1juli 2002In navolging van B e t o n i e k 12/13 `Cement in de grond' komt in dezeuitgave ook een niet alledaagse toepassing van cement aan de orde. Indeze aflevering wordt ingezoomd op een uitvoeringstechniek specifiekvoor boortunnels. Met een speciale lagesterktemortel wordt een afdich-ting gemaakt tussen bouwkuip en omringende slappe grond. Hierdoor ishet mogelijk dat de boormachine zijn werk kan doen, zonder het gevaardat de bouwput volloopt. De afdichting wordt in vaktermen `dichtblok'genoemd.DichtblokU i t v o e r i n gTunnelbouw17I2Met de bouw van de vele boortunnels inNederland (voor o.a. de Westerscheldetunnel,de 2e Heinenoordtunnel, de Betuwelijn of HSL)staan we er eigenlijk niet meer zo bij stil dat ditnog maar een recente ontwikkeling is in ons land.Zinktunnels kennen we al jaren, de Maastunnel inRotterdam was in 1942 de eerste. De aanleg vanboortunnels vereist specifieke technieken in de uit-voering. Het boorproces brengt met zich mee datop een grote diepte moet worden begonnen metboren (hier komen we later op terug). Eerst wordteen bouwkuip gemaakt waarin de boormachinewordt opgebouwd. Deze bouwkuip is doorgaans ver-vaardigd uit stalen damwanden waarin, na ontgra-ving, onderwaterbeton wordt gestort. Tegen dewand waar de boormachine met zijn werk gaatbeginnen wordt beton gestort met daarin een grootrond gat waar de machine net in past. Deze wandwordt de `brilwand' genoemd. Vooral heel treffendbij twee gaten, als twee tunnels naast elkaar moe-ten worden geboord. (zie foto van de Botlektunnel).Zo'n bouwkuip wordt doorgaans startschachtgenoemd en de bouwkuip waar de boormachineuiteindelijk het daglicht weer ziet heet ontvangst-schacht.Dat is mooi zal de oplettende lezer denken, maarhoe komt die boormachine nu door die stalen dam-wand? Als je die weghaalt stroomt de schacht volen kun je het verder wel vergeten, om maar niet tedenken wat er met die slappe Nederlandse grondgebeurt!Er zal dus een voorziening moeten worden aange-bracht die het mogelijk maakt dat de boormachinevanuit de droge startschacht zich een weg baantnaar de omringende bodem.In veel gevallen, zeker in het westen van ons land,gaat het daarbij om slappe grond met hoge grond-waterstanden. Een dergelijke voorziening moet duswaterdicht zijn, waterdicht aansluiten op de start-schacht én bovendien in staat zijn de achterliggen-de grond te keren. Als laatste, niet onbelangrijke,eis moet de boormachine zich er doorheen kunnenboren. Kortom, wat we zoeken is een grote, water-dicht `kurk' die past op het gat in de wand van destartschacht.Het boorprocesVoor we ingaan op de mogelijkheden hoe zo'nafdichting kan worden vervaardigd is het goedeerst even wat te vertellen over het boorproces ende bijbehorende vaktermen.Het boren in de grond gebeurt door een graafwielrond te laten draaien vlak voor de boormachine.Op dit graafwiel zijn tanden gemonteerd die degrond afschrapen. Het graafwiel draait dus rondin een door hem zelf gemaakte ruimte. Het afge-schraapte vlak in de grond vóór het graafwielnoemt men het boorfront. Vervolgens wordt delosgemaakte grond via de boormachine afgevoerd.Dit kan op verschillende manieren, maar daargaan we hier niet verder op in. De boormachineverplaatst, door zich af te zetten met behulp vanvijzels tegen de reeds gemonteerde tunnelwandachter de machine.Zo snel gezegd lijkt het allemaal heel eenvoudig,maar er zijn een paar addertjes onder het gras.Eén ervan is instabiliteit van het boorfront of, metandere woorden, het boorfront blijft niet als éénvlak staan en stort in. Gevolg hiervan is dat hetgraafwiel niet meer kan ronddraaien en datverder boren onmogelijk is. We moeten