O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 168Voor het ontwerpen en realise-ren van geboorde tunnels inNederland is onderzoek nodignaar een aantal typische proble-men die kunnen optreden in deNederlandse grondomstandighe-den. Kennis die is overgenomenuit het buitenland is niet zondermeer toe te passen op de lokaleomstandigheden. De overgeno-men kennis en ervaring moetenna toepassing worden gecontro-leerd of het verwachte gedragook inderdaad optreedt. Eerstwordt een voorspelling gemaakt,vervolgens wordt tijdens bouwen exploitatie gemeten, waarnaeen vergelijking kan wordengemaakt tussen het voorspeldeen het optredende gedrag.De Botlekspoortunnel is gedeelte-lijk gelegen in Holocene gronden,wat over het algemeen wordt aan-geduid als zettingsgevoeligegrond. Omdat hierin nog nietvaak tunnels zijn aangelegd, ishet zinvol te onderzoeken welkegevolgen de grondslag heeft voorhet ontwerp, de realisering en hetgebruik van de tunnel. Hiermeekan dan bij toekomstige tunnelsbeter worden geanticipeerd op demoeilijke grondomstandigheden.Het ultieme doel is een econo-misch optimaal tunnelontwerp terealiseren.Na het COB-onderzoekspro-gramma K100 bij de TweedeHeinenoordtunnel bestond nogsteeds behoefte om de kennis enervaring met boortunnels inslappe grond uit te breiden. E?nvan de opvolgende onderzoeks-programma's is het F300-pro-gramma bij de Botlekspoor-tunnel. De onderwerpen en the-ma's hiervan zijn weergegevenin tabel 1.In dit artikel is een selectiegemaakt van conclusies die zijngerelateerd aan deze onderwer-pen en thema's, met als doeleen algemeen inzicht te krijgenin de resultaten van het onder-zoek. Het totale onderzoek vanF300 omvat meer dan zeventigrapporten. Een overzicht vande rapporten en een algemeneingang tot alle resultaten vanhet F300-onderzoek kan wor-den gevonden in [1].COB F300-programma levert veel kennis en ervaring opResultaten onderzoeks-programma Botlekspoortunneldr.ir. C.B.M. Blom, Holland Railconsult / TU Delft / HSL Zuidir. F. de Boer, Holland RailconsultHoe presteert een Earth Pressure Balance (EPB) tunnelboormachine inNederlandse zachte grond, welke zettingen treden op, hoe zit het met trillin-gen vanuit de tunnel en welke spanningen treden op in het beton tijdens hetbouwen van de tunnel? Dit zijn slechts enkele vragen die zijn gesteld bij deaanleg van de eerste geboorde spoortunnel in Nederland, deBotlekspoortunnel bij Rotterdam. Om op deze vragen antwoorden te vindenis het onderzoeksprogramma F300 van het Centrum Ondergronds Bouwen(COB) opgezet. In dit artikel komen hieruit enkele interessante bevindingenaan de orde.Tabel 1 | COB F 300-onderzoeksonderwerpen en -thema'sonderwerp thema'stunnelboormachine (TBM) - EPB(Earth Pressure Balance)-methodedynamisch gedrag - trillingstransmissie van de tunnel naar de omgevinggeotechniek - spanningen en vervormingen in de grond ten gevolge van boren- hergebruik van ontgraven grond- integraal boor-beheerssysteem (IBBS)montagespanningen en dwarsverbindingen - montagespanningen in de betonnen segmenten- dwarsverbindingen1 |De EPB-tunnelboor-machine van de Botlek-spoortunnelO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 1 69B o t l e k s p o o r t u n n e lDe Botlekspoortunnel, deel vande Betuweroute, bestaat uit tweebuizen, elk met een lengte van1840 m. De tunnelmantel bestaatuit ringen van geprefabriceerdebetonnen segmenten. De ring-breedte is 1,5 m, de binnendia-meter 8,65 m en de betondikte is0,4 m. Voor het ontgraven wordtgebruikgemaakt van een EarthPressure Balance (EPB) tunnel-boormachine (foto 1). (De Twee-de Heinenoordtunnel werd ge-bouwd met een slurryschild.)Het boren van de Botlekspoor-tunnel