Double-O-Tube (DOT) tunnels

™

r ^ ^ I f 4- Gebruik van de Ondergrondse

L y t:? I I L Ruimte (GOR)

1 Technische Universiteit Delft

Faculteit CiTG

1 Bibliotheek Civiele Techniek

Ste vinweg 1

• 2628 CN Delft

Coh

^é-oi

lecnnioche Universiteit Delft

• pjii^jj^the?!; rcc^jl'ri; f^or Civiele Techniek

m ' (Bcic:^- ::.iO.^.:.=weg1)

F'G-ibus 5Ü48

• 2600 GA DELFT

D O U B L E - 0 - T U B E ( D O T ) T U N N E L S

^ D . W . Boeve

06

Kcxjop

Co%

Double-O-Tube (DOT) tunnels

Door:

ir. D.W. Boeve

in samenwerlcing met Obayashi Corporation augustus 1996

In opdraclit van: Leerstoel Ondergronds Bouwen Teciinische Universiteit Delft Centrum Ondergronds Bouwen

Inhoudsopgave

1 Introductie 1

1.1 Inleiding 1 1.2 De drie mogelijke varianten 2

2 Uitgevoerde projecten 5 3 De techniek van het boren met DOT-schilden 7

3.1 De overlap van de cirkels 7 3.2 Het front 8

3.3 De segmenten en de erectoren 9

3.4 De vijzels 13 3.5 Het maken van bochten 15

3.6 De waterafdichting 16 3.7 Het plaatsen van een 2' lining 16

4 De voor- en de nadelen van DOT-schilden 17 4.1 DOT-schilden versus cirkelvormige schilden 17 4.2 DOT-schilden versus VF en H&V-schilden 21

5 Conclusies en aanbevelingen 23

Literatuur 25 Bijlagen:

1. Een vergelijking tussen tunnelvormen 27 2. Een vergelijking tussen verschillende varianten 29

3. Enkele gegevens van de twee proefboringen 31 4. Enkele gegevens over een toegepast schild 33

1. Introductie

1.1 Inleiding

De ondergrondse ruimte wordt in toenemende mate benut, onder andere voor infrastructuur.

Voor de aanleg van ronde tunnels met een diameter tot 14 meter maakt men in het buitenland veel gebruik van boormethodes. In Nederland zijn tot nu toe alleen boormethodes toegepast voor tunnels met kleine diameters, binnenkort zullen de eerste tunnels met grotere diameters geboord worden.

In Japan worden momenteel boormachines ontwikkeld waarmee niet-cirkelvormige tunnels kunnen worden geboord. Deze tunnelvormen sluiten beter aan bij het benodigde oppervlak, nemen minder ruimte in beslag en kunnen goedkoper zijn. In Japan zijn reeds vierkante en ovale tunnels geboord, en tunnels samengesteld uit meerdere elkaar overlappende cirkels. Een opsomming van deze tunnelvormen is gegeven in het verslag "Tunneltechnology, ontwikkeling van nieuwe tunnelvormen in Japan", van dezelfde auteur.

fig. 1: Toepassingsmogelijkheden voor tunnels die zijn opgebouwd uit meerdere cirkels

Dit verslag gaat dieper in op de DOT-tunnelmethode, een boormethode waarmee tunnels geboord worden die bestaan uit twee elkaar overlappende cirkels. Deze cirkels kunnen naast elkaar geplaatst worden of boven elkaar (zie het linkerplaatje in bovenstaande figuur). In Japan zijn reeds een aantal DOT-tunnels geboord.

De naam DOT-tunnel heeft twee betekenissen. Eén betekenis refereert aan de vorm (Double-0-Tube-tunnel) en één betekenis refereert aan de aannemers die de tunnelmethode ontwikkeld hebben (Daiho/Obayashi/Taisei).

De auteur heeft de principes van de DOT-tunnels geleerd gedurende een verblijf van een aantal maanden bij Obayashi Corporation.

fig.2: De doorsnede van een DOT-tunnel in vergelijking met een cirkelvormige tunnel

In figuur 2 zijn de afmetingen weergegeven die een enkele cirkelvormige tunnel en een DOT-tunnel moeten hebben voor hetzelfde doel. Het horizontale ruimtebeslag van de DOT-tunnel is iets groter, het verticale ruimtebeslag is veel kleiner. Bij toepassing van de DOT-methode is de te ontgraven oppervlakte het kleinst, ook in vergelijking met twee enkele tunnelbuizen.

1.2 De drie mogelijke varianten

Er zijn drie boormethodes waarmee, net als met de DOT-methode, tunnels geboord kunnen worden die zijn samengesteld uit twee cirkels. Deze drie methodes zijn de zogenaamde MF (Multi-Face) methodes, samen met de boormethodes waarbij tunnels worden opgebouwd uit 3 of meer cirkels.

De werking van deze boormethodes is voor een groot deel gelijk aan de werking van de boormethodes voor cirkelvormige tunnels en in dit verslag zullen regelmatig vergelijkingen getrokken worden tussen de verschillende methodes.

Enkele belangrijke verschillen van deze boormethodes ten opzichte van het boren van cirkelvormige tunnels zijn:

ontgraving door twee boorkoppen in plaats van door één boorkop

plaatsing van de segmenten door twee erectoren (elke tunnelbuis één erector) per segmentring wordt één kolom toegepast

de aanwezigheid van speciale vijzels om rotatie van de tunnel tegen te gaan

de aanwezigheid van de "segment-shaping-device" om de kolom goed te kunnen plaatsen afvoer van de grond met twee grondschroeven indien de tunnelbuizen naast elkaar liggen. Deze onderdelen komen verderop in dit verslag uitgebreider aan de orde.

De drie boormethodes waarmee tunnels die zijn samengesteld uit twee cirkels geboord kunnen worden zijn: 1. 2. 3. DOT

VF

fig.3: Doorsnedes van de varianten

Bij elke methode wordt de grond door één tunnelboormachine ontgraven. Binnen deze machine wordt tevens de lining opgebouwd uit betonnen segmenten. De belangrijkste verschillen tussen de methodes zijn de overlap van de twee cirkels en de plaatsing van de twee boorkoppen.

ad.l De DOT-methode:

Beide graafwielen staan bij de DOT-methode in één vlak. Hierdoor moet de grond ontgraven worden met spaakwielen, het toepassen van gesloten graafwielen is onmogelijk. In de figuur zijn de spaakwielen weergegeven zoals die bij DOT-schilden kunnen worden toegepast. In de figuur zijn verder onder andere weergegeven: de snijtanden, de grondafvoerschroeven, personensluizen, drukmeetpunten en de agigatoren. Omdat DOT-schilden de grond met spaakwielen

ontgraven, kunnen DOT-schilden uitgevoerd worden als EPB (Earth Pressure Balance) schild of als high-density-slurry-schild en niet als gewoon slurry-schild. Tot nu toe alle DOT-schilden uitgevoerd als EPB-schilden.

Om te vookomen dat de spaakwielen elkaar raken moeten ze synchroon draaien. Bij bovenstaand DOT-schild zullen de graafwielen elkaar bij een afwijking van 5° raken. Een beveiliging stopt het boorproces automatisch indien de afwijking 2° of meer bedraagt. De twee cirkels overlappen ongeveer 0,25 * de diame-ter van een enkele tunnelbuis.

fig.4: Vooraanzicht van een DOT-schild ad.2 De VF-methode:

Bij de VF-methode staan de twee graafwielen ongeveer één meter versprongen ten opzichte van elkaar. Hierdoor kan men open en gesloten graaf-wielen toepassen. De spaakgraaf-wielen kunnen elkaar hierdoor niet raken en hoeven niet synchroon te draaien. De toegepaste VF-schilden zijn (tot nu toe) slurry-schilden.

De twee graafwielen kunnen één gemeenschappe-lijke mengkamer of ieder een eigen mengkamer hebben.

Net als bij DOT-schilden hebben beide cirkels een overlap gelijk aan ongeveer 0,25 * de

ad.3 De H&V-methode:

De H&V-methode is een afkorting voor Horizontale & Verticale schild methode.

Bij de H&V-methode staan beide graafwielen in één vlak, maar de cirkels overlappen elkaar niet.

fig.6: Horizontal & Vertical schild

Met de H&V-methode kunnen twee tunnelbuizen zeer dicht bij elkaar gelegd worden (klein ruimtebeslag) en is het mogelijk de tunnelbuizen zowel in horizontale als verticale richting naast elkaar te leggen. Door met behulp van de vijzels de boorkoppen afzonderlijk te draaien kunnen de beide tunnelbuizen als een kurkentrekker geplaatst worden of kunnen de schilden los- en vastgekoppeld worden. Dit kan voordelen bieden wanneer bijvoorbeeld perrons afgewisseld boven elkaar of naast elkaar geplaatst moeten worden, wanneer perrons afgewisseld tussen of aan weerszijden van de sporen moeten liggen of wanneer in zeer beperkte ruimte geboord moet worden (denk aan funderingen of bestaande ondergrondse infrastructuur). Het roteren van de tunnelbuizen is met de DOT- en VF-methodes niet toegestaan vanwege de aanwezigheid van de kolommen. Indien de kolommen scheef staan blijft een andere ruimte over. H&V-schilden hebben dit nadeel niet omdat beide tunnelbuizen rond zijn.