ervoorzorgen dat dit niet gebeurt. Een typische plaatswaar de kans op deze calamiteit groot is,is bij de start (of het einde) van het boorproces(zie kader `Stabiliteit van het boorfront').Een maatregel om dit te voorkomen is het toe-passen van een soort grondverbetering. Hierkomen we op terug bij de `kurk' in de damwand.juli 20022B e t o n i e k1 Botlektunnel met de brilwand (foto HBG Civiel)Stabiliteit van het boorfrontDe grond vóór de boormachine moet zo vlak mogelijk zijn.Dan kan het graafwiel de grond gelijkmatig afschrapen.Bij het boren in slappe grond is de kans zeer groot dat ditboorfront instort als er geen speciale maatregelen wordengenomen. Daarom is het noodzakelijk dat er op de één ofandere manier evenwicht wordt gecreëerd tussen de grond-en waterdruk enerzijds en de druk in de ruimte waarin hetgraafwiel draait anderzijds. De ruimte waarin het graafwieldraait is niet leeg, maar gevuld met een slurrie van grond,water en hulpstof (voor dit laatste wordt vaak bentoniet ofschuim gebruikt, afhankelijk van het type boormachine).Het is dus van belang er voor te zorgen dat de `vloeistofdruk'van de slurrie in de graafruimte ten minste gelijk is (of eenklein beetje hoger) aan de grond- en waterdruk vlak voorde boormachine. Deze druk zorgt er dan voor dat de grondvoor het graafwiel blijft `staan' en dat het boorfront intactblijft.Daarbij moet wel rekening worden gehouden met het feitdat ook in verticale richting evenwicht moet blijven bestaan.In bepaalde gevallen kan dit een probleem zijn, bijvoorbeeldals de gronddekking onvoldoende is. Er ontstaat dan een`blow-out': de bovenliggende grond wordt weggeblazen enboven de boormachine ontstaat een gat. Verder boren is danonmogelijk. De kans dat dit gebeurt is groot op plaatsenwaar de tunnelboormachine nog niet zo diep zit, bijvoorbeeldbij de start- of ontvangstschacht. Iets dergelijks kan ook ge-beuren onder een kanaal of rivier als de `gronddekking' opde tunnel ter plaatste van de bodem onvoldoende is. Dit is dereden dat het begin van een boortunnel dieper is gelegen danbij andere soorten tunnels.We kunnen een `blow-out' ook voorkomen door te zorgen voorvoldoende gronddekking op die plaatsen. Dit kan wordengedaan door nog dieper te beginnen met boren.De KurkTot de bouw van de 2e Heinenoordtunnel, de eersteboortunnel in Nederland, was het in het buiten-land gebruikelijk een waterdichte aansluitingtussen startschacht en omringende grond te rea-liseren door toepassing van grondverbetering.Gebruikelijke methoden daarvoor zijn zand-cementstabilisatie, jet-grouting, mix-in-place of diepwand-techniek (zie kader: `Grondverbetering'). Een nadeelvan de drie laatst genoemde methoden is dat deeigenlijke productie zich uit het zicht afspeelt.Men kan simpelweg niet zien wat er nu in de grondwordt gemaakt. Gevolg hiervan is dat de resultatenvaak tegenvallen. Door onvolkomenheden tijdensde aanleg kan het gebeuren dat er niet overal groutterecht is gekomen op plaatsen waar men het graagzou willen hebben of dat de diepwand-panelen nietgoed op elkaar aansluiten. Gevolg hiervan is dat dewater- en grondkerende werking tegenvalt en datmen alsnog maatregelen moet treffen om eengoede afdichting te verkrijgen.Om van dit probleem af te zijn is voor de 2eHeinenoordtunnel een nieuwe techniek ontwikkeld.Hierbij wordt tegen de startschacht een tweede,kleine, bouwkuip gemaakt. Na ontgraven wordt indeze kuip een dunne laag onderwaterbeton gestort.Onder water worden vervolgens de damwanden ende bovenkant van het onderwater beton goedschoon gemaakt. Er mogen geen grond of slibresten achterblijven, om het ontstaan van lekkentegen te gaan. Daarna wordt de