cement 1999 2 75O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwir.W.H.N.C. van Empel,Witteveen + Bos, adviesbureauNoord/Zuidlijn Amsterdamir.R.G.A. de Waal endr.ir.C. van der Veen, TU Delft,sectie Betonconstructies.Voor ontwerp en dimensioneringvan gesegmenteerde geboorde tun-nels is de laatste decennia een grootaantal modellen opgesteld en geop-timaliseerd. In het leeuwendeel vandeze modellen wordt de tunnel alseen door de omringende grond be-lasteenondersteunderingbeschouwden gemodelleerd (ringwerking). In deNederlandse situatie, waarin veelalsprake is van zeer slappe grond, kanechter ook krachtswerking in langs-richting van de boortunnel optreden(liggerwerking).In het buitenland is veelal sprakevan relatief stijve grondsoorten,waardoor de beschikbare model-len ter kwantificering van hetliggerwerkingsmechanisme zeerschaarsenrelatiefeenvoudigzijn.Gezien de bodemgesteldheid inNederland was dit voor de eersteauteur aanleiding zijn afstudeer-werkinsamenwerkingmetdeTUDelft, TNO Bouw en het advies-bureau Noord/Zuidlijn Amster-dam aan het fenomeen ligger-werking te wijden [1].Nadat een uitvoerige literatuur-studie is uitgevoerd, zijn het buig-en afschuifgedrag van een alsligger belaste boortunnel op ana-lytische en numerieke wijze ge-kwantificeerd. Ter illustratie vande afgeleide modelconcepten iseen case-studie voor een trac?-gedeelte van de Noord/Zuidlijnte Amsterdam uitgevoerd.Dit artikel is een bondige samen-vatting van het afstudeeronder-zoek en geeft een globaal beeldvan de voor liggerwerking rele-vanteaspectenendewijzewaarophet liggerwerkingsmechanismemet een eenvoudig balkmodelkan worden gemodelleerd.De globale geometrie van en dekrachtswerking in een geseg-menteerde boortunnel zijn weer-gegeven in figuur 1.A a n d a c h t s g e b i e d e nl i g g e r w e r k i n gGlobaal heeft liggerwerking eentweetal oorzaken:Sterk vari?rende belasting langs detunnelasOngelijkmatige zettingen langsdetunnelasofeenlokalebelasting(bijvoorbeeld ten gevolge van eenophoging op maaiveld) belastende boortunnel als ligger.Verhinderde opdrijving van deboortunnelNa aanleg van een boortunnel zalzich lokaal een nieuw evenwichtin de grond instellen. Dit gebeurtdoor opdrijving en ovalisatie vande tunnel, hetgeen in het gevalvan ondoorlatende grond vooreen belangrijk deel op lange ter-mijn zal optreden. Indien boven-1 | Globale geometrie enkrachtswerking gesegmen-teerde boortunnela. gesegmenteerde liningb. vlakke ringvoegc. ringwerkingd. liggerwerkingB e g e l e i d i n g s -c o m m i s s i eDe commissie voor debegeleiding van het afstudeer-onderzoek bestond uit prof.dr.ir.J.C. Walraven, dr.ir.C. van derVeen en ir.R.G.A. de Waal(TU Delft), ir.M.A.T.Vissche-dijk en ir.F.B.J.Gijsbers (TNOBouw) en ir.F.J.Kaalberg(Adviesbureau Noord/ZuidlijnAmsterdam).Winnaar Studieprijs 1998LiggerwerkinggesegmenteerdeboortunnelsringvoeglangsvoegmontagenokafdichtingsprofielvoegmateriaalaMQbc dN NQ QM MNcement 1999 276O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTu n n el b o u wgenoemdeopdrijvinglokaalwordtverhinderd ter plaatse van eenonderheide start- of ontvangst-schacht of een stijve grondlaag,zalliggerwerkingoptreden(fig.2)V e r v o r m i n g s m e c h a n i s m e nBuigmechanismeHet buiggedrag van een geseg-menteerde lining wordt in hogemate bepaald door de aanwezig-heid van ringvoegen en een axialevoorspanning, die voortkomt uitvijzelkrachten die in de bouwfasedoor de tunnelboormachine in detunnel worden ingeleid. Aange-zien ter plaatse van de ringvoegengeen trekspanningen kunnenworden overgedragen zal, indienhet buigend moment voldoendegroot is ten opzichte van de axialevoorspanning, openstand vanringvoegen optreden. Ten gevol-ge van deze openstand zal