P R O M O T I E O N D E R Z O E K
Inzicht interactie
t u s s e n T B M en
doorboorde s r o n c
Uit de
geklapt
I • • • P R O M O V E N D U S D a n i e l e Festa MSc, G e o - e n g i n e e r i n g P R O J E C T E n h a n c i n g t h e r e l i a b i l i t y T B M -a i d e d t u n n e l - b o r i n g i n s o f t soil W A A R Leerstoel O n d e r g r o n d s B o u w e n , T e c h n i s c h e U n i v e r s i t e i t D e l f tDoordat er onvoldoende bekend is over de interactie tussen de tunnelboormachine
(TBM) en de doorboorde grond zijn zettingspredicties niet altijd realistisch. Daniele
Festa, promovendus aan de TU Delft, w i l het inzicht in de TBM-grondinteractie
verbeteren door enerzijds het gedrag van het boorschild te onderzoeken en
anderzijds de respons van de bodem.
Tunnelbouw met een tunnelboormachine (TBM) heeft zich inmiddels bewezen als een effectieve en veilige bouwmethode voor tunnels in moeilijke bodem of stedelijk gebied. Toch gaat de voorstuwing van het schild in de praktijk zelfs bij deze moderne techniek ge-paard met trial-and-errormethoden. Dit leidt soms tot onverwacht gedrag van de TBM, wat een lage kwaliteit van de gebouwde tunnelmantel tot gevolg kan hebben.
Het gedrag is onverwacht omdat er onvoldoende bekend is over de interactie tussen de TBM en de doorboorde grond. Anderzijds zijn de huidige predictiemethoden van het voorspellen van zettingen weinig gerelateerd aan het tunnelbouwproces, omdat zij uitgaan van een theoretisch volumeverlies. De zettingspredicties zijn daardoor niet realistisch, zeker gezien het feit dat de zettingen voor een groot deel veroorzaakt worden door het passeren van de TBM. Daniele Festa, promovendus aan de TU Delft, doet daarom onderzoek naar enerzijds het gedrag van het boorschild en anderzijds de respons van de bodem. Hiermee wil hij bijdragen aan een beter inzicht in de TBM-grondinteractie.
Festa gebruikt voor zijn onderzoek gegevens die zijn verzameld bij de aanleg van de Hubertustunnel (Den Haag) en de Noord/Zuidlijn (Amsterdam). De resultaten die hier worden beschreven, zijn gebaseerd op meetdata van de Hubertustunnel. De resultaten van de Noord/Zuidlijn worden in het vervolg van het onderzoek gepresenteerd.
Kinematische analyse
De voortstuwingskrachten, de geometrie van het schild en de interactie met de grond bepalen de positie en de oriëntatie van het schild tijdens de voortgang. De positie, oriëntatie en voortgang worden tezamen het kinematische gedrag van de TBM genoemd. Het gedrag wordt weergegeven met hetTBM-positionerings-systeem en vastgelegd in richting, hellingshoek en ver-rolling. De reactie van de grond op de TBM kan worden bepaald door de grondverplaatsing rond het boorschild te onderzoeken. In eerste instantie is het onderzoek gericht op het gedrag van de TBM, aangezien dat bekend is uit de TBM-meetdata. Festa onderzocht het kinematisch gedrag van het boorschild ten opzichte van h e t g a t d a t d e voorzijde van de TBM ontgraaft. Hij simuleerde de grondverplaatsing rondom het
boor-'Wetenschappelijk onderzoek
is nodig om verdere optimalisati^
mogelijk te maken'
P r o f . J o h a n W . B o s c h L e e r s t o e l O n d e r g r o n d s B o u w e n F a c u l t e i t C i v i e l e T e c h n i e k e n G e o w e t e n s c h a p p e n , T U D e l f t 4 0 Dir. of cFig. 1 : 3D-visuali5atie van de relatieve grondverplaat;
schild door het ontgraven profiel var de locatie van het schild in dat gat. 3D, namelijk de relatieve verplaatsir grond. De kleur loopt van rood naar ^ respectievelijk indrukking van de grc^ en grond. De kinematische analyse I bocht aanzienlijke relaxatie veroorza cm). Aan de andere zijde treedt m i n | king op.
