jS T C H T N G BETONPR S M Adezon zullen gBoortunnels zijn een nieuw eninteressant toepassingsgebied voor beton.Daarom bespreken we in deze afleveringvan BE.TONIE.K enkele methoden voor debouw van boortunnels in slappe grond ende rol die beton daarbij speelt. Werichten ons daarbij vooral op de groteretunnels met een diameter vanafca. 5 m.POSTBUS 35325203 DM 'S-HERTOGENBOSCHAItientallen jaren worden in ons land verschillendeboortechnieken gebruikt voor de aanleg vanondergrondse leidingen met een beperkte diameter,zoals gasleidingen, vloeistofleidingen, afvalwater-leidingen en mantelbuizen voor kabels. zijn enkelejaren geleden drinkwaterleidingen geboord metdiameters variërend van 1,85tot 2,65 m en eentotale lengte van ruim 5 km. Maar de belangstellingvoor boortunnels met een grote diameter bleef invergelijkingmet veel andere lan,den achter.Daarvoor kunnen we oorzaken noemen.De slappe, samendrukbare kleilagenen de cohesielozezandlagen met hoge grondwaterniveau's lekenongeschikt voor het boren van grote diameters.DeKanaaltunnel, een bekendvaorbeeld vaneen boortunnel.januariBovendien gaat het maken van ontgravingen vanafdeoppervlakte in al onze gronden relatiefgemakkelijken was de bebouwingsintensiteit in onze stedelijkegebieden veel geringer dan in het buitenland. Hierdoorontbrak de noodzaak voor de aanleg van boortunnels.Daarbij komt dat de techniek voor het maken vanafgezonken tunnels in ons land opeen zeer hoog peil staat. Ook dat heeft wellichtremmend gewerkt.De situatie is geleidelijkveranderd. De bebouwingsin-tensiteit nam sterk toe, net als de verkeersintensiteit.Het wordt steeds moeilijker om ondergrondseconstructies vanaf het maaiveldaan te leggen.Doordat het grondoppervlak en de ondergrond tot2 à 3 m onder het maaiveld 'vol' raken, zal het steedsvaker nodig zijnom de diepere lagen onder hetmaaiveld te benutten. Dat kan, want ook deontwikkeling van de boortechniek stond niet stil ener is nu meer ervaring met tunnelboormachines(TBM's)in verschillende grondsoorten.boortunnelsTen opzichte van sleuf- of zinktechnieken, de klassiekeaanlegmethoden vanaf maaiveld,heeft het boren vantunnels de volgende voordelen:· geringe invloed op te kruisen objecten:bebouwing, wegen enz.;· geen hinder voor scheepvaart - en wegverkeer;· minder belasting voor de omgeving vanwegebeperkt grondverzet en beperkte geluidshinder;· grotere vrijheid voor het tunneltracé (locatie enaanlegdiepte);· verontreinigde grond in het grondoppervlak kanworden gemeden, zodat eventuele bodem-saneringen niet ten laste van het tunnelprojectkomen.Boren en bouwenInslappe grond kun je niet zomaar een tunnel boren.Je zult moeten zorgen dat de grond rond hetboorfront niet instort. Bovendien moet je eentunnelwand bouwen die stevig genoeg is om de drukvan de grond en het grondwater te weerstaan.Zowel voor het boren van tunnels als voor het makenvan de tunnelwand zijnverschillende techniekenbeschikbaar. Omdat er meerdere combinatiesdenkbaar zijnvan boortechniek en vervaardigings-methode voor de tunnelwand, zullen we detechnieken voor het 'boren' en het 'bouwen' apartbehandelen. Daarna gaan we in op de tunnel boor-machine, die het boren en bouwen in zich verenigt.van de tunnelde aanleg van grote boortunnels wordt gewerktvanuit voorafgemaakte schachten. Vervolgens wordtvan de ene naar de andere schacht een tunnelgeboord. De keuze van deboortechniek hangt afvan de diameter van de te boren tunnel en van deeigenschappen van de grond en de eventueelaanwezige grondwaterdrukken.Zowel het boren als de feitelijketunnelbouwgebeuren in een tunnelboormachine. Dit is een stalenbuis waarin aan de voorzijde de grond wordtontgraven. Daarachter wordt in de