2. Uitgevoerde projecten

Elk van de drie bovengenoemde varianten is in Japan reeds toegepast.

Een VF-schild is éénmaal toegepast, voor de aanleg van een deel van de Kyo-metrolijn in Tokyo. Het toegepaste schild, met afmetingen 7,42 x 12,19 meter, is in de figuur weergegeven.

H&V-schilden zijn tweemaal toegepast. Deze beide schilden (één met een horizontale en één met een verticale configuratie) zijn in de voorgaande paragraaf afgebeeld.

Over MF-schilden en H&V-schilden Is weinig literatuur beschikbaar, zodat niet met zekerheid te zeggen is of dit de enige toegepaste schilden van deze types zijn.

fig.7: Toegepast VF-schild, met een Japanse dame op de voorgrond

Met de DOT-methode is meer ervaring dan met de twee andere varianten. Toegepaste DOT-schilden zijn onder andere:

1988: veldproef horizontale DOT-tunnel, ongeveer 40 kilometer ten noorden van Tokyo. Toegepast: horizontaal DOT-schild, aftnetingen 2,5 x 4,18 meter, lengte van de tunnel 35,2 m.

1989: veldproef verticale DOT-tunnel, ongeveer 40 kilometer ten noorden van Tokyo. Toegepast: verticaal DOT-schild, aftnetingen 4,18 x 2,5 meter, lengte van de tunnel 44,37 m. 1991: Hiroshima Rijo Shield Project, een metrotunnel met een lengte van 850 meter.

Toegepast: horizontaal DOT-schild, afmetingen: 6,09 x 10,69 meter. 1992: Kikuta River arterial sewage in Narashino City.

Toegepast: horizontaal DOT-schild, afmetingen 4,450 x 7,650 meter.

1993: Multi-service tunnels in Ariake district, Tokyo, onder andere voor electriciteit. Toegepast: horizontaal DOT-schild, afmetingen 9,36 x 15,8 meter (124,3 m", de grootste oppervlakte ooit ontgraven met een EPB-schild, equivalent aan een ronde tunnel met een diameter van 12,58 meter).

? - x : ü i t

?5ft--:.»;!lX=!>7'J-h

* S, 360» X W i 5,85 o™

fig.8: Drie toegepaste DO 1 -schilden en de atmetingen van de geboorde tunnels

De geboorde DOT-tunnels hebben een lengte van tientallen meters tot anderhalve kilometer en worden gebruikt als metrotunnel, watertunnel of electriciteitstunnel.

Momenteel (juli 1996) zijn, volgens informatie van Obayashi Corporation, enkele nieuwe DOT-tunnels aanbesteed en is de bouw daarvan in voorbereiding. Omdat deze tunnels geen extreme afmetingen hebben en omdat geen revolutionaire technieken worden toegepast, zal over deze tunnels waarschijnlijk weinig gepubliceerd worden.

3. De techniek van het boren met DOT-schilden

Zoals voorheen reeds gezegd berust de DOT-methode voor een groot deel op technieken die reeds vaak zijn toegepast bij het boren van cirkelvormige tunnels. In deze paragraaf worden een aantal technische aspecten besproken die kenmerkend zijn voor de DOT-methode.

Er wordt hierbij verondersteld men op de hoogte is van de techniek van het boren van cirkelvormige tunnels.

3.1 De overlap van de cirkels

Zoals voorheen gezegd is bij DOT en VF-schilden de overlap van de beide cirkels ongeveer gelijk aan 0,25 * de diameter van een enkele tunnelbuis. De totale breedte van een horizontaal DOT-schild is dus altijd ongeveer 1,75 maal de diameter van een enkele tunnelbuis.

Ter vergelijking: twee afzonderlijke tunnelbuizen hebben vanwege de benodigde tussenruimte een totale breedte gelijk aan ongeveer 3 * de diameter van een enkele tunnelbuis.

Indien de cirkels meer dan 0,25 * de diameter van een enkele tunnelbuis overlappen is de tunnel smaller, zijn minder segmenten nodig en is het te ontgraven oppervlak kleiner, maar zullen zich de volgende problemen voordoen:

de beide spaakwielen raken elkaar. Dit kan tot op zekere hoogte voorkomen worden door minder spaken toe te passen of door de spaken smaller te maken. Minder spaken betekent echter minder snijtanden, en dus een snellere slijtage.

Indien de spaakwielen te dicht langs elkaar draaien bestaat de kans dat stenen klem komen te zitten tussen de spaakwielen. Dit probleem heeft zich tot nu toe niet voorgedaan. Indien de spaakwielen op deze wijze blokkeren kan het boorproces weer opgestart worden door de spaakwielen de andere kant op te laten draaien. Dit probleem doet zich bij VF- en H&V- schilden niet voor, omdat bij deze schilden de graafwielen elkaar niet overlappen.

het plaatsen van het bovenste sluitsegment wordt moeilijker. Hoe meer de tunnels immers overlappen, des te minder makkelijk dit laatste segment tussen de reeds geplaatste segmenten geplaatst kan worden. Aan dit nadeel kan tegemoet gekomen worden door middel van de zogenaamde "jack-up-device" (zie verderop in dit verslag).

er ontstaat een tekort aan ruimte voor de aandrij-ving van de boorkoppen. Deze aandrijaandrij-vingen zijn meestal niet centrisch (linker figuur), maar vinden plaats via ronde tandraderen (rechter figuur), zoals bij cirkelvormige tunnels ook vaak het geval is. De centra van deze raderen zijn open gelaten voor de aandrijving van de agitato-ren (zie verderop in deze paragraaf) en de aan-voer van additieven. De grondschroeven kunnen door deze tandraderen heen steken of er onderd-oor lopen, afliankelijk van de lengte, de helling en de diameter van de grondschroef en de

plaat-sing van het afVoerpunt aan het front. ^'g- 9: Aandrijving door een centrale as (links) en door een tandrad

De overlap wordt begrensd door het benodigde profiel van vrije ruimte.

Indien de cirkels minder dan 0,25 * de diameter van een enkele tunnelbuis overlappen: moet de kolom grote krachten afdragen en zal dikker worden.

komt het raakpunt van de cirkels te laag te liggen. Hierdoor verdwijnt het voordeel dat voor een DOT-tunnel minder lining nodig is dan voor twee afzonderlijke tunnels.

wordt een groter oppervlak ontgraven dan noodzakelijk is.

Samengevat kan gesteld worden dat de overlap van de twee cirkels zo groot mogelijk wordt genomen en wordt begrensd door het benodigde profiel van vrije ruimte en de benodigde ruimte voor het boorproces.

3.2 Het front

DOT-schilden zijn (tot nu toe) uitgevoerd als EPB-schilden. Om de grond in de mengkamer goed te mengen en om te voorkomen dat een grondprop voor het centrum van de spaakwielen kan ontstaan worden agigatoren toegepast: uitstekende punten die de grond in de mengkamer mengen en kleine spaakwielen in het centrum van de boorkop die met een andere snelheid ronddraaien dan de grote spaakwielen. Net als bij cirkelvormige EPB-schilden het geval is kan aan het front water, slurry, klei, schuim of een ander additief toegevoegd worden om het boorproces beter te laten verlopen.

Net als bij normale EPB-schilden wordt de druk aan het front geregeld door het toerental van de grondschroeven aan te passen. Indien nodig kan men de druk tevens beïnvloeden door de vijzelkrachten aan te passen of door additieven toe te voegen.

Wanneer keien verwacht worden in de grond worden grondschroeven toegepast waarvan het voorste deel geen centrum heeft, de zogenaamde "ribbon-screws".

Bij de eerste horizontale DOT-tunnel is een deel van de tunnel geboord terwijl slechts één grondschroef gebruikt werd. Dit bleek geen noemenswaardige invloed te hebben op het boorproces. Wel moest langzamer geboord worden vanwege de verminderde afvoercapaciteit van de grond. Het sturen van de machine was nog mogelijk terwijl één grondschroef gebruikt werd, waaruit geconcludeerd kan worden dat de grond in de gehele mengkamer voldoende plastisch is. Indien de grond in de mengkamer niet voldoende plastisch is onstaan immers drukverschillen aan het front en is de machine onbestuurbaar.

Bij verticale DOT-schilden is slechts één grondschroef aanwezig. Indien geen grotere of sneller ronddraaiende grondschroef wordt toegepast zal de voortgangssnelheid hierdoor beperkt worden. In enkele spaakwielen (meestal 2 of 3) bevinden zich oversnijders, ook wel ruimers genoemd, die ongeveer 10 centimeter naar buiten geschoven kunnen worden indien buiten het schild extra ruimte nodig is om een bocht te maken. Wanneer deze oversnijders niet gebruikt worden, liggen ze verzonken in de spaakwielen.

Bij de uitgevoerde DOT-tunnels bleven de zakkingen over het algemeen beperkt tot maximaal 12 millimeter.

