O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB oor tunnelscement 2007 2 89B e z w i j k v e i l i g h e i d i nt u n n e l p r o j e c t e nPraktijkvoorbeeldenRond het onderwerp tunnelveilig-heid zijn veel publicaties te vin-den. Daarbij gaat de aandacht alsnel naar de tunnelbranden vande afgelopen jaren. Informatieover calamiteiten waarbij sprake isvan het bezwijken van de tunnel-constructie is echter beperkt. Opinternet is een overzicht te vindengenaamd `chamber of horrors'[www.tunnelbuilder.com] metvoorbeelden van tunnelcalamitei-ten. De calamiteiten met boor-tunnels houden meestal verbandmet boorfrontinstabiliteiten engrote lekkages via de tunnelboor-machine.RisicobeheersingVerzekeraar Swiss Re onder-scheidt in [2] voor geboorde tun-nels in slappe bodem twee catego-rie?n bezwijkvormen: instortingenaan het boorfront en bezwijkenvan de lining tijdens of na de aan-leg. Voor verzekeraars is de eerstecategorie bezwijkvormen met demeeste onzekerheid omgeven.Niet alleen omdat de herstelkos-ten van deze categorie hoger zijn,maar ook vanwege de frequentievan voorkomen die veel hoger isdan van de tweede categorie.Die onzekerheid rond het boor-proces wordt ook onderkend dooropdrachtgevers en opdrachtne-mers van tunnelbouwprojecten.Tenminste, dat valt op te makenuit de grote aantallen publicatiesin congresverslagen over maatre-gelen die in deze projecten wor-den genomen om de calamiteitente voorkomen of de gevolgen daar-Bezwijkmechanismen vanboortunnels bij ovaliseringir. S.J. Lokhorst, MovaresIn 2005 zijn in de tunnelproefopstelling in het Stevinlaboratorium van de TUDelft twee bezwijkproeven uitgevoerd op een model bestaande uit drie geseg-menteerde tunnelringen (foto 1). De bezwijkproeven vormen de derde enlaatste proevenserie met deze opstelling. Eerdere proevenseries haddenbetrekking op het gedrag van de tunnelringen onder montagebelastingen engebruiksbelastingen. De opstelling is inmiddels afgebroken.Debezwijkproevenzijnonderdeelvanhetpraktijkonderzoek`Bezwijkveiligheidvan Boortunnels' (TC151) in het kader van het consortium Delft Cluster ?Centrum Ondergronds Bouwen (DC-COB). Naast de proeven zal in het kadervan dit praktijkonderzoek ook numeriek onderzoek plaatshebben. Tevens iseen literatuuronderzoek uitgevoerd naar het bezwijken van boortunnels doorovalisering en de bijdrage van de grond daarin. Dit artikel geeft een samen-vatting van deze literatuurstudie [1].1 |Proefopstelling in hetStevinlaboratorium vande TU DelftO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB oo r tunnels90 cement 2007 2van te beperken. Opvallend is dathet daarbij vrijwel uitsluitend gaatom maatregelen die de omgevingrond een tunnel moeten bescher-men. In veel gevallen is de bodemonvoldoende sterk en/of stijf omde passage van tunnelboormachi-nes zonder schade aan de omge-ving mogelijk te maken. Slechtszelden wordt vermeld dat debodemgesteldheid beperkingenoplegt aan de tunnelconstructie ofdat de voorziene maatregelen voorde omgeving ook gunstig zijnvoor de ondersteuning van de tun-nel. Twee Nederlandse voorbeel-den van projecten waar wel maat-regelen zijn getroffen om delining te beschermen in verbandmet de bodemgesteldheid, zijn deBotlekspoortunnel en de boortun-nel Randstadrail.Richtlijnen voor ontwerpIn de literatuurstudie is een aantalinternationale richtlijnen verza-meld met betrekking tot het ont-werp van geboorde tunnels. Datzijn richtlijnen van organisatiesals ITA [www.ita-aites.org], AFTES[www.aftes.asso.fr] en