kuip van onderafgevuld met een hoogvloeibare mortel. Deze mortelverdringt het water uit de kuip. Als deze mortel isverhard, kan aan de zijde van de startschacht in dedamwand een cirkel worden weggebrand.juli 2002B e t o n i e k3Erg aantrekkelijk is dit niet, want dan zijn langere toerittennodig en hierdoor wordt een tunnel weer duurder. Een anderemanier is het aanbrengen van een ophoging. Hiermee wordtextra verticale belasting verkregen op die plaatsen waar datnodig is. Een derde manier is het verbeteren van de grondeigen-schappen door middel van grondverbetering. Vaak biedt eencombinatie van deze mogelijkheden de meest economischeoplossing.GrondverbeteringEen korte beschrijving van de genoemde methoden:Zand-cement stabilisatie kan alleen goed worden aange-bracht in den droge, dus bijvoorbeeld in een bouwput die bovenhet grondwater is gelegen.Bij jet-grouting wordt grout onder hoge druk met een spuit-lans in de grond geperst. Als dit in een bepaald stramienwordt gedaan ontstaat een groot groutlichaam. Slappegrond wordt op een dergelijke wijze niet alleen stabielgemaakt, maar ook waterondoorlatend.In de `mix-in-place' methode wordt de grond gemengd metgrout door middel van een draaiende avegaar. Door ditproces te herhalen ontstaat een aaneengesloten `blok' inde grond dat eveneens stabiel en waterdicht is.Met behulp van diepwandtechniek kunnen sleuven in degrond worden gegraven die met cement-bentoniet wordengevuld. Door nu meerdere van dergelijke diepwand-panelentegen elkaar te plaatsen kan ook een grondlichaam wordengemaakt dat stabiel en waterdicht is.Overigens kan over een aantal van deze technieken ook infor-matie worden gevonden in de B e t o n i e k 12/13 `Cement inde grond'.Aan de andere zijde kan de damwand wordengetrokken. Er is nu tegen de startschacht een blokvan mortel gemaakt dat in staat is de grond tekeren en de startschacht waterdicht af te sluitenvan het omringende grondwater. Door deze functiekreeg het blok al gauw de naam `dichtblok'.Nu kan de boormachine met zijn werk beginnen.De boormachine boort zich vervolgens een wegdoor het blok van verharde mortel. Het zal duide-lijk zijn dat die mortel niet te hard mag zijn andersslijten de tanden op het boorwiel veel te snel oferger, hij komt er in het geheel niet doorheen!Hiermee is meteen een volgende belangrijke eisaan het dichtblok gesteld: de sterkte ontwikkeling.Dichtblok technologieVoordat we naar de technologie gaan kijken ishet goed alle eisen een keer op een rij te zetten.Een dichtblok, zoals toegepast bij o.a. de 2eHeinenoordtunnel en de Botlektunnel, wordt eigen-lijk net als onderwaterbeton gemaakt. De mortelwordt ook onder water gestort met behulp van eenbetonpomp en een ventiel. De eisen die daar uitvoortvloeien zijn:· goed en gelijkmatig uitvloeien;· goed in allerlei hoeken en gaten van dedamwandkuip vloeien;· voldoende stabiliteit, het mag niet ontmengen;Aan de verharde mortel worden de volgende eisengesteld:· nauwelijks krimpen, want het moet goed(waterdicht) tegen de bouwkuip aansluiten;· het moet waterdicht zijn, dus ook geenscheuren;· een minimale sterkte om grond- en waterdruk tekunnen keren;· De sterkte en stijfheid mag ook weer niet te hoogzijn;· Voldoende gewicht voor verticaal evenwicht metde grondwaterdruk.Alles bij elkaar een set van unieke eisen en daarmeeeen uitdaging voor de (beton)technoloog. Vooral deeis ten aanzien van een maximale druksterkte enstijfheid mag hier als bijzonder worden genoemd.De kreet `hoe sterker hoe beter' gaat hier dus inieder geval niet op!Deze eis staat in direct verband met de slijtage aande boormachine, in het bijzonder aan de snijtan-den. Dit speelt