C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2004 150C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gDe bouwmethode berust op een,tussen de later te boren tunnel-buizen, vooraf gemaakte bouw-kuip, van waaruit een verbindingmet de buizen wordt gemaakt. Dewanden van de bouwkuip zijngevormd door twee U-vormige endrie rechte diepwandpanelen(fig. 1). De vorm van de kuip isbepaald door de afstand tussen detunnelbuizen en de breedtevan de dwarsverbinding. Om dewerkruimte in de schacht niet tebeperken,zijnstempelramenver-meden. Het tussenpaneel doetover de diepte van de kuip dienstals stempel. De belasting doorgrond en water wordt horizontaalafgedragen door de diepwand; dehoofdwapening ligt dus horizon-taal. De bouwkuipen zijn nat ont-graven tot circa NAP - 27 m,waarna het onderwaterbeton isgestort. Voor verankering van deonderwaterbetonvloer zijn in dediepwanden inkassingen voor-zien.Belangrijk in dit concept is de vei-ligheidsfilosofie. De verbindingtussen bouwkuip en tunnel wordtonafhankelijk van de boortunneluitgevoerd. De verbinding isbewezen waterdicht te zijnvoordat de doorbraak in de liningwordt gemaakt. Eventuele cala-miteiten beperken zich dan tot debouwkuip.F a s e r i n gNadat de bouwkuip gereed en deTBM gepasseerd is, kan wordenbegonnen met het aanbrengenvandevriesinstallatieendebeton-constructie.Fase 1: Aanbrengen vrieslichaam(fig. 2)De verbinding tussen diepwanden geboorde tunnel wordt totstand gebracht door een tijdelijkvrieslichaam op basis van stik-stofkoeling. Om het vrieslichaamgoed te laten aansluiten aan detunnel, wordt de binnenzijde vande tunnel voorzien van isolatie-materiaal over het te bevriezendeel. Tevens worden thermokop-pels in de lining aangebracht.Stalen profielen aan de binnen-zijde van de tunnel steunen hetsegment waartegen later wordtontgraven (foto 3).Vanwegedewaterdrukwordendevrieslansen via een boorsluis(afsluiter, afgeklemd door rubberpackers) vanuit de bouwkuip tottegen de lining geboord. Daarnaworden de leidingen in de bouw-kuip voorzien van isolatie enworden de nodige veiligheids-voorzieningen aangebracht. Eenventilator zorgt voor de luchtver-versing vanonder uit de schachtnaar maaiveldniveau, waarbij hetzuurstofgehalte van de lucht in deschacht wordt gecontroleerd.Omdat stikstof zwaarder is danlucht, bestaat het risico dat bijlekkage onderin de schacht onge-merkt te veel stikstof ontstaat.Door het gebruik van stikstof isbinnen drie dagen het volledigevrieslichaam gevormd.Fase 2: Doorbreken diepwandNadat het vrieslichaam is gecon-troleerd op lekkages kan deopening in de diepwand wordengemaakt. Het vriezen wordt metveel minder stikstof terugge-bracht tot het in stand houden vanhet vrieslichaam. Na kernborin-gen ?110 mm rondom de temakendoorbraakindediepwand,wordt met twee vijzels in ??n keereen betonblok van 12 ton uit dediepwand getrokken en op eenhulpconstructie geplaatst. Daar-na wordt dit met een mobielekraan uitgehesen.Dwarsverbindingen BotlekspoortunnelDiepwanden bieden veiligeoplossinging. C. Huisman, HBG Civiel / Delta Marine Consultantsing. F. Vahle, Holland RailconsultDe Botlekspoortunnel heeft twee buizen van 1840 m lengte met drie dwars-verbindingen1). De plaats van de dwarsverbindingen is sterk bepaald door derivier, de weginfrastructuur en kabels en leidingen. De onderlinge tussenaf-stand van de dwarsverbindingen is maximaal 600 m.Vanaf NAP + 3,5 m bestaat het bodemprofiel uit een 5 m dikke opgebrachtezandlaag op Holocene veen- en kleilagen en vanaf NAP - 17 m uit hetPleistocene zand.9500 65065066008005000800800 3550 800 3550 800zuidspoornoordspoorkabelkokerluchtkoker1 | Bovenaanzicht bouwput1) De plaats van de dwarsverbindingen is aangegeven op het lengteprofiel van de Botlekspoortunnel op pagina36 van dit nummer van Cement.