindegeocentrifugeinDelft[1].Deresultaten hiervan wezen uit datde palen meer dan 10 cm (is on-geveer gelijk aan een houten paal-puntdiameter) kunnen zakkendan hun omringende grond bijeen combinatie van een aanzien-lijk volumeverlies (ca. 3%) en eente kleine afstand tussen paalpunten tunnel. Uit de proefresultatenwerddaaromin[1]geconcludeerddat een veilige afstand van tweetunneldiameters tussen de TBMen de basis van de palen was aante bevelen om substanti?le ver-zakkingen te vermijden. Dit bete-kende dat de tunnels aanmerke-lijk dieper moesten wordengepland dan uit oogpunt vancomfort en kosten wenselijk werdgeacht. Algemeen werd namelijkaangenomen dat het comfort inde stations (langere roltrappen)hieronder zou lijden en het pro-ject veel duurder zou worden.Daarom moest de diepte van destations tot een minimum wor-den beperkt, zonder het risico vanzettingen rondom de aanslui-tende tunneltrajecten te vergro-ten.Bij de ontwerpers bestond echterhet gevoel dat de resultaten van degeocentrifugeproeven mogelijkwat conservatief waren vanwegede aard en wijze waarop het boor-proces was gesimuleerd. Hoewelin Nederland op dat moment noggeen meter tunnel was geboord,bestond op basis van buiten-landse projecten bovendien deverwachting dat grote volumever-liezen, waarbij substanti?le paal-puntontspanning op zou kunnentreden, vermijdbaar waren. Daar-naast was in Amsterdam alsstreefwaarde voor het volumever-lies 0,5% gekozen, hetgeen al hadgeleid tot de initiatie van de ont-wikkeling van een zettingsbeper-kende TBM (zie blz. 46-50). Devraag bleef daarom hoe dicht deTBM in de praktijk zonder gevol-gen bij de palen kon boren. Hetvermoeden bestond dat de effec-ten ten gevolge van paalpuntont-spanning vanaf een afstand van1D kunnen worden verwaarloosdals het volumeverlies niet meerdan 1% zou bedragen, wat alge-meen werd beschouwd als om-standigheden waarin nog altijdsprake is van een goed boorpro-ces.P a a l p r o e f o p w a r e g r o o t t eIedereen was enerzijds door-drongen van de grote risico's ver-bondenaanhetverkleinenvandediepte van de tunnels, maar an-derzijds bestond wel de zorg datcement 2004 278Paal(punt)be?nvloeding doorboortunnelsir. F.J. Kaalberg, ir. E.A.H. Teunissen en ir. H.J. Lengkeek, AdviesbureauNoord/Zuidlijn v.o.f., Witteveen+BosDe invloed van het boorproces op de draagcapaciteit van paalfunderingenwas aan het begin van het ontwerp van de Noord/Zuidlijn, ook internationaalgezien, nog een onontgonnen kennisveld. Met name het fenomeen van moge-lijke ontspanningseffecten op de paalpunt die substanti?le paalzakkingenkonden veroorzaken, motiveerde de projectorganisatie Noord/Zuidlijn tot deeerste van vele praktijkproeven. Deze praktijkproef op ware grootte bij deTweede Heinenoordtunnel vormde de start van een omvangrijk onderzoeks-programma dat uiteindelijk, door de reductie van uitvoeringsrisico's, zijninvesteringen weer opbrengt.1 | Impressie van de locatievoor de palenproef opware grootteO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelsde stations mogelijk onnodigdiep (en dus duur) zoudenworden. Daarom besloot de or-ganisatie van de Noord/Zuidlijndat deze verwachting alleen inhet ontwerp kon worden ge?m-plementeerd met een palenproefop ware grootte (met een echtpasserende TBM), die het ver-moeden in de praktijk zou be-vestigen. Deze proef zou plaats-hebben op de plaats waar detunnelboortechniek voor heteerst in Nederland werd toege-past: de Tweede Heinenoordtun-nel bij Barendrecht, op datmoment juist in aanbouw. Dekosten voor deze praktijkproefwaren hoog (circa 1,5 miljoeneuro), maar de potenti?le bespa-ringen in het ontwerp bedroegenhiervan een veelvoud. Succeswas niet gegarandeerd, dus erwas enige durf en visie van deprojectorganisatie nodig