O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e T u n n e l b o u w 76 cement 2007 5 De liningdikte van een boortunnel in slappe grond wordt meestal ongeveer gelijk genomen aan 1/20 van de tunneldiameter D. Deze vuistregel is voortgekomen uit ervaringen bij de bouw van derge­ lijke tunnels in het buitenland. Bij de Groene Hart Tunnel, met een binnendiameter van 13,3 m, is de liningdikte daardoor 600 mm (D/22). In de literatuur worden diverse invloedsfactoren verant­ woordelijk gehouden voor de line­ aire relatie tussen tunneldiameter en liningdikte. Een ondubbelzin­ nige verklaring hiervoor wordt echter niet gegeven. De twee meest genoemde factoren zijn de introductie van vijzelkrachten vanuit de tunnelboormachine (TBM) en het optredende buigend moment tijdens het zogenoemde groutgedrag. Beide aspecten hebben betrekking op de bouw­ fase. B o o r t u n n e l m e t 1 4 , 9 m d i a m e t e r In [1] is ingegaan op het ontwerp van een moge­lijke boortunnel voor de toekomstige autosnel­weg A13/16 ten noorden van Rotter­ dam. Door alleen per­ sonenauto's en bestel­ wagens in de tunnel toe te laten, wordt de vereiste breedte in het profiel van vrije ruimte sterk verlaagd en is het mogelijk beide rijrichtingen in Ultra-hogesterktebeton in de tunnelbouw Reductie liningdikte boortunnels ir. T.W. Groeneweg, Movares Nederland bv 1) dr.ir. C.B.M. Blom, Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam / TU Delf t, faculteit CiTG prof.dr.ir. J.C. Walraven, TU Delf t, faculteit CiTG Boortunnels zijn in Nederland reeds negen maal aangelegd voor spoorwegen of relatief minder belangrijke wegen, nog niet voor autosnelwegen, omdat het profiel van vrije ruimte van dit soort wegen een grote tunneldiameter vereist. En daar ligt het probleem. Zowel de omtrek van de tunnelbuis als de liningdikte is recht evenredig met de tunneldiameter. Het product van beide, een maat voor de benodigde hoeveelheid beton, is daardoor kwadratisch evenredig met de tunneldiameter. Kosten voor productie en logistiek zullen met dezelfde snelheid toenemen. Grote tunneldiameters voor autosnelwegen worden hierdoor zeer kostbaar. De aanleg van boortunnels voor autosnelwegen komt een stap dichterbij als de liningdikte kan worden gereduceerd. In dit artikel wordt beschreven of en in welke mate de nieuwe betonsoorten zeer- en ultra-hogesterktebeton aan een dergelijke reductie kunnen bijdragen. 1) T.W. Groeneweg is op dit onderzoek afge­ studeerd aan de TU Delft; de studie is uitge­ voerd bij het Ingenieursbureau Gemeente­ werken Rotterdam. De afstudeercommissie bestond uit prof.dr.ir. J.C. Walraven, dr.ir. C.B.M. Blom, dr.ir.drs. C.R. Braam en dr.ir. O.M. Heeres. 1 | Re d u c t i e l i n i n g d i k t e vo o r e e n b o o r t u n n e l m e t e e n b i n n e n d i a m e t e r v a n 1 4 , 9 m O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w cement 2007 5 77 één tunnelbuis met een binnen­ diameter van 14,9 m onder te brengen (fig. 1). Uitgaande van de eerder genoemde vuistregel, zou de vereiste liningdikte voor normaal gewapend beton dan ver­ moedelijk tussen 675 mm (D/22) en 750 mm (D/20) liggen (fig. 1, links). In dit artikel zullen liningdikten aan de orde komen die kleiner zijn dan uit de vuistregel volgen. Zoals vermeld bestaat geen duide­ lijkheid over het belastingsgeval dat de liningdikte dicteert. Wel zijn verschillende belastingsgeval­ len bekend die verantwoordelijk zijn voor waargenomen schade aan boortunnels. Voor die geval­ len wordt voor drie verschillende betonsterkteklassen gezocht naar de individuele relatie met de ver­ eiste liningdikte. De gekozen betonsterkteklassen zijn: ? 