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2004 1 51Fase 3: Verwijderen grondDe grotendeels bevroren grondbinnen de vriesring, alsmede degroutomhulling van de tunnelworden zover weggehakt als voorde betonconstructie nodig is. Omhet vrieslichaam te fixeren opdattijdens het betonstorten geengrond loskomt, wordt dit voor-zien van een laag spuitbeton.Door de buitenluchttemperatuurin de schacht is de binnenzijdevan het vrieslichaam losser vanstructuur.Fase 4: Aanbrengen betonconstruc-tieHet aanbrengen van de defini-tieve betonconstructie wordt ineen aantal fasen uitgevoerd.Omdat de betonconstructie eenverbinding is tussen een starrediepwandeneentunneldieenigs-zins moet kunnen bewegen, zijnvoegen noodzakelijk (fig. 4).Tussen betonconstructie en diep-wand is een rubber voegenbandW9U aanwezig voor de verticalebeweging. De verbinding tussenbeton en tunnellining is dubbelwaterkerend:? een rubber hoekprofiel is voor-afgaand aan het betonstortenbevestigd met klemstrippen aanin de segmenten ingestorteDEMU-ankers;? een plat rubberprofiel wordtachteraf aangebracht en beves-tigd met achteraf ingeboordelijmankers, type Hilti HVA-HIS(fig. 5).Horizontaalwordtdetunnellininggesteund door rubber oplegblok-ken.Eerst wordt de vloer gestort ennadat deze is verhard wordt eengesloten bekisting aangebrachtwaarin wanden en dak in ??n keerworden gestort. Het beton wordtaan de onderzijde van de bekistingingepompt en vult onder druk degehele bekisting tot aan de boven-zijde tegen het grondmassief.vrieslichaamvrieslichaamasnoordspooraszuidspooras tunnelonderwaterbetonN.A.P.maaiveldvrieslansvrieslansleidingkokerthermokoppelskooiladder2 | Fase 1 - aanbrengenvrieslichaam3 | Stalen profielen aan bin-nenzijde tunnel steunensegment waartegen laterwordt ontgraven150?100750150150?14024530?803(rondom)spuitbeton(diepwand)voegenband W9Urubber oplegblok 150x50ringvoeg afdichteninjectieslangna- injecteerbareslooplijn tunnelelementeninjectieslangstalen klemconstructierubber afdichting metisolatiekoord ?20AlsiflexFiberpak voegvullingbevestigen met bouten M20x70rubber hoekprofiel met klemprofiel19.694-17.094-4 |Aansluiting dwarsverbin-ding op tunnelwand enbouwkuipC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2004 152Vanwege het storten zonder ver-dichten en tegen bevroren grondwordt zelfverdichtend beton toe-gepast. De materialen wordendroog voorgemengd op het werkaangevoerd. Op het maaiveldwordt het water toegevoegd,waarna het beton onderin deschacht wordt gepompt. Hetgedrag van het mengsel incontact met de bevroren grond(-20 C) was vooraf in een proef-stort onderzocht. Door de ver-hardingssnelheid van hetmengsel wordt bevriezing voor-komen.Na de verharding van de beton-constructie kan het vriezenworden be?indigd en de isolatieen de hulpconstructies wordenverwijderd.Fase 5: Werkzaamheden tweedetunnelbuisDe hiervoor beschreven werk-zaamheden worden herhaaldvoor de tweede tunnelbuis en zijngelijk aan fase 1 t.m. 4.Fase 6: Doorbreken liningAls de twee tegenover elkaar lig-gende buizen zijn aangesloten opde bouwkuip, wordt in de schachtde vloer van de verbindingskokergestort. Hierna wordt aan de door-braak in de tunnellining begon-nen. Omdat de halve breedte vaneensegment (750mm)in??nkeerwordt verwijderd, moet het reste-rende halve segment de volledigebelasting kunnen opnemen,waartoe het van extra wapening isvoorzien. De vorm van de openingis afgestemd op de afmeting vande segmenten, waardoor metbetonnen segmenten kan wordenvolstaan.De met overlappende kernborin-gen ?110 mm uitgeboordeliningpanelen worden opgehan-gen in een hulpconstructie,waarna deze met een mobielkraantje kunnen worden uitgetilden afgevoerd via de tunnelbuis.Het platte rubber voegprofiel kannu worden aangebracht; de lozedriehoekige ruimte wordt afge-dekt met een stalen plaat.Fase 