De zakkingen worden veroorzaakt door dezelfde processen als bij ronde tunnels: aan het front treedt ontspanning op

rondom het schild wordt de grond enigszins geroerd als gevolg van de trillingen van het schild en het door de grond bewegen van het schild

de grond ontspant bij de staartspleet

De zakkingen aan het front vormen, net als bij cirkelvormige doorsneden, niet het overgrote deel van de totale zakkingen. Dit is een teken dat de ingestelde frontdruk goed is.

Het grouten van de staartspleet gebeurt over het algemeen slechts op twee plaatsen: op beide bovenste punten van het schild (in geval van een horizontaal schild). Bij beide proefboringen (in 1988 en 1989) waren ook in de beide hoeken (bij de sluitsegmenten) injectiepunten aangebracht, maar deze bleken niet nodig te zijn.

De groutpunten bevinden zich in Japan vrijwel altijd aan de bovenzijde van de schilden. Door deze groutdruk worden de tunnels omlaag gedrukt, waarmee wordt voorkomen dat de tunnels opdrijven in de groutlaag.

3.3 De segmenten en de erectoren

In de lining van een DOT-tunnel worden drie verschillende soorten segmenten toegepast: 1. normale segmenten (ongeveer 10 per ring)

2. sluitsegmenten (twee per ring: één onder, één boven) 3. kolommen (één per ring)

Met de normale segmenten worden de ronde delen van de tunnel gemaakt. Deze segmenten worden "A"-segmenten genoemd.

De beide sluitsegmenten verbinden de nonmale segmenten en de kolom met elkaar: aan de sluitsegmenten zijn dus drie andere segmenten verbonden. Deze segmenten worden "A"- en "B"-, "Jj"- en "JJ'- of "K"-segmenten genoemd.

(Js Type) 1,585

(JL Type)

(P Type)

fig. 10: Segmenten voor een DOT-tunnel met twee types sluitsegmenten zoals toegepast bij de DOT-tunnel in Tokyo

De segmenten van ringen moeten onderling verspringen om naden in longitudinale richting te voorkomen, net als bij cirkelvormige tunnels het geval is. Om dit te bereiken moeten verschillende sluitsegmenten worden toegepast.

Er kunnen twee verschillende types sluitsegmenten toegepast worden:

1. Per ring één klein en één groot sluitsegment die, zoals in figuur 10, afgewisseld onder en boven geplaatst worden. Voor één tunnel worden dus twee verschillende sluitsegmenten toegepast. De grote sluitsegmenten zijn de helft van de lengte van een normaal segment langer dan de kleine sluitsegmenten. Hierdoor zullen alle segmenten van opvolgende ringen elkaar steeds '/^ deel overlappen. Deze sluitsegmenten worden Jj (Joint small) en JL (Joint large) genoemd.

2. Per ring worden twee dezelfde sluitsegmenten toegepast, maar de sluitsegmenten hebben één lange en één korte zijde en worden per ring om en om geplaatst, zoals in onderstaande figuur is weergegeven.

Indien de lange zijde van de sluitsegmenten een half segment langer is dan de korte zijde van de sluitsegmenten zullen de segmenten van opvolgende ringen in een halfsteensverband geplaatst worden. Op deze wijze kan een complete tunnel gebouwd worden met één type sluitsegment.

/ \ ^ 3.600

n

[N

U

y

t \

ï

[

fig.l 1: Segmenten voor een DOT-tunnel met één type sluitsegment

Elke ring wordt op gelijke wijze opgebouwd: als eerste wordt het onderste sluitsegment geplaatst en daarna worden de normale segmenten van onder af op de plaats gezet en vast gebout aan de aangrenzende segmenten terwijl de erector ze op hun plek houdt. Een DOT-schild heeft twee erectoren om de segmenten te plaatsen: in elke tunnelbuis één.

Tijdens het plaatsen van het bovenste sluitsegment worden de reeds geplaatste segmenten van de ring op hun plek gehouden door de zogenaamde "segment jack up device". Dit zijn speciale vijzels die voorkomen dat de bovenste segmenten van de cirkelvormige doorsnede door gaan hangen, zodat voldoende ruimte beschikbaar is om het bovenste sluitsegment te plaatsen zonder dat de waterafsluitende strip beschadigd wordt.

Als laatste wordt de kolom tussen de beide sluitsegmenten geplaatst. Ook tijdens het plaatsen van de kolom zorgt de "segment jack up device" voor voldoende ruimte. Er kunnen makkelijk hoeken van de kolom afgestoten worden wanneer de ruimte te krap is.

De segmenten worden gedimensioneerd met behulp van zogenaamde "veren-modellen" die geschikt zijn gemaakt voor het berekenen van Multi-Face tunnels.

De segmenten van Multi-Face tunnels worden onder andere gedimensioneerd op een verschillende belasting op de linker- en rechterhelft van de tunnel. Voor cirkelvormige tunnels wordt deze belasting-scombinatie doorgaans niet berekend.

Minimaal één van de twee erectoren van een DOT-schild moet van het zogenaamde "cantilever type" zijn. Deze "cantilever type" erector heeft 1 vrijheidsgraad meer dan een normale erector.

De reden hiervoor is dat deze erector, naast alle bewegingen die nodig zijn voor het plaatsen van een segment in een cirkelvormige doorsnede, de sluitsegmenten schuin moet kunnen wegdrukken. In figuur 12 is dit te zien: de sluitsegmenten kunnen niet radiaal op de plaats gedrukt worden, zoals alle andere

fig.l2: Het plaatsen van de segmenten van een DOT-tunnel

segmenten, maar moeten "om een hoekje" geplaatst worden. Zoals in figuur 12 is te zien heeft een "cantilever erector" twee vijzels om de segmenten in radiale richting weg te drukken, en niet slechts één, zoals bij normale erectors het geval is. Door deze twee vijzels over een verschillende lengte uit te drukken kunnen de segmenten worden gedraaid.

In Japan worden per tunnel twee flexibele segmentringen aangebracht, de zogenaamde "flexible rings". Dit zijn smalle stalen ringen die zich op ongeveer 5 ringen afstand van de start- en eindschacht bevinden. Deze dienen vervormingen op te nemen die kunnen ontstaan als gevolg van aardbevingen en zakkingen van de schachten of de tunnel. De flexibele segmenten kunnen vervormingen van minimaal 10 centimeter opnemen.

Indien met de DOT-methode lange tunnels geboord worden moet ongeveer om de kilometer een segmentring geplaatst worden waarmee een mogelijke "distorsie"(afschuiven in de dwarsdoorsnede) van de segmentringen gecorrigeerd kan worden. Deze distorsie kan ontstaan door kleine maatafwijkingen in de segmentringen. Deze distorsie is anders dan een rotatie van de lining: het resulteert wel in een scheefstand van de kolommen, maar de beide tunnelbuizen blijven op gelijke hoogte liggen. Deze distorsie kan niet verholpen worden door de rolling jacks te gebruiken of additieven toe te voegen.

3.4 De vijzels

Bij de meeste DOT-schilden zijn vijf verschillende soorten vijzels aanwezig: "shield jacks": de vijzels voor het voortduwen van het schild.

vijzels die het mogelijk maken dat het schild kan knikken om bochten te maken.

"rolling control jacks" om de lining recht te kunnen plaatsen (wordt hieronder toegelicht). "segment-jack-up-device". Deze vijzels tillen de lining iets op om ruimte te maken om het joint segment en de kolom te kunnen plaatsen (zie elders in deze paragraaf).

"segment-shaping-correction-device". Deze vijzels bevinden zich ongeveer ter plaatse van de derde ring en zorgen dat de lining de juiste vorm behoudt zodra de gronddruk en de groutdruk opgenomen moeten worden.

Bovendien hebben de segmenterectoren een aantal vijzels om de segmenten te kunnen oppakken en plaatsen.

De "rolling control jacks" zijn kleine vijzels die elke "shield jack" (grote vijzel) verbinden met het schild zelf Deze "rolling control jacks" kunnen het schild enkele graden roteren (om de as van de tunnel) ten opzichte van de vijzels. De shield jacks en de segmenten worden hierbij gezien als vaste punten. Op deze wijze wordt het mogelijk gemaakt de lining rechtop te bouwen indien een DOT-schild enigszins geroteerd is.

Op de foto zijn twee grote vijzels te zien die zich op de segmenten afzetten. Binnen de cirkels zijn twee "rolling control jacks" met een kleine uitslag te zien die de verbinding vormen tussen het schild en de grote vijzels^

In de getekende figuur is één grote vijzel weergegeven in dwarsdoorsne-de (links) en in zijaanzicht. In dwarsdoorsne-deze figuur geven de gestippelde lijnen aan over welke afstand de shield jacks bewogen kunnen worden door

de "rolling control jacks".

Er zijn twee redenen waarom het belangrijk is dat DOT-tunnels recht-op gebouwd worden:

1. Draaiing van de lining zou de plaatsing van de kolom moeilijk maken en zou re-sulteren in grote krachten of momenten in de kolom. 2. Bij een kleine draaiing van

de lining is dit zichtbaar: één of twee graden draaiing zou een golvende kolommenrij geven.