'normaal' beton C 35/45; ? zeer ­hogesterktebeton C100/115; ? ultra­hogesterktebeton C180/210. De 'normale' betonsoort C35/45 dient als referentie en kan tevens duidelijkheid geven welk belas­ tingsgeval of welke belastingsge­ vallen daadwerkelijk verantwoor­ delijk is/zijn voor de vuistregel D/20. De betonsoorten C100/115 en C180/210 zijn met staalvezels versterkt. Initieel wordt hieraan in deze studie geen traditionele wapening toegevoegd. K r a c h t s w e r k i n g e n b o o r t u n n e l Boorproces Om te kunnen voortbewegen zet de TBM zich via drukvijzels af op de rand van de reeds gebouwde tunnel. Hierbij worden zeer grote axiale drukkrachten in de tunnel ingeleid. Een bekende oorzaak van schade aan tunnelsegmenten is de overschrijding van de toegestane druk ­ en splijtsterkte van het beton onder de vijzels. Tunnelsegmenten worden binnen het schild van de TBM opge­ bouwd tot ringen. De buitendia­ meter van het schild moet daarom groter zijn dan de buitendiameter van de tunnel. De zo ontstane staartspleet wordt opgevuld met het semi­vloeibare materiaal grout. Na verloop van tijd zal het grout uitharden doordat het water­ bestanddeel wordt uitgeperst en/of chemische binding optreedt. Zolang het grout nog niet is verhard, zal de tunnel willen opdrijven. De tunnel zet zich daardoor af tegen het grout aan de bovenzijde, wat een lokaal piek­ moment in de tunnelring tot gevolg heeft. Door diverse oorza­ ken kan het voorkomen dat de tunnel niet langs de volledige omtrek contact maakt met het grout. Dit zogenoemde 'incom­ plete grouten' zorgt voor een extra piekmoment. Indien de TBM zich voortbeweegt, wordt aan de achterkant van de machine een nieuwe ring blootge­ steld aan spanningen uit de grond en uit het grout. Hierdoor ver­ vormt de ring tot een ovaal. Het gedeelte binnen het schild wordt echter nog niet belast en zal daarom initieel niet vervormen. De segmenten zullen zodoende in tangentiele richting worden getor­ deerd, waardoor scheurtjes aan het oppervlak kunnen optreden. Deze zijn echter niet het gevolg van een constructieve trekkracht, maar van een opgelegde vervor­ ming, en zijn daarom geen directe aanleiding tot bezwijken. Als de TBM zich verder van de beschouwde ring heeft verwijderd, verdwijnt de torsie en worden de scheuren dichtgedrukt. Gebruiksfase Voor een boortunnel wordt aange­ nomen dat deze zich in de gebruiksfase bevindt als het grout volledig is uitgehard. Het resultaat is dat de tunnel volledig is ingebed in de omringende stijve grond. Zowel de tunnel als de grond zal in dit meervoudig sta­ tisch onbepaalde systeem samen­ werken om de grond­ en grondwa ­ terlasten te dragen. Door gewelfwerking in ronde boortunnels spelen dwarskrachten bij het ontwerpproces geen rol van betekenis. Zodoende richten bere­ keningen aan het ringgedrag zich vooral op de combinatie van bui­ gende momenten en normaal­ krachten. Hierin wordt de momentcapaciteit significant beïnvloed door de normaalkracht. De normaalkracht op zijn beurt volgt direct uit de diepteligging van de tunnel, die daardoor van invloed is op de vereiste lining­ dikte. Voor een breed scala aan tunnel­ diepten zijn voor de drie beton­ sterkteklassen de volgende belas­ tingsgevallen onderzocht: ? moment bij een ingebedde tunnel (gebruiksfase); ? moment bij een tunnel in semi­ vloeibaar grout (bouwfase); ? druk­ en splijttrekspanningen door de introductie van vijzel­ krachten (bouwfase); ? scheurvorming door torsie in de segmenten (bouwfase). R e l a t i e s m e t d e l i n i n g d i k t e Voor alle