O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabricagecement 2002 182Figuur 1 toont twee karakteristie-kescheureninbetonnensegmen-ten van een lining. In het middenvan het segment lopen scheurenin langssrichting nabij de conus-gaten, terwijl scheuren door deboutpocket onder een hoek metde langsrichting lopen. De exacteoorzaak van deze langsscheurenis onbekend, wel is duidelijk datze ontstaan tijdens de bouwfasevan de lining. Omdat deze scheu-renregelmatigwordenwaargeno-men, bestaat het vermoeden dattijdens het ontwerp een of meerbelastingsgevallen over het hoofdworden gezien.G e o m e t r i s c h t u n n e l m o d e lOm de oorzaak van de langs-scheuren te vinden, is in [1] eengeometrisch tunnelmodel opge-steld.Ditmodelbeschrijftstapsge-wijs de ruimtelijke vervormingenvan en optredende spanningen insegmenten van de boortunneltijdensdebouwfaseenleidttotbe-lastingsgevallen die niet eerder inontwerpen zijn beschouwd.De belangrijkste belastingen dietijdens de bouwfase op de tun-nellining werken zijn de vijzel-krachtenvandetunnelboormachi-ne (TBM) en de groutbelasting.De vijzelkrachten zijn hoofdzake-lijk axiaal (in langsrichting) ge-richt. De invloed op de radiale ver-vormingen van de tunnellining ishierdoor gering. Groutbelastingwerkt in radiale richting op detunnellining, waardoor de invloedop de radiale vervorming van detunnellining groot is.Bij het bouwproces wordt eennieuwe ring opgebouwd binnenScheurvormingsmechanismen in de tunnellining vangesegmenteerde boortunnels tijdens de bouwfaseVermijden van scheurvormingin tunnelliningsir. K.C. Bloemhof, ir. C.B.M. Blom, Holland Railconsult, dr.ir. C. van der Veen, TU DelftMet het toenemen van kennis over boortunnels worden inzichten in schade-mechanismen steeds concreter. Een streven bij het ontwerpen en uitvoerenvan boortunnels is, minimaal kwaliteitsverlies door scheurvorming te latenoptreden. Scheurvorming leidt meestal tot reparatiewerkzaamheden die tijden geld kosten.Aan de TU Delft wordt onderzoek verricht naar oorzaken van scheurvormingin de lining van tunnels. Nauwkeurige analyse van de bouwfase van boortun-nels heeft geleid tot nieuwe schademechanismen, die een aantal typerendegeobserveerde scheurpatronen kunnen verklaren.1 | Scheurvorming in eenbetonnen segment2 | Ovalisering van een ringin de lining door grout-belastingscheurlangsrichtingconusgatboutpocket-0,00290,012-0,0116543210,00740,0074-0,0029-0,011langsvoegengeovaliseerde ringO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabricagecement 2002 1 83de TBM. Hierbij wordt deze ringnog niet blootgesteld aan de ra-diaal gerichte groutbelasting enondergaat nog geen radiale ver-vorming. Als het boorproceswordt vervolgd zal de nieuw ge-bouwde ring langzaam uit deTBM worden gedrukt, waardoordeze steeds verder wordt belastdoor de groutbelasting. Hierdoorwordt de nieuwste ring radiaalbelast en zal een radiale vervor-ming ondergaan. De ringvormgaatdaardoorlangzaamoverindegeovaliseerde vorm (fig. 2). Hier-door zullen segmenten kantelen(fig. 3): het zogenaamde trompet-effect. Belangrijk is dat door dekanteling de overgang tussen deniet-geovaliseerde en de geovali-seerde ring geleidelijk optreedt.Het kantelen van de segmenten isdus sterk afhankelijk van welkdeel van de ring al buiten de TBMis. Het