Wat in ieder geval voorkomen moet worden is dat de draaiing van de ringen dermate groot wordt dat het profiel van vrije ruimte niet meer voldoet.

Zolang een DOT-schild minder roteert dan de staartspleet toelaat kan de lining rechtop binnen het schild gebouwd worden. Zodra een DOT-schild meer roteert dan de staartspleet toelaat zal de lining de rotatie van het schild moeten volgen.

Dit betekent dat de draaiing van het schild niet mag resulteren in een afwijking groter dan 5 a 10 centimeter (ongeveer de grootte van de staartspleet). De uitslag van de "rolling control jacks" hoeft hierom niet groter te zijn dan ongeveer 10 a 15 centimeter (de maximale uitslag van de "rolling control jacks" is verder verwijderd van het centrum van het schild dan de plek waar de segmenten en het schild elkaar het eerst zullen raken).

Meestal kan een DOT-schild door de "rolling control jacks" ongeveer 2 graden gedraaid worden. Het roteren van schilden en segmentringen van cirkelvormige tunnels als gevolg van het draaimoment dat benodigd is voor de boorkop is een zeer normaal verschijnsel. Deze draaiingen zijn bij ronde schilden echter geen probleem omdat de tunnel rond is: het profiel van vrije ruimte verandert niet en de segmenten zullen altijd binnen het ronde schild geplaatst kunnen worden. De draaiingen kunnen beperkt blijven doordat de boorkop beide kanten op kan draaien.

In het ergste geval wordt de verlichting aan de bouten bevestigd, waardoor deze enigszins golft indien de lining roteert.

Bij een DOT-schild ontgraven beide spaakwielen dezelfde oppervlakte en draaien ze in tegengestelde richting. De momenten van beide spaakwielen heffen elkaar hierdoor in theorie op, waardoor de lining niet zal draaien.

Soms gaat dit echter niet op: afwijkingen kunnen ervoor zorgen dat de momenten van de boorkoppen elkaar niet opheffen, waardoor het schild toch enigszins roteert.

Deze afwijkingen kunnen onder meer zijn:

grondlagen die schuin liggen. De snijwielen ontgraven verschillende soorten grond, hetgeen kan resulteren in verschillende draaimomenten.

het boren van bochten. De vijzels in de buitenbocht worden verder uitgedrukt dan de vijzels in de binnenbocht. Het snijwiel in de buitenbocht zal dus een iets hoger draaimoment hebben. stenen of kleibonken in de grond. Eén van de beide boorkoppen kan hierdoor een extra kracht nodig hebben.

een niet constante wrijving rondom de TB. Dit kan bijvoorbeeld veroorzaakt worden door beschadigingen aan het schild of doordat er grond aan het schild kleeft.

Zoals voorheen reeds vermeld, is het voor de bestuurbaarheid van DOT-schilden geen probleem indien één van beide grondschroeven niet werkt. De grond over de gehele doorsnede wordt dermate goed gemixt dat er geen verschillen in druk optreden.

Om de rotatie van een DOT-schild beperkt te houden zijn bij DOT-schilden de volgende technieken voor handen:

DOT-snijwielen kunnen ook beide kanten opdraaien. Hierdoor kan een rotatie, ontstaan door bijvoorbeeld een beschadiging aan één boorkop of door stenen voor één boorkop, gecorrigeerd worden.

additieven kunnen gericht toegevoegd worden. Hierdoor kan, ondanks de goede menging aan het front, het draaimoment van één van de boorkoppen verlaagd worden waardoor het schild geroteerd kan worden.

In tegenstelling tot afwijkingen in de richting waarin een schild boort, is het roteren van een schild niet te beïnvloeden met behulp van de vijzels.

Het tegengaan van het roteren van VF-schilden gebeurt anders dan bij DOT-schilden. Omdat de voorste boorkop van VF-schilden een groter oppervlakte ontgraaft dan de achterste boorkop, heeft de voorste boorkop een groter draaimoment. Dit resulteert, in tegenstelling tot bij DOT-schilden, in een constante verdraaiing van het schild tegen de draairichting van de voorste boorkop in. Door de draairichting van de boorkoppen te wijzigen is deze rotatie echter goed te beïnvloeden en binnen vooraf gestelde grenzen te houden.

Een VF-schild heeft hierdoor geen "rolling control jacks".

3.5 Het m a k e n van bochten

Het maken van bochten met een DOT-schild is ingewikkelder dan het maken van bochten met een rond schild. De plaatsbepaling en het sturen van een DOT-schild gaat op vergelijkbare wijze als bij cirkelvormige schilden. Door de afwijkende vorm zijn met name het roteren van het schild (zie voorheen) en het maken van bochten niet zo eenvoudig als bij cirkelvormige schilden.

Het is in Japan belangrijk dat turmels met scherpe bochten geboord kunnen worden, omdat de grond onder bebouwing tot het middelpunt der aarde bij de bebouwing hoort.

Als gevolg hiervan moeten tunnels het stratenplan volgen waarvoor scherpe bochten nodig zijn. Het spreekt voor zich dat bijvoorbeeld metrotunnels nooit het stratenplan kunnen volgen omdat metro's dergelijke scherpe bochten niet door kunnen.

Tijdens het boren van cirkelvormige tunnels kan de complete lining, inclusief alle mogelijke bochten, worden opgebouwd met één soort segmentring, de zogenaamde "tapered segmentring". Door de wijze waarop deze segmentring geplaatst wordt te variëren, kan een rechte lining opgebouwd worden, maar kunnen ook bochten naar links, naar rechts, naar boven en naar onderen gemaakt worden.

Omdat in een Iining de segmentringen niet gedraaid kunnen worden is het niet mogelijk een DOT-lining op te bouwen uit allemaal dezelfde segmentringen.

Om een lining met bochten naar links en rechts te kunnen aanleggen moeten segmentringen worden toegepast waarbij de breedte van de segmentringen aan de linker- en rechterzijde verschillend is. Omdat deze segmentringen van DOT-tunnels (in de dwarsdoorsnede) spiegelsymmetrisch zijn om de verticale as, kunnen de ringen om de verticale as gedraaid worden, waardoor het mogelijk is met één type segmentring de lining op te bouwen van rechte stukken tunnel en van tunnels met bochten naar links en naar rechts. Een rechte tunnel wordt verkregen door de helft van de ringen om de verticale as te draaien.

Om een lining te kunnen aanleggen met boogstralen naar boven en onderen moeten segmentringen worden toegepast waarbij de breedte van de segmentringen aan de boven- en onderzijde verschillend is. Omdat deze segmentringen (in de dwarsdoorsnede) spiegelsymmetrisch zijn om de horizontale as, kunnen de ringen om de horizontale as gedraaid worden, waardoor het mogelijk is met één type segmentring de lining op te bouwen van rechte stukken tunnel en van tunnels met boogstralen naar boven en naar onderen. Een rechte tunnel wordt in dit geval verkregen door de helft van de ringen om de horizontale as te draaien. Uit het voorgaande volgt dat voor een normale DOT-tunnel minstens twee verschillende segmentringen nodig zijn: één type segmentring om bochten naar links en naar rechts te kunnen maken en één type segmentring om bochten omhoog en omlaag te kunnen maken (boogstralen). Indien grote delen van de tunnel recht zijn wordt het mogelijk rendabel om een derde segmentring toe te passen (zonder coniciteit). Doordat een horizontaal DOT-schild een grotere horizontale doorsnede heeft dan twee losstaande

cirkelvormige schilden zullen bochten een grotere boogstraal hebben. Omdat DOT-tunnels echter een kleiner horizontaal ruimtebeslag hebben (geen ruimte tussen de buizen) kunnen ongeveer even scherpe bochten gemaakt worden als mogelijk is met twee losse schilden.

In Kobe is een DOT-tunnel geboord met enkele scherpe bochten er in. De scherpste bocht in deze tunnel heeft een boogstraal van 135 meter. Dit is 12,6 * de horizontale doorsnede van het schild.

Met een verticaal DOT-schild kunnen scherpere bochten gemaakt worden dan mogelijk is met een horizontaal DOT-schild, een enkel cirkelvormig schild of twee losse cirkelvormige schilden.

De horizontale doorsnede van een verticaal DOT-schild is gelijk aan die van een enkel schild, maar het horizontaal ruimteslag is kleiner (geen van beide tunnelbuizen hoeft een buitenbocht te maken).

3.6 De waterafdichting

De waterafsluiting van een DOT-schild is vrijwel gelijk aan de waterafsluiting van een cirkelvormig schild. Het enige verschil is de waterafsluiting bij de start- en eindschachten.

Voor de tijdelijke waterafsluiting bij de start- en eindschacht wordt, net als bij cirkelvormige tunnels, gebruik gemaakt van rubberen flappen die door stalen flappen op de plaats worden gehouden. Net als bij cirkelvormige schilden wordt de grond achter deze flappen gegrout nadat het schild is gepasseerd, om de toestroom van water tegen te gaan.