vier genoemde belas­ tingsgevallen heeft een continu spel plaats tussen de weerstand van de tunnel (capaciteit van de lining of het materiaal) en de belastingen (resulterende krach­ ten). Dit spel is uit te drukken in een veiligheidsfactor ? : ? = weerstand __________ belasting De hoofdvariabelen in dit krach­ tenspel zijn: ? liningdikte; ? tunneldiepte; ? betonsterkteklasse; ? krachtenmechanismen. Elke variabele beïnvloedt de weer­ standscomponent en/of de belas­ tingscomponent en zodoende de verkregen veiligheidsfactor. Door voor elke mogelijke combinatie van tunneldiepte, betonsterkte­ klasse en beschouwd belastingsge­ val de ontwikkeling van de veilig­ heidsfactor te onderzoeken, zal O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e T u n n e l b o u w 78 cement 2007 5 ergens bij een bepaalde lining­ dikte de veiligheidsfactor voldoen aan het vereiste veiligheidsniveau. Deze liningdikte is daardoor een randvoorwaarde aan de vereiste liningdikte. Door de randvoorwaar­ den uit alle combinaties bijeen te brengen, is een figuur samen te stellen die in één oogopslag inzicht geeft in de voor boortunnels maat­ gevende mechanismen. Het begrij­ pen van deze mechanismen schept de mogelijkheid maatregelen te ontwikkelen om optredende proble­ men het hoofd te bieden en daarmee de liningdikte succesvol te reduceren. Alvorens conclusies te kunnen trekken, is echter inzicht vereist in de resulterende randvoorwaarden voor alle individuele belastingssce­ nario's. Randvoorwaarde liningdikte gebruiksfase In de gebruiksfase nemen grond en tunnel gezamenlijk de momen­ ten uit de belastingen op. Hoe hoger de stijfheid van de tunnel ten opzichte van de grond, des te hoger is het buigend moment in de tunnelwand. Met andere woorden: hoe dikker de lining, hoe groter het moment. Zo'n toename hoeft echter niet per definitie voor problemen te zorgen. Ook de momentcapaciteit wordt namelijk beïnvloed door de dikte van de lining. Het is dan ook de vraag of déze stijging de toename van het optredende moment kan compen­ seren. Dit blijkt niet het geval te zijn. Z owel voor gewapend ­beton met 'normale' sterkte als voor de met staalvezels versterkte betonsoorten z eer ­ en ultra ­hogesterktebeton geldt dat de veiligheidsfactor afneemt met een toenemende liningdikte. Voor de betonsterkte­ klassen C 100/115 en C 180/210 ontstaat dan ook binnen het onder­ zochte scala aan liningdikten een waarde waarboven de veiligheid onder het vereiste niveau (bijv. ? = 1,5 ) daalt (fig. 2). Hier ontstaat een bovengrens aan de toepasbare liningdikte. Dunnere liningdikten zijn dan veilig, dikkere niet. Het buigend moment in de gebruiks­ fase kan hierdoor per definitie niet maatgevend zijn voor de lining­ dikte. Volgens dit principe kan het namelijk altijd dunner. Er moeten dus andere belastingsscenario's zijn die de liningdikte van een boortunnel bepalen. Randvoorwaarden liningdikte bouwfase De kracht die de tunnelboorma­ chine via drukvijzels in de tunnel­ segmenten inleidt, is niet of nau­ welijks afhankelijk van de liningdikte. Door toename van de liningdikte is wel meer beton voorhanden om deze krachten op te nemen en zullen de resulte­ rende druk­ en splijttrekspan­ ningen dus lager uitvallen, waar ­ door de veiligheidsfactor toeneemt. Hierdoor ontstaat een ondergrens aan de vereiste lining­ dikte. Voor de overige mechanismen uit de bouwfase gaat dit eveneens op. Ook zij laten een stijgende veilig­ heidsfactor bij een toenemende liningdikte zien, waardoor een ondergrens aan de liningdikte wordt gevonden. B o u w f a s e m a a t g e v e n d De grenzen