deel van de ring buiten deTBM neigt het meest te ovalise-ren, terwijl het deel binnen deTBM minder ovaliseert. Dit kan-telen van segmenten ten gevolgevan de groutbelasting blijkt eenbelangrijke oorzaak te zijn vanscheurvorming in de segmenten.Gebruikwordtgemaaktvanmeet-gegevensuitdepraktijk.Daarzijnradiale vervormingen van bij-voorbeeld 12 mm gemeten. Datwil zeggen dat aan de boven- enonderzijde van de tunnel de straal12 mm korter wordt en aan dezijkanten 12 mm langer (ter illu-stratie wordt de invloed van nor-maalkrachtvervorming verwaar-loosd). In figuur 2 is aangegevenhoeveel de straal van de ring terplaatse van de langsvoegen zalveranderen ten gevolge van 12mm radiusverandering. Hiermeekunnen de positie en de ori?ntatievan elk segment worden bepaaldbij de overgang van een niet-geo-valiseerde naar een geovaliseerdering.Het is duidelijk zichtbaar dat nietelk segment dezelfde ruimtelijkeverplaatsing ondergaat. Segment2 zal bijvoorbeeld alleen kantelen,terwijl segmenten 1 en 3 niet alsgeheel segment dezelfde richtingop kantelen: zij ondergaan eentorsievervorming. De overige seg-menten zullen een combinatievan beide effecten ondergaan.Ten gevolge van het kantelenzullen geen spanningen ontstaanin de segmenten zelf, omdat heteen starre lichaamsverplaatsingbetreft. In de segmenten van denaastliggende ring kan het kante-lenwelleidentotlokalespannings-verhogingen. De torsievervorminglevert wel direct spanningen op inde getordeerde segmenten.R i n g v o e g o n v l a k h e d e nd o o r k a n t e l e nDoor kanteling van de segmentenzal de axiale lengte ervan toene-men. Deze toename is niet con-stant over de gehele tunnelring,omdat de kanteling over de om-trek verloopt. Het vlak tussenringen (de ringvoeg) wordt hier-door onvlak. De axiale verlengingvan de segmenten wordt veroor-zaakt door de gedrongen vormvan de segmenten en door dekromming ervan (fig. 4).De bijdrage aan de axiale verlen-ging door de gedrongen vorm isbeperkt (bij de radiale vervormingvan 12 mm maximaal 1,4 mm).De verlenging is lineair afhanke-lijk van de ovalisatie en is maxi-maal waar de ovalisatie maximaalis.De invloed van het gekromd zijnvandesegmentenopdeaxialever-lenging, is groter. De axiale ver-lenging die ontstaat bij de be-schouwing van het segment alseen gekromd element is echterniet evenredig met de ovalisatie.Deaswaaromelksegmentkanteltspeelt hier een belangrijke rol.De segmenten zijn opgelegd optriplex voegplaatjes. De kantelas-sen bevinden zich dan ook op de-ze triplexplaatjes. De segmentenkunnen nu om twee assen kante-len, A en B (fig. 4). Een segmentdat naar binnen kantelt, zoalssegment 4 in figuur 2, zal kante-len om as A. De maximale axialeverlenging bevindt zich in ditgeval in het midden van de boog-lengte van het segment, omdathier de afstand tussen de kantelasen het segment het grootst is. Eensegment dat naar buiten kantelt,zoals segment 2 in figuur 2, zalkantelen om as B. De maximaleaxiale verlenging zal hier aande uiteinden van de segmentenplaatshebben. Dit is immers delocatie waar de afstand tussen dekantelas en het segment hetgrootst is.De axiale verlenging van segment2 in figuur 2, dat de grootste kan-teling ondergaat, zal 6,0 mm be-dragen. Dit segment kantelt omas B. De grootst optredende ver-3 | De nieuwe ring wordtbuiten