C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTu n n el b o u wcement 1999 228P r o b l e e mDe ontwikkeling van de LSM isgestart bij de tender van een boor-tunnel, de Elbetunnel, in 1994.Bij het bepalen van het lengte-profiel moesten verschillendeaspectenwordenafgewogen,zoalsde helling van de tunnel en de teboren afstand. Uit economischeoverwegingen is gekozen vooreen zo kort mogelijk boortraject.De consequentie van het gekozenlengteprofiel was, dat de tunnelhalf in de rivierbodem kwam teliggen en half in het water (fig. 1,profiel B). Hiervoor was op debodemvandeElbeeenwaterdichtballastbed noodzakelijk. Het borenzou dan gedeeltelijk door de ori-ginele rivierbodem en gedeelte-lijk door het aangebrachte LSM-ballastbed gaan plaatshebben.De aan de LSM gestelde `eisen'voor een optimaal boorproceswaren vrij summier:- het materiaal moet te snijdenzijn met een mes;- het materiaal moet nog netmet de duim ingedruktkunnen worden;- bij het wrijven over hetmateriaal moeten zandkorrelsloskomen.O p l o s s i n g s r i c h t i n gIn het HBW-laboratorium isuitgebreid onderzoek verrichtop verschillende potenti?le LSM-samenstellingen.Gezien de functie als ballastbedmoest een relatief hoge volu-mieke massa worden gereali-seerd,gecombineerdmeteenlagedruksterkte, een lage elasticiteits-modulus en een absolute water-dichtheid. De manier van aan-brengen maakte eigenschappenzoals verpompbaarheid en dedaarbij behorende stabiliteit vanhet mengsel ook belangrijk.Een uitgebreid aantal materialenis op hun geschiktheid onder-zocht. Het onderzoek naar eenpraktisch toepasbaar LSM-meng-sel is uiteindelijk voortgezet metcement, bentoniet (kleisoort),water, zand en hulpstof (plastifi-ceerder).Hoewel het voor de HBW alleenbij een tender is gebleven, ishet onderzoek toch succesvol ge-weest. Op basis van de genoemdematerialen is het gelukt een lage-sterktemortel te maken die op allegebieden voldeed aan de doel-stelling. Bovendien is het eenzeer waardevolle eerste ervaringgeweest met een lagesterktemor-tel, een materiaal met de eerdergenoemde eigenschappen, dat totnu toe nog niet ontdekt was.B o r e n i n z a c h t e b o d e mCivieltechnisch gezien is de toe-passing van geboorde tunnelseen bekend begrip over de helewereld. Zowel in harde als zachtegrond is het mogelijk een tunnelte boren. Bij het boren in zachtebodem is het noodzakelijk onderoverdruk te werken (vloeistof-schild-ofgronddrukbalansschild-methode), aangezien grond enwater anders ongehinderd in deDichtblokvan lagesterktemortelWinnaar Uitvoeringsprijs 1998ing.R.H.C. van Berkel, Hollandsche Beton- en Waterbouw bvIn tegenstelling tot de trend naar steeds hogere betonsterkteklassen in dehedendaagse betontechnologie, is bij de Hollandsche Beton- en Waterbouwbv ook een ontwikkeling gaande op het gebied van lagesterktemortels (LSM).Het betreft de toepassing van stabiel waterdicht materiaal met een lage sterk-te bij (onder)grondconstructies. Doordat de materiaaleigenschappen van delagesterktemortel vrij eenvoudig zijn aan te passen aan specifieke omstandig-heden, heeft het materiaal een veelbelovende toekomst.1 | LengteprofielenElbetunnelcement 1999 2 29reeds geboorde tunnel kunnenstromen. Dit veroorzaakt instor-ting van het boorfront met allegevolgen van dien. Vooral bij deaanvang en ontvangst van detunnelboormachine is de kanshierop groot.Om te voorkomen dat het grond-lichaam aan het begin en eindvan de tunnel instort, wordt degrond bij een zachte bodemmeestal gestabiliseerd. Gebruike-lijke methoden zijn jet-grouting,diepwanden en de mixed-in-place-methode.Bij jet-grouting wordt met eeninjectielans grout onder hogedruk in de grond geperst, waar-door op de gewenste plaats eengroutlichaam ontstaat. Door eenbepaald stramien van injectie-punten te kiezen kan een laagworden gemaakt die waterdichten stabiel is.Diepwanden zijn in de grondgevormde wanden die gemaaktworden door een sleuf te gravenen deze vervolgens met een ben-toniet-cementmengsel te vullen.Door nu verschillende diepwan-den tegen elkaar te graven, kanookeengrondlichaamwordenge-maakt dat waterdicht en stabiel is.Bij de mixed-in-place-methodewordt de bestaande grond dooreen avegaar vermengd met bij-voorbeeld een groutmengsel.T w e e d e H e i n e n o o r d t u n n e lIn oktober 1995 is de aannemers-combinatie TCH, waarin HBWdeelneemt, begonnen met debouw van de eerste geboordetunnel in Nederland: de TweedeHeinenoordtunnel (foto 2).Als onderdeel van het definitieveontwerp is ook naar de grondsta-bilisatie aan begin en eind van detunnel gekeken. Hierbij is hetidee ontstaan om in plaats vande conventionele methoden vangrondstabilisatie, een lagesterkte-mortel toe te passen in een uitge-graven bouwkuip, voortbouwendop de ervaringen met de tendervoordeElbetunnel.Doorderecht-hoekige vorm en de functie wordtdit het dichtblok genoemd (fig. 3).Met een nieuw onderzoek, toege-spitst op de situatie bij de Hei-nenoordtunnel, moest een LSM-samenstellingwordenontworpenwaaraan strenge eisen warengesteld,medevanwegehetuniekekarakter