Krachten
De distributie van de voortstuwingsl Festa uit de TBM-meetdata. De voor d r u k i n de graafkamervormden de b| krachten. Tijdens het boren varieerdf -10 MN tot -5 MN; bij stilstand van ( O MN. De belangrijkste verticale krad de TBM, de opwaartse druk en, in m j de boorvloeistof in de graaf- en werl<| de opdrijvende kracht in evenwicht i maar dat er een moment ontstaat, o l allebei in het centrum aangrijpen ( h | voorzijde veel zwaarder). Dit momer opgenomen door hogere voortstuwil
" H e t b o r e n v a n t u n n e l s i n s t e d e l i j k g e b i e n n i d d e l s b e w e z e n . De s u c c e s v o l l e r e a l i s a t i i n R o t t e r d a m e n d e l e n v a n d e N o o r d / Z u i z i c h . T o c h i s er n o g w e t e n s c h a p p e l i j k o n s t e l l e n w a a r o m e n h o e t u n n e l b o r e n w e r k t m o g e l i j k , e v e n a l s t o e p a s s i n g o n d e r andere is al veel o n d e r z o e k g a a n d e e n D a n i e l e Fes v a n h e t s c h i l d , e e n o n d e r d e e l v a n h e t bo( g r a a f f r o n t e n d e s t a a r t v a n d e m a c h i n e t o t h e e f t g e k r e g e n . D a n i e l e o n d e r z o e k t d e efi s c h i l d i n d e g r o n d e n d e i n v l o e d v a n d i e ï
oissen de tunnelboormachine
s niet altijd realistisch. Daniele
in
de TBM-grondinteractie
ild te onderzoeken en
che analyse
jvingskrachten, de geometrie van het schild ctie met de grond bepalen de positie en e van het schild tijdens de voortgang. De ntatie en voortgang worden tezamen het le gedrag van de TBM genoemd. Het gedrag ;egeven met h e t l B M p o s i t i o n e r i n g s -vastgelegd in richting, hellingshoek en ver-eactie van de grond op de TBM kan worden )r de grondverplaatsing rond het boorschild ken. In eerste instantie is het onderzoek et gedrag van de TBM, aangezien dat t d e T B M - m e e t d a t a . Festa onderzocht het
1 gedrag van het boorschild ten opzichte
dat de voorzijde van de TBM ontgraaft. Hij de grondverplaatsing rondom het
boor-ïtenschappelijk onderzoek
lodig om verdere optimalis
igelijk te maken'
ohan W.Bosch
;oel Ondergronds Bouwen teit Civiele Techniek en etenschappen, TU Delft
Fig. 1 ; 3 D - v i s u a l i s a t i e van de relatieve g r o n d v e r p l a a t s i n g o p het grensvlak schild en g r o n d .
schild door het ontgraven profiel van de grond te vergelijken met de locatie van het schild in dat gat. Figuur 1 toont het resultaat in 3D, namelijk de relatieve verplaatsing op het grensvlak schild en grond. De kleur loopt van rood naar groen, corresponderend met respectievelijk indrukking van de grond en opening tussen schild en grond. De kinematische analyse laat zien dat het schild in een bocht aanzienlijke relaxatie veroorzaakt (in de ordegrootte van 7 cm). Aan de andere zijde treedt min of meer evenredige indruk-king op.
Krachten
De distributie van de voortstuwingskracht van de TBM verkreeg Festa uit deTBM-meetdata. De voortstuwingkracht en de steun-druk in de graafkamer vormden de belangrijkste horizontale krachten. Tijdens het boren varieerde de horizontale kracht van - 1 0 MN tot -5 MN; bij stilstand van de TBM zakte dit meestal tot O MN. De belangrijkste verticale krachten blijken het gewicht van de TBM, de opwaartse druk en, in mindere mate, het gewicht van de boorvloeistof in de graaf- en werkkamer. Analyse laatzien dat de opdrijvende kracht in evenwicht is met de neerwaartse kracht, maar dat er een moment ontstaat, omdat de krachten niet allebei in het centrum aangrijpen (het schild is immers aan de voorzijde veel zwaarder). Dit moment wordt slechts gedeeltelijk opgenomen door hogere voortstuwingskrachten in de onderste
"Het boren van tunnels in stedelijk gebied heeft zich ook in Nederland i n -middels bewezen. De succesvolle realisatie van detunneis van RandstadRail in Rotterdam en delen van de Noord/Zuidlijn in Amsterdam spreken voor zich. Toch is er nog wetenschappelijk onderzoek nodig o m precies vast te stellen waarom en hoetunnelboren werkt: dat maakt verdere optimalisatie mogelijk, evenals toepassingonderandere omstandigheden. Internationaal is al veel onderzoek gaande en Daniele Festa heeftzich gericht op belgedrag van het schild, een onderdeel van het boorproces dat ten opzichte van het graaffront en de staart van de machinetot op heden relatief weinigaandacht heeft gekregen. Daniele onderzoekt de effecten van het verplaatsen van het schild in de grond en de invloed van die beweging op de omgeving. Vooral
Fig. 1. Krachten o p de TBJV van de H u b e r t u s t u n n e l .
voortstuwingscylinders. Voor een ander deel wordt dit moment opgenomen door de reactie van de omringende grond: dit wordt het passieve systeem genoemd.
Passief systeem
De analyse van TBM-meetdata gaf een goed inzicht in het actieve systeem. Het geheel van krachten blijft echter uit balans, wat wijst op de aanwezigheid van een passief systeem dat de krach-ten in evenwicht brengt. Dit systeem omvat de bewegingen van de grond, de boorvloeistof en de mortel rond het boorschild en het contact tussen de borstelafdichting en tunneldelen. Aange-zien het passieve systeem niet geregistreerd is tijdens de aanleg van de tunnel, kan het alleen worden gemodelleerd. Dit model - waar Festa momenteel aan bezig is - wordt gebaseerd op de resultaten van de kinematische analyse.
Conclusies
Het onverwachte gedrag van de TBM kan beter worden begrepen als we de positie van het schild beschouwen in de ruimte die zij zelf heeft ontgraven. Uit de analyse van het actieve systeem wordt indirect inzicht verkregen in de interactie tussen grond en schild (het passieve systeem). Met dat inzicht kunnen we uitein-delijk het gedragvan de TBM beter voorspellen en dezettingen als gevolg van de passage van het schild beter bepalen.
het effectvan horizontale bochten heeft zijn aandacht, want daar kunnen de prestatiesvan een geboordetunnel nogverbeterd worden. Bovendien weten we niet precies wat het ged rag van het schild in een bocht is. Verbetering van de sturingofzelfs aanpassingen in het ontwerp van het schild zijn potentiële resultaten van het werk van Daniele Festa."