is begonnen in april 1999en werd be?indigd in december2000.G e d r a g t u n n e l b o o r -m a c h i n eHet is mogelijk het gronddrukba-lansproces (EPB-proces) te identi-ficeren door metingen. De erva-ring leert echter dat het EPB-pro-ces moeilijk te beoordelen is. Hetkost veel moeite de deelprocessenin de graafkamer en voor hetgraafwiel te identificeren.Desalniettemin zijn vele interes-sante waarnemingen gedaan diedelen van de basistheorie?n vanhet EPB-proces bevestigen. HetEPB-proces wordt gekarakteri-seerd door het ondersteunen vande grond aan het boorfront meteen relatief gesloten graafwiel. Degrond wordt met graaftanden ophet graafwiel afgeschraapt en gaatdoor de openingen in het graafwielnaar de graafkamer. In de graafka-mer wordt de grond vermengdmet ge?njecteerd schuim. Hetresultaat is een grondbrij die wordtgetransporteerd door een avegaar.De verwachting dat een grond-brij in de graafkamer ontstaat isbevestigd. Het verschil tussengemeten grond- en waterdruk-ken toont aan dat de grondbrijmeestal in een vloeibare fase is.Dit betekent dat nauwelijks wrij-ving en drukoverdracht tussengronddeeltjes optreedt. Het iswaargenomen dat de grondbrijzich soms ophoopt in de laagstedelen van de graafkamer en debovenkant van de kamer isgevuld met lucht. Het is dan deverwachting dat de grondbrij nietin een vloeibare fase verkeerd,zodat wel wrijving en drukover-dracht tussen gronddeeltjesplaatsheeft. Dit is nog meer hetgeval als de grondbrij is ontstaanuit homogene gronden en klei enzand bevat.De grondeigenschappen van debrij in de graafkamer veranderenals de TBM stilstaat. Segregatietreedt op: het wateraandeelneemt af. Dit fenomeen wordtook waargenomen bij verande-ring van boorsnelheid. Het ismoeilijk dit fenomeen uitgebreidte onderzoeken, omdat nietzoveel monsters van de grondbrijzijn genomen. Verder treedt ooknog een duidelijke relatie op tus-sen de rotatierichting van hetgraafwiel en de gemeten water-spanningen in de graafkamer.Deze kunnen een asymmetrischverloop vertonen (uit metingenvolgt een drukgradi?nt tot 40kPa), ook afhankelijk van desamenstelling van de grondbrij.Dit bevestigt de segregatie van degrondbrij of de situatie datslechts een deel van de graafka-mer gevuld is met de grondbrij.Door het injecteren van schuimin de graafkamer wordt waterverdrongen. Het is niet aange-toond dat al het water wordt ver-vangen door schuim. Opgemerktwordt dat het ge?njecteerdeschuim ook water bevat. Het aan-deel water in het schuim is vangelijke grootteorde als dat vangrondwater in de grondbrij. Eenduidelijke relatie tussen de hoe-veelheid ge?njecteerd schuim ende samenstelling van de grond-brij is niet vastgesteld. Het zoukunnen zijn dat schuim weglekt,met name de in het schuim aan-wezige lucht.Verder treedt een duidelijke rela-tie op tussen optredende water-drukken voor het boorfront en hetboorproces zelf.G r o u t p r o c e s s e nRondom de tunnelelementenwordt grout ge?njecteerd om eengoede inbedding van de tunnel inde grond te realiseren en daar-naast zettingen van de grond teminimaliseren. In dit project isgebruikgemaakt van twee typeninjectiemateriaal. Het eerste typeis het zogenoemde `conventione-le' grout, waarbij een bindmiddelwordt toegevoegd aan een zand-watermengsel. Het tweede type ishet zogenoemde `twee compo-nenten' grout. Alhoewel de tweetypen onderling moeilijk zijn tevergelijken, is een aantal interes-sante bevindingen gedaan.Het is bekend dat de drukontwik-keling op de tunnel, direct achterde TBM, sterk wordt be?nvloeddoor het injecteren van grout. Ditwordt bevestigd door de metin-gen. Als bovendien asymmetrischwordt ge?njecteerd, wordt ook eenasymmetrisch