tijdens het doorboren van het dicht-blok aan het begin én het eind (!) van het boorproces.Als de tanden te snel slijten moet eerder en vakeronderhoud worden gepleegd.In sommige gevallen kan het een aanzienlijke tijdduren voordat de boormachine het dichtblokdoorboort. Er kan wel een jaar (of langer) zittentussen het tijdstip van vervaardigen van het bloken het doorboren ervan. Al die tijd blijft de eis metbetrekking tot sterkte en stijfheid van kracht.Globaal resulteren deze voorwaarden in devolgende eisen:· druksterkte tussen de 2 en 8 N/mm2;· elasticiteitsmodulus (stijfheid) < 1000 N/mm2.Vertaald naar de vloeibare mortel kunnen devolgende eisen worden gesteld:· volumieke massa > 1800 kg/m3;· bleeding < 2%;· vloeimaat 550 ­ 650 mm.juli 20024B e t o n i e k2 Blik over startschacht met daarachter de kuip voor hetdichtblok (foto HBG Civiel)3 Kop boormachine in de ontvangstschacht (Westerscheldetunnel; foto Martin Roepius)Op het eerste gezicht geen schokkende eisen, maarals we er wat beter naar kijken blijkt het toch nietzo eenvoudig te zijn. Neem de druksterkte bijvoor-beeld, tussen de 2 en 8 N/mm2. Geen minimumwaarde, maar een bandbreedte waarbinnen desterkte moet blijven. Wordt daarbij op de gebrui-kelijke wijze rekening gehouden met de standaardafwijking, dan komen er toch wat problemen omde hoek kijken. Als namelijk op de gebruikelijkemanier wordt gerekend met de standaard afwij-king, dan betekent dit sturen in het productieproces op een hogere waarde dan 2 N/mm2 en eenlagere (!) waarde dan 8 N/mm2. Gevolg hiervan isdat er helemaal geen bandbreedte meer over blijft.Conclusie is dat men hier anders met de resultatenmoet omgaan om te kunnen voldoen aan degewenste eisen.Ontmengen openbaart zich door bleeding opde vloeibare mortel. Feitelijk is dan de mengsel-opbouw niet meer homogeen en mag wordenverwacht dat ook het gehalte aan vaste stoffen(cement, zand etc.) over de hoogte varieert. Gevolghiervan is dat ook de sterkte over de hoogte van hetdichtblok varieert. Gemiddeld genomen kan dannog wel aan de eisen worden voldaan, maar bove-nin en/of onderin absoluut niet meer! Het mag dui-delijk zijn dat dus veel aandacht moet wordenbesteed aan de stabiliteit van de vloeibare mortel.Om hiervoor een goed mengsel te maken met degewenste eigenschappen is een uitgekiende samen-stelling noodzakelijk. In een praktijkproef moetworden getest of het in het laboratorium ontwikkel-de mengsel ook geschikt is om op grote schaal teworden toegepast. Gezien de factor tijd in de eisen(bijvoorbeeld een jaar) moet tijdig gestart wordenmet het geschikheidsonderzoek. Het zou erg sneuzijn als na een jaar moet worden geconstateerd datniet wordt voldaan aan de eisen.Bij de 2e Heinenoordtunnel is een mengsel toegepastmet bentoniet (zie tabel voor de globale samenstel-ling). Het mengsel van water en bentoniet wordt opde bouwplaats gemaakt en in aangepaste hoeveel-heden per normale truckmixer naar de betoncen-trale vervoerd. Daar zijn zand, cement, een deelvan het water en hulpstoffen reeds gemengd.Deze mortel wordt aan het mengsel in de truck-mixer toegevoegd, goed doorgemengd en weernaar de bouwplaats vervoerd. Daarna wordt dezezogenoemde `lagesterktemortel' in het werk aan-gebracht.Bij de Westerscheldetunnel en de boortunnelonder het Groene Hart, ten behoeve van de HSL, isgeen bentoniet gebruikt. Hierdoor vervalt de fasevan het maken en het rijpen van het bentoniet-mengsel. Bij beide tunnels is gebruik gemaakt vanvliegas. Aan de noordzijde van de Westerschelde-tunnel, bij de ontvangstschacht, is weer een andermengsel toegepast. Hier is gebruik gemaakt vankalksteenmeel. Deze mengsels zijn in