buis de tunnel-wand gemaakt. De boor wordt vooruitgeschovendoor de stalen mantel met behulp van vijzels tegen dereeds gemaakte tunnelwand af te zetten. Met ditmechanisme kan de boorkop ook in horizontale en/ofverticale richting worden bijgestuurd.Voorin de buis bevindt zich het schild. Daarvoor zithet graafwiel,een grote draaiende schijf,waaropsnijtanden zijn aangebracht, waarmee de grond wordtafgegraven. Om voortijdig afkalven of instorten vanhet boorfront te voorkomen, is het nodig om de voorhet graafwiel aanwezige gronddruk voortdurend tecompenseren. Hiervoor zijnverschillende systemenbeschikbaar. Voor grote tunneldiameters in slappegrond komen het zogenoemde vloeistofschild. ookwel slurryschild genoemd, en het gronddrukbalans-schild in aanmerking. Van beide schildtypen komenallerlei varianten voor. We geven hier een beschrijvingvan de basisprincipes.VloeistofschildBij het vloeistofschild wordt water of, in de meestegevallen,een bentonietslurry gebruikt om voldoendesteundruk te leveren tegen het grondmassief.De bentonietslurry heeft een dubbele functie.Ze dient als steunvloeistof voor het boorfront en alstransportmedium voor de afgegravengrond. Door aanhet boorfront overdruk op de bentonietslurry aan tebrengen, dringt het bentoniet vóór het boorfront uitenkele centimeters de grond in.Zo ontstaat eennagenoeg ondoorlatende afpleisterlaag, waardoor hetboorfront zelfstijdelijk met luchtdruk kan wordenondersteund. Bijvoorbeeld wanneer inspecties vane&I.grove zeef2. fijne zeef3.fijne zeef4. verzameltankS.grote cycloon6.kleine cyclonen7. centrifugea.pomp9. grond10. slibI I. nieuwe aangemaakte'slurry'Sc:hema vande scheidingsinstallatie vande Tweede Heinenaortunnel.Uit: Tweede Heinenoordtunnel, een nieuwe techniek onder de Oude Maas.het graafwiel of andere werkzaamheden aan hetboorfront nodig zijn.De afgegravengrond wordt vermengd met de slurryen via pijpleidingen weggepompt. Bovengrondsworden grond en bentoniet in een scheidingsinstallatievan elkaargescheiden. De grond wordt afgevoerd ende bentonietslurry wordt opnieuw gebruikt (zie fig. I).De methode van het vloeistofschild is niet altijdinzetbaar. In kleiachtigegrondsoorten is het erg lastigen kostbaar om de bentonietsuspensie en de grondte scheiden om de simpele reden dat de klei- enbentonietdeeljes erg op elkaar lijken.GronddrukbalansschiJdGronddrukbalansschilden worden in de literatuurvaak aangeduid met de Engelseterm 'Earth PressureBalanceShield',afgekort EPB-Schild. Ze gebruikende grond die de boorkop heeft losgemaakt alsondersteuningsmedium. Deze techniek is met nametoepasbaar in kleigebieden. In bijvoorbeeld Engeland(Londen) en Japan is ze al veelvuldigtoegepast. Omervoor te zorgen dat het grondmengsel voldoendeplastisch en homogeen is om de steundruk gelijkmatigover het boorschild te verdelen, kunnen aan de grondadditieven worden toegevoegd.bouwen van de tunnelwandDe tunnelwand, we spreken ook wel van 'tunnellining',kan op verschillende manieren gebouwd worden.Bij kleine tunneldiameters bestaat de wand uit buizenvan bijvoorbeeld beton, staal, vezelversterkt cementof kunststof. Deze worden vanuit een persschachtachter het schild aan geperst. Hierbij worden ookwel ringen, of uit segmenten opgebouwde ringen vanbeton, staal of gietijzer gebruikt. Ook bijgrotetunneldiameters moet de tunnelwand direct achterhet schild worden opgebouwd. Daarvoor wordentot nu vooral geprefabriceerde betonnen elementengebruikt. Een alternatief, waarbij de tunnelwand terplaatse wordt gemaakt met geëxtrudeerd (staalvezel-)beton, is in qntwikkeling.Prefab betonnen elementenDe tunnelwand wordt opgebouwd uit verschillendegeprefabriceerde betonnen elementen (zie fig. 