CUR-COB.Daarvan is de richtlijn opgesteldin het kader van het CUR-COBproject L500 (`Rekenmodellenondergronds bouwen') [3] verre-weg het meest gedetailleerd tenaanzien van veiligheidsfilosofie ende inzet van ontwerpmethoden.Waar andere richtlijnen zichbeperken tot te beschouwen belas-tinggevallen en eventueel te han-teren (parti?le) veiligheidsfacto-ren, gaat richtlijn L500 expliciet inop de betrouwbaarheid van deconstructie, de grenstoestandenen de aan grenstoestanden gerela-teerde (bezwijk)mechanismen(tabel 1). Er is gekozen voor eensemi-probabilistische verificatie-procedure van de betrouwbaar-heid.Een ander belangrijk verschil isdat in richtlijn L500 wordt uitge-gaan van een integrale benaderingvan grond en constructie. Derichtlijn biedt een op NEN 6700gebaseerde methodiek voor debeoordeling van geboorde tunnels.Hierbij zijn voor de beschikbaremodellen parti?le factoren vastge-steld die zijn gebaseerd op de aan-wezige onzekerheden in dezemodellen (i.c. de modellering vande grond, het gedrag van voegen,de ring- en liggerwerking en vande draagkracht van het beton). Uitde gegeven overzichten van deverschillende modelfactoren blijktonder meer dat het nauwkeurigermodelleren van de situatie (1D,2D of 3D) wordt `beloond' doordatdit van invloed is op de te hante-ren modelfactor (tabel 2).Ontwerpfilosofie?nVan een aantal Nederlandse eninternationale tunnelprojecten isnagegaan welke ontwerpfilosofieis gehanteerd voor de lining tenaanzien van bezwijken (uiterstegrenstoestand). Daarbij is speciaalgelet op de beschouwde bezwijk-mechanismen en de gehanteerdefactoren voor belasting en sterkteen de rol van de grond bij debeoordeling van de bezwijkveilig-heid.In publicaties over tunnelprojec-ten worden de ontwerpfilosofieen de beschouwde bezwijkme-chanismen zelden explicietbenoemd. Uit de publicaties valtop te maken dat boortunnelsworden ontworpen op bezwijk-mechanismen die plaatshebbenop detailniveau, bijvoorbeeld hetontstaan van een plastisch schar-nier door de combinatie van bui-ging en normaalkracht, hetbezwijken van een kom-nokver-binding in de ringvoeg of hetafboeren van de rand van eensegment ten gevolge van een tegrote druk op het rubberafdich-tingsprofiel. In de artikelen inCement [4] over de boortunnelTabel 1 | Grenstoestanden volgens CUR-COB richtlijn L500uiterste grenstoestanden bruikbaarheidsgrenstoestandenboorfrontinstabiliteit (actief/passief bezwijken) verplaatsingen en vervormingen(globaal/lokaal)bezwijken van de lining (globaal, lokaal) lekkageopdrijven van de gehele tunnelbuis scheurvorminguitknikken van de tunnelwand schade aan de omgevingTabel 2 | Te hanteren modelonzekerheden voor het buigend moment bij ringwerking volgens CUR-COB L500 [3] (? = gemiddelde,V = variatieco?ffici?nt)model toelichting ringmoment? V3D-model model van tunnelmoot en grond met volume- en schaalelementen 1,00 0,052D enkele ring homogeen ge?ntegreerd model van lining en grondcontinu?m 1,33 0,092D dubbele ring segmenten grondveren en ?belasting op een continu?mmodel 1,15 0,102D ringmodel Duddeck-modellering voor lining, grondstijfheid en -belasting 1,33 0,252 |Bovengrondse schadedoor calamiteit tijdensde aanleg van metro M4in ShanghaiO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB oor tunnelscement 2007 2 91Randstadrail komt de ontwerpfi-losofie wel nadrukkelijk aan bod.Er wordt gebruik gemaakt vanzowel `overall' veiligheidsfactorenals parti?le factoren. De factorenworden ofwel ontleend