een beton-centrale gemengd. Een globale indicatie van desamenstelling is in de tabel gegeven.juli 2002B e t o n i e k5Tabel met globale mengselsamenstellingenmengsel metgrondstof bentoniet vliegas kalksteenmeelCement CEM III/C CEM III/B CEM I 52,5 R150 - 225 kg/m3 80 - 100 kg/m3 ca. 100 kg/m3Zand 0-2 - ca. 1300 kg/m3 -Zand 0 - 4 ca. 1050 kg/m3 - ca. 425 kg/m3Grind 4 - 16 - - ca. 800 kg/m3Water 520 - 570 liter ca. 350 liter ca. 280 litersuperplastificeerder 4 - 7 kg/m3 ca. 1,5 kg/m3 ca. 1,5 kg/m3Bentoniet ca. 35 kg/m3 - -Vliegas - 300 ­ 320 kg/m3 -Kalksteenmeel - - ca. 550 kg/m3Noot: Deze mengsels zijn indicatief, prestaties zijn sterk afhankelijk van de gebruikte grondstoffenjuli 20026B e t o n i e kBentonietBentoniet en water moeten ruim van te voren wordengemengd, omdat bentoniet enige tijd (minimaal 4 uur, af-hankelijk van de soort en kwaliteit) nodig heeft om te kunnen`rijpen'. Met dit laatste wordt bedoeld dat de bentoniet zweltdoor water op te nemen. Een yoghurt-achtige vloeistof ontstaat4 Westerschelde tunnel, dichtblok met caisson.met een tixotroop gedrag. Dat wil zeggen: 1) als de vloeistof inbeweging is, is het dun vloeibaar; 2) staat de vloeistof stil danheeft het een zekere stijfheid. Dit laatste maakt het mogelijkcement en zand toe te voegen zonder dat dit uitzakt.Op deze wijze wordt dus een stabiel mengsel verkregen.5 Boormachine baant zich een weg door het dichtblok richting de ontvangstschacht.Uit de tabel blijkt dat gewerkt wordt met relatieflage cementgehaltes en grote hoeveelheden water.De water-cementfactor zit ergens tussen de 2,5 en5, erg hoog dus in vergelijking met beton!Het resultaat hiervan is de lage gewenste sterkte,want ook bij deze mortels gaat de wet van de water-cementfactor op. Door de hoge wcf zal nagenoeg alhet cement hydrateren in een relatief korte tijd,hierdoor zal ook de doorgroei in sterkte eerderstoppen dan bij beton!Ten behoeve van de stabiliteit van de mengsels is bijeen dergelijke wcf een grote hoeveelheid fijn nodigin de vorm van vliegas of kalksteenmeel. Bentonietvormt hierop qua hoeveelheid een uitzondering doorde afwijkende werking zoals eerder is uitgelegd.Als voorbeeld is in onderstaande figuur de ontwik-keling van de sterkte in relatie tot de tijd weerge-geven van een van deze mortels.Andere uitvoeringswijzenBij de HSL wordt met verschillende methodengewerkt. Bij de startschacht van de Groene Harttunnel is met behulp van diepwandtechniek eendichtblok gemaakt. Ook hier bleek dat de al eerdergemaakte kanttekening bij deze uitvoeringsmethodeniet onterecht was. Men heeft lekkage van hetdichtblok moeten repareren met injectie.Drie ontsnappingschachten zijn onderdeel van deboortunnel onder het Groene Hart. Hier wordt eenronde schacht gemaakt met behulp van diepwan-den en onderwaterbeton. Deze schacht wordt opge-vuld met een lagesterktemortel. De boormachineboort zich een weg door deze mortel. Als de boor-machine zich in dit blok bevindt, bestaat de moge-lijkheid om eventueel versleten snijtanden te wisse-len en ander onderhoud te plegen.Voor de Westerschelde tunnel heeft men aan dezuidkant een startschacht in den droge gebouwd eneen dichtblok aangebracht door in lagen van éénmeter een zand-cement stabilisatie aan te brengenachter de `brilwand'. Aan de noordzijde is een ont-vangstschacht gemaakt in een pneumatisch afge-zonken caisson. Hiertegen is een dichtblok gemaaktmet de al eerder genoemde lagesterktemortel metkalksteenmeel. Verder is het caisson deels metzand-cement gevuld.Uit bovenstaande blijkt dat er niet één unieksamenstelling is voor de lagesterktemortel tenbehoeve van een dichtblok. Afhankelijk van de uit-voeringswijze