drukverloop geme-ten. In het geval van de 'tweecomponenten' grout wordt eenstroming van het grout waargeno-men vanuit de top naar beneden.Het blijkt dat de drukontwikke-ling niet alleen wordt be?nvloeddoor de wijze van injecteren,maar ook door de krachten die opde tunnel werken door het plaat-sen van nieuwe segmenten enkrachten die het gevolg zijn vanhet boorproces (bijvoorbeeld devijzelkrachten). Tijdens stilstandvan de TBM wordt de drukont-wikkeling sterk be?nvloed doorhet opdrijven van de tunnel in hetgrout, maar minder door het ver-vormen van de tunnel zelf. Doorhet opdrijven van de tunnel blijktde gemeten drukgradi?nt in hetgrout af te nemen en zelfs kleinerte worden dan die van water.De injectiestrategie (plaats endrukverdeling) en de reologischeeigenschappen van het grout zijnde belangrijkste parameters diehet stromen van het grout, directachter de TBM, bepalen. Iets ver-der van de TBM, in het geval vanO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 170opdrijven, zijn het eigen gewichtvan de tunnel en de krachten uitde TBM de belangrijkste invloeds-parameters.De twee typen grout zijn erg ver-schillend. Elk type heeft zijneigen injectiemethode, waardoorde groutdrukken direct achter deTBM verschillen. Uiteindelijkzijn beide typen grout geschiktom de benodigde functies te ver-vullen: inbedden tunnel en beper-ken zettingen.Met de huidige modellen om hetgroutdrukverloop te voorspellen,treden verschillen op tussenmodel- en meetresultaten. InF300 zijn echter modellengebruikt die een goede overeen-komst laten zien tussen model-en meetresultaten voor de grout-drukken direct achter de TBM. Demodellen kunnen zelfs het asym-metrische drukverloop voor-spellen. Uit de modellen blijktduidelijk dat het optredende druk-verloop zeker niet een hydrosta-tisch drukverloop is.D y n a m i s c h g e d r a gr o n d o m d e t u n n e lHet doel van het onderwerp'dynamisch gedrag' is modellente valideren met meetdata.Gevalideerd worden totale model-len, maar ook delen of specialemodules voor bijvoorbeeld trillin-gen door treinen, de dynamischerespons van de tunnel, de trans-missie van trillingen door degrond en belendende funderin-gen. Het is belangrijk om in eer-ste instantie gegevens van metin-gen te krijgen, gebaseerd op har-monische trillingen. Hierbijwordt gebruikgemaakt van har-monische trillingen met een klei-ne, maar betrouwbare puls. Het isdan precies gedefinieerd welketrilling de oorsprong is van geme-ten respons in de tunnel en daar-omheen. Met deze gegevens kun-nen de modellen goed wordenafgestemd om in tweede instantiete worden ingezet voor het gevaldat een trein de tunnel passeert.De trillingen die een trein voort-brengt zijn veel minder ondub-belzinnig dan de harmonischetrilling. Dan zal blijken in welkemate de modellen de dynamischeeffecten van een treinpassagekunnen voorspellen.Voor beide onderzoeksdelen, har-monische trillingen en treinpas-sage, zijn meetinstrumenten aan-gebracht in de tunnel, in de gronden in drie daartoe aangebrachtefunderingspalen (fig. 2). De fun-deringspalen worden niet verti-caal belast. Deze meetopstellingis zodanig ontworpen en uitge-voerd dat het meten bij een trein-passage eenvoudig is. Het uitle-zen van de meetgegevens kan ophet maaiveld plaatshebben terwijleen trein de tunnel passeert,waardoor geen buitendienststel-ling nodig is om te kunnenmeten.De tunnel is momenteel nog nietopen voor treinverkeer. Daaromzijn alleen meetgegevens beschik-baar van de harmonische trillin-gen, waarvan de conclusies hier-na volgen. Indien treinen door detunnel gaan rijden, zullen ver-volgmetingen plaatshebben.Het blijkt dat bij harmonischeexcitatie op een tunnel