De effecten van de passage van een TBM-schild op de omliggende grond

De zettingen die optreden bij het boren van een tunnel zijn tegenwoordig erg klein, nog maar enkele millimeters. Uit literatuuronderzoek is gebleken dat de meeste zettingen ontstaan tijdens de passage van het schild van de tunnelboormachine (TBM). Rosella Krot, afstudeerder aan de TU Delft, heeft daarom onderzoek gedaan naar dit specifieke deel van het tunnelboren en de zakkingen die hiermee samenhangen.

Inleiding

Zoals eerder te lezen was in deze rubriek (maart 2012) onderzoekt Daniele Festa het kinematisch gedrag van het schild van de TBM. Hij richt zich op de interactie tussen de grond en de TBM: wat heeft het graafwiel uitgegraven en hoe gedraagt het schild zich in dit gat? Het blijkt dat het schild de grond enkele centimeters wegduwt. Rosella onderzoekt of deze verplaatsingen rond de schild-grondinterface (kortweg interfaceverplaatsingen) effect hebben op de zakkingen op maaiveld. En zo ja, wat kan er gedaan worden om de zettingen op maaiveld te verkleinen? Om deze vragen te beantwoorden heeft Rosella de monitoringsresultaten van de Hubertustunnel in Den Haag geanalyseerd en een eindige elementenmodel gemaakt van het schild van de TBM.

Vectoren

Tijdens de bouw van de Hubertustunnel zijn met vier meetkruizen de grondverplaatsingen op diepte gemeten. De meetkruizen waren uitgerust met zeven extensometers en zeven inclinometers voor respectievelijk de verticale en horizontale verplaatsingen. Deze gegevens zijn omgezet naar absolute verplaatsingen door de verplaatsingen op maaiveld (gemeten met prisma’s) erbij op te tellen.

Vervolgens is de data verwerkt in een vectorplot, om een goed beeld te krijgen van de spreiding van de interfaceverplaatsingen. In de vectorplot zijn de horizontale en verticale verplaatsingen gecombineerd in een vector per fase. De eerste fase gaat in bij de eerste meting en loopt tot het moment dat het graafwiel zich tien meter voor het meetkruis bevindt. Aan het einde van de tweede fase heeft het graafwiel het meetkruis bereikt. De derde fase eindigt wanneer het graafwiel tien meter verder is. Op dat moment is de staart van het schild bij het meetkruis gearriveerd.

In figuur 1 is de vectorplot van meetkruis drie te zien. Wat opvalt:

  • De tweede sensor (gezien van boven) geeft een grotere verplaatsing dan de derde sensor, terwijl die laatste zich dichter bij de tunnel bevindt. Men zou verwachten dat de verplaatsingen rond het gat het grootst zijn, maar dat blijkt hier niet het geval. Dit kan te maken hebben met verschillende processen die zich rondom het schild afspelen.
  • Ook valt op dat de verplaatsingen aan de rechterkant van de TBM groter zijn dan die aan de linkerkant. In dit geval waren de interfaceverplaatsingen naar rechts. Bij meetkruis vier is dit echter niet geconstateerd.

Er moet worden opgemerkt dat de grondverplaatsingen gemeten bij meetkruis vier bijna twee keer zo klein zijn als die bij meetkruis drie. Uit de berekeningen van Daniele Festa bleken de interfaceverplaatsingen bij meetkruis vier bijna twee keer zo groot als die bij meetkruis drie.

PLAXIS 3D

Tussen de metingen van de inclinometers en de extensometers zit enkele meters ruimte. Daarom heeft Rosella het schild van de TBM gemodelleerd met PLAXIS 3D om de spreidingen van de interfaceverplaatsingen in meer detail te onderzoeken. De eigenschappen van zowel de grond als die van het schild van de TBM zijn afgeleid van de Hubertustunnel. De resultaten van het model laten zien dat bij meetkruis vier de grondverplaatsingen rondom het schild veel groter zijn dan bij meetkruis drie, maar de grondverplaatsingen worden op korte afstand van de TBM al snel minder. Op maaiveld laten de zettingstroggen dan ook het volgende zien:

  • Het verschil in zettingen op maaiveld tussen de twee meetkruizen is heel gering.
  • De maximum zetting is lichtelijk verschoven ten opzichte van de as van tunnel.
  • De oversnijding en de coniciteit (gemodelleerd door het toepassen van contractie) geven de meeste zettingen over het gehele proces.

Conclusies

De resultaten van zowel de monitoring als het eindige elementenmodel laten zien dat op maaiveld de verplaatsingen van het schild buiten zijn uitgegraven profiel slechts een klein effect hebben op de zettingen. Bij de monitoring is te zien dat de zettingen bij meetkruis drie groter zijn dan die bij meetkruis vier, terwijl de verplaatsingen van het schild juist kleiner zijn bij meetkruis drie. Uit het PLAXIS-mogel blijkt dat de verschillen in zettingen bij de twee meetkruizen zeer gering is.

Het model laat ook zien dat effecten dichtbij het schild wel sterk beïnvloed worden door de verplaatsingen van het schild; deze worden met de afstand snel minder. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de verplaatsingen van het schild buiten zijn uitgegraven profiel vooral een lokaal effect hebben op de grond en de zettingen. De interfaceverplaatsingen lijken daarom niet de oorzaak van resterende zettingen die nu nog op maaiveld gemeten worden.

‘Het is ook interessant te onderzoeken waarom een techniek succesvol is’

ir. Joost F.W. Joustra
projectleider uitvoering boortunnel
Dienst Metro, Noord/Zuidlijn
Gemeente Amsterdam / Witteveen+Bos

“Het afstudeerwerk van Rosella Krot illustreert dat het beheersen van zakkingen als gevolg van het boorproces de laatste jaren millimeterwerk is geworden. Een luxeprobleem. Voor een onderzoeker die geïnteresseerd is in de fenomenen rond een boormachine lastig, want moeilijk meetbaar. Voor een project waarbij tunnels geboord worden onder een historische binnenstad heel prettig, want van omgevingsbeïnvloeding, met het risico op schade aan belendingen, is nauwelijks sprake. Toch kunnen die goede boorprestaties geen excuus zijn om niets te onderzoeken. De tunnelboortechniek in Nederland is de laatste vijftien jaar immers van de grond gekomen door het te doen, het intensief te monitoren en te bestuderen. De Noord/Zuidlijn laat zien hoe ver we daarmee gekomen zijn. Een afstudeer­onderzoek als dat van Rosella vervult ook nieuws­gierigheid naar het functioneren van de techniek in een voornamelijk empirisch vakgebied.”