en de specifieke omstandigheden zaleen keuze moeten worden gemaakt.DiversenDe minimale afmetingen van het dichtblok wordenmede bepaald door de lengte van de boormachine.Voordat deze het dichtblok helemaal verlaat moetmen kunnen grouten om de ruimte tussen de buiten-zijde van het boorgat en de tunnelsegmenten opte vullen. Wordt dit niet goed gedaan dan ontstaateen spleet langs de buitenzijde van de segmentenwaardoor alsnog water en mogelijk ook grond inde startschacht kan komen.Door de grote afmetingen van het blok zijn debenodigde hoeveelheden mortel zeer omvangrijk,ca. 3000 m3 of meer zijn hoeveelheden waar algauw rekening mee moet worden gehouden. Destortsnelheid zal daarbij over het algemeen hoogzijn, zodat het van belang is een goede balans tevinden tussen de prestatie-eisen, het pakket aangrondstoffen en de productie mogelijkheden op decentrale.Producten als beton, en ook lagesterktemortel, val-len onder het Bouwstoffenbesluit. Voor productendie niet in het reguliere leveringspakket van debetoncentrale vallen betekent dit dat nader onder-zoek noodzakelijk is om aan te tonen dat wordt vol-daan aan het Bouwstoffenbesluit.juli 2002B e t o n i e k70024681028 56 84 112 140 168 196bovengrensondergrensDruksterkteontwikkeling LSM BotlektunnelTijd (in dagen) OnderzoekDruksterkte(inN/mm2)Praktijkjuli 20028B e t o n i e kColofonB e t o n i e k is een praktijkgericht voorlichtingsblad op hetgebied van de betontechnologie en verschijnt 10 keer per jaar.In de redactie zijn vertegenwoordigd:de Nederlandse cementindustrie, MEBIN, CUR,HBG Civiel en de Bouwdienst Rijkswaterstaat.Uitgave: ENCI MediaPostbus 3532, 5203 DM `s-HertogenboschRedactie: 073 - 640 12 23E-mail: encimedia@enci.nlWebsite: www.enci.nlAbonnementen/adreswijzigingen:Abonnementen en adreswijzigingen voor Betoniek wordenverzorgd door:Betapress Abonnementen ServicesPostbus 97, 5126 ZH Gilzetel: 0161 - 45 95 86fax: 0161 - 45 29 13email: betoniek@Betapress.Audax.nlAbonnementsprijzen 2002:Nederland ? 17,15België ? 17,75Overige landen ? 24,30Aanmeldingen/opzeggingen:Abonnementen kunnen op ieder gewenst moment ingaan.Aan het eind van het kalenderjaar wordt het abonnementautomatisch verlengd, tenzij vóór 1 december schriftelijkwordt opgezegd.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.ISSN 0166-137xIn onze volgende uitgaveVoorgespannen betonKijken we naar grote infrastructurele projecten,dan worden betonconstructies het merendeel uitge-voerd in voorgespannen beton. Maar wat versta jedaar nu onder? In deze Betoniek-aflevering gaan wein op basisprincipes en begrippen van het voorge-spannen beton.Vragen als: waarom worden constructies voorge-spannen, welke constructies worden voorgespan-nen en hoe worden constructies voorgespannenkomen aan de orde. Verder worden de verschillentussen gewapend en voorgespannen beton encentrische of excentrische voorspankrachtenbeschreven.SlotIn eerste instantie zou je denken wat moet een bladals B e t o n i e k nou met een artikel over `lagesterk-temortel'. Bij nader inzien blijkt dat aan die morteltoch wel hele specifieke eisen worden gesteld en dathet mogelijk is deze mortel op een betoncentrale tevervaardigen.Ineens wordt dan de uitdaging voor de betontechno-loog duidelijk. Als je altijd bent gewend te sturenop een ondergrens van de sterkte, dan is eenbovengrens een hele uitdaging!De lezer die zich nog wat meer wil verdiepen inhet fenomeen boortunnels kan terug grijpen opB e t o n i e k 10/21.Literatuur· Boortunnels, B e t o n i e k 10/21, januari 1997· Cement in de grond, B e t o n i e k 12/13, maart2002· Dichtblok van lagesterktebeton, R.H.C. vanBerkel, Cement 1999/2