5-12-2007

artikel

Cement

5

2007

79 - 80

Æneas uitgeverij

0008-8811

orginele artikel

Reductie liningdikte boortunnels

Ultra-hogesterktebeton in de tunnelbouw

Boortunnels zijn in Nederland reeds negen maal aangelegd voor spoorwegen of relatief minder belangrijke wegen, nog niet voor autosnelwegen, omdat het profiel van vrije ruimte van dit soort wegen een grote tunneldiameter vereist. En daar ligt het probleem. Zowel de omtrek van de tunnelbuis als de liningdikte is recht evenredig met de tunneldiameter. Het product van beide, een maat voor de benodigde hoeveelheid beton, is daardoor kwadratisch evenredig met de tunneldiameter. Kosten voor productie en logistiek zullen met dezelfde snelheid toenemen. Grote tunneldiameters voor autosnelwegen worden hierdoor zeer kostbaar.
De aanleg van boortunnels voor autosnelwegen komt een stap dichterbij als de liningdikte kan worden gereduceerd. In dit artikel wordt beschreven of en in welke mate de nieuwe betonsoorten zeer- en ultra-hogesterktebeton aan een dergelijke reductie kunnen bijdragen.

De liningdikte van een boortunnel in slappe grond wordt meestal ongeveer gelijk genomen aan 1/20 van de tunneldiameter D. Deze vuistregel is voortgekomen uit ervaringen bij de bouw van dergelijke tunnels in het buitenland. Bij de Groene Hart Tunnel, met een binnendiameter van 13,3 m, is de liningdikte daardoor 600 mm (D/22). In de literatuur worden diverse invloedsfactoren verantwoordelijk gehouden voor de lineaire relatie tussen tunneldiameter en liningdikte. Een ondubbelzinnige verklaring hiervoor wordt echter niet gegeven. De twee meest genoemde factoren zijn de introductie van vijzelkrachten vanuit de tunnelboormachine (TBM) en het optredende buigend moment tijdens het zogenoemde groutgedrag. Beide aspecten hebben betrekking op de bouwfase.

Boortunnel met 14,9 m diameter

In [Groeneweg] is ingegaan op het ontwerp van een mogelijke boortunnel voor de toekomstige autosnelweg A13/16 ten noorden van Rotterdam. Door alleen personenauto’s en bestelwagens in de tunnel toe te laten, wordt de vereiste breedte in het profiel van vrije ruimte sterk verlaagd en is het mogelijk beide rijrichtingen in één tunnelbuis met een binnendiameter van 14,9 m onder te brengen (fig. 1). Uitgaande van de eerder genoemde vuistregel, zou de vereiste liningdikte voor normaal gewapend beton dan vermoedelijk tussen 675 mm (D/22) en 750 mm (D/20) liggen (fig. 1, links).
1 | Reductie liningdikte voor een boortunnel met een binnendiameter van 14,9 m In dit artikel zullen liningdikten aan de orde komen die kleiner zijn dan uit de vuistregel volgen. Zoals vermeld bestaat geen duidelijkheid over het belastingsgeval dat de liningdikte dicteert. Wel zijn verschillende belastingsgevallen bekend die verantwoordelijk zijn voor waargenomen schade aan boortunnels. Voor die gevallen wordt voor drie verschillende betonsterkteklassen gezocht naar de individuele relatie met de vereiste liningdikte. De gekozen betonsterkteklassen zijn:

De ‘normale’ betonsoort C35/45 dient als referentie en kan tevens duidelijkheid geven welk belastingsgeval of welke belastingsgevallen daadwerkelijk verantwoordelijk is/zijn voor de vuistregel D/20. De betonsoorten C100/115 en C180/210 zijn met staalvezels versterkt. Initieel wordt hieraan in deze studie geen traditionele wapening toegevoegd.