aan de vereiste dikte voor de tunnellining worden bepaald door de verzameling van randvoorwaarden uit de gebruiks­ fase en de bouwfase. Hiertoe zijn alleen de sterkte­eisen (uiterste grenstoestand (UGT), momenten en vijzelkrachten) beschouwd. Scheurvorming door torsie in de segmenten is buiten beschouwing gelaten. De reden hiervoor zal nog worden toegelicht. In de figuren 3, 4 en 5 zijn de randvoorwaarden weergegeven voor de drie beschouwde beton­ sterkteklassen C35/45, C100/115 en C180/210. De grijze vlakken in deze figuren, de zogenoemde UGT ­ gebieden, geven het gebied aan waarbinnen de liningdikte zich moet bevinden om aan de randvoorwaarden te voldoen. C35/45 De liningdikte voor ondiepe tunnels wordt volgens figuur 3 bepaald door de eis van incom­ plete grouting. Bij een middel­ diepe ligging is het echter de introductie van vijzelkrachten die de dikte bepaalt. Voor een zeer diepe ligging is een additionele ondergrens aan de gebruiksfase maatgevend. Deze ondergrens ontstaat doordat de normaalkracht op deze diepten zo hoog is opgelo­ pen, dat het beton niet genoeg reservecapaciteit meer heeft om daarbij ook nog het buigend moment op te nemen. In de figuur is de randvoorwaarde van de splijttrekkracht door de introductie van vijzelkrachten met een stippellijn weergegeven. Aan­ genomen wordt dat deze trek­ krachten met behulp van wape­ ningsstaven kunnen worden opgenomen, waardoor ze geen directe beperking aan de lining­ dikte meer vormen. Tot een diepte van de tunnelas van ongeveer 55 m (gronddekking van 2,9 D) is de variatie in minimaal vereiste liningdikten slechts zeer 0 0 200 400 800 600 1000 liningdikte [mm] veiligheidsfactor M u / M max = 1,5 2 1 4 3 C180/210 C100/115 ? 0 200 400 600 800 1200 1000 liningdikte [mm] 82,2 19,2 27,4 54,8 4,6D 2,9D tunneldiepte vanaf hart [m] vijzels druk vijzels tr ek grout com pl. grout incompl. ringwe rking tor sie in compl. torsie comp l. UGTgebied 2 | Ve i l i g h e i d s n i ve a u g e b r u i k s f a s e 3 | R a n d vo o r wa a r d e n vo o r ve r e i s t e l i n i n g d i k t e n e n U G T- g e b i e d b i j C 3 5 / 4 5 O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w cement 2007 5 79 klein. Tot die diepte geldt dat een liningdikte van D/20 een veilige en goede benadering is voor de vereiste minimale dikte. De vuist­ regel is hiermee bevestigd en blijkt te berusten op het in de groutfase optredende buigend moment en de drukspanning ver­ oorzaakt door de introductie van de vijzelkrachten. Zoals vermeld is scheurvorming door torsie niet meegenomen in de bepaling van het UGT ­gebied. Deze vorm van scheurvorming treedt slechts op in een zeer kleine periode van de volledige tunnellevensduur, namelijk als de segmenten de tunnelboormachine verlaten. Het zou daardoor zeer oneconomisch zijn het ontwerp van de segmenten op deze zeer kleine tijdsspanne af te stemmen. Zodra de torsie in de segmenten voorbij is, zullen de scheuren worden dichtgedrukt. Echter moet wel in acht worden genomen dat deze scheuren tot een verlaging van de duurzaam­ heid kunnen leiden. Vochttrans­ port door het beton zal worden vergemakkelijkt. Indien een liningdikte wordt toegepast die weliswaar in het UGT ­gebied ligt, maar zich bevindt onder de grens­ waarde voor torsiescheuren, dienen tijdens de bouw maatrege­ len te worden genomen om deze schade zoveel mogelijk te beper­ ken of te voorkomen. Hiertoe worden zogenoemde adjusters (vakwerk aan de binnenkant van de tunnel dat vervormen gedeelte­ lijk verhindert) toegepast, of wordt de injectie van grout zo aangepast dat ovaliserende vervormingen