van het dichtblok en zijneerste toepassing in de wereld.Gezocht is naar de juiste druk-sterkte en elasticiteitsmodulusvan het materiaal, gecombineerdmet een goede verwerkbaarheid,stabiliteit, vloeibaarheid en volu-mieke massa, zonder krimp-scheuren in verband met devormingvanpotenti?lelekwegen.In verband met de slijtage van deboortanden en het vervormings-gedrag tijdens het boren zijnmet name de druksterkte en deelasticiteitsmodulus bepalend.Dit resulteerde in de volgendeuitgangspunten:- druksterkte: 2 - 5 N/mm2, ver-taald in een betonsterkteklasseB 1 (normale sterkteklasse B 35);- elasticiteitsmodulus 500N/mm2 (zeer laag in mortel-termen).Na een uitvoerig en intensiefonderzoek heeft dit uiteindelijkgeresulteerd in het mengsel dat isweergegeven in tabel 1.cement 150zand 1080water 570superplastificeerder 6bentoniet 352 | TunnelboormachineFoto: Aeroview Dick Sellenraad3 | Boormachine half in hetdichtblok bij de start vanhet borenTabel 1Samenstelling lagesterkte-mortel als dichtblok-materiaal voor TweedeHeinenoordtunnel (kg)C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTu n n el b o u wcement 1999 230Met een succesvolle praktijkproefis de vertaalslag gemaakt van deresultaten uit het onderzoek naarde praktijk. De ervaringen hier-mee waren zeer goed, zodat ergeen noemenswaardige verande-ringen in het mengsel nodigwaren, ook niet ten aanzien vanmengproces en transport.Het LSM-mengsel is aan beidezijden van de Heinenoordtunnelmet succes aangebracht (foto 4).Het is gestort in bouwkuipen opdezelfde wijze als bij onderwater-beton gebruikelijk is.Bij het boren door beide dicht-blokken zijn totaal geen proble-men opgetreden, zoals wel vaak isgebeurd bij de conventionelemethoden van grondstabilisatie.Doordat de druksterkte en de rek-capaciteit (= elasticiteitsmodulus)van het LSM-materiaal goedbeheersbaar zijn, is het borendoor het dichtblok zeer goedgegaan zonder enige overmatigeslijtage anders dan die doorgrond.T o e p a s s i n g e nDe ervaringen met het LSM-mengsel als dichtblok zijn veel-belovend, omdat de materiaalei-genschappen vooraf kunnenwordenbepaaldenopeenvoudigewijze kunnen worden aangepastaan specifieke omstandigheden.Andere toepassingen zijn ookmogelijk zoals grondaanvullingof andere (onder)grondconstruc-ties, waarbij een stabiele water-dichte grond/materiaal met eenlage sterkte nodig is.In vergelijking met conventionelemethodenvangrondstabilisatieis??n van de onbetwistbare voorde-len van LSM, dat het een volledigcontroleerbaar proces is. Immersde grond wordt vervangen dooreen materiaal met gecontroleerdeeigenschappen. Bij jet-grouting,diepwanden en de mixed-in-place-methode is de stabilisatievan de grond nooit goed te con-troleren, hetgeen vaak een bronvan problemen is vanwege instor-ten en lekkage.Bovendienzijndekostenvancon-ventionele methoden van grond-stabilisatie ten minste twee keerzo hoog als met het LSM-dicht-blok.De verbeterde beheersing van hetbouwproces helpt mee aan deontwikkeling en acceptatie vangeboorde tunnels in een zachtebodem zoals in Nederland.Het LSM-dichtblok zal bij nog terealiseren boortunnels, zowel inNederland als in het buitenland,toegepast gaan worden. Een voor-beeld hiervan is de Botlekspoor-tunnel.Vanwege het unieke karakter vanhet geheel is een octrooi aange-vraagd. sProjectgegevensbedenker:Hollandsche Beton- en Waterbouw bvopdrachtgever:Bouwdienst Rijkswaterstaathoofdaannemer:Tunnel Combinatie HeinenoordC i t a a t u i t h e t j u r y r a p p o r t"De uitvoeringsmethode die met hulp van lagesterktemortel kon wordentoegepast, had tot doel een goede stabilisatie te krijgen aan het begin vaneen boortraject bij ondergronds bouwen. De verkregen grondstabilisatieheeft vooraf vastgestelde eigenschappen, is in een goed beheersbare pro-cesgang uit te voeren en komt tegemoet aan de verbetering van arbeids-omstandigheden. Het is een methode die bij de huidige belangstelling voorondergronds bouwen zeker verdere toepassing zal vinden en is daaromeen innovatieve ontwikkeling die veel toepassingsmogelijkheden zalkennen.Deze nieuwe methode van start- en ontvangstschacht van een boortunnelis een van de duidelijke resultaten van de inspanningen om ondergrondsbouwen in Nederland van de grond te tillen. De mare dat de boortechnieken zijn principes geheel uit het buitenland komen, is hiermee gelogen-straft. De ontwikkeling van het lagesterktemortel-dichtblok is een combi-natievanverschillendevakdisciplines,techniek,betontechnologie,dieleidttot een verbeterde uitvoeringstechniek in de eerste, zeer kritieke fase vanhet boorproces. Het bevordert niet alleen de beheersbaarheid van hetproces, maar vermindert ook de grote risico's, verhoogt de veiligheid voorde mensen die het boren uitvoeren en is prijstechnisch goedkoper dan deconventionele oplossingen. Het ontwikkelen van de juiste lage sterkte vanhet beton geeft weer een andere dimensie aan de betontechnologie, waarmen veelal streeft naar meer, beter, sterker."4 | Aanzicht dichtblok doorbrilwandFoto: Ingrid van Beek
Reacties