aan alge-mene normen voor het ontwerpenvan constructies zoals de VBC,(NEN 6720), ofwel speciaal voorhet project gedefinieerd (bijv. van-uit praktijkervaring). Er zijn geenverwijzingen gevonden naar speci-fieke richtlijnen voor het ontwerpvan boortunnels. Van de toepas-sing van (semi-)probabilistischeontwerpmethoden (zoals CUR-COB L500) in projecten zijn geenpublicaties gevonden. Bekend iswel dat CUR-COB richtlijn L500 istoegepast voor het ontwerp van detunnel voor de Noord-Zuidlijn inAmsterdam.B e z w i j k e n v a n d e l i n i n gb i j o v a l i s e r i n gRingwerkingEen boortunnel wordt hoofdzake-lijk belast door grond en grondwa-ter. Deze belastingen veroorzakeneen normaaldrukkracht in de ring.Door de variatie van de groottevan de belasting over de omtrekontstaat ook buiging, waardoor dering gaat ovaliseren. Gesegmen-teerde linings zijn zeer gevoeligvoor deze ovaliserende belasting:bij relatief kleine belastingvaria-ties ten opzichte van de uniformebelasting ontstaan al grotemomenten en vervormingen.De rol van de grond in het onder-steunen van de ring is afhankelijkvan de stijfheidsverhouding tus-sen grond en lining. Naarmate degrond stijver is, trekt deze meer(ovaliserende) belasting naar zichtoe en worden de buigendemomenten gereduceerd. De bui-gende momenten in de ring wor-den echter ook be?nvloed door despanningsveranderingen in degrond door het boorproces.Omtrent de grootte van de grond-belasting op de lining bestaat veelonzekerheid. Dat houdt enerzijdsverband met de dubbelrol van degrond (belastend en ondersteu-nend) en anderzijds met de prak-tische beperkingen om de belas-ting in de praktijk te meten.Indien de belasting op de liningbekend is, is de ringwerkingbetrouwbaarder te voorspellen.BezwijkmechanismenOp basis van de informatie die isverzameld in de literatuurstudie iseen beeld verkregen van hetbezwijken van een tunnel doorovaliseren. Dit beeld is schema-tisch weergegeven in figuur 3.Aan de linkerzijde staan enkeleoorzaken van ovalisering verdeeldnaar belastingen, eigenschappenvan de lining en eigenschappenvan de grond. Deze oorzakengecombineerd met de eigenschap-pen van de langsvoegen en demate van samenwerking tussende ringen, kunnen leiden totwezenlijke veranderingen (gevolg-scenario's) in het gedrag van hetsysteem van gesegmenteerde rin-gen, die weer kunnen leiden totuiterste grenstoestanden. Bij deuiterste grenstoestanden zijnenkele mechanismen benoemd.In veel tunnelprojecten is hetbezwijkmechanisme met ??nvloeischarnier een uiterste grens-toestand bij ringwerking. Derekenwaarde van de combinatievan moment en normaalkrachtwordt getoetst aan het bezwijkmo-ment bij gegeven normaalkracht.De rekenwaarden worden bepaalddoor toepassing van overall veilig-heidsfactoren of parti?le belasting-en materiaalfactoren.Over het optreden van meer plas-tische scharnieren schrijven Blom[5] en Bakker [6] (fig. 4 en 5). Indeze mechanismen wordt uitge-gaan van een horizontale ovalise-ring van de lining en een onder-steunende rol van de grond. Blomgeeft aan dat, voor een enkeleovaliseren vanboortunnelovaliserende belasting? grondspanningen? groutbelasting? ophoging/ontgraving? negatieve kleeflangsvoeg? geometriegevolgscenario's? grote rotaties in langsvoeg? scheurvorming in segmenten? verschuivingen tussen ringen? verschuiving in langsvoeg? splijten door ringdruk? aanspreken kom-nokverbinding? grond of grout werkt mee in dragenvan belasting? lekkage? grond of grout werkt niet meemechanismen (ULS)? plastisch scharnier? lokaal bezwijken op dwarskracht ofafschuiven? progressive collapse kom-nokverbindingen? plastisch bezwijken? plastische scharnieren en doorslag? ondersteuning valt weg door ontgronding? uitknikken segment / lining op ringdruk? schade en/of bezwijken in omgevingsamenwerking tussenringen? axiale kracht? kom-nokverbinding? wrijving in contactvlakken? vulplaatjesoorzaken van (toenemende)ovaliseringsterkte en stijfheid segment? afmetingen? materiaaleigenschappen? aantasting (corrosie, brand)? scheurvormingsterkte, stijfheid en deformatiesvan grond en grout? boorproces? grondlagen? verweking (trillingen)? kruip / veroudering? aanleg 2e tunnelbuis3 |Schematische weergavevan oorzaken eninvloedsfactoren diekunnen leiden tot ovali-seren van de tunnelliningen tot bezwijkmechanis-men in de uiterste grens-toestand4 |Bezwijkmechanisme vanBlom voor een enkelegesegmenteerde ringmet gelijkmatige onder-steuning van de grond inde flanken met drie plas-tische scharnierenMplMplMplMpMpMpMpMpMpMpMp5 |Bezwijkmechanisme vanBakker met een homoge-ne tunnelring met vierplastische scharnieren enpuntvormige ondersteu-ning van de grond in deflankenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB oo r tunnels92 cement 2007 2ring, na het optreden van een eer-ste plastisch scharnier de ovalise-rende belasting nog met een fac-tor 3 kan toenemen, totdat er drievloeischarnieren ontstaan (fig. 6);de tunnel bezwijkt dan ten gevol-ge van een doorslagmechanisme(stabiliteit). Als stabiliteit geen rolspeelt zal de tunnel bezwijken opeen drukspanning en niet doorplastische scharnieren. Dit heeftte maken met het feit dat delining door de plastische scharnie-ren aan stijfheid verliest en derelatief stijve grond de ovaliseren-de belasting gaat compenseren. Inde lining resteren dan alleen nor-maalkrachten.Het bezwijkmechanisme gaat uitvan een star-plastisch gedrag vande lining. Dit kan worden opgevatals een tunnel met een goedesamenwerking tussen de ringen.Door de goede samenwerkingbezwijkt de gehele tunneldoorsne-de. De aanwezigheid van segmen-ten en de bijbehorende samen-werking tussen ringen is hierbijniet aan de orde. Het doorslagme-chanisme daarentegen, betreft hetgedrag van een individuele ring.Zonder een goede samenwerkingtussen de ringen heeft de doorslagjuist lokaal plaats en speelt ook deaanwezigheid van langsvoegeneen rol.De rol van grond, grout enboorprocesDe bezwijkmechanismen metmeer plastische scharnieren gaanuit van een horizontale ovaliseringvan de lining. In de flanken wordtvertrouwd op de weerstand van degrond. In de kruin en wellicht ookin de zool is alleen nog sprake vangrondbelastingen en niet meervan een ondersteunende rol vande grond. In de zone boven detunnel is sprake van grote defor-maties in de grond en maaiveld-zettingen met gevolgen voornaburige constructies.De toenemende ovalisering bijbezwijken veroorzaakt spannings-veranderingen en deformaties inde grond naast en boven de tun-nel. Door plastisch gedrag van degrond zou de samenhang ervanverloren kunnen gaan en is hetwellicht mogelijk dat anderebezwijkmechanismen van de tun-nel worden geactiveerd die afhan-kelijk zijn van de samenhang,stijfheid of sterkte van de grond.Gedacht wordt hierbij aan opbre-ken of de gevolgen van het active-ren van de liggerwerking. Dooreen toename van het liggermo-ment kan lokaal de axiale voor-spanning afnemen, waardoor desamenwerking tussen de ringenafneemt en er afschuiving in deringvoeg kan