2), diesamen een ring vormen. Bijde TweedeHeinenoortunnel bijvoorbeeld, zijn dat zevensegmenten en een zogenoemde 'sluitsteen' (zie fig. 3).De segmenten hebben een zodanige vorm dat eenI.afdichtingsrubber2. mogelijkheid voorboutverbindingTunnelsegment vande Tweede Heinenoordtunnel.Uit: Tweede Heinenoordtunnel, een nieuwe techniekonder de Oude Maas.volledige ring niet over de gehele doorsnede dezelfdebreedte heeft. De enigszinstapse vorrn van de ringenmaakt het mogelijkom zowel in het horizontale als hetverticale vlak bochten te maken. Op de rechtestukken worden de ringen 'om' en 'om' geplaatst.De segmenten worden aan de binnenkant van destalen mantel van de TBMaangebracht. Als de mantelvooruit geschoven wordt, blijfteen ruimte ter diktevan de mantel over tussen de tunnelwand en deomringende grond. Deze ruimte wordt onder drukopgevuld met grout.De eisen die gesteld worden aan de maatvoeringvan de elementen zijn extreem hoog. Bij de grotediepte waarop tunnels soms worden aangelegd, zijnzeer hoge grondwaterdrukken mogelijk. Deelementen moeten een grote dichtheid hebben enbijnaletterlijk naadloos sluiten in verband met dekrachtoverbrenging. De tolerantie op de buitenmatenisslechts ± 0,5 mm! De grootste diepte bijde TweedeHeinenoordtunnel is ca. NAP - 30 m en de diepte vande nog aan te leggenWesterschelde Oeververbindingzal maximaal NAP - 63 m zijn! Om een voldoendewaterdichtheid te garanderen, zijn de elementenvoorzien van een rubber proflel.De tunnelwand vande Tweede Heinenoordtunnel. Elke ringbestaatuitzeven segmenten en éénsluitsteen.Uit: Tweede Heinenoordtunnel, een nieuwe techniekonder de Oude Maas.De afwerking van de voegen en het aanbrengen vanafdichtrubberis een secuur werkje. Bedenk dat perkilometer tunnel zo'n 25 kilometer voeglengteaanwezig is.Geëxtrudeerd betonDe techniek van het opbouwen van een tunnelwandmet behulp van geëxtrudeerd beton is vrij nieuw.Deze bouwmethode bevindt zich nog in eenontwikkelingsstadium maar lijktveelbelovend metname in relatie tot aanlegsnelheid en kosten.Extrusieprocessen zijn in de betonwereld ondermeer bekend van de productie van bepaaldebetonelementen, zoals dakpannen of kanaalplaat-vloeren. Daarbij werkt men met aardvochtigebeton specie met een hoge 'groene' sterkte. De bouwvan een tunnel volgens het extrusieproces kunnen wehet beste vergelijken met de vervaardigingvan eenschoorsteen in een glijbekisting, maar dan horizontaal!Bij deze vorm van tunnelbouw worden vrij plastischebetonspecies gebruiktTijdens het boren wordt betonspecie geperst in eenringvorrnige ruimte, die aan de binnenzijde wordtbegrensd door een stalen uit segmenten opgebouwdebekisting en aan de buitenzijde door grond of eenHet vande Tweede Heinenoordtunnel.Uit: CQB Nieuws.stalen vlies. Daarbij zullen hoge eisen worden gesteldaan bijvoorbeeld het verwerkingsgedrag en desterkteontwikkeling van de toe te passen betonsamen-stelling. Het lijkterop dat bepaalde eigenschappen vanstaalvezelbeton goed aansluiten bijde eisen die aanbeton voor deze extrusietunnels worden gesteld.Op dit moment wordt binnen Nederland eenproductiemethode ontwikkeld voor het boren enbouwen van tunnels met geëxtrudeerd beton(Industriële Tunnelbouw-Methode, ITM). Het ideeerachter is dat zo'n methode leidt tot lagerebouwkosten, een hogere bouwsnelheid en eenkortere voorbereidingstijd.Tunnetboorrnachlne (TBM)Ineen tunnelboormachine zijn de functies 'boren vande tunnel' en 'bouwen van de tunnelwand' verenigd.Een tunnelboormachine kan worden beschouwd alshet hart van een omvangrijk productieproces, dat vanbegintot eind de volgende componenten omvat:· een boorschild met graafwiel en voortbewegingsvij-zels (zie fig. 4);· een