zonderinterieur (betonnen dek met bal-last en spoor), de meetresultatenhet beste overeenkomen met hetvoorspelde gedrag van zogenoem-de axiaalsymmetrische modellen.Voor het geval de harmonischetrillingen worden uitgevoerd opeen tunnel met interieur, blijkende resultaten het beste overeen tekomen met zogenoemde `plainstrain' modellen. Dit was een ver-bazende uitkomst, omdat werdverwacht dat resultaatverschillentussen de modellen voornamelijkzouden worden veroorzaakt doorde afstand tot de excitatiebron enniet door het interieur.Een echte verklaring kan nog nietworden gegeven, maar de ver-wachting is dat de meetserie metechte treinen een verdere verdui-delijking mogelijk maakt.Naast de twee genoemde model-len is er nog een derde model (hetzogenoemde `COB L400' model)dat een erg afwijkend gedragvoorspelde. Op basis van het uit-gevoerde onderzoek is geconclu-deerd dat dit model eerst moetworden aangepast voordat het eenconcurrent kan worden van deaxiaalsymmetrische en 'plainstrain' modellen.De voorspellingen geven ookinzicht in de meewerkende lengtevan de tunnel bij excitatie. Hetblijkt dat de voorspelde meewer-kende lengte erg goed overeen-komt met de metingen.Bovendien is de respons op deexcitatie spiegelsymmetrisch tenopzichte van het excitatiepunt.De gemeten respons in de funde-ringspalen laat zien dat er nauwe-lijks verschil is tussen de paal-punt en de paalkop. Dit zou kun-nen worden verklaard door deafwezigheid van een verticalebelasting op de palen. In dat gevalis het impedantieverschil tussenpaal en grond niet realistisch voorechte funderingen.G r o n d d e f o r m a t i e sDoor het graven vervormt degrond. Aan het maaiveld zijn dezettingen goed waar te nemen.De vraag is welke zettingen hetEPB-proces veroorzaakt. Hetblijkt bijvoorbeeld dat aanzienlij-ke zettingen optreden tijdens decontractiefase, als de TBM hetmeetpunt passeert. Dit kan hetgevolg zijn van de conische vormvan de TBM; de diameter van hetTBM-schild is aan de voorzijde1% groter dan aan de achterzijde.grondsensorenpaalsensorentunnelsensorentunnelheipalen2 |Overzicht van meetpuntenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 1 71De bijdrage van elke boorfase aande zettingen is weergegeven infiguur 3. Een meetpunt boven dete boren tunnel wordt be?nvloeddoor alle vijf fasen. Allereerstdoor fase 1: de TBM is nog verweg, maar er treden al enigszinszettingen op. Vervolgens tredenin fase 2 zettingen op doordat deTBM dichtbij komt en het boor-front de grond onder het meet-punt direct be?nvloedt. Dan pas-seert de TBM het meetpunt tij-dens fase 3, waarbij de conischevorm van de TBM tot zettingenleidt. In fase 4 is het merkbaar dataan de achterzijde van de TBM denieuwe tunnel is gebouwd enrondom de tunnel groutinjectieplaatsheeft. In fase 5 treden lan-geduur zettingen op, omdat degrond is be?nvloed door het borenvan de tunnel. In het onderzoek istevens vastgesteld over welkeafstand elke fase plaatsheeft(lengte x in de figuur).De metingen zijn uitgevoerd ineen aantal raaien, verdeeld overde totale lengte van de tunnel. Demetingen in de eerste meetraaiwerden aanzienlijk be?nvloeddoor werkverkeer, zijn daardoorniet representatief en niet weer-gegeven. Bovendien zijn bij hetmaken van de tweede buis langniet alle metingen uitgevoerd.Toch is een goed inzicht verkre-gen in het ontstaan van de zet-tingen.Een opvallende waarneming isdat de gemeten breedte van dezettingstroggen gemiddeld eenfactor 2 kleiner is dan meestalwordt voorspeld (door de kleine-re breedte zijn bovendien de hel-lingen steiler). De zettingen blij-ven zich ontwikkelen gedurendeeen lange tijd nadat de TBM hetmeetpunt is gepasseerd. In hetgeval