Meestal worden tevens de eerste meters grond gegrout of geïnjecteerd. Dit gebeurt op dezelfde wijze als bij normale cirkelvormige doorsneden.

Vanwege de vorm van een DOT-schild wordt bovendien in de beide hoeken (ter plekke van de sluitsegmenten) een extra bescherming aangebracht met lucht, een zogenaamde "air fence". Dit is een soort ballon die aan de schacht bevestigd is en de hoeken waterdicht afsluit. Het DOT-schild glijdt langs deze luchtzak. Zodra het schild de "air fence" gepasseerd is kan deze volgegrout worden om een blijvende afdichting te vormen.

fig. 14: Air fences

3.7 Het plaatsen van een 2' lining

Een eventuele 2^ lining wordt uitgevoerd met een stapbekisting, die elke dag ongeveer 9 meter verschoven wordt. Voordat deze tweede lining aangebracht

wordt zijn de beide inverts aangebracht waarover de bekisting kan rijden. Er wordt gebruik gemaakt van twee losse bekistingen (één in elke tunnelbuis) die beide in drie delen naar biimen geklapt kunnen worden.

De tweede lining sluit aan de onder- en bovenzijde aan op de sluitsegmenten: een bekisting om de kolommen heen aanbrengen is lastig. Ter plaatse van de sluitsegmenten komt dus plaatselijk geen 2' lining. Dit is niet bezwaarlijk omdat de sluitsegmenten een grotere dikte hebben dan de overige segmenten van de ring, omdat in de hoekpunten de momenten zeer groot zijn (zie figuur 15).

4. De voor- en nadelen van DOT-schilden

De voor- en nadelen worden beschreven voor de volgende vergelijkingen: DOT-schilden versus cirkelvormige schilden

DOT-schilden versus VF- en H&V-schilden

4.1 DOT-schilden versus cirkelvormige schilden

In deze paragraaf worden voor de volgende onderdelen de voor- en nadelen globaal beschreven: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. De segmenten

De prijs van de machine De snelheid van het boorproces Het ontgraven oppervlak

De diepteligging van een DOT-tunnel Het horizontale ruimtebeslag

De start- en eindschachten De stations

De veiligheid Zakkingen

Bijlage 1 bevat een tabel waarin DOT-schilden worden vergeleken met één grote cirkelvormige tunnel en twee kleine cirkelvormige tunnels.

ad 1. De segmenten

De oppervlakte van de lining van een DOT-tunnel is ongeveer 13% minder dan de oppervlakte van de lining van een enkele cirkelvormige tunnel met een zelfde profiel van vrije ruimte. In vergelijking met twee losse tunnels is de oppervlakte lining ook minder.

Dit is een belangrijk voordeel van DOT-tunnels ten opzichte van cirkelvormige tunnels, omdat de lining het duurste onderdeel van het tunnelboorproces is (ongeveer 40% van de totale kosten).

Zoals voorheen is verteld, is een groter aantal segmentringen nodig om de tunnelmantel op te kunnen bouwen. Dit resulteert in een complexere logistiek en kleinere series segmenten (minder massaproduktie). ad 2. De prijs van de machine

Een DOT-schild is duurder dan twee kleine cirkelvormige schilden (orde van grootte van 20%). Dit wordt onder andere veroorzaakt door de extra vijzels en bijzondere erectoren die nodig zijn en de beperkte ervaring met het bouwen van DOT-schilden.

Gezien de afwijkende vorm van het schild is het mogelijk dat de restwaarde lager is dan bij cirkelvormige schilden het geval is.

Door de grotere complexiteit ten opzichte van cirkelvormige schilden zal de kans op storingen bij DOT-schilden groter zijn.

ad 3. De snelheid van het boorproces

De theoretische voortgangssnelheden van een DOT-schild en een cirkelvormig schild ter grootte van één tunnelbuis zijn aan elkaar gelijk. Bij beide methodes heeft elke tunnelbuis immers een eigen boorkop, een eigen grondschroef en een eigen erector.

In de praktijk ligt de voortgangssnelheid van een DOT-schild echter lager dan de voortgangssnelheid van een cirkelvormig schild voor een enkele tunnelbuis. Eén van de oorzaken hiervoor is de onderlinge afhankelijkheid van de beide boorkoppen: indien in één van beide tunnelbuizen een vertraging of een storing optreedt zullen de werkzaamheden in de andere tunnelbuis hierop moeten wachten.

De voortgangssnelheid van een DOT-schild is dus lager dan de voortgangsnelheid van een cirkelvormig schild met een diameter die gelijk is aan de diameter van de beide Dot-tunnelbuizen.

Omdat een DOT-schild echter twee tunnels tegelijkertijd boort, duurt het boren van een DOT-tunnel korter dan het boren van twee tunnels met één cirkelvormig schild. Dit cirkelvormige schild moet immers een twee maal zo lange weg af leggen en moet halverwege worden omgedraaid.

Uit de Japanse projecten bleek dat de voortgangssnelheid van een DOT-schild vergelijkbaar is met de voortgangssnelheid van een groot cirkelvormig schild.

Een voordeel van DOT-schilden ten aanzien van de voortgangssnelheid is het transport in de tunnel: er is over het algemeen plaats voor meer transportrails, zeker indien wordt vergeleken met het aanleggen van twee tunnels. Door op gezette afstanden transport tussen beide

tunnelbuizen mogelijk te maken, kan de ene tunnelbuis gebruikt worden voor transport de tunnel in en de andere voor transport de tunnel uit. Op deze wijze wordt het risico verkleind dat vertra-gingen optreden als gevolg van een beperkte transportcapaciteit, in het bijzonder indien lange tunnels geboord worden.

De voortgangssnelheid van een verticaal DOT-schild is lager dan die van een horizontaal DOT-schild. Hiervoor zijn twee redenen: 1. Een verticaal DOT-schild heeft maar één grondschroef,

waardoor de afvoercapaciteit van de grond lager is. 2. De bovenste helft van de lining kan pas geplaatst worden

nadat de onderste helft van de lining en de kolom (lig-gend) geplaatst zijn. De bovenste erector moet met het plaatsen van de segmenten dus wachten tot de onderste erector klaar is. Dit in tegenstelling tot horizontale DOT-schilden, waar beide erectoren tegelijkertijd segmenten kunnen plaatsen.

ad 4. Het ontgraven oppervlak

Zoals voorheen reeds gezegd is het ontgraven oppervlak van een DOT-schild kleiner dan de oppervlakte die ontgraven wordt door cirkelvormige schilden met een vergelijkbaar profiel van vrije ruimte, ongeacht of wordt vergeleken met één of met twee cirkelvormige tunnels. Dit is in figuur 16 duidelijk te zien. Het verschil in het ontgraven oppervlak is 13% in vergelijking met een groot cirkelvormig schild, in het voordeel van het DOT-schild.

Door de afwijkende vorm kunnen DOT-tunnels toegepast worden

Horizontal Configuration

Vertical Configuration

ont-indien drukgolven verwacht worden. Indien een DOT-tunnel bijvoorbeeld gebruikt wordt als onderdeel van een Hoge Snelheidslijn (HSL) kan de drukgolf beperkt blijven door een retourstroom door de tweede tunnelbuis toe te staan. Hierdoor kan het totale oppervlakte van de tunnel beperkt blijven.

ad 5. De diepteligging van een DOT-tunnel

De diepteligging van een tunnel is van groot belang voor de prijs van de tunnel, omdat deze invloed heeft op onder andere:

de lengte van de op- en afritten de dikte van de segmenten

de diepteligging van de stations en de start- en eindschacht de vluchtroutes (lengte, prijs, etc)

Als vuistregel voor de minimale dekking van tunnels wordt meestal een maal de verticale diameter van de tunnel aangehouden. Dit betekent dat de minimale dekking voor een horizontaal DOT-schild gelijk is aan de minimale dekking van een kleine cirkelvormige tunnel, hetgeen een aanzienlijk voordeel oplevert ten opzichte van één grote cirkelvormige tunnel.

De minimale dekking van een verticaal DOT-schild is ongeveer gelijk aan de minimale dekking van een groot cirkelvormig schild.

' I I Q

fig.l7: Horizontaal en verticaal ruimtegebruik van DOT-schilden

ad 6. Het horizontale ruimtebeslag van een DOT-tunnel

Zoals voorheen reeds gezegd is het horizontale ruimtegebrek van een DOT-schild minder dan dat van vergelijkbare schilden. In straten waar weinig ruimte beschikbaar is en waar aangrenzende bebouwing beschadigd kan worden door zakkingen is dit de belangrijkste reden om DOT-schilden toe te passen. Het beperkte horizontale ruimtebeslag is in Japan een belangrijk argument om DOT-tunnels toe te passen. Overlast op het maaiveld moet absoluut tot een minimum beperkt blijven en schade aan gebouwen wordt zwaar bestraft.