plaatsingsmechanisme voor de geprefabriceerdesegmenten of een meng- en injectie-unit voor het(staalvezel-)beton;· een 'volgtrein' , bestaande uit een aantal meelopen-de trailers voor de energievoorziening, verlengsys-temen en materiaaltransport (grondstoffen/elemen-ten);· een besturingssysteem voor het besturen enbewaken van de voortgang.Dit bevindt zich allemaalondergronds. Bovengrondsbevinden zich nog een installatie voor het scheiden vanafgegravengrond en bentonietslurry, een bentoniet-menginstallatie, een installatie voor grondafvoer enopslag van grondstoffen en/of geprefabriceerdeelementen.Een TBMheeft samengevat de volgende functies:· boren; 'afgraven' van de grond aan de voorzijde;· voortbewegen en ondersteunen;· transporteren: grondafvoer, materiaalaanvoer;· bouwen van de tunnelwand.Plaatsing vanhet eerste deelvande boormachine indestartschacht vandeTweedeHeinenoordtunnel.Foto: Aeroview Dick Sellenraad, Rotterdam.""'"'Hettweededeelvande boormachine wordt opz'n plaatsgebracht.Foto: Aeroview Dick Sellenraad, Rotterdam.De eerste: De 'Tweede'De Tweede Heinenenoordtunnel bij Rotterdam wordtde eerste geboorde tunnel in Nederland. Deze tunnelmaakt het mogelijk om de capaciteit van de A29, endus ook van de Heinenoordtunnel onder de rivier deOude Maas,te vergroten van 2 x 2 naar 2 x 3rijstroken. Daartoe wordt de bestaande tunnel voorlangzaam-en snelverkeer, uitsluitend ingericht voorsnelverkeer. De nieuwe tunnel wordt bestemd voorlangzaamverkeer: voetgangers, fietsers en landbouw-voertuigen. Hiervoor worden twee buizen aangelegd,elk met een inwendige diameter van 7,60 m (zie fig. 5en 6). Bij een wanddikte van 35 cm betekent dit dat deboordiameter 8,30 m is. Elketunnelbuis is ongeveerI km lang. De totale boorlengte is dus bijna 2 km.Naar verwachting zal per boordag van 24 uurgemiddeld lOm tunnel worden gerealiseerd.Begin 1997 zal met het boren van de tunnel wordengestart. Het totale boorproces zal ongeveer een jaargaan duren.BoortechniekDe ondergrond in het boortracévan de TweedeHeinenoortunnel bestaat voor 20% uit slappe,Detunnelelementen op het tasveld.cohesieve grondsoorten, zoals klei en voor 80%uit niet cohesieve zandlagen. Na een uitgebreideanalyse van de omstandigheden ter plaatse en debeschikbare ervaringen met de verschillendeboorsystemenis bij het boren gekozen voor eenvloeistofschild.TunnelwandDe tunnelwand wordt opgebouwd uit geprefabriceer-de betonnen elementen (zie fig. 7). Één element is1,50m breed. De omtrek van de tunnelwand, ofweleen 'ring', bestaat uit zeven elementen en eensluitelement. Er worden 'rechtse' en 'linkse' ringenonderscheiden. De elementen worden vervaardigd ineen 24-uurscyclus. Intotaal zijn er 32 malleningebruik, twee sets van acht mallen voor de 'linkse' entwee sets van acht mallen voor de 'rechtse' ringen.Per tunnelbuis worden ongeveer 5000 segmentengebruikt. Intotaal dus ongeveer 10.000 stuks!De ringen worden in de langsrichtinggekoppeld doortwee nokken per segment. Tijdens de uitvoeringworden de segmenten na het plaatsen in de langs-endwarsrichting met bouten vastgezet. Later wordendeze bouten weggenomen en hergebruikt. Aan deomtrek van de segmenten is een rubber voegprofielaanwezig voor de waterafdichting.""!