Krachtswerkingen boortunnel

Boorproces

Om te kunnen voortbewegen zet de TBM zich via drukvijzels af op de rand van de reeds gebouwde tunnel. Hierbij worden zeer grote axiale drukkrachten in de tunnel ingeleid. Een bekende oorzaak van schade aan tunnelsegmenten is de overschrijding van de toegestane druk- en splijtsterkte van het beton onder de vijzels.
Tunnelsegmenten worden binnen het schild van de TBM opgebouwd tot ringen. De buitendiameter van het schild moet daarom groter zijn dan de buitendiameter van de tunnel. De zo ontstane staartspleet wordt opgevuld met het semi-vloeibare materiaal grout. Na verloop van tijd zal het grout uitharden doordat het waterbestanddeel wordt uitgeperst en/of chemische binding optreedt. Zolang het grout nog niet is verhard, zal de tunnel willen opdrijven. De tunnel zet zich daardoor af tegen het grout aan de bovenzijde, wat een lokaal piekmoment in de tunnelring tot gevolg heeft. Door diverse oorzaken kan het voorkomen dat de tunnel niet langs de volledige omtrek contact maakt met het grout. Dit zogenoemde ‘incomplete grouten’ zorgt voor een extra piekmoment.

Indien de TBM zich voortbeweegt, wordt aan de achterkant van de machine een nieuwe ring blootgesteld aan spanningen uit de grond en uit het grout. Hierdoor vervormt de ring tot een ovaal. Het gedeelte binnen het schild wordt echter nog niet belast en zal daarom initieel niet vervormen. De segmenten zullen zodoende in tangentiele richting worden getordeerd, waardoor scheurtjes aan het oppervlak kunnen optreden. Deze zijn echter niet het gevolg van een constructieve trekkracht, maar van een opgelegde vervorming, en zijn daarom geen directe aanleiding tot bezwijken. Als de TBM zich verder van de beschouwde ring heeft verwijderd, verdwijnt de torsie en worden de scheuren dichtgedrukt.

Gebruiksfase

Voor een boortunnel wordt aangenomen dat deze zich in de gebruiksfase bevindt als het grout volledig is uitgehard. Het resultaat is dat de tunnel volledig is ingebed in de omringende stijve grond. Zowel de tunnel als de grond zal in dit meervoudig statisch onbepaalde systeem samenwerken om de grond- en grondwaterlasten te dragen. Door gewelfwerking in ronde boortunnels spelen dwarskrachten bij het ontwerpproces geen rol van betekenis. Zodoende richten berekeningen aan het ringgedrag zich vooral op de combinatie van buigende momenten en normaalkrachten. Hierin wordt de momentcapaciteit significant beïnvloed door de normaalkracht. De normaalkracht op zijn beurt volgt direct uit de diepteligging van de tunnel, die daardoor van invloed is op de vereiste liningdikte.
Voor een breed scala aan tunneldiepten zijn voor de drie betonsterkteklassen de volgende belastingsgevallen onderzocht:

Relaties met de liningdikte

Voor alle vier genoemde belastingsgevallen heeft een continu spel plaats tussen de weerstand van de tunnel (capaciteit van de lining of het materiaal) en de belastingen (resulterende krachten). Dit spel is uit te drukken in een veiligheidsfactor γ:

      γ = weerstand / belasting

De hoofdvariabelen in dit krachtenspel zijn:

Elke variabele beïnvloedt de weerstandscomponent en/of de belastingscomponent en zodoende de verkregen veiligheidsfactor. Door voor elke mogelijke combinatie van tunneldiepte, betonsterkteklasse en beschouwd belastingsgeval de ontwikkeling van de veiligheidsfactor te onderzoeken, zal ergens bij een bepaalde liningdikte de veiligheidsfactor voldoen aan het vereiste veiligheidsniveau. Deze liningdikte is daardoor een randvoorwaarde aan de vereiste liningdikte. Door de randvoorwaarden uit alle combinaties bijeen te brengen, is een figuur samen te stellen die in één oogopslag inzicht geeft in de voor boortunnels maatgevende mechanismen. Het begrijpen van deze mechanismen schept de mogelijkheid maatregelen te ontwikkelen om optredende problemen het hoofd te bieden en daarmee de liningdikte succesvol te reduceren.
Alvorens conclusies te kunnen trekken, is echter inzicht vereist in de resulterende randvoorwaarden voor alle individuele belastingsscenario’s.