7: EindfaseWanden en dak van het gedeeltedwarsverbinding in de bouwkuipworden gebouwd, waarna debouwkuip weer wordt aangevuld.Ten slotte wordt de diepwand tot2,5mondermaaiveldafgebroken.V r i e s p r o c e sTijdens het vriezen wordt de vei-ligheid in de bouwkuip gewaar-borgd door de luchtkwaliteit tecontroleren met een zuurstofme-ter, uitgerust met twee alarmni-veaus: het eerste, optisch, als hetzuurstofpercentage daalt onder20% en het tweede, zowel optischals akoestisch, bij een zuurstof-percentage van 19%. De stikstof-toevoer wordt dan direct gestopt.Vloeibare stikstof van -196 Cwordt vanuit een voorraadtank viaeen binnenbuis in de grondgebracht en via een buitenbuis eneen afstandsbuis om de binnen-buis, teruggevoerd naar maaiveld(fig. 7). De warmte in de grondwordt meegenomen en aan debuitenlucht afgegeven, het zoge-noemde `afblazen'. Omdat luchtvoor het grootste deel uit stikstofbestaat, geeft dit geen milieupro-blemen.De vrieslansen ?60,3 mmworden vanuit de bouwkuip doorde diepwand tot op de tunnelli-ning geboord. De onderlingeafstand van de vriescilinders is0,90 m, de theoretische diametervan de vrieslichamen is 1,60 m.Rondom de te maken openingworden achttien vrieslansenaangebracht. In deze buitenlan-sen worden de binnenlansen?22 mm geplaatst, gecentreerddoor de afstandsbuizen.De locatie van de opening in delining is afhankelijk van de locatievan de ringvoeg van de desbe-treffende ring, die door diverseoorzaken in langsrichting kanafwijken. Daarom moet de positieeerst worden opgemeten voordatde lansen kunnen worden aange-bracht. De positie van de ringvoegkan alleen aan de binnenzijde vande tunnel worden bepaald. Dooreen meting in de tunnel naar deingang, daarna naar maaiveldni-veau, terug naar de dwarsverbin-ding en vervolgens weer 20 m6 |W9U-voegenband in aan-sluiting aan binnenzijdediepwand; verbindingtussen diepwand entunnel reeds gestort,tunnelwand nog nietdoorgebroken5 | Plat rubber voegprofieltussen dwarsverbindingen tunnelwand metklemstrippen, bevestigdmet ingeboorde lijm-ankersN -uitlaat2afstandsbuisbinnenbuisvrieslansLN2LN2tankthermokoppelsbevroren grondG.W.S7 | Schema grond bevriezenmet LN2C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2004 1 53naar beneden, wordt de positie inde schacht bepaald.De meet- en regelunit voor hetvriezen wordt in een portocabinin de bouwkuip aangebracht endoor een computer geregistreerd.Het gehele systeem is automa-tisch geregeld en bij storingenwordt dit telefonisch gemeld bijde projectleider van het vriezen.Bij uitval van het systeem duurthet geruime tijd voor het vriesli-chaam gaat lekken. De reactietijdop storingen is dus ruim voor-handen.Het vriesproces vereist een mini-maalwaterpercentageindegrondvan 10%. Aangezien onder hetgrondwater wordt gewerkt is dathier geen probleem. Tevens is desamenstelling van de te bevriezengrond van belang, in hoofdzaakzand of klei. Als water bevriest zetdit uit, hetgeen spanningen totgevolg kan hebben, waarbij klei-grond veel grotere spanningenoplevert dan zand. Bij de Botlek-spoortunnel bestaat de omgevingvan de dwarsverbinding uit zand,waarvan in figuur 8 een zeefana-lyse van twee bevroren monstersis gegeven.Om het vriesproces in goedebanen te leiden zijn drie tempe-ratuurlansen aangebracht. Tweeervan, T1 en T2, worden respec-tievelijk aan de bovenzijde en aandeonderzijdeschuindoorhettoe-komstige vrieslichaam geboord(fig. 9). Een temperatuurlansbevat tien thermokoppels oponderlinge afstanden van320mm.Doordezeschuinestandis het mogelijk door de tempera-tuur de dikte van het vrieslichaamte bepalen. De rand van het vries-lichaam wordt bepaald door depositie waar de temperatuur -2 Cis. Een derde temperatuurlans,T3, is evenwijdig aan een vries-lans geplaatst om de buitenzijdevan de betreffende cilinder vast