omdeze proef uit te voeren.De realisatie van de proef wasaanvankelijk niet eenvoudig, om-dat niemand in Nederland erva-ringen had met paalfunderingenen TBM's. Daardoor bestond ernogal wat zorg bij de opdracht-gever, de aannemerscombinatieen de verzekeraar, dat de tunnelmogelijk beschadigd zou rakendoor de paalbelastingen. Naenige ontkrachtende berekenin-gen dienaangaande begon hetklimaat voor dit aan een boor-tunnel gerelateerd praktijkon-derzoek echter snel te groeien enook het Centrum OndergrondsBouwen (COB) schaarde zichachter het initiatief van de pro-jectorganisatie Noord/Zuidlijn.Voor de eerste passage werden intotaal 38 houten en 18 betonnenpalen geplaatst en belast op denoordelijke oever van de OudeMaas. De paalpunten hadden eenafstand van 1,5D tot 0,5D tot detunnelbuis (met buisdiameter D).De palen werden zowel ingroepen van negen stuks ge-plaatst (ter simulatie van een fun-dering onder een pand als deBijenkorf) en in de typische Am-sterdamse configuratie van tweepalen met een juk. De houtenpalen in de Amsterdamse confi-guratie werden vervolgens belastmet betonnen `New Jersey bar-riers' en de betonnen palen en dehouten paalgroepen door zeecon-tainers gevuld met zand. Via be-lastinggestuurde vijzels werd hetgewicht van de ballast overge-bracht op de palen, zodat elke paalte allen tijde een duidelijk regis-treerbare belasting zou krijgen(fig. 1). Omdat de ondergrond vanBarendrecht niet geheel gelijk isaanAmsterdamwerdenallepalengeheid in een vooraf aange-brachte stalen casing die gevuldwerd met slappe klei, teneinde deholocene deklagen van Amster-dam te simuleren (zie ook fig. 10).Alleen het onderste gedeelte werdaldus geheid in het pleistocenezand, zodat ook hier de draag-kracht voor circa 80% aan de puntwerd ontleend.3 D E E M - o n d e r z o e k s p r o -g r a m m aDe proeven werden ondersteunddoor een ambitieus 3D EEM-on-derzoeksprogramma, zodat dezeunieke gelegenheid kon wordenbenut om de 3D EE-modellen teijken en te valideren. De 3D-mo-dellen hadden daarnaast ten doelde resultaten van de tests tetransfereren van de situatie in deBarendrechtse naar de Amster-damse ondergrond en om, nogvoorafgaand aan de praktijkproef,predictieresultaten te genererenvoor andere (nog dichterbijgelegen) configuraties van tun-nels en palen. Het EEM-pro-gramma werd gezien als ambiti-eus omdat de gefaseerde 3D-berekeningen voor het eerst opdeze schaal werden gebruikt, enmeer in het bijzonder omdat hetpenetratie-effect van de palen diein de ondergrond werden geheideveneens goed moest worden ge-modelleerd. Wanneer met dezeeffecten geen rekening werd ge-houden, dan zouden de voorspel-lingen geen enkele waardehebben. Dit omdat werd aange-nomen dat het wegvallen van depuntspanning bij het passerenvan de TBM de belangrijkstefactor was bij het verzakken vande palen.Om deze uitgangspositie te be-werkstelligen werden afzonder-lijke penetratieberekeningen uit-gevoerd op basis van hetEuleriaanse beginsel binnen hetprogramma DIEKA van Geo-Delft, ondersteund door paalbe-zwijkproeven op ware grootte dieeveneens werden uitgevoerd inDelft. De DIEKA-berekeningenleverden gevalideerde last-zak-kingsdiagrammen op en bevredi-cement 2004 2 792 | 3D DIANA-model0204060801001201400 20 40 60 80 100 120 140paalkopbelasting (kN)snedekracht(kN)verschil paalpunt - OK bentoniet = nihil:geen wrijving in fund.laagbelasting grond op paal = ca. 35 kNwrijv. bentonietwrijv. fund.laagOK bentonietpaalpuntpaalkopOK bentoniet: y= -4PPN: y= -6,58,38,63 | Grafiek met paalpunt-spanningsontwikkelingen schachtwrijvingsont-wikkelingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelsgende initi?le spanningspatro-nen in de ondergrond langs depaalschacht en de paalpunt op(fig. 2), die vervolgens