Randvoorwaarde liningdikte gebruiksfase

In de gebruiksfase nemen grond en tunnel gezamenlijk de momenten uit de belastingen op. Hoe hoger de stijfheid van de tunnel ten opzichte van de grond, des te hoger is het buigend moment in de tunnelwand. Met andere woorden: hoe dikker de lining, hoe groter het moment. Zo’n toename hoeft echter niet per definitie voor problemen te zorgen. Ook de momentcapaciteit wordt namelijk beïnvloed door de dikte van de lining. Het is dan ook de vraag of déze stijging de toename van het optredende moment kan compenseren.
Dit blijkt niet het geval te zijn. Zowel voor gewapend-beton met ‘normale’ sterkte 2 | Veiligheidsniveau gebruiksfaseals voor de met staalvezels versterkte betonsoorten zeer- en ultra-hogesterktebeton geldt dat de veiligheidsfactor afneemt met een toenemende liningdikte. Voor de betonsterkteklassen C100/115 en C180/210 ontstaat dan ook binnen het onderzochte scala aan liningdikten een waarde waarboven de veiligheid onder het vereiste niveau (bijv. γ = 1,5) daalt (fig. 2). Hier ontstaat een bovengrens aan de toepasbare liningdikte. Dunnere liningdikten zijn dan veilig, dikkere niet. Het buigend moment in de gebruiksfase kan hierdoor per definitie niet maatgevend zijn voor de liningdikte. Volgens dit principe kan het namelijk altijd dunner. Er moeten dus andere belastingsscenario’s zijn die de liningdikte van een boortunnel bepalen.

3 | Randvoorwaarden voor vereiste liningdikten en UGT-gebied C35/45

Randvoorwaarden liningdikte bouwfase

De kracht die de tunnelboormachine via drukvijzels in de tunnelsegmenten inleidt, is niet of nauwelijks afhankelijk van de liningdikte. Door toename van de liningdikte is wel meer beton voorhanden om deze krachten op te nemen en zullen de resulterende druk- en splijttrekspanningen dus lager uitvallen, waardoor de veiligheidsfactor toeneemt. Hierdoor ontstaat een ondergrens aan de vereiste liningdikte.
Voor de overige mechanismen uit de bouwfase gaat dit eveneens op. Ook zij laten een stijgende veiligheidsfactor bij een toenemende liningdikte zien, waardoor een ondergrens aan de liningdikte wordt gevonden.

Bouwfase maatgevend

De grenzen aan de vereiste dikte voor de tunnellining worden bepaald door de verzameling van randvoorwaarden uit de gebruiksfase en de bouwfase. Hiertoe zijn alleen de sterkte-eisen (uiterste grenstoestand (UGT), momenten en vijzelkrachten) beschouwd. Scheurvorming door torsie in de segmenten is buiten beschouwing gelaten. De reden hiervoor zal nog worden toegelicht.
In de figuren 3, 4 en 5 zijn de randvoorwaarden weergegeven voor de drie beschouwde betonsterkteklassen C35/45, C100/115 en C180/210. De grijze vlakken in deze figuren, de zogenoemde UGT-gebieden, geven het gebied aan waarbinnen de liningdikte zich moet bevinden om aan de randvoorwaarden te voldoen.

C35/45

De liningdikte voor ondiepe tunnels wordt volgens figuur 3 bepaald door de eis van incomplete grouting. Bij een middeldiepe ligging is het echter de introductie van vijzelkrachten die de dikte bepaalt. Voor een zeer diepe ligging is een additionele ondergrens aan de gebruiksfase maatgevend. Deze ondergrens ontstaat doordat de normaalkracht op deze diepten zo hoog is opgelopen, dat het beton niet genoeg reservecapaciteit meer heeft om daarbij ook nog het buigend moment op te nemen.
In de figuur is de randvoorwaarde van de splijttrekkracht door de introductie van vijzelkrachten met een stippellijn weergegeven. Aangenomen wordt dat deze trekkrachten met behulp van wapeningsstaven kunnen worden opgenomen, waardoor ze geen directe beperking aan de liningdikte meer vormen.
Tot een diepte van de tunnelas van ongeveer 55 m (gronddekking van 2,9 D) is de variatie in minimaal vereiste liningdikten slechts zeer klein. Tot die diepte geldt dat een liningdikte van D/20 een veilige en goede benadering is voor de vereiste minimale dikte. De vuistregel is hiermee bevestigd en blijkt te berusten op het in de groutfase optredende buigend moment en de drukspanning veroorzaakt door de introductie van de vijzelkrachten.