&;Isen aan het betonduurzaarnheldselsen voor beton van boortunnelskomen vrijwel overeen met die van afzinktunnels.De sterkteklasse wordt bepaald door de belastingenter plaatse en de in het ontwerp gekozen uitgangs-punten. Het bestek voor de TweedeHeinenoordtunnel schrijft voor de geprefabriceerdeelementen een sterkteklasse B45 in milieuklasse Sbvoor. Voor de wapening wordt wapeningsstaal FEB500 gebruikt. De wapeningsdekking bedraagt 35 mmoDe uitgangspunten voor de betonsamenstelling zijnalsvolgt:Cement: 375 kg/m'CEM I52,5 R 25 %CEM III/A 52,5 75 %Bij deze cementverhouding ligthet slakgehalte opongeveer 43 %.Het toeslagmateriaal bestaat uit rivierzand, korrel-groep 0 - 4 en riviergrind, korrelgroep 4 - 32.De wcf is < 0,45Er wordt 1,0- l,S %t.O.V. het cementgewichtsuperplastificeerder toegepast.De keuze voor deze betonsamenstelling is vooralbepaald door de wens om de elementen in een24-uurs cycluste produceren.Op het moment dat de elementen worden ontkist,ongeveer 22 uur na het storten, ligtde druksterktetussen ca. 25 en 40 N/mm2· De druksterkte na 28dagen verharden (bepaald aan controleproefstukken)ligttussen 65 en 80 N/mm2· Hiermee wordtruimschoots aan de vereiste sterkteklasse B45voldaan.De waterindringing wordt volgens ISOIDIS 703 Ibepaald aan proefkubussen. De maximale waarde vande indringdiepte varieert tussen 5 en 15mmoPraktijkonderzoekDe Tweede Heinenoordtunnel voor langzaamverkeeren de Botlekspoortunnel voor goederenvervoer zijnde eerste twee grote boortunnelprojecten inNederland. Beide projecten zijn erop gericht ervaringop te doen met het boren van tunnels met grotediameter in de voor Nederland kenmerkende zachtegrond.zt&UBij deze projecten isgekozen voor boortechniekenwaarmee in het buitenland al ruime ervaring bestond.In Nederland bestaat behoefte aan meer kennis op hetgebied van boortunnels. Daarom is aan de uitvoeringvan bovengenoemde projecten een uitgebreidmonitorings- en onderzoeksprogramma gekoppeld.De coördinatie van dit onderzoek ligtbijhet CentrumOndergronds Bouwen (COB). Dit centrum is eeninitiatiefvan het ministerie van Verkeer en Waterstaaten het bedrijfsleven en is opgericht om mogelijkhedenvoor ondergronds bouwen te onderzoeken.Het COB-onderzoek richt zich op het vergaren vanzoveel mogelijk kennis over het boren van tunnels inzachte bodem. Er worden bijvoorbeeld metingenuitgevoerd om meer inzicht te krijgen in vervormingenen veranderingen die door het boren optreden in despanningstoestand van de bodem. Zo werd al enigetijd geleden een proefvak aangelegd om straks tijdenshet borende invloed hiervan op funderingspalen temeten. In het proefvlak zijnverschillende paleningebracht en voorzien van een bijbehorendebelasting. Ook wordt gemeten aan welke belastingentunnel en tunnelboormachine onderhevig zijn. Na deaanleg van deze tunnels zullen bouwers en ontwerpersover veel meer kennis en praktisch inzicht beschikken.De belangrijke eerste stap naar de aanleg vanboortunnels in Nederland op grotere schaal is gezet!LiteratuurBrink,ing.F.e.a., Tunnelbouw met de schildmethode,PolytechnischTijdschrift, 1979 nr. 10 p. 624-650Von Bernhard Maidl, Martin Herrenknecht und LotharAnheuser, MachinelIerTunnelbau im Schildvortrieb,Ernst & Sohn, Berlin 1995Oosteren, ir. K.van, Boortunnels van geëxtrudeerdstaalvezelbeton, Cement 1997 nr. 2Themanummer Ondergrondse Werken,Cement 1996 nr. 10.JJJJJJJJJJfgJJJJJJJJJJJJ'"BETONlEK is een praktijkgericht voorlichtingsbladop het gebied van de betontechnologie en verschijnt10 keer per jaar.In de redactie zijn vertegenwoordigd: de Nederlandsecementindustrie, MEBIN, CUR en de BouwdienstRijkswaterstaat.Uitgave: Stichting BetonPrismapostbus 3532, 5203 DM 's-HertogenboschRedactie: 073 - 6 40 12 22Abonnementen: 073 - 6 40 12 3IBetonPrisma is een initiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie (VNC).dDaar maak je 't mee.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan,onder voorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 28,50Belgiëf 29,50andere landen fAbonnementen lopen per kalenderjaar en wordenautomatisch verlengd, tenzij voor I decemberschriftelijk wordt opgezegd.ISSN 0166-137x