Het beperkte horizontale ruimtebeslag van DOT-tunnels zou ook in Nederlandse binnensteden voordelen kunnen opleveren. Bij de Noord-Zuid lijn in Amsterdam kan bijvoorbeeld met een DOT-schild eenvoudiger aan de eis voldaan worden dat de tunnels minimaal 3,5 meter van bestaande bebouwing verwijderd moeten blijven.

ad 7. De start- en eindschachten

De beperkte hoogte en breedte van DOT-tunnels maken het mogelijk start- en eindschachten smaller en/of minder diep te maken dan bij cirkelvormige tunnels het geval is. Dit kan voordelen opleveren voor de kosten en voor het ruimtegebruik.

ad 8. De stations

Indien een horizontaal DOT-schild gebruikt wordt door metro's of treinen zullen perrons aan weerszijden van de tunnel moeten liggen, een perron tussen beide lijnen is onmogelijk. De stations hoeven vanwege de geringe dekking van horizontale DOT-schilden niet diep te liggen en kunnen worden gebouwd worden in één ruime bouwput of in twee smalle bouwputten.

Indien een verticaal DOT-schild gebruikt wordt door metro's of treinen is het mogelijk de perrons onder elkaar te bouwen. Een nadeel hiervan is dat de perrons zich ver onder het maaiveld bevinden, een voordeel hiervan is dat slechts één smalle bouwput nodig is.

ad 9. Veiligheid

De vorm van DOT-schilden biedt voordelen en nadelen ten aanzien van de veiligheid.

Een voordeel is dat de tweede tunnelbuis als vluchtroute dienst kan doen. Om dit te bereiken moet de kolommenrij rook- en/of vuurdicht afgesloten kunnen worden. Hierbij kan bijvoorbeeld gebruik gemaakt worden van watergordijnen, afsluitende deuren en dergelijke. Op deze wijze kunnen de veiligheidsvoorzie-ningen goedkoper uitgevoerd worden dan bij cirkelvormige tunnels het geval is. Er zijn bijvoorbeeld geen (of minder) verbindingstunnels of vluchttunnels naar het maaiveld nodig.

Een nadeel ten aanzien van de veiligheid is de mogelijkheid dat beide tunnelbuizen bij een ongeluk betrokken raken. Door voldoende aandacht te besteden aan de veiligheidsvoorzieningen moet het mogelijk zijn dit nadeel te ondervangen.

Een voordeel dat ten opzichte van twee fysiek gescheiden tunnelbuizen behaald kan worden is dat treinen van spoor kunnen wisselen wanneer onderhoud plaats vindt of indien een tunnelbuis om andere redenen gestremd is.

ad 10. Zakkingen

Bij projecten die in Japan zijn uitgevoerd is gebleken dat de zakkingen bij DOT-tunnels ongeveer gelijk zijn aan de zakkingen die veroorzaakt worden bij het boren van cirkelvormige tunnels met een gelijke oppervlakte. In vergelijking met twee aparte tunnelbuizen zal de zakkingstrog aan het maaiveld dus iets dieper zijn, maar ook minder breed.

4.2 DOT-schilden versus V F - en H&V-schilden

De voordelen van DOT-schilden gelden ten dele ook voor H&V-schilden. DOT-schilden hebben ten opzichte van H&V-schilden de volgende voordelen:

bij DOT-schilden is minder lining nodig.

DOT-schilden hebben en kleiner horizontaal ruimtebeslag. met DOT-schilden is de meeste ervaring opgedaan.

bij DOT-tunnels zijn verbindingen tussen de beide tunnelbuizen eenvoudiger te maken. het te ontgraven oppervlak is bij DOT-schilden kleiner.

indien één van beide grondschroeven verstopt raakt, kan doorgeboord worden (geldt alleen voor horizontale DOT-schilden). Dit is bij H&V-schilden niet het geval, omdat de mengkamers gescheiden zijn.

DOT-schilden hebben ten opzichte van H&V-schilden de volgende nadelen:

bij DOT-schilden is roteren van het schild moeilijker tegen te gaan, omdat de spaakwielen altijd dezelfde kant op moeten draaien. Bij H&V-schilden kan roteren van het schild eenvoudig gecontroleerd worden door beide spaakwielen dezelfde kant op te laten draaien.

het toepassen van een gesloten graafwiel of een slurry-schild is bij DOT-schilden niet mogelijk. Dit is in Japan geen onoverkomelijk bezwaar omdat in Japan overwegend EPB-schilden met open grafwielen toepast worden.

DOT-tunnels zijn niet als kurketrekker in de grond te leggen (er kan niet overgegaan worden van een horizontale naar een verticale DOT-tunnel, of andersom).

de tunnelbuizen zijn niet van elkaar los te koppelen.

DOT-schilden hebben ten opzichte van VF-schilden de volgende voordelen:

de schilden zijn minder lang, omdat bij VF-schilden de graafwielen versprongen staan. met DOT-schilden is meer ervaring opgedaan.

bij de start- en eindschachten kan het front van DOT-schilden in één keer door de schachtwand gebracht worden. Voor VF-schilden moeten speciale voorzieningen getroffen worden, omdat het schild in twee delen doorgevoerd moet worden.

bij DOT-schilden is het gevaar voor het instorten van het boorfront kleiner. Bij VF-schilden kan de ontspanning door het voorste graafwiel invloed hebben op de stabiliteit van de grond rondom ter plaatse van het tweede graafwiel.

DOT-schilden hebben ten opzichte van VF-schilden de volgende nadelen:

het toepassen van een gesloten graafwiel of een slurry schild is niet mogelijk. Dit is in Japan geen onoverkomelijk bezwaar, omdat in Japan overwegend EPB-schilden met open graafwielen toepast worden.

er moet van één mengkamer gebruik gemaakt worden, het toepassen van twee mengkamers is niet mogelijk.

5. Conclusies en aanbevelingen

Uit het voorgaande kunnen onder andere de volgende conclusies getrokken worden:

bij het boren van DOT-tunnels wordt voor een groot deel gebruik gemaakt van technieken die tevens worden gebruikt bij het boren van cirkelvormige tunnels. De belangrijkste verschillen betreffen het roteren van de tunnel en de tunnelmantel. Het roteren van de tunnel wordt tegengegaan door de "rolling control jacks" en voor het plaatsen van de segmenten moeten erectoren worden toegepast van het "canti lever-type".

de belangrijkste voordelen van het toepassen van DOT-schilden zijn: een vermindering van het ontgraven oppervlak, een vermindering van de hoeveelheid lining, een vermindering van de kosten voor de vluchtroutes, het beperkte ruimtegebruik bij de start- en ontvangstschachten en het geringe horizontale ruimtegebruik.

de belangrijkste nadelen van het toepassen van DOT-schilden zijn: de grotere verscheidenheid aan segmenten, het grote risico op storingen vanwege de complexiteit van de machine, de hoge prijs van de tunnelboormachine en de beperking tot het toepassen van een EPB-schild met spaakwielen en één mengkamer.

Over de volgende aspecten bestaat onduidelijkheid en onderzoek naar deze aspecten is gewenst: de kosten van het boren van DOT-tunnels in vergelijking met het boren van cirkelvormige tunnels. Met name zou onderzocht dienen te worden hoe de extra kosten voor het schild zich verhouden tot de besparingen die verkregen worden door het verminderde ontgraven oppervlak en verminderde hoeveelheid segmenten.

de veiligheid van DOT-tunnels ten opzichte van de veiligheid van cirkelvormige tunnels en de kosten die gemaakt moeten worden om een bepaalde gewenste veiligheid te bereiken.

de kosten die gemoeid zijn met de aanleg van stations.

de extra risico's ten aanzien van de voortgangssnelheid, die volgen uit het boren met een complexer schild dan gebruikelijk is.

Voor specifieke projecten dient bepaald onderzoek uitgevoerd te worden. Zo zou voor de Noord-Zuid lijn moeten worden onderzocht of het mogelijk is freinen van spoor te laten wisselen. Voor de Hoge Snelheidslijn zou moeten worden onderzocht welke voordelen deze tunnelvorm biedt ten aanzien van de drukgolven.

Voordat ooit daadwerkelijk een DOT-tunnel geboord wordt dient uiteraard ervaring te zijn opgedaan met het boren van cirkelvormige tunnels.

Omdat het boren van DOT-tunnels gepatenteerd is (onder andere door Obayashi Corporation), zullen er voorlopig Japanse partijen bij betrokken moeten worden. Het voordeel hiervan is dat geput kan worden uit de ervaring die is opgedaan bij voorgaande DOT-projecten in Japan.

Gezien het bovenstaande lijken DOT-tunnels onder drie omstandigheden in het bijzonder in aanmerking te komen:

voor de aanleg van tunnels in binnensteden, vanwege het beperkte horizontale ruimtegebruik, zowel in de grond als op het maaiveld.

voor de aanleg van lange tunnels. De besparingen die behaald kunnen worden op de hoeveelheid ontgraven grond, op de segmenten en mogelijk op de vluchtroutes zullen voor lange tunnels mogelijk opwegen tegen de hogere kosten voor het schild. Indien blijkt dat deze voordelen ook voor kortere tunnels opwegen tegen de nadelen, vormen DOT-tunnels mogelijk voor een groot deel van de geboorde tunnels een goed alternatief

voor de aanleg van Hoge Snelheidstrein-tunnels (HSL-tunnels). Door beide tunnelbuizen met elkaar in verbinding te stellen zullen drukgolven mogelijk minder problemen opleveren en kunnen de diameters van beide tunnelbuizen beperkt blijven.