van zandgronden nemende zettingen nog met 10% toe. Inhet geval van klei is vastgestelddat de zettingen toenemen van14 mm tot 37 mm in de eerstemaand en verder tot 60 mm nazes maanden.Toekomstige activiteitenvan COB F300Van het onderzoeksprogrammavan COB F300 resteren nog devolgende activiteiten.D y n a m i s c h g e d r a gMetingen van dynamische res-pons ten gevolge van excitatiedoor treinen. Het is de verwach-ting dat de treinen eind 2004 detunnel zullen passeren. Ge-durende een periode van tweejaar zullen dan metingen wordenuitgevoerd om de ontwikkelin-gen van de repons in de tijd tekunnen analyseren.De gemeten dynamische responsbij de Botlekspoortunnel kanworden vergeleken met die bij deTweede Heinenoordtunnel. Bijde Tweede Heinenoordtunnel iswel een andere methode vanexcitatie gebruikt: valgewicht inplaats van een harmonische exci-tator. Het is de vraag welkemethode bij toekomstige metin-gen de voorkeur verdient.E v a l u a t i e v a n t e c h n i s c h ee i s e n i n c o n t r a c t e nTerugkijkend naar het proces vanvoorontwerp, contracten afsluitenen bouwen, kunnen conclusiesworden getrokken over de effecti-viteit van eisen. Het doel is moge-lijke verbeteringen voor te stellendoor gebruik te maken van opge-dane ervaring en kennis, opdatvoor toekomstige projecten opti-male realistische eisen kunnenworden gesteld.C o n c l u s i e sHet doel van het onderzoekspro-gramma F300 Botlekspoortunnelis het vergroten van kennis enervaring bij geboorde tunnels inslappe grond, door het uitvoerenvan metingen. De onderwerpenen thema's die zijn gedefinieerdzijn voor het onderzoeksprogram-ma (tabel 1) hebben significantbijgedragen aan deze doelstelling.In het onderzoek zijn antwoor-den gevonden op basisvragenover het EPB-proces in de TBM.Een belangrijk deel van hetonderzoek was het analyserenhoe de EPB-techniek zich hand-haaft in de Nederlandse slappegronden. De TBM bij de Botlek-spoortunnel was immers de eer-ste machine met grote diameterdie gebruikmaakte van de EPB-methode in zulke slappe gron-den. Het is gebleken dat de EPB-methode toepasbaar is in dezefase 1voorzijdebetonnen tunnelachterzijdeTBMfase 2 fase 3 fase 4 fase 5 x (m)zetting3 |De verschillende boorfa-sen en de bijdrage aan detotale gemeten zettingenmeetraai 2 3 4 5buis 1 2 1 1 1fase 1-2 (%) 15 22 28 20 14fase 3 (%) 42 29 30 29 24fase 4 (%) 28 29 32 44 24fase 5 (%) 15 20 10 7 38O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBoor tunnelscement 2004 172gronden met zand, klei en veen.Het schuim verving deels hetgrondwater in de grondbrij in deboorkamer. Een belangrijkevraag was in hoeverre de kwali-teit van de ontgraven grondwordt aangetast door hetschuim. Het is gebleken dat hetschuim de kwaliteit van de grondniet negatief be?nvloedde, voorzowel de ecologische als decivieltechnische eigenschappen.Wel is gebleken dat gedurendehet graafproces met de EPB-machine effectieve korrelspan-ningen enorm kunnen afnemen.Als de machine stopt, herstellende spanningen zich weer.De toepasbaarheid van de EPB-methode in andere omstandighe-den wordt ook bepaald door deoptredende zettingen ten gevolgevan het graafproces. Een uitge-breid onderzoek heeft plaatsge-had om de zettingen en de oor-zaken te analyseren. Het bleekdat 14 ? 29% van de zettingenwordt veroorzaakt nog voor deTBM passeert (fig. 3, fase 1-2).De passage van de TBM (fase 3)leidt vervolgens tot 24 ? 42% vande zettingen. Direct achter deTBM (fase 4) ontstaat 24 ? 44%en nadat de TBM is gepasseerdzal nog 7 ? 