Zoals vermeld is scheurvorming door torsie niet meegenomen in de bepaling van het UGT-gebied. Deze vorm van scheurvorming treedt slechts op in een zeer kleine periode van de volledige tunnellevensduur, namelijk als de segmenten de tunnelboormachine verlaten. Het zou daardoor zeer oneconomisch zijn het ontwerp van de segmenten op deze zeer kleine tijdsspanne af te stemmen. Zodra de torsie in de segmenten voorbij is, zullen de scheuren worden dichtgedrukt.
Echter moet wel in acht worden genomen dat deze scheuren tot een verlaging van de duurzaamheid kunnen leiden. Vochttransport door het beton zal worden vergemakkelijkt. Indien een liningdikte wordt toegepast die weliswaar in het UGT-gebied ligt, maar zich bevindt onder de grenswaarde voor torsiescheuren, dienen tijdens de bouw maatregelen te worden genomen om deze schade zoveel mogelijk te beperken of te voorkomen. Hiertoe worden zogenoemde adjusters (vakwerk aan de binnenkant van de tunnel dat vervormen gedeeltelijk verhindert) toegepast, of wordt de injectie van grout zo aangepast dat ovaliserende vervormingen gedeeltelijk worden gecompenseerd.

C100/115

Voor het met staalvezels versterkte C100/115 zijn dezelfde belastingsgevallen verantwoordelijk voor de maatgevende liningdikte (fig. 4) als voor gewapend beton C35/45. Het verschil tussen de vereiste liningdikten over de diepte is echter veel groter. Voor C35/45 bestaat de vuistregel D/20, die de benodigde dikte voor een normaal spectrum aan diepten goed benadert. Voor het met staalvezels versterkte materiaal gaat deze regel echter niet op. De vereiste dikte bij een gronddekking van 2,9 D is 380 mm (D/39) en bij een gronddekking van 0,7 D, 855 mm (D/17).
4 | Randvoorwaarden voor vereiste liningdikten en UGT-gebied C100/115 5 | Randvoorwaarden voor vereiste liningdikten en UGT-gebied C180/210 In staalvezelbeton is de treksterkte een eigenschap van het betonmengsel zelf. Anders dan bij gewapend beton kan de trekkracht door de introductie van vijzelkrachten nu niet worden genegeerd. Bij zeer diepe tunnels wordt daardoor de splijttrekspanning, veroorzaakt door de vijzelkrachten, maatgevend.

C180/210

Evenals bij C100/115 zijn de groutfase en de splijttrekspanningen door de vijzelkrachten maatgevend voor C180/210 (fig. 5). Wederom is een groot verschil aanwezig tussen de vereiste dikten bij ondiepe en diepe tunnels. Bij een diepe tunnel met een gronddekking van ongeveer 4 D is de vereiste liningdikte 255 mm (D/58) tegen 805 mm (D/19) bij de ondiepste ligging.
In figuur 5 valt op dat bij een tunneldiepte van maximaal 1 D de bovengrens aan de liningdikte in de gebruiksfase onder de ondergrens voor de groutfase terecht komt. Dit betekent dat geen enkele waarde van de liningdikte meer voldoet aan beide randvoorwaarden en met de hier toegepaste segmenten dus geen tunnel gebouwd kan worden met zo’n ondiepe ligging.

Bij met staalvezels versterkt C100/115 en C180/210 is de vereiste liningdikte sterk afhankelijk van de tunneldiepte. Bij een zeer ondiepe ligging kan dit ertoe leiden dat geen tunnel kan worden aangelegd. De maatgevende belastingsgevallen zijn nu echter bekend en daarom kunnen maatregelen worden getroffen om die beperking op te heffen. Deze maatregelen zullen zich eerst en vooral op de bouwfasemechanismen voor ondiepe tunnels moeten richten.

Optimalisering tunnelontwerp

Wapeningsstaven in met staalvezels versterkt beton

De momentcapaciteit van met staalvezels versterkt beton bij een lage normaalkracht (ondiepe ligging) is relatief laag. Toevoeging van traditionele wapeningsstaven kan de capaciteit sterk doen toenemen. Dit heeft bij ondiepe tunnels een sterke reductie van de vereiste liningdikte tot gevolg. Daar is namelijk het buigend moment uit de groutfase maatgevend. Figuur 6 toont het effect van de toevoeging van wapeningsstaven aan C180/210. De oorspronkelijke bovengrens vanuit de gebruiksfase wordt hierdoor ook beïnvloed en is al bij de laagste hoeveelheid toegevoegde wapening niet meer maatgevend binnen het onderzochte spectrum aan liningdikten. Dit betekent dat een boortunnel in C180/210 nu ook in ondiepere grondlagen kan worden gepositioneerd.
Figuur 6 biedt de mogelijkheid het wapeningspercentage af te stemmen op de beoogde diepteligging van de tunnel. Hoe ondieper, hoe meer wapening is vereist. Het is nu mogelijk een constante liningdikte van slechts 265 mm (D/56) toe te passen. Ten opzichte van de vuistregel D/20 levert dat reeds een diktebesparing met een factor 2,8 op (fig. 1, rechts).