Literatuur

Uit Nederland:

Boeve, D.W., Tunneltechnology, ontwikkeling van nieuwe tunnelvormen in Japan Delft, april 1996

Boerma F., Kempers M., Smolders B.

"Double-O-Tube (DOT) toegepast bij Nederlandse Projecten" scriptie e 18, juni 1996

F o l d e r s (voor zover leesbaar):

"MFy-;L h"", over Multi Face Schilden uitgegeven in het jaar 8 (Japanse jaartelling)

"Consfruction of Multi-Service Tunnels in Ariake-Kita Districts (Phases 1&3)" 1990, opdrachtgever: Tokyo Water Front Development Inc.

Aannemers: Obayashi Corporation, Sato, Omoto en Seibu Joint Venture "DOT tunnelling"

DOT Tunnelling Association Daiho Consfruction, een jaarverslag

Hazama Shield Technology, Engineering Series A r t i k e l s (voor zover leesbaar):

Kazuaki Naito, Susumu Yamamoto & Akihiro Higashide (allen Obayashi Corporation) "First Application of the Double-O-Tube (DOT) Tunnelling Method"

Shinichi Ishikawa (Ministery of construction, Japan) en Miya Kiyoshi (Obayahsi Corporation, Japan)

"Selection of the Shield Tunneling Method for the New Transportation System in Hiroshima" uit: "Towards New Worlds in Tunneling"

uitgever: A.A. Balkema, Rotterdam, 1992

Shinichi Ishikawa (Ministery of consfruction, Japan) en Miya Kiyoshi (Obayahsi Corporation, Japan)

"Towards Practical Utilization of the DOT Tunnelling Method"

lida (Mininstery of Consfruction, Japan), Kazuaki Naito, Akimasa Sumida en Kozaburo Tsuchiya (alle drie Obayashi Corporation, Japan)

"First Application of the Double-O-Tube (DOT) Tunnelling Method" uit: "Options for Tunnelling 1993"

Kiyoshi Miya (Obayashi Corporation), Tsuneo Watanabe (Taisei Corporation), Fumio Tada (Daiho Construction Co.)

"DOT-tunnelling: A Mufti-Face Earth Pressure Balance Shield Tunnelling Method." uit: International Symposium on uniqe Underground Structures, June 1990

Mondelinge informatie:

Bijlage 1 Een vergelijking tussen tunnelvormen

(rechtstreeks overgenomen uit de genoemde literatuur)

Alignment

Workability

The largest useless spaces are pro-duced in the internal void cross

section.

The excavated outer diameter ex-tends to 10 meters or more, which

makes it difficult to ensure earth covering of 1 .OD or more. If the earth covering of 1 .CD in thickness was ensured, the stations

would be laid at a greater depth than that in the twin circular tun-nels or overlapping double

circu-lar tunnel.

The excavation extends to 10 me-ters or more in the outer diameter, which makes it impossible to have a big earth covering. Due to this, most careful attention must be given to stabilizing the cutting face. The ground deformation would also become larger. Scale of shaft and volume of excavated soil is the largest.

In the internal void cross section of the twin tunnels, less useless space is produces than rose in the single

circu-lar tunnel. However, because it is ne-cessary to ensure proper distance be-tween the tunnels, the occupancy width necessarily becomes large. The required diameter is smaller than that of the single circular tunnel. This makes it possible to ensure cross-fall of 0.3% or so and earth covering of

l.OD or more.

The excavation extends to about 6 meters in the outer diameter, which makes it easier to deal with geology and groundwater than does the single circular tunnel.

The workability is the same as that of the traditional shield. The shaft is lar-ger than that in the overlapping dou-ble circular tunnel. The distance to nearby structures are shorter and the volume of excavated soil is larger.

Useless space in the internal void cros section are smaller than those of the single circular tunnel and twin circular tunnels. The excavated cross section area is the smallest. And it is possible to have proper distance

from nearby structures.

The workability is almost the same as that of the traditional circular tunnel, because the dou-ble circular tunnel is virtually a mere extension of such a circu-lar tunnel. The volume of exca-vated soil is smaller than that in the twin circular tunnels. The base areas are also smaller. The proper distance to nearby strucmres can be maintained.

Construction period Economy Prodedure Prevention against disasters Overall evaluation

Assembly of the segments and the excavation takes a little more time than those in the other tunnels, ex-tending the construction time so-mewhat longer.

The volume of the work to be exe-cuted is approximately 1.3 times the volume in the twin circular tunnels. Due to this, the overall working expenses become higher. Stations are to be laid at a greater depth than that to be laid in the twin circular tunnels and the over-lapping circular tunnel.

Useless spaces are also produces in the internal void of the tunnel, which raises the operating expen-ses even more.

It is possible to properly separate the single circular tunnel from nearby strucmres. But the outer diameter of the excavation beco-mes large and the ground defor-mation is larger than those in the other tunnels. Due to these fac-tors, it is expected to take some time to get approval.

The single circular tunnel is infe-rior to the overlapping double cir-cular tunnel in providing shelter and taking measures in time of disaster.

When excavation is carried out with two shield machines, it is necessary to keep a proper distance between the proceding machine and the following one. Due to this, the overall construc-tion period is the same as that in the overlapping double circular tunnel. The number of past construction ca-ses is the largest (most experience). The volume of the work to be execu-ted is smaller than that in the single circular tunnel, which reduces the overall operating expenses.

As it is required to have a proper se-paration between the tunnels, the oc-cupancy area becomes large and sepa-ration distance from nearby structures becomes small. Due to these factors, it is expected to take some time to get approval.

The twin circular tunnels are inferior to the overlapping double circular mnnel in providing shelter and taking measures in time of disaster.

Assembly of the segments is expected to take a little longer period, but the construction pe-rion is the same as that in the twin circular tunnels.

The volume of the work to be executed is reduced as a whole in the double circular tunnel. Due to this, the overall opera-ting expenses are also reduced further than those in the twin circular tunnels.

The occupancy width is smaller than that of the twin circular tunnels, and proper distance from nearby structures can be ensured.

A passage between the in and out-bound lines is available for shelter. It is also easy to take measures from one line in case of a disaster in the other line. There have been few construction cases of the double circular tunnel (little experience). But, the tunnel is more advantageous in controling as well as taking measures in case of disaster, because it is possible to pass from one tunnel to another.

Bijlage 2 Een vergelijking tussen verschillende varianten

[)

V EPB/liigh density slurry

methcxl

h cutting face excavation on one plane; earth pressure control is facilitated by single chamber

V one unit

\ one plane

\ spoke (wide angle) or "wing"

(narrow angle) • center/intermediate • when excavating, cutters turn

in opposite directions • for the "wing" configuration

an inching gear is used, so if one side stops the other side can still rotate

• necessary because cutters are in the same plane

• one shared chamber • same length as a circular

shield machine • ring-mounted erector • controllable by jacks • controllable by jacks • controllable by jacks controllable by jacks: an articulated machine facilitates curve construction

breakthrough and temporary retaining structure work occur in one phase, because the front of the machine is in one plane: constructability and stability are good

\=J

0

V slurry method

^ danger of cutting face collapse due to displacement of cutting faces or excavation by the aft face of soil loosen-ed by the fore face; difficult control of chamber slurry pressure due to the fore and 1 aft configuration of the faces

Y one unit

• fore and aft displacement • disc, etc.

• center / intermediate • when excavating, cutters

independently uim in opposite directions • if one side stops, the other

can continue • unnecessary

• separate chambers - one for each cutter

• longer than a circular shield machine by the displacement of the faces

• ring-mounted enjctor • conu-ollable by jacks • controllable by jacks (there is

a tendency to favor the direction ofthe forward face) | ' controllable by jacks and

cuaer rotation direction | > controllable by jacks: an

articulated machine facilitate

curve construction | breakthrough and temporary

retaining structure work can not occur in one phase due to the displacement of the faces work is complicated and dangerous

shield front must be protected during departure and arrival j

po

V the cutting face is in one

plane for each machine, but the machines are uncoupled. so there is a large influence from adjacent soil that is loosened during excavation

^ two separate units (connection and separation are possible with a special joint)

Y one plane |

r disc, etc.