testellen.Als laatste is in het midden vanhet vrieslichaam een ontwate-ringsboring aangebracht, verbon-den met een waterslang in debouwkuip. Als het vrieslichaam isgesloten, loopt de waterdrukbinnen het vrieslichaam op,hetgeen waarneembaar is als deafsluiter wordt geopend.Nadat het totale systeem is ge?n-stalleerd, wordt gestart met`invriezen', volautomatisch, tem-peratuur- en drukgeregeld. Rondelke vrieslans wordt een zichradiaal uitbreidend vrieslichaamgevormd. Dit proces wordtgevolgd met de temperatuurlan-sen. In de periode dat de vriesli-chamen met elkaar in contactkomen en een vast bevrorenlichaam gaan vormen, wordt veelstikstof verbruikt.Na het invriezen wordt de stik-stoftoevoer zodanig terugge-8 |Zeefkrommen bevrorenzand01020304050607080901000,001 0,01 0,1 1 10 100zeefopeningzanddoorval(%)onderwaterbetonT2T3T1Hartlijndoorbraakverticaalhartlijn tunnel=hartlijn doorbraakbij verrolling = 09 |Locatie temperatuur-lansen T1, T2 en T3C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gBoor tunnelscement 2004 154bracht dat het vrieslichaam `instand wordt gehouden'. Dit isgoed zichtbaar in figuur 10. Dezwarte lijn geeft de afblaastempe-ratuur aan waarop wordtgestuurd. De eerste drie dagen isdeze temperatuur circa -120 C,waarna de temperatuur wordtteruggebracht naar -60 C en-50 C. De tien verschillende ther-mokoppels tonen elk een eigentemperatuurverloop, afhankelijkvan de afstand tot de vrieslans.Figuur 11 toont het verloop van detemperaturen over de lengte vande temperatuurlans, in de tijdgezien: negen krommen van 0 tot1200 uur, bovenste schaalverde-ling. De merktekens op de negenkrommen geven de plaats aan vande thermokoppels. Tevens is deafstand aangegeven van de ther-mokoppelstotdekernvandevries-lans: dikke blauwe lijn, ondersteschaalverdeling.Starttemperatuurop tijdstip 0 uur is 17 C. Vervol-gens wordt na 24 uur, 48 uur enz.het verloop aangegeven. Reeds na48 uur is ongeveer in het middenvan de vriescilinder op 0,47 mafstand van de kern, de tempera-tuur -38 C.Als van de meetdata de tempera-tuur wordt uitgezet tegen deafstand tot de kern ontstaat figuur12. Door een lijn op temperatuur-2 C te trekken, is af te lezenwanneer het ijslichaam vol-doende dikte heeft. De vereistedikte van 1,60 m (2 x 0,80 m) ont-staat dus tussen 48 en 96 uur.De thermokoppels aan de bin-nenzijde van de tunnel geven detemperatuur van de lining aan,waaruit is af te leiden of het vries-lichaam voldoende aansluitingheeft met de tunnel.T e n s l o t t eDe Botlekspoortunnel was deeerste boortunnel waarbij dedwarsverbindingen tot standwerden gebracht met de vries-techniek. Vanuit het speciale vei-ligheidsconcept met een schachtvanaf maaiveld is met stikstof-koeling een veilige en snellemethode toegepast die als succes-vol kan worden beschouwd. Ookdetoepassingvanzelfverdichtendbeton in een opgesloten en bevro-ren ruimte is goed toepasbaargebleken. -160-140-120-100-80-60-40-200204023-7 30-7 6-8 13-8 20-8 27-8 3-9 10-9 17-9datumT1-1 T1-2 T1-3 T1-4T1-5 T1-6 T1-7 T1-8T1-9 T1-10 afblaastemperatuurtemperatuur(c)00,511,522,533,50,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20afstand tot vrieslans [m]afstandinlengterichtingvrieslans-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20afstand tot vrieslans T1 0 h T1 24 hT1 48 h T1 120 h T1 168 hT1 192 h T1 384 h T1 720 hT1 1200 htemperatuurverloop over lans T1-50-40-30-20-10010200,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1afstand tot vrieslans (m)temperatuur(C)T1 0 hT1 36 hT1 48 hT1 96 hT1 168 hT1 192 hT1 384 hT1 720 hT1 1200 hT = -2 ?C10 |Temperatuurverloop gemeten met lans T1 tijdens instandhou-den vrieslichaam11 |Temperatuurverloop over de lengte van lans T1, gezien in detijd12 |Temperatuur als functie van de afstand tot lans T1 voor demeetdata; dikte vrieslichaam