werdenge?mplementeerd in het 3DDIANA-model (fig. 3). Daarnawerd de bouw van de tunnel gesi-muleerd in datzelfde 3D DIANA-model, waarbij het volumeverliesin parameters werd uitgedrukt.Omdat 3D-berekeningen op datmoment zelden werden gemaakt,waren ze nog niet zo geavanceerddat de TBM gefaseerd door hetmodel kon bewegen. De predictie-resultaten gaven aan dat zelfs bijgeringere afstanden tussen tun-nelbuis en paalpunten dan in depraktijkproef werden toegelaten(tot 0,25 D) geen substanti?le paal-puntontspanningseffecten warente verwachten. Wel zou er moge-lijk sprake kunnen zijn van enigeherdistributie van paalpuntweer-stand en schachtwrijvingsweer-stand (fig. 3).Omdat er ondanks alle voor-noemde modelleringscomplexi-teit veel vertrouwen bestond in depredictieresultaten, werd beslo-ten in het ontwerp van het verti-caal alignement van de Noord/Zuidlijn reeds een voorzichtigvoorschot te nemen op de nog uitte voeren praktijkproef. Dit wasgedurfd, omdat de resultaten vande praktijkproef de ultieme be-vestiging moesten gaan leveren.Hetontwerpvandegehelelijn,enin het bijzonder de diepteliggingvan de stations, moest echterverder. Daarom werd dit al geop-timaliseerd, vooruitlopend op dedaadwerkelijke TBM-passage.M e e t r e s u l t a t e n p r o e f v e l dToen de TBM de testlocatie voorde eerste keer passeerde (op eenafstand van minimaal 0,5D)waren de zettingen aan het maai-veld redelijk substantieel, oplo-pend tot 45 mm bij een volume-verlies van circa 2,5% (fig. 4),zodat op basis van [1] aangeno-men kon worden dat de onder-grond toch enige spannings-veranderingen had ondergaan.Desondanks bleek dat de ver-meende spanningsreductie rond-om de paalpunten geen effect hadop het gedrag van de palen,wat kon worden afgeleid uit eenvergelijking van de gemetenmaaiveld- en paalkopzakkingen(fig. 5). De boorresultaten warenbovendien totstandgekomen inde eerste paar honderd meter ge-boorde tunnel in Nederlandse on-dergrond, dus de verwachtingbestond dat de kwaliteit van hetboorproces nog kon worden ge-optimaliseerd in de tweede pas-sage van het proefveld.Omdat het EE-model bovendienop nog kleinere afstanden (tot0,25D) nauwelijks effect voor-spelde, werd besloten om nogeens acht palen te plaatsen voorde tweede passage van de TBM,dit keer op nog kleinere afstandvan de tunnel. De afstand tussentunnel en palen werd nu terugge-bracht van 0,5D tot 0,175D. Ditkeer werden er naast extensome-ters ook nog aanvullende inclino-meters en Stress Monitoring Sta-tions (SMS) in de ondergrondaangebracht.De tweede passage van de TBMgenereerde veel geringere zet-tingscontouren op het maaiveld(fig.4),hetgeennaanalysesvooralgeweten werd aan een verbeterdeaandacht voor de groutinjecties inde staartspleet (volumeverlies nuca. 0,75%). Wat betreft de paal-puntontspanning werd aange-toond dat er een optimum wascement 2004 2806 |Ondergrondsezettingscontou-ren4 |Gemeten zettingen bij deeerste en tweede passa-ge van de TBM5 | Gemeten paalkopzakkin-gen versus maaiveldzak-kingen-50,0-45,0-40,0-35,0-30,0-25,0-20,0-15,0-10,0-5,00,0-33,2 -24,9 -16,6 -8,3 0,0 8,3 16,6 24,9maaiveld paalkop maaiveld paal tunnel diepte paal t.o.v. NAPzakking(mm)afstand uit hart tweede buis4,00,0-4,0-8,0-12,0-16,0-20,0diepte(inmt.o.v.NAP)-20,6-2,8-18,9-11,0-15,0-15,6-11,4-10,0-11,00 5 10 15 20 25afstand uit tunnel as [m]afstand tot het boorfront: -25,175 m-25-20-15-10-50-16.8-19.5-20.4-7.6-14.3-16.3-15.0-10.0-10.8-7.33.30.32.81.8-4.8-3.7-3.4-1.1-0.9-2.4-1.8-2.1-1.3-1.2-0.7-0.5-0.8-0.5-0.4-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20246-0.1Dieptet.o.v.NAP[m]maaiveldzakkingen eindeerste passage incl. tijds-effectenmaaiveldzakkingen eindecontinu metingtweede passagemaaiveldzakkingen eersteen tweede