• center / intermediate / ctrcumferenaal • when excavating, cutters

independently turn in opposite directions • if one side stops, the other

can continue • unnecessary

• separate chambers - one for

each cutter | • same length as a circular 1

shield machine • ring-mounted erector

• controllable by jacks 1 • controllable by jacks

• controllable by jacks and

cutter rotation direction | • controllable by jacks

breakthrough and temporary retaining structure work occur in one phase, because the front of tiie machine is in one plane;

constructability and stability are good

Bijlage 3 Enkele gegevens van de twee proefboringen

Copy Cutter C u t t T Spo»c»

Cutting Bit

Earth Pressure Gouqq

Saqtent EKpanelon Devlc»

• 1.685 _4.lg5 83Q V^T-^ I 1 &25 t;0<? 7?9 * 3 7 0 •6.050 F i g . 2 DOT S h i e l d M a c h i n e ( H o r i z o n t a l D o u b l e - T u b e Type)

Item ~ —-_______^ Earth Cover Tunnel Length Horizontal Allgnnent Shield Machine j Segnent 1 (outer 1 diameter) 1 1 Curve Radius Curve Length Vertical Oiaiaeter Horizontal Dlaneter Total Length Screw Conveyor Segment Expansion Jack Vertical Dla«eter Horizontal Dlaoteter Width •sThlckness Horizontal DOT Tunneling H • 3.50 n L > 35.20 • R - 105.0 « CL - 5.25 • 2.500 am 4,185 am 6,050 wn 2 (right £ left) 1 (top) 2,350 M 4,035 wi 750 n 125 «m Vertical J DOT Tunneling | H - 3.50 • L - 44.37-•> I R - 80.0 • j CL - 17.25 m j 4,185 OB 1 2,500 an 1 6,050 m 1 1 (bottoa) j 1 (top) 1 2 (botroa:right,left j 4,035 «B 1 2,350 «m 1 750 Boa 125 an

Bijlage 4 Enkele gegevens over een toegepast schild

Title of the project : Construction of multi-«rvice utility tunnels in the Ariake-kita district (Phasel),1990

; Construction of mulli-sen-ice utility tunnels in the Ariake-kita district (Phase3).1991 © ^ ;:t tf : j^i;KÊJii5itaiJffi'DMI3:^<jX^Ü

0«'ner : Tokyo Water F.'Ofii Devciopnient Inc.

^m X --g':-A»• tem• A*--kuif-m^h^sc^^m^m^

Constructor : Obayashi, Sato, Omoto, DaiNippon, and Seibu joint venture

Ccnsiruction siic l'Dcation : Ariak», Kolo Ward, Tokyo

Construction period : November 27, 1990 to August 31, 1994

DETERMINATION OF TUNNELING METHOD

A tunneling method had lo be chosen that would provide an appropriate cross-sect:ional shape and area lo accommodate different types of pipes,as well as talking into consideration the environmental conditions in the areas surrounding the construction site. The DOT tunneling method was chosen after reviewing the following requirements : (1) Reduced excavation depth to facilitate connection to the adjacent

section.

(2) Minimized offset and settlement of existing underground structures. (3) Scaled-down surface construction facilities.

The DOT shield machine used in this project consists of two conventional earth pressure—balance shields that are arranged in an over-lapping, side-by-side, "goggle-shaped"configuration. The machine enables the simultaneous construction of two horizontally-aligned tunnels. There are inter-locking spoke-shaped cutters supported in the middle of each circular section. Independent agitators are equipped at the back of the cutters to enhance the efficiency of mud agitation in the chamber.

The two cutters are mounted on the left and right in the same plane with a phase angle of 90-degrees between them to avoid collision. Rotation speed is controlled by a vector inverter algorithm. In addition, for easier control of the shields and to facilitate segment erection, the machine is equipped with rolling control jacks, a tail clearance measurement device, a cantilever-type segment erector employing an articulation mechanism,and a segment jack-up device to secure space for the column segment.

BRIEF GEOLOGICAL DESCRIPTION

The construction siti' is on rrclaiiiu^il land that was built btawoen 1961 and 1970 using sandy soil from the uppcT Vurakucho fomiation in T'okyo Bay, and is topographically dassificil as alluvial lowlanil.

St^qurntially from the upper stratum, its strata consist of : alluvium (Yurakucho formation), a buried terrace of diluvial soil, Tokyo formation, and lidogawa formation. Thi' natural ground water Icvri is as high as two mettTS !)t!n(?ath the ground surface in thi' ri'claimcKl ground. Ki'sidual methane has been deU^cted nonuniformly in extremely small quantitiis in thi> organic soil containwl in the buriwi terrace.

The ovtTburden of thi? tunniM is 1.3.5m to 17..5rn .approximately l.'l to l.Stimes the longitudinal diameter of the shii^ld. T'he shield is expected to pass through thc^ following strata : the organic soil of the buried terrace(btp be<l,N—1-13).the buried terrace gravel bed(btg bed, N —••l-,50), the sanily soil of the' Tokyo formation (Tos bed, N - 1 2 - 5 0 containing 5-20inin gravel and relatively uniform slightly silty .sand),and cohesive soiUToc bed,N-3-20 slightly sandy and relatively uniform).

m ± 7K ^

• T 7X m

• iHl<r - 7 ;u

• mmmmi-yio

O <r * IR « w

Water supply pipe Reclaimed water pipe Sewer pipe Gas pipe

Electric power cable Telecommunication cable Information communication cable

Local air conditioning system heat supply pipe Refuse collection pipe

OUTLINE OF CONSTRUCTION

Temporary work

Continuous diaphragm wall(t=l,200mm, L=3'1.9m) -3,755m'

Soil improvement(CJG-(4 1,60Ctam,L=9.7m) 688nos liarth —retaining work - 982 t

Multi—service tunnel work

Excavation work 17,500m' Reinforced concrete work 7,422m' Shield tunneling work

DOT shield( '/'9.36m x 15.86m) - inos

RC segments('/>9.10m X 15.60m) 246Ring Flexible segmcnts( '/)9.10m xl5.60m) 2Ring Secondary lining(t=300mni) 5,628m' Soil improvement work

Ultra-high prc^ssure jet groutingCCJG-'A l,600mm> f/)2,000mm)----12,260m'

STANDARD CROSS-SECTION

300 I , 1,950 ^,°P 4,050

•iRSS^^l'^Jl'iÈA

leciinische Univorsiteit Deift B'bliothe?-': rcr;;j!''^:i''dr^" C^''^'5'G Techniek

(Be-oe-1-—:: X :uV;oy O

2600 G,A DE LP"

SHIELD MACHINE SPECIFICATION

•> — ; i - K S h i e l d -> — >i- K 91- @ E x t e r n a l diametor -> — ./l- K * W « L e n g t h -> — ; i - K->"•«- -y * ( - h a ! ) Shield j a c k ( u p p e r ) -> — ; u K i - ' - p '.y ^ - C T S P ) Shield j a c k ( l o w e r ) Shield jack velocity when extended

09,36OmmX15,86Omm 8,200mm SOOtf X 1 , 2 0 0 s X 3 5 0 k g f / c m ' X 24nos 350tf X 1 , 2 0 0 s X 3 5 0 k g f / c m ' X 22nos 5 . 0 c m / m i n ( e » < ' p a ! l B ? ) 5. Ocm/minCall j a c k s in o p e r a t i o n ) 7~ -y 'J 3. — Zi -^ ^ T S c r e w c o n v e y o r Diameter T y p e E I S «it R o t a t i o n f r e q u e n c y R o t a t i o n torctu© Sf ± « E a r t h r e m o v a l 0 900 mm Sha-ft t y p e 1 ~ 11 rpm 9 t f - m ( 1 0 0 1 a t 9 . 2 r m p ) 2 1 0 m V h ( 7 , = 8 0 X ) E r e c t o r 1 A g i t a t o r T y p e lal HE 3K R o t a t i o n f r e q u e n c y El e sx Kk s a C a p a c i t y <1 V ^ ' ^ - ' l - K - B S K Ring g e a r c a n t i l e v e r t y p e SSiS O.Srpm a i ï 0 . 3 r p m normal 0. 6 r p m s l o w 0. 3 r p m 4 . 6 t r ( - t : i ' ' j < > H f — : ^ « : * : ) 4. 6 t r ( m a x . p e r p i e c e ) t> -J 9 C u t t e r m e » Rotation f r e q u e n c y JE m h ) \ - ^ E x c a v a t i o n t o r q u e Z3 1^ — :0 -^ # ->' f •> =*• Copy c u t t e r J a c k 0. 71rmp 1, 0 4 S t f - m ( ? B f f l ) 1, 5 7 0 t f - m ( 8 » B ? « : * j ) 1,046tf-m{normal) 1,570tf-m(max. instantaneous)

2 0 t f X 130s X 21 O d g f / c m ' X 2 n o s X 2^'

I^R . f « 1.9rpm

R o t a t i o n f r e q u e n c y A g i t a t i o n t o r q u e

SH44.8tf-m(100!().l8B6*67,2tf-m(150S) normal 44. atf-mdOOK). max. instantaneous 67.2tf-m(150!() Rolling c o n t r o l d e v i c e " 1;on'^'oi j t c k ' " * 1 3 t f X 1 0 0 s 2 3 0 / 3 5 0 k g f / c m ' x 2 6 n o s ff P3 4% )^ e B Shaping c o r r e c t i o n unit » « ->' -f -^ * T h r u s t j a c k 3 0 t f X 300s X 3 5 0 k g f / c m ' x 2 n o s X 2 = " Segment jack —up device

W - b (ƒ ->- .p •> =(r

iESHI