debuigstijfheid van de tunnel lokaalgereduceerd worden, waardoorsnedekrachten worden herver-deeld en getemperd. Met het oogop waterdichtheid van de liningdient de eventuele openstand vanzowel ring- als langsvoegen dus-danig beperkt te blijven, dat de inde voegvlakken aangebrachte af-dichtingsprofielenhetgrondwatermet voldoende zekerheid kunnenkeren.Op basis van het ontwerp van deTweede Heinenoordtunnel zijnde implicaties van de aanwezig-heidvanKaubit-entriplexplaatjesterplaatsevaneenvlakkeringvoeggekwantificeerd. Belangrijke con-clusie hierbij was dat het buigge-drag in hoge mate afhankelijk isvanderingvoeggeometrie.Indiende axiale voorspanning discreetter plaatse van de stijve triplex-plaatjesindesegmentenringwordtgeleid, reageert de op buigingbelaste lining aanzienlijk slapperdan in het geval van continue last-inleiding door beton-op-betoncontact ter plaatse van de ring-voegen. Beton-op-beton contacttreedt op bij toepassing van Kau-bitplaatjes, die door hun bitumi-neuzesamenstellingvrijwelgeheelinderingvoegwordenweggeperst.Naast discrete normaalkracht-inleiding heeft een significanteflexibiliteit van het ringvoegmate-riaal (triplex) eveneens een aan-zienlijke reductie van de buig-stijfheid van de lining tot gevolg.Voor de Tweede Heinenoordtun-nel, waar per ringvoeg 28 triplex-plaatjes werden toegepast, is eenbuigstijfheid afgeleid die slechts30% bedraagt van de buigstijf-heid, behorende bij een situatiemet beton-op-beton contact in deringvoegen (Kaubitplaatjes).AfschuifmechanismeOok het afschuifgedrag van degesegmenteerde lining wordt be-heerst door de aanwezigheid vanringvoegen en de mate van axialevoorspanning. De vlakke ringvoe-gen hebben een beperkte dwars-krachtcapaciteit, die voortkomtuit droge wrijving in het ringvoeg-vlak. Indien de dwarskracht vol-doende groot is ten opzichte vande axiale voorspanning, zal af-schuiven van het ringvoegvlakoptreden,wateenherverdelingvansnedekrachten tot gevolg heeft.Het afschuifgedrag van een ge-segmenteerde lining wordt medebepaald door aanwezigheid eneigenschappen van het ringvoeg-materiaal. Indien de dwarskrachtdiscreet in de segmentenringwordt ingeleid (triplexplaatjes)reageert de op afschuiving belastelining aanzienlijk slapper dan inhet geval van continue dwars-krachtinleiding door beton-op-beton contact ter plaatse van deringvoegen (Kaubitplaatjes). Toe-passing van triplex plaatjes alsringvoegmateriaal resulteert ineen afschuifstijfheid die in hetgeval van de Tweede Heinenoord-tunnel slechts enkele procentenvan de monoliete afschuifstijf-heid bedraagt.L i g g e r w e r k i n g m o d e lDe genoemde aspecten van dekrachtswerking van een geseg-menteerde lining zijn verenigd ineen numeriek balkmodel, waarindeliningalsslanke,verendonder-steunde ligger is gemodelleerd(fig. 3). De effecten van eventueleringvoegopenstand (buigmecha-nisme) worden verdisconteerddoor aan het balkmateriaal eenverwaarloosbare treksterkte toe tekennen. De aan discrete scheur-vormingonderhevigeliningwordtderhalve gemodelleerd als eencontinugescheurdebalk(smeared-2 | Aandachts-gebieden ligger-werkinga. overgang schacht -slappe grondb. overgang slappegrond - stijve grondV r a a g h e t v o l l e d i g e a r t i k e l a a nDe hier gepubliceerde tekst is een verkorte versie van het artikel`Liggerwerking van gesegmenteerde boortunnels' van dezelfde auteurs.Zij gaan hierin dieper in op het principe van liggerwerking, waarnaeen overzicht wordt gegeven van de beschikbare modellen.U kunt hetvolledige artikel opvragen via de Beton-Info-Fax, (073) 640 12 84,of via e-mail, betoninfo@enci.nlschacht dichtbloktunnelbuispaalfundering stijve grondslappe grondabcement 1999 2 77O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eTunnelbouwcracking