de TBM doorgrout belast4 | Toename axiale lengtevan de elementen doorkantelenTBMvijzelbelasting10segmentgroutbelasting21,283?Ra= 4,450 mRb= 4,600 mkantelas Bkantelas Akantelas1 23ba = 20 mm0,4 mzijaanzicht1,5 m verlenging doorkantelenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabricagecement 2002 184lengingen bevinden zich dan aande uiteinden van het segment. Inhetmiddenvanditsegmentzaldeaxiale verlenging alleen wordenveroorzaakt door de gedrongenvorm.Deaxialeverlengingenoverdeom-trek van de gehele ring hangen afvan de kanteling die de verschil-lende segmenten ondergaan.In figuur 2 is te zien dat eigenlijkalleensegment2dekantelasheeftals hiervoor beschreven. De overi-ge segmenten zullen naast kante-len nog een effect ondervinden.De segmenten 1 en 3 zullen nietkantelen om een kantelas, maartorderen. Segment 4 tot en met 7zullengedeeltelijkkantelenenge-deeltelijk torderen. Segmenten 4en 7 zullen naar binnen kantelenen segmenten 5 en 6 naar buiten.Figuur 5 geeft een overzicht vanonvlakheden (axiale verlengin-gen)voordevolledigeringdieont-staan volgens het geometrischetunnelmodel. De mate van on-vlakheid is maximaal op het mo-ment dat de ring voor de helftbinnen de TBM is, terwijl deandere helft reeds door groutbe-lasting wordt belast. Bij enkeleprojecten wordt juist op dat mo-ment de volgende ring tegen dezering opgebouwd. Door de ring-voegonvlakheid zal de opleggingvoor de nieuwe ring niet vlak zijn.Een ongelijkmatige oplegging ishet gevolg, terwijl theoretisch vaneen vlakke ringvoeg wordt uitge-gaan. In figuur 5 is te zien dat demaximale onvlakheid 7,5 mm be-draagt. Ten gevolge van deze ring-voegonvlakheid zullen trekspan-ningen in de nieuw gebouwdering ontstaan, die langsscheurenkunnen veroorzaken.S p a n n i n g e n t e n g e v o l g ev a n t o r s i eNaast kantelen van segmentenzullensegmententorderentijdenshetovaliserenvandetunnellining.De groutbelasting zorgt ervoordat bijvoorbeeld de segmenten 1en 3 (fig. 2) aan een hoekpunt 11mm naar binnen verplaatsen, ter-wijl de segmenten aan een anderhoekpunt 7 mm naar buiten ver-plaatsen.De tordering van de segmentenis een opgelegde vervorming.Analytische oplossingen van hettorderen van de segmenten ge-ven aan dat hierin wringspannin-gen ontstaan die tot scheurvor-ming kunnen leiden.Bijverjongingenindesegmentenis de opnamecapaciteit voor dezewringspanningen beperkt. Juistboutpockets en conusgaten zijnverjongingen. Observaties gevenaan dat ter plaatse van dezeverjongingen scheurvorming op-treedt (fig. 1). Dit blijkt ook uit deanalytischebenaderingenvoorhettorsieprobleem.Als de segmenten alleen wordenbelast met een opgelegde torsie-vervorming, kunnen scheurenontstaan die zich het eerst mani-festeren bij de verjongingen. Hetis bekend dat de scheuren zichdan onder een hoek van 45? metde langsrichting zullen ontwikke-len. De segmenten worden ver-volgens geanalyseerd bij aanwe-zigheid van vijzelkrachten uit deTBM. Als de vijzelkrachten aan-grijpen bij de langsvoegen en inhetmiddenvandebooglengtevande segmenten, liggen de conus-gaten in de invloedszone van devijzelkrachten, in tegenstelling totde boutpockets. Door de aanwe-zigheid van extra drukspannin-gen door de vijzelkrachten zal decapaciteit voor het opnemen vanwringspanningen in gunstige zintoenemen. Daarnaast