7.7 Bouwrijp maken
In de periode van oktober 1995 tot december 1995 is de grond op de bouwlocatie aan de noordzijde van de Oude Maas bouwrijp gemaakt. Tijdens deze periode is er drainage aangebracht, is de bodem voorzien van een zandlaag en zijn de noodzakelijke werkwegen aangelegd.
Inrichting
Vervolgens is de bouwplaats ingericht:
- twee romneyloodsen
- bouwkeet
- portaalkraan
- scheidingsinstallatie + installatie grondpers
- installatie voor de aanmaak van bentoniet + 8 rijpingstanks
- generatorpark
- verschillende pompen
- tasveld segmenten
- opslag voor segmenten
- pomp spoeling tunnelboormachine
- compressorstation
| Boren met de tunnelboormachine Logistiek Voorzieningen Ontwerp Bodemonderzoek Vergunningen |
Bouwrijp maken Brilwand / dichtblok noord Rivierwerk Boren Het boorproces en veiligheid |
7.8 Bouw noordelijke start- en ontvangstschacht
7.8.1 Eisen
Kenmerkend voor de tunnelboortechniek is de nauwe relatie tussen het ontwerp van de tunnel - inclusief start- en ontvangstschachten - en de wijze van uitvoering.
Zo wordt de diepteligging van de tunnel vooral bepaald door criteria met betrekking tot het opdrijven van de tunnel. Om te voorkomen dat de tunnelbuizen door de opwaartse druk van het grondwater gaan drijven, is een bovendekking nodig van een halve tunneldiameter. Tijdens de bouwfase is echter een grotere bovendekking (een hele diameter = 8,5 m) nodig, vanwege de extra druk (steundruk) die op het boorfront staat. Bij een te geringe bovendekking bestaat dan het gevaar van een zogeheten "blow-out": de spoeling of lucht van het front zou zich door de grond naar boven bewegen.
De diepteligging van de tunnel, de toegestane maximale helling in de tunnel en het niet mogen doorbreken van de waterkering, hebben op hun beurt gevolgen voor de plaats en diepte van de startschachten.
7.8.2 Bouw startschacht
Keuze voor noordelijke oever
Er is voor gekozen om vanaf de noordelijke oever met het boren van de Tweede Heinenoordtunnel te beginnen. De belangrijkste reden hiervoor was dat de samenstelling van de grond aan de noordzijde voor het toepassen van de boortechniek iets gunstiger is dan aan de zuidelijke oever. Door aan de noordoever met het boren te beginnen, zullen de iets lastiger omstandigheden op de zuidelijke oever niet van invloed zijn op de altijd aanwezige "learning curve" van de boorploeg. Daarnaast was er op de noordelijke oever reeds een betere infrastructuur aanwezig en waren daardoor de logistieke omstandigheden gunstiger.
Aanleg startschachten
Vooraf was als voorwaarde gesteld dat er bij de bouw van de Tweede Heinenoordtunnel geen grootschalige grondwaterbemaling mocht plaatsvinden. Daarom is er voor gekozen de bouw van de start- en ontvangstschachten en de toeritten voor het grootste deel "in den natte" te realiseren.
Pneumatisch caisson
Als alternatief voor een natte ontgraving was het ook mogelijk geweest om bij de bouw van de schachten de zogeheten pneumatische caissonmethode toe te passen. Bij deze methode wordt de grond ontgraven vanuit een aan de bovenkant en de zijkanten afgesloten ruimte waarin een overdruk is aangebracht. Het voordeel is dat het omringende water door de overdruk in de "luchtbel" wordt weggeduwd. De methode is, omdat mensen voortdurend onder overdruk werken, gezondheids-technisch gezien echter niet erg aantrekkelijk. Mede daarom - en ook op grond van financiële overwegingen - is gekozen voor het bouwen van de start- en ontvangstschacht door middel van een natte ontgraving.
7.8.3 Combiwand
Nadat de grond bouwrijp was gemaakt, is met behulp van een heistelling de zogeheten combiwand de grond in geheid rond wat later de startschacht en de toerit zou worden. Een combiwand bestaat uit grote stalen buispalen, met daartussen steeds twee damwandplanken. De aansluitpunten (sloten) tussen de verschillende elementen van de combiwand zijn voorzien van PE-afdichtingen om de wand waterdicht te maken.