passagegecombineerdzakbaakO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelsbereikt, aangezien bij een afstandvan0,25Dereenzeker?maarnogsteeds geen aanmerkelijk ? effectte meten was (gegeven dit geringevolumeverlies). Dit werd afgeleiduit een combinatie van de resul-taten van de paalkopmetingen, deondergrondse zettingsmetingenmet de extensometers en de span-ningscontouren die op basis vande SMS konden worden gegene-reerd (fig. 6 en 7).Daarnaast bleek dat de onder-grondse zettingscontour steilerverliep dan werd voorspeld opbasis van de contractiemodellen,die zowel de basis hadden ge-vormd voor de geocentrifuge-proeven als de 3D EEM-bereke-ningen. Het boorproces was totdan namelijk modelmatig gesi-muleerd op basis van het principevan een concentrisch volumever-lies. Deze schematisering, waar-voor de theorie aanvankelijk doorR.B. Peck werd ontwikkeld [5],wordt algemeen erkend en ge-bruikt voor ontwerpcalculatiesoveral ter wereld. Toch bleek heteen conservatieve inschatting opte leveren, omdat geen rekeningwerd gehouden met de re?legroutdrukverdeling in de ring-spleet achter de TBM. Tevenswerden de bezwijkproeven op depalen voor en na de passage vande TBM vergeleken. Ook hierinwaren geen significante verschil-len te ontdekken (fig. 8).C o n c l u s i e s p a a l p u n t b e ? n -v l o e d i n gVoor de geometrische positie vande palen ten opzichte van detunnel zijn de volgende conclu-sies te trekken wat betreft hetfenomeen paalpuntbe?nvloeding(fig. 9):? palen die met de punt in zoneA staan, ondergaan een paal-puntdeformatie die iets groterof minimaal gelijk is aan demaaiveldzakking op de corres-ponderende locatie;? bij de palen die met de punt inzone B staan, is in het algemeende paalzakking ongeveer gelijkaan de maaiveldzakking;? bij de deformatie van de palendie met de punt in zone C staan,is de paalzakking beduidend ge-ringerdandecorresponderendedeformatie van het maaiveld.Deze palen worden niet naarbeneden getrokken/geduwddoor negatieve kleef.V e r t a l i n g p r o e f r e s u l t a t e nn a a r A m s t e r d a mOp grond van bovenstaande resul-taten werd besloten dat een 0,5Dvoortaan zou worden beschouwdalseenveiligeafstandtussenpalenen tunnels (met daarin enigemarge voor vari?rend volumever-lies). Hiermee werden de initi?leverwachtingentenaanzienvanhetfenomeen paalpuntontspanningbevestigd en konden de reeds aan-gehouden ontwerpuitgangspun-ten voor het verticale alignementen de diepteligging van de stationsworden gehandhaafd. Het steilereverloop van de ondergrondse zet-tingscontour kon na afloop van deproeven ook worden gekalibreerdmet het vernieuwde 4D-model.Hierin wordt ook rekening gehou-den met de gedifferentieerderadiale groutdrukverdeling in deringvormige annulaire spleetrondom de tunnel, een gedetail-leerde voortbewegende TBM encement 2004 2 817 | Spanningsveranderingenna tweede passage TBM8 |Vergelijking bezwijk-proeven voor en namaximale toename verticale gronddruk sms maximale toename horizontale gronddruk sms18017016015014013012011010090807060504030201001501401301201101009080706050403020100-10-35-30-25-20-15-10-500 100 200 300 400 500 600 700 800 900last (kN)zakking(mm)voor passage 2e proefbelasting na passage 3e proefbelasting voor passage referentie proefbelastingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelseen ringvormig opgebouwde tun-nelwand. Voor de simulatie vanhet gedrag van de ondergrondwerd inmiddels het ModifiedMohr-Coulomb-model gebruikt,nadat deze zelf was gevalideerdaan de hand van de modelleringvan triaxiaaltesten met kleine rek-ken, die werden uitgevoerd doorhet Imperial College in Londen.Dit gekalibreerde `4D-groutdruk-model' werd vervolgens voor deNoord/Zuidlijn, tezamen meteen 2D-versie, gebruikt voor dezogenoemde fase 2 