zal de rich-ting van de scheuren bij de co-nusgaten worden be?nvloed doordevijzelkrachten.Dezegaanmeerparallel lopen aan de langsrich-ting;dehoekverandertinditgevalvan 45? naar 20?.De opnamecapaciteit bij de bout-pockets is kleiner dan bij deconusgaten. Scheuren manifeste-ren zich daarom eerder bij bout-pockets, onder een hoek van 45?.Het scheurenpatroon is weerge-geven in figuur 6.5 | Onvlakheden in deringvoegen doorkantelen, volgens hetgeometrische tunnel-modelN 5 N 6 N 7 N 1 N 2 N 3 N 4 N 5nieuw tebouwen ringsegment7,50uitwijkingin mm5 6 7 1 2 3 4 segmentnummersverwijzen naar fig. 2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i ePrefabricagecement 2002 1 85E E M - m o d e l l e r i n gDe beschreven mechanismenzijn, naast de analytische benade-ringen, onderzocht met een een-voudig EEM-model (fig. 7). Ditmodel gaat uit van een enkel ge-kromd segment. Alle eigenschap-pen zijn lineair elastisch, zodatniet direct scheurrichtingen zijnaf te lezen. Wel zijn spanningsni-veaus controleerbaar. Onderzochtis of zich inderdaad als eerste na-bij verjongingen kritische span-ningsniveaus ontwikkelen. Uit deEEM-berekeningen volgt bevesti-ging van de beschreven mecha-nismen van kantelen en torderen.T e n s l o t t eIn de beschouwing is uitgegaanvan een perfecte ovalisering. Dithoeft in werkelijkheid niet zo tezijn, en is afhankelijk van uit-wendige belastingen door bij-voorbeeld grout en van de invloedvan ringvoegwrijving met naast-liggende ringen. De beschrevenbelastingsgevallen zullen echterwel optreden. Optredende maxi-male spanningen ten gevolge vande beschreven mechanismen zijnsterk afhankelijk van de vervor-mingen van de ringen. Meest kri-tisch in de vervorming is in elkgeval een half belaste ring doorgrout, omdat dan kantelingen entorsie maximaal zijn. Als een ringvervolgens voor een groter deeldoor grout wordt belast, zullenkantelingen en torsie weer af-nemen, waardoor de opgetredenscheuren voor een deel weerkunnenwordendichtgedrukt.Uitobservaties is bekend dat veelscheuren weer worden dichtge-drukt op het moment dat ringenuit de TBM zijn. Dit is in over-eenstemming met de hier be-schreven mechanismen.Bij huidige ontwerpen van boor-tunnels is geen rekening gehou-denmetdebeschrevenmechanis-men. Het verdient aanbevelinghiermee bij toekomstige ontwer-pen wel rekening te houden, zo-dat scheurvorming verder wordtbeperkt of wordt beheerst enminder herstelwerkzaamhedenhoeven te worden uitgevoerd.Nader onderzoek is nodig hoede beschreven belastingsgevallenge?ntegreerd kunnen worden inde bestaande ontwerpmethodie-ken. Enerzijds kunnen segmen-ten worden gedimensioneerd opde beschreven belastingen, an-derzijds kunnen uitvoeringspro-tocollen worden aangepast om deaandrijvende krachten van de me-chanismen te beperken.Het toepassen van een ringre-former zorgt ervoor dat een ringniet geleidelijk zal vervormen. Ditsoort aanpassingen hebben welinvloed op de bouwsnelheid enkosten. Bij het ontwerp kan wor-den onderzocht welke oplossingoptimaal is. L i t e r a t u u r1. Bloemhof, K., Geometrischtunnelmodel, schade aantunnellining van gesegmen-teerde boortunnels. Afstu-deerrapport TU Delft, 2001.6 | Scheurvorming doortorsie, bij aanwezigheidvan vijzelkracht7 | Voorbeeld EEM-modelvoor torsieboutpocketconusgatscheur