Nadat de combiwand gereed was, is een tijdelijk stempelraam aangebracht. Het stempelraam voorkomt dat bij afgraving de wand van de bouwput het zou begeven onder de druk van de omringende grond (en water). Vervolgens is de bouwput ongeveer 4 meter ontgraven, waarbij grondwaterbemaling plaatsvond. Dit was nodig om rond de bouwput een betonnen gording te kunnen storten waartegen het definitieve stempelraam werd verankerd. Hierna werd de bouwput onder water - dus zonder bemaling - verder afgegraven tot een diepte van ongeveer NAP -16. Voordat begonnen kon worden met het storten van het onderwaterbeton, was het noodzakelijk een verankering voor de toekomstige bodem van de schacht aan te brengen. Als dit niet gebeurd was, dan gaat de bouwkuip drijven door de opwaartse druk van het grondwater. Als verankering voor de onderwaterbetonvloer zijn daarom 144 stalen trekpalen met een lengte van ongeveer 19 meter de grond in geheid. De heistelling die daarvoor werd gebruikt, kon op een traverse boven de bouwput worden verplaatst. De trekpalen zijn aan de bovenkant voorzien van stalen ringen die de verankering vormen voor het onderwaterbeton.
In de nog met water gevulde schacht werd vervolgens het onderwaterbeton gestort tot een dikte van 1,25 meter. Nadat het beton na 28 dagen was uitgehard, kon het water uit de schacht worden weggepompt. Pas toen werd duidelijk dat zowel de bodem, als de wand van de bouwput waterdicht waren.
Om de bodem van de schacht extra stevigheid te geven in verband met de belasting door de tunnelboormachine, is er op vloer van onderwaterbeton nog een constructieve vloer aangebracht van gewapend beton met een dikte van 80 centimeter.
| Boren met de tunnelboormachine Logistiek Voorzieningen Ontwerp Bodemonderzoek Vergunningen |
Bouwrijp maken Bouw noordelijke start- en ontvangstschacht Rivierwerk Boren Het boorproces en veiligheid |
7.9 Brilwand / dichtblok noord
7.9.1 Brilwand
Om met het boren te starten, was het noodzakelijk om in de start- en ontvangstschacht twee gaten in de combiwand te maken. Eén voor de westbuis en één voor de oostbuis. Om te voorkomen dat de gaten de combiwand zouden verzwakken, is deze verstevigd met de zogeheten brilwand. Deze brilwand bestaat uit twee stalen ringen, voor elke tunnelbuis één, waaromheen beton is gestort.
7.9.2 Hoe te beginnen met boren: het dichtblok
De start- en ontvangstschacht wordt omgeven door water en grond. Er kan daarom niet zomaar een gat in de combiwand worden gebrand; de put zou volstromen. Om dat te voorkomen, is er aan de buitenkant van de start-en ontvangstschacht een dichtblok gebouwd. Dit is een soort reusachtige "stop" (12 meter hoog, 7 meter lang en 25 meter breed), die sterk genoeg is om het water en de grond tegen te houden, maar zwak genoeg om door de tunnelboormachine (TBM) doorboord te worden.
Het maken van een dergelijke stop, kan op een aantal manieren: door middel van "jetgrouting" en met behulp van Lage Sterkte Mortel. Bij de Tweede Heinenoordtunnel is het dichtblok gemaakt van Lage Sterkte Mortel.
Jetgrouting
Bij jetgrouting wordt de slappe grond met behulp van een ronddraaiende spuitlans vermengd met een mengsel van water en cement. Dit gebeurt onder zeer hoge druk. Door de spuitlans omhoog te trekken ontstaat een kolom. Wanneer dit vaak genoeg wordt herhaald, vormt zich een water-zand-cement-lichaam.
Bij de bouw van het dichtblok voor de Tweede Heinenoordtunnel is niet voor deze methode gekozen, omdat er een aantal grote bezwaren aan kleven. In de eerste plaats werkt de methode alleen optimaal bij een homogene samenstelling van de grond. In het geval van de Tweede Heinenoordtunnel is daar geen sprake van en bestaat de ondergrond uit zand, veen en klei. Deze materialen reageren zeer verschillend op het ingespoten mengsel van water en cement. Bovendien valt bij deze methode op geen enkele wijze te controleren wat de uiteindelijke sterkte is van het uit kolommen opgebouwde dichtblok en in hoeverre heet waterdicht is.
Lage Sterkte Mortel
Er is - mede vanwege de bezwaren die aan jetgrouting kleven - voor gekozen om het dichtblok op een andere manier te maken. Gelijktijdig met de bouw van de start- en ontvangstschacht is direct achter de combiwand een tweede bouwput gegraven met een lengte van 7 meter en een breedte van 25 meter. In deze bouwput is een onderwaterbetonvloer gestort met een dikte van 0,5 - 0,8 meter. Vervolgens is de bouwput in een periode van 40 uur volgestort met 2200 m3 Lage Sterkte Mortel (LSM).