zettingsrisi-cobeoordelingsstudiesinGIS,dieaangaven dat de schadeverwach-ting voor de belendingen nog watverder naar beneden kon wordenbijgesteld. In de nog lopende fase3 zal het 4D-groutdrukmodel ver-der worden ingezet.C o n c l u s i eDe opzet van een praktijkproefnaar paal(punt)be?nvloeding bijde Tweede Heinenoordtunnelwas een gedurfde investering, diede aanzet vormde voor de gestruc-tureerde toepassing van de `De-sign by Testing' filosofie bij hetontwerp van de Noord/Zuidlijn.De proef was een groot succes,omdat de resultaten de onder-bouwing gaven voor kostenreduc-ties in het ontwerp van de lijn dievelemalengroterwarendandein-vestering voor de proef. Dit heeftde afweging bij het opzetten vannavolgende praktijkproeven een-voudiger gemaakt. L i t e r a t u u r1. CUR report 177, Influence oftunnel boring on piled foun-dations, centrifuge tests.Gouda, 1995.2. Teunissen, E.A.H. & Hutte-man, Pile and Surface Settle-ment at Full Scale TestsNorth/Southline Metro.World Tunnel Congress1998, S?o Paulo.3. Kaalberg, F.J., H.J. Lengkeek& E.A.H. Teunissen, Evalu-atie van de meetresultatenvan het proefpalenprojectt.p.v. de Tweede Heinen-oordtunnel Eerste en tweedepassage. Intern rapport 1999.4. Jaarsveld, E.P. van, 3D EEM-predicties t.b.v. proefpalen-project. GeoDelft rapporten1997.5. Peck, R.B., Deep excavationand tunneling in soft soil.Proceedings of 7th Interna-tional Conference Soil Me-chanics and Foundation En-gineering, Mexico, 1969.Projectgegevensopdrachtgever:Projectbureau Noord/Zuidlijn, dienstInfrastructuur Verkeer en Vervoer, Ge-meente Amsterdamontwerp en directie:Adviesbureau Noord/Zuidlijn v.o.f.uitvoering:TCH (Van Hattum en Blankevoort,Ballast Nedam, Wayss und Freytag,Strukton)cement 2004 2829 |Zonering paalpuntbe?n-vloeding10 | Vertaling vanBarendrecht naarAmsterdam30?45?zone A zone B zone CVeiligheid tijdens bouwNoord/ZuidlijnDe eerste bouwactiviteiten onder hetCentraal Station zijn begonnen. Omde veiligheid van de reizigers bij inci-denten in beeld te brengen, heeftWitteveen+Bos 3D `real time' evacu-atieberekeningen uitgevoerd. Metdeze berekeningen en de doorge-voerde optimalisaties is de veiligheidvoor elke bouwfase aangetoond.Het Centraal Station heeft dage-lijks meer dan 200 000 reizigers.BijdebouwvandeNoord/Zuidlijnis het onvermijdelijk bestaandeuitgangen te wijzigen of soms af tesluiten voor de fases van de werk-zaamheden. Zo wordt de hoofd-toegang van CS tijdelijk verplaatsten worden de uitgangen van demetro gefaseerd afgesloten.Om de veiligheid te toetsen zijn ervoor alle bouwfasen incidentsce-nario's en is het evacuatiegedragvanmeerdan6000personendoor-gerekend met een 3D-simulatie.De invloed van kenmerken alsloopsnelheden, bekendheid metdeomgevingenhetgeduldvanrei-zigers op de evacuatietijden zijnonderzocht. Op basis van deze re-sultaten zijn de knelpunten in devluchtroute, zoals bouwhekken,wachtrijen en kruisende stromen,opgelost voor een snelle en veiligeevacuatie. Ook de interactie en be-schikbare vluchtruimte op hetmaaiveld tussen de trams werd bijdeze modellering duidelijk. Ver-der is samen met TNO een ge-slaagde evacuatieproef met 120personen gedaan om het gedragover stilstaande roltrappen te tes-ten. De resultaten ondersteunende simulatieberekeningen.Koninginnedag 2004 is een vol-gend aandachtspunt. Het aantalreizigers dat Amsterdam CS dangelijktijdig binnenstroomt kan op-lopen tot 17 000 per uur. `s Avondskanereenflinkepiekoverdebrug-gen naar het voorplein ontstaan,waar de bouwterreinen een ruim-tebeperkingvormen.Metrealtimesimulaties van de in- en uitgaandetreinen en reizigersstromen is detotale verwerkingscapaciteit vanstation en voorplein voor deze dagin beeld gebracht en zijn aanbeve-lingengedaanvoorbeheersingvande reizigersstromen.