plaatshebben.Bij bezwijken door ovaliseringworden grote gapingen van voe-gen en verschuivingen tussen seg-menten en ringen verwacht. Daar-bij kan de waterdichtheid van devoegen lokaal tekortschieten enkan water de tunnel in gaan stro-men. Er is dan een bruikbaar-heidsgrenstoestand van de tunnelbereikt. Wanneer ook gronddeel-tjes met het water gaan meestro-men, of de waterdruk in de grondverandert, ontstaat er gevaar voorverlies van ondersteuning van detunnel en is er sprake van eenuiterste grenstoestand. De grout-schil kan hierbij als intermediair(als filter of als drukvereffenaar)een positieve rol spelen. De grout-schil moet dan wel voldoendevervormingscapaciteit hebben,immers het gaat om verplaatsin-gen van decimeters.De relevantie van de bouwfasevan een boortunnel voor dekrachtsverdeling is al in het COB-praktijkonderzoek rond de Twee-de Heinenoordtunnel onderkenden heeft in verschillende onder-zoeksprojecten een centrale rolgekregen, zoals de COB-Praktijk-onderzoeken Botlekspoortunnel,Sophiaspoortunnel, Groene Hart-tunnel, het promotieonderzoekvan Blom [5] en het groutonder-zoek van Delft Cluster. In dezeonderzoeksprojecten is geblekendat de groutdrukverdeling achterde TBM tot ovalisering (horizon-taal en verticaal) van de ring kanleiden. In het verleden is inmodellen veelal uitgegaan vaneen groutdrukverdeling over dehoogte met een constante gradi-ent (hydrostatische belasting). Bijzo'n drukverdeling wordt in eenring met een verende ondersteu-ning geen ovalisering verwacht.Uit metingen en berekeningenblijkt dat de groutdrukverdelingover de omtrek sterk kan fluctue-ren en zeker geen constante gra-di?nt hoeft te vertonen. Grout-drukken kunnen dus eenovaliserende belastingsituatie ver-oorzaken die grotere buigendemomenten in de lining kan ver-oorzaken dan de traditionelegrondbelastingen. Het verschilkan nog eens worden vergrootwanneer aan het grout geenondersteunende rol mag wordentoegekend en de groutdrukverde-ling als nettobelasting op delining werkt.C o n c l u s i e sBezwijkveiligheid in deontwerppraktijkIn de ontwerppraktijk voor tun-nels wordt de tunnelconstructiebeoordeeld op uiterste grenstoe-standen veroorzaakt door lokalebezwijkmechanismen (detailni-veau). De tunnel wordt geacht tezijn bezweken bij het optreden16014012010080MplMplutop (mm)ovaliseringsbelasting(%van0)60402000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10006 |Kracht-verplaatsingsdia-gram van een horizontaalovaliserende gesegmen-teerde ring volgens hetbezwijkmechanisme uitfiguur 5. Na het ontstaanvan een eerste plastischscharnier kan de belas-ting nog met een factor 3worden verhoogd totdatde ring in de kruin door-slaatO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB oor tunnelscement 2007 2 93van bezwijkmechanismen in oftussen segmenten, zoals het ont-staan van het eerste plastischescharnier, het bezwijken op dwars-kracht of het bezwijken van eenkom-nokverbinding. Er wordtgeen gebruik gemaakt van debeschikbare herverdelingscapaci-teit.Door de veiligheid van de tunnelals geheel (grond- en constructie)te beoordelen en door gebruik temaken van parti?le factoren voorde sterkte, de belasting en degebruikte modellen, kan de inte-grale systeemveiligheid wordenbepaald. Binnen L500 [3] is hier-toe een semi-probabilistischemethode ontwikkeld waarbij deverschillende onderdelen (grond/constructie) expliciet wordenbenoemd en gemodelleerd. Hetvoordeel van deze methode is decompleetheid en algemene toepas-baarheid ervan. Een