LSM is een speciaal voor het dichtblok ontworpen mengsel. De belangrijkste ontwerpcriteria waaraan de LSM moest voldoen, waren: sterkte, flexibiliteit, waterondoorlatendheid en verwerkbaarheid. De Lage Sterkte Mortel moet sterk genoeg zijn om het water en de grond tegen te houden, maar ook weer niet zo sterk dat de boormachine er niet doorkomt.
Na 28 dagen heeft de LSM een druksterkte van 2 N/mm2. Dat is de sterkte die nodig is om het dichtblok zonder problemen te kunnen doorboren. Daarna wordt de LSM nog harder, maar nooit meer dan 5 N/mm2.
7.9.3 Startprocedure
Nadat het dichtblok voldoende hard was, zijn de gaten in de combiwand gebrand en was alles gereed voor het "vertrek" van de tunnelboormachine (TBM) . De boormachine is ongeveer 8,5 meter lang. Aan de voorzijde bevindt zich het snijrad, dat de grond ontgraaft en aan de achterkant worden de binnen de stalen mantel de tunnelringen geplaatst. De lengte van het dichtblok - zeven meter - is niet willekeurig gekozen, maar afgestemd op de lengte van de TBM. Nog voordat de machine door het dichtblok heen was, zijn de eerste tunnelringen al geplaatst. Ook de annulaire ruimte, die het gevolg is van het verschil in diameter tussen de TBM en de tunnelwand, is dan al opgevuld met mortel (grout): het geheel is waterdicht afgesloten.
In het dichtblok komt het boorproces op gang. Daarbij komt af te voeren materiaal vrij in de vorm van dichtblokmengsel. Dit wordt in eerste instantie afgevoerd met water en later met betonietslurry. De slurry is, zolang de TBM zich in het dichtblok bevindt, nog niet nodig om het boorfront te stabiliseren.
Blindringen
De tunnelboormachine kan zich alleen voortbewegen
door zich af te zetten tegen een net geplaatste tunnelring. Door het uitschuiven van een 28-tal vijzels die aangrijpen op de zijkanten van de betonnen segmenten, duwt de TBM zichzelf over een stalen schildzadel naar voren. Bij de start is er nog geen tunnelring aanwezig waartegen de vijzels zich kunnen afzetten. Daarom zijn in de startschacht zeven tijdelijke tunnelringen, zogeheten blindringen, geplaatst. Deze blindringen steunen op een stalen afzetframe. Dit frame is verankerd aan de vloer en de schachtwanden, zodat het voldoende weerstand biedt tegen de vijzeldruk.
7.10 Rivierwerk
7.10.1 Noodzaak van bovendekking
Om te voorkomen dat de tunnel door de opwaartse druk van het grondwater gaat opdrijven, is een voldoende groot grondlichaam boven de tunnelbuizen noodzakelijk. Uit berekeningen bleek dat er een bovendekking aanwezig moet zijn van een halve tunneldiameter. Dat is ongeveer 4,5 meter. Tijdens de bouwfase is door de extra druk (steundruk) die op het boorfront wordt aangebracht echter een grotere bovendekking nodig. Uit berekeningen volgde dat een dekking van 8,5 meter vereist is. Als deze dekking ontbreekt, bestaat het gevaar van een "blow-out": de spoeling en de lucht aan het boorfront zouden zich door de grond een weg naar de oppervlakte banen.
7.10.2 Rivierbodem
Zowel aan de oevers als voor het tunnelgedeelte onder de rivier is een bovendekking van 8,5 meter noodzakelijk. Omdat aan de landzijde van de zuidoever de dekking te gering was, is daar het maaiveld twee meter opgehoogd. Maar ook voor wat betreft de bodem van de rivier zijn maatregelen genomen om de vereiste dekking te garanderen en de bodem stabiel te houden en te beschermen tegen erosie. Daartoe is de gehele rivierbodem boven het tunneltracé bedekt met zinkstukken.
7.10.3 Zinkstukken
De in totaal 13 zinkstukken zijn gemaakt op de bouwlocatie en hebben een afmeting van 70 bij 30 meter. De totale oppervlakte die wordt bedekt, meet 70 bij 240 meter (240 meter = breedte van de rivier)
De zinkstukken bestaan uit:
- een speciaal voor het zinkstuk gemaakt doek van polypropyleen
- smalle bundels (wiepen) van rijshout
- los rijshout
- stenen bedekking
De zinkstukken worden gemaakt door de stroken doek aan elkaar te naaien. Dan worden er in één richting wiepen (smalle bundels van rijshout) opgelegd. Vervolgens komt er een laag losliggend rijshout overheen, waarna er weer een partij wiepen in de dwarsrichting wordt aangebracht. Op deze wijze vormen de wiepen een rooster met daartussen rijshout.