gedeeltelijk worden gecompen­ seerd. C100/115 Voor het met staalvezels ver­ sterkte C 100/115 zijn dezelfde belastingsgevallen verantwoorde­ lijk voor de maatgevende lining­ dikte (fig. 4) als voor gewapend beton C 35/45 . Het verschil tussen de vereiste liningdikten over de diepte is echter veel groter. Voor C 35/45 bestaat de vuistregel D/20 , die de beno­ digde dikte voor een normaal spectrum aan diepten goed bena­ dert. Voor het met staalvezels versterkte materiaal gaat deze regel echter niet op. De vereiste dikte bij een gronddekking van 2 ,9 D is 380 mm ( D/39 ) en bij een gronddekking van 0,7 D , 855 mm ( D/17 ). In staalvezelbeton is de trek­ sterkte een eigenschap van het betonmengsel zelf. Anders dan bij gewapend beton kan de trek­ kracht door de introductie van vijzelkrachten nu niet worden genegeerd. Bij zeer diepe tunnels wordt daardoor de splijt­ trekspanning, veroorzaakt door de vijzelkrachten, maatgevend. C 180 /210 Evenals bij C 100/115 zijn de groutfase en de splijttrekspan­ ningen door de vijzelkrachten maatgevend voor C 180/210 (fig. 5). Wederom is een groot verschil aanwezig tussen de ver­ eiste dikten bij ondiepe en diepe tunnels. Bij een diepe tunnel met een gronddekking van onge­ veer 4 D is de vereiste lining­ dikte 255 mm ( D/58 ) tegen 805 mm ( D/19 ) bij de ondiepste ligging. In figuur 5 valt op dat bij een tunneldiepte van maximaal 1 D de bovengrens aan de liningdikte in de gebruiksfase onder de ondergrens voor de groutfase terecht komt. Dit betekent dat geen enkele waarde van de liningdikte meer voldoet aan beide randvoorwaarden en met de hier toegepaste segmenten dus geen tunnel gebouwd kan worden met zo'n ondiepe ligging. Bij met staalvezels versterkt C 100 /115 en C 180/210 is de ver­ eiste liningdikte sterk afhanke­ lijk van de tunneldiepte. Bij een zeer ondiepe ligging kan dit ertoe leiden dat geen tunnel kan worden aangelegd. De maatge­ vende belastingsgevallen zijn nu echter bekend en daarom kunnen maatregelen worden getroffen om die beperking op te heffen. Deze maatregelen zullen zich eerst en vooral op de bouw­ fasemechanismen voor ondiepe tunnels moeten richten. O p t i m a l i s e r i n g t u n n e l o n t w e r p Wapeningsstaven in met staalvezels versterkt beton De momentcapaciteit van met staalvezels versterkt beton bij een lage normaalkracht (ondiepe ligging) is relatief laag. Toevoe­ ging van traditionele wapenings­ staven kan de capaciteit sterk doen toenemen. Dit heeft bij ondiepe tunnels een sterke reduc­ tie van de vereiste liningdikte tot gevolg. Daar is namelijk het buigend moment uit de groutfase maatgevend. Figuur 6 toont het effect van de toevoeging van wape­ ningsstaven aan C180/210. De oorspronkelijke bovengrens vanuit de gebruiksfase wordt hierdoor ook beïnvloed en is al bij de laagste hoeveelheid toegevoegde wapening niet meer maatgevend binnen het onderzochte spectrum aan liningdikten. Dit betekent dat 0 200 400 600 800 1200 1000 82,2 19,2 27,4 54,8 4,6D 2,9D vijzels druk vijzels trek grout com pl. grout incompl. ringwerking torsie incompl. torsie compl . UGTgebied vijzels druk vijzels trek grou t co mpl. gro ut in co mp l. rin ggedrag torsie incomp l. torsie compl. UGTgebied 200 0 400 600 800 1000 82,2 19,2 27,4 54,8 4,6D 2,9D liningdikte [mm] tunneldiepte vanaf hart [m] liningdikte [mm] tunneldiepte vanaf hart [m] 4 | Ra n d vo o r wa a r d e n vo o r ve r e i s t e l i n i n g d i k t e n e n U G T- g e b i e d b i j C 1 0 0 / 1 1 5 5 | R a n d vo o r wa a r d e n vo o r ve r e i s t e l i n i n g d i k t e n e n U G T- g e b i e d b i j C 1 8 0 / 2 1 0