concept). Eventuele ring-afschuiving(afschuifmechanisme)wordtverdisconteerddoordebalk-elementen waarmee de tunnel-ringen worden gemodelleerd, tekoppelen door interfaces met ge-limiteerde dwarskrachtcapaciteit.De invloed van discrete dwars-en normaalkrachtinleiding terplaatse van de ringvoeg wordt inhet model verdisconteerd door deelasticiteits- en glijdingsmoduluste reduceren.Bepaling eigenschappen beddingDe ondersteunende werking vanhet grondmedium dat de tunnelomringt wordt gemodelleerd doorde ligger op een continue verenrijopteleggen.Debeddingsstijfheidwerd in het verleden veelal be-paald aan de hand van vuistregels(Duddeck),diebetrekkinghaddenop beddingsbepaling ten behoevevan ringwerkingmodellen. Dezevuistregels zijn echter gebaseerdop het bij ringwerking behorendevervormingsmechanisme ovali-satie, terwijl bij liggerwerkingtranslatie van de lining optreedt.Toepassing van bovengenoemdevuistregels levert over het alge-meen te hoge en dus te gunstigewaarden voor de beddingsstijf-heid op [2].Een meer gefundeerde methodebestaat uit toepassing van een2-D continu?mmodel van hetonderhavige grondprofiel. De be-nodigde beddingsstijfheid kanworden bepaald door aan eenstarretunneldoorsnedeeentrans-latie op te leggen en de bijbeho-rende reactiekracht te bepalen.Met behulp van het aldus verkre-gen model kunnen op relatiefeenvoudige wijze de gezochtemodeluitkomsten(extremesnede-krachten, ringvoegopenstandenen ringafschuivingen) wordenbepaald.C o n c l u s i e sUit het onderzoek kan een aantalinteressante conclusies wordengetrokken:- Waterdichtheid is maatgevendboven bezwijken van de liningop buigend moment.- In het geval van ringvoegopen-stand treedt een sterke afnamevan buig- en afschuifstijfheidop, waardoor extreme snede-krachten worden getemperd.- Indien het toegepaste ring-voegmateriaal dusdanig stijf isdat beton-op-beton contact inde ringvoeg uitblijft, zullenaxiale normaalkracht endwarskracht discreet in detunnelringen worden geleid.Tezamen met een significanteflexibiliteit van het ringvoeg-materiaal levert dit een sterkereductie van buig- en afschuif-stijfheid op ten opzichte vaneen situatie waarbij beton-op-beton contact in de ringvoegenheerst.- Het fysisch niet-lineaire buig-en afschuifgedrag van een alsligger belaste gesegmenteerdeboortunnel kan worden gemo-delleerd met behulp van eensmeared-cracking balkmodel.De implicaties van ringvoegge-ometrie en ringvoegmateriaalworden verdisconteerd dooreen gereduceerde equivalenteE-modulus en G-modulus vanhet balkmateriaal.- Het bepalen van de grond-bedding aan de hand van vuist-regels ten behoeve van ring-werkingmodellen (Duddeck)is in het geval van ligger-werking niet juist en veelalonveilig. Een betere en meergefundeerde methode bestaatuit bepaling van de beddingmet een numeriek 2-Dcontinu?mmodel.- Er is sprake van een zekereinteractie tussen het ligger-werkingmechanisme en hetringwerkingmechanisme.Bij het ontwerp van een geseg-menteerde boortunnel dientmen zich hiervan rekenschapte geven en een zo integraalmogelijke aanpak te hanteren.L i t e r a t u u r1. Van Empel, W.H.N.C., Ligger-werking gesegmenteerdeboortunnels. Afstudeer-onderzoek TU Delft, 1998.2. Lengkeek, H.J., Analysegrond-tunnelinteractie. Afstu-deeronderzoek TU Delft, 1997.3. Blom, C.B.M., Liggerwerkingboortunnels. Afstudeer-onderzoek TU Delft, 1995.4. Bouma, A.L., Elasto-staticavan slanke structuren.D.U.M., 1989.5. Van Beek, R.J., RoelandsJ.C.S., Liggerwerking tunnel-buis, Praktijkonderzoek boor-tunnels K100.CUR/COB/K100, 1996.3 | Numeriek balkmodelgebaseerd op smeared-cracking concepta. discrete scheurvormingb. smeared crackingc. numeriek balkmodelsamodelgrondveerringvoegInterface smeared crackingbalkb c