nadeel lijkt debruikbaarheid te zijn (ogenschijn-lijk moeilijk toepasbaar voor deingenieurspraktijk). Een aanscher-ping van de toetsingsrichtlijn kandit mogelijk verbeterenBezwijken bij horizontaal ovaliserenUit onderzoek blijkt dat bij eenhorizontaal ovaliserende lining deovaliserende belasting na het ont-staan van het eerste plastischescharnier nog aanzienlijk kanworden opgevoerd. Onder een toe-nemende ovaliserende belastingzal de ring in theorie uiteindelijkbezwijken op een drukspanningveroorzaakt door de ringnormaal-krachten en niet op buiging.Wordt echter ook de stabiliteitbeschouwd, dan bezwijkt de tun-nel bij meer plastische scharnie-ren vanwege een doorslagmecha-nisme of door uitknikken bij eengrote ringdrukkracht. In dezemechanismen wordt uitgegaanvan een horizontale ovalisering enwordt vertrouwd op een onder-steunende rol van de grond.Bijdrage van de grond bijbezwijken bij ovaliserenIn een bezwijkmechanisme bijhorizontale ovalisering, kan degrond een zeer gunstige bijdrageleveren aan de bezwijkbelasting.Bij een goede ondersteunendewerking van de grond in de flan-ken van de tunnel wordt een zoda-nige reactie door de grond gege-nereerd dat er een geringe (ofzelfs geen) netto ovaliserendebelasting op de lining resteert. Deovalisering gaat gepaard met grotevervormingen en verplaatsingen,waardoor het mogelijk is dat ande-re bezwijkmechanismen wordengeactiveerd (bijvoorbeeld tengevolge van lekkage) voordat ditbezwijkmechanisme daadwerke-lijk zal optreden.Bezwijkveiligheid in de bouwfaseDe bezwijkveiligheid van de liningin de bouwfase (ontspanninggrond, groutinjectie) is nog maarbeperkt bestudeerd. De relevantepublicaties gaan in op de invloedvan groutdruk op de buigendemomenten, de marge tot hetbezwijkmoment van een segment-doorsnede en de wijze van ovalise-ren (horizontaal of verticaal).Zolang de groutschil nog onvol-doende stijf is, kan er bij bezwij-ken niet worden vertrouwd op deondersteuning van de achterlig-gende grond. nL i t e r a t u u r1. Lokhorst, S.J., Bezwijkveilig-heid van boortunnels; Litera-tuurstudie. Consortium DC-COB commissie TC 151, 2006.2. Wassmer, L. e.a, TunnelBoring Machine (TBM) appli-cations in soft ground conditi-ons. IMIA Meeting 2001, Syd-ney.3. CUR-COB, L500 Toetsingricht-lijn voor het ontwerp vanboortunnels voor weg- en rail-infrastructuur. Eindrapport,2000.4. Themanummer Randstadrail,Cement 2005 nr 1; blz. 25-27,30-34, 35-40.5. Blom, C.B.M., Design Philo-sophy of Concrete Linings forTunnels in Soft Soils. Proef-schrift, TU Delft, 2002.6. Bakker, K.J., Soil retainingstructures; development ofmodels for structural analysis.Proefschrift, TU Delft. 2000.O n d e r z o e k s k a d e rHet onderzoek betreffende bezwijkmechanismen bij geboorde tunnelsmaakt deel uit van het gezamenlijk onderzoek van het consortium DC-COB, het samenwerkingsverband tussen Delft Cluster en het CentrumOndergronds Bouwen. Het literatuuronderzoek is uitgevoerd in het kadervan het project `Bezwijkveiligheid Boortunnels', waarin op basis van litera-tuurstudies, grootschalige proeven en numerieke analyses op verschillendeschaalniveaus, inzicht wordt verkregen in de bezwijkveiligheid vangeboorde tunnels.De begeleidingscommissie van het project wordt gevormd door de volgendedeelnemende partijen: TNO Bouw en Ondergrond (projectleiding), DeTechnische Universiteit Delft, Rijkswaterstaat Bouwdienst, Het CentrumOndergronds Bouwen (COB), Delft Cluster, Movares, Arcadis en Gemeen-tewerken Rotterdam.