Het zinkstuk wordt vervolgens in het water gesleept en met een ponton naar afzinkplek gevaren. Het ponton ligt bovenstrooms en wordt verankerd met zogeheten spudpalen die in de rivierbodem gestoken worden. Wanneer het eb is, komt het zinkstuk door de stroming gedeeltelijk onder water te liggen. Een boot met stortstenen vaart boven het zinkstuk en lost de stenen. In totaal worden er drie lagen steen gestort. De zinkstukken worden geplaatst met een overlap van 2 meter.
7.10.4 Boren
Zowel het boren, als de feitelijke tunnelbouw vinden plaats in de tunnelboormachine (TBM). Dit is een stalen buis met een lengte van 8 meter en een diameter van circa 8,5 meter. Aan de voorzijde wordt door een snijrad (of graafwiel) met snijtanden de grond ontgraven. Aan de achterzijde wordt in de buis de tunnelwand opgebouwd, die bestaat uit betonnen segmenten.
Erector
Een complete tunnelring bestaat uit acht segmenten met een breedte van 1,5 meter. De segmenten worden met behulp van een zogeheten erector aan de binnenkant van de stalen mantel aangebracht. De erector pakt de betonnen segmenten met een vacuümklem van de aanschuiftafel en plaatst ze in een ring. Door de plaatsing van de segmenten te variëren kan zowel in verticale als in horizontale richting een bocht worden gemaakt.
Annulaire ruimte
Omdat de diameter van de stalen mantel van de boormachine groter is dan de diameter van de betonnen tunnelring blijft er een ruimte over tussen de tunnelwand en de omringende grond. Om te voorkomen dat water en grond via deze annulaire ruimte de tunnel in stromen, wordt de spleet afgesloten met een rubberen slab en onder druk volgespoten met snelhardende mortel, vaak grout genoemd. Het verschil in diameter tussen de boormachine en de tunnelwand is ongeveer 12 centimeter. Om deze ruimte rond een complete tunnelring op te vullen is ongeveer 6 m3 grout nodig. Om de grout goed rond de tunnelring te kunnen verdelen, beschikt de TBM over zes injectiegaten voor de inspuiting in de annulaire ruimte.
Vijzels
De TBM beweegt zich voort door zich met behulp van in totaal 28 vijzels af te zetten tegen de randen van de reeds gemaakte tunnelwand. Door de druk van de vijzels op de al geplaatste tunnelring te variëren - bijvoorbeeld links iets meer dan rechts - kan de boorkop ook in horizontale of verticale richting worden gestuurd. Bij het plaatsen van een tunnelwandsegment worden alleen die vijzels ingetrokken die zich ter plaatse van dat segment bevinden. De overige vijzels houden de druk op de voorgaande ring.
Discontinu proces
Gemiddeld wordt er elke boordag zo'n tien meter tunnel gebouwd. Het boren zelf is een discontinu proces: nadat het graafwiel de grond over een lengte van anderhalve meter heeft afgegraven, stopt het boren en kan een nieuwe tunnelring worden geplaatst. Het monteren van een complete ring, die bestaat uit 8 geprefabriceerde betonnen segmenten, neemt ongeveer 25 minuten in beslag. Bij een boorsnelheid van (gemiddeld) 5 centimeter per minuut staat de boor na elke 30 minuten (een tunnelring heeft een breedte van 1,5 meter) ongeveer een half uur stil voor het plaatsen van een volledige ring. Ook moeten tijdens deze perioden van stilstand verschillende pijpen en leidingen verlengd worden. Dat gebeurt - vanwege de gekozen pijplengte van 6 meter - nadat de TBM vier tunnelringen heeft geplaatst.
Blindringen
Bij aanvang van het boren - en vlak erna - waren er nog geen, of onvoldoende tunnelringen aanwezig waartegen de vijzels zich konden afzetten. Daarom zijn in de startschacht zeven tijdelijke tunnelringen, zogeheten blindringen, geplaatst. Deze blindringen steunen op een stalen afzetframe. Dit frame is verankerd aan de vloer en de schachtwanden, zodat het voldoende weerstand biedt tegen de vijzeldruk.
7.10.5 Bentonietvloeistof
Steunfunctie
Aan het boorfront moet de voor het graafwiel aanwezige grond- en waterdruk voortdurend worden gecompenseerd. Dat gebeurt door middel een speciale vloeistof: bentonietslurry. Door tussen duikwand en drukwand door middel van perslucht overdruk op de bentonietslurry aan te brengen, pleistert deze het graaffront af, waardoor instorting wordt voorkomen Op het snijrad zelf zijn overigens nog spuitpunten aangebracht waarmee bentoniet in de graafkamer kan worden gebracht.
Transportfunctie
De losgewoelde grond komt terecht in de