38% van de zettingenoptreden. Dit geeft een goedeindicatie wanneer zettingenoptreden en waar het procesmoet worden be?nvloed om dezettingen te minimaliseren.Een onderdeel van het totalebegrip hoe de invloed van het ont-gravingsproces werkt, is hetbegrip hoe het horizontale even-wicht van de TBM is geregeld. Indit onderzoek is vastgesteld welkehorizontale krachten er spelen enwat hun grootte is. Daarnaast isvastgesteld hoe snel snijtandenop het graafwiel slijten, opdatdeze tijdig kunnen worden ver-vangen, zeker als de tunnelprojec-ten langer worden. De snijtandenzijn geanalyseerd en het slijtpro-ces is in kaart gebracht.Achter de TBM wordt de staart-spleet ge?njecteerd met grout.Uit de literatuur werd al duide-lijk dat het grout een zogenaam-de `vloeibare' fase kent, waarbijhoge drukken op de tunnel en degrond kunnen werken. Het isgebleken dat de wijze van injec-teren en de materiaaleigenschap-pen van het grout van cruciaalbelang zijn voor het drukverloopin het grout. Het is belangrijk ditdrukverloop te kennen, omdatuit de rekmetingen in het betonbleek dat maatgevende situatieskunnen optreden op het mo-ment dat het grout nog in devloeibare fase is. Daarom wordttegenwoordig zoveel aandachtbesteed aan het begrijpen van deinvloed van het grouten en hetdaardoor optredende drukver-loop. Bovendien is uitgebreidonderzoek gedaan naar het ont-staan van de maatgevende rek-ken in het beton. Uit deze onder-zoeken kan veel worden afgeleidover de maatgevende mechanis-men die tijdens de bouw van deboortunnel optreden.Het onderwerp 'montagespan-ningen' was een logisch vervolgop het onderzoek van COB K100bij de Tweede Heinenoordtunnelen wordt in het volgende artikelin dit nummer van Cement uit-voerig beschreven.Tussen de twee buizen van deBotlekspoortunnel zijn alsvluchtwegen drie dwarsverbin-dingen gemaakt met behulp vanschachten van diepwanden, voor-dat de TBM zou passeren. DeTBM passeert de schachten opgeringe afstand, waardoor degrond tussen schacht en tunneleenvoudig te bevriezen is.Deze effectieve methode omdwarsverbindingen te maken isuitvoerig beschreven vanaf pagina50 in dit nummer van Cement.Tunnels in stedelijke gebiedenleiden tot de vraag of overlastdoor trillingen kan optreden. Ditkan het gevolg zijn van het bou-wen van de tunnel en zeker doorhet gebruik ervan. F300 heeft bijde Botlekspoortunnel een uniekepermanente meetopstelling ge-maakt, waarmee dynamischeinvloeden kunnen worden geme-ten. De gegevens wordenmomenteel gebruikt voor de vali-datie van rekenmodellen, dievoor toekomstige tunnels kun-nen worden gebruikt om dedynamische invloeden te voor-spellen. Daarnaast is de meetop-stelling te gebruiken tijdens deexploitatie zonder dat het trein-verkeer daar last van ondervindt.Vanuit organisatorisch oogpunt ishet F300-project ook uniek door denauwe samenwerking met de pro-jectorganisatie Betuweroute, deaannemer BTC Botlek en deonderzoekers van het COB. Heelveel metingen zijn uitgevoerd oplokatie. Het is altijd een uitdagingde metingen zodanig te organise-ren dat de invloed op het regulierebouwproces minimaal is. Door debetrokkenheid van zoveel partijenis kennisuitwisseling gewaar-borgd, waardoor het kennis- enervaringsniveau toeneemt, wat hetdoel van F300 is. Aan de anderekant maakt de betrokkenheid vanzoveel partijen de organisatie min-der besluitvaardig, wat het onder-zoek soms kan tegenwerken.Uit het totale programma vanvoorspellingen, studies, installa-tie van meetinstrumenten, ob-servaties, metingen, evaluatiesen berekeningen door COB-par-ticipanten, wordt geconcludeerddat het COB F300-programmaheeft bijgedragen aan de ontwik-keling van kennis en ervaring ophet gebied van geboorde tunnelsin slappe grond. L i t e r a t u u r1. COB F300, Management-samenvatting van het COBF300-onderzoeksprogrammaBotlekspoortunnel. COB,Gouda, 2003.