6 | Reductie vereiste liningdikte door toevoeging wapeningsstaven aan C180/210

Compensatie opdrijven tunnel

Het buigend moment in de groutfase wordt veroorzaakt doordat de tunnel opdrijft in het semi-vloeibare grout en de tunnel daardoor in het grout wordt geduwd. Door te voorkomen dat de tunnel opdrijft, is potentieel een grote verlaging van het buigend moment en een reductie van de liningdikte te behalen. Een dergelijke reductie van de netto opdrijvende kracht kan bijvoorbeeld worden verwezenlijkt door een 7 | Aanvulling als werkweg in Groene Hart
Tunnel
zandlichaam in de tunnel aan te brengen. Dit lichaam dient aanwezig te zijn op de locatie waar het grout nog zeer vloeibaar is en de tunnel daardoor niet kan ondersteunen.
In de huidige bouwpraktijk wordt tijdens de bouw van boortunnels een lichaam aangebracht om een werkweg mogelijk te maken (foto 7). Door de hoogte hiervan niet enkel uit functioneel oogpunt, maar ook uit constructief oogpunt te ontwerpen, kan de liningdikte van ultra-hogesterktebeton met additionele wapening worden teruggebracht tot 250 mm (D/60). Voor deze reductie met een factor 3 ten opzichte van de gebruikelijke vuistregeldikte, hoeft slechts een beperkt zandlichaam te worden aangelegd.

Conclusies

De studie toont aan dat de liningdikte van boortunnels in de Nederlandse grond sterk kan worden gereduceerd door toepassing van zeer- of ultra-hogesterktebeton. Liningdikten van D/60 zijn constructief mogelijk voor ultrahogesterktebeton.
Het buigend moment door incomplete grouting is maatgevend voor de liningdikte van boortunnels bij een ondiepe ligging. Bij een diepe ligging is de introductie van vijzelkrachten maatgevend. Een beschouwing van de bouwfase is dus van het grootste belang bij het ontwerpen van een boortunnel. Om zeer dunne liningdikten als D/60 mogelijk te maken, zijn wapeningsstaven in het met staalvezels versterkte beton essentieel. Tevens dienen tijdens de bouw tijdelijke maatregelen te worden genomen om ervoor te zorgen dat bepaalde belastingsgevallen niet maatgevend worden. Door toepassing van een zandlichaam in het gedeelte van de tunnel dat omringd is door vloeibaar grout, kan de liningdikte bijvoorbeeld sterk worden teruggebracht. Tijdens de bouwfase kan scheurvorming optreden door torsie in tunnelsegmenten die onder het schild van de TBM vandaan worden geduwd. Deze scheuren zijn te voorkomen door toepassing van een adjuster of een streng groutinjectieregime.

Verdere ontwikkeling

Significante verlagingen van de liningdikte leiden onherroepelijk tot een vergroting van de absolute vervormingen in de ring (lokale diameterverandering). Bij een liningdikte van 250 mm bijvoorbeeld zijn deze groter dan 100 mm. Grote rotaties in de langsvoegen en relatieve verplaatsingen in de ringvoegen zouden uiteindelijk tot een verlaging van de waterdichtheid kunnen leiden. De veranderingen van de absolute vervormingen zijn echter verreweg het grootst en verdienen daarom de meeste aandacht. Nieuwe problemen steken dus de kop op. Voor boortunnels bestaan op het moment echter geen richtlijnen die deze problemen beschrijven. Opstelling van dergelijke limieten zal tevens van invloed zijn op de combinatie van een optimale betonsterkteklasse en liningdikte. Met de kennis die in deze studie is gepresenteerd en met inachtneming van nieuwe limieten kan een verdere optimalisering van het ontwerp van boortunnels daadwerkelijk worden verwezenlijkt.

Literatuur

  1. Groeneweg, T.W., Shield driven tunnels in ultra high strength concrete; Reduction of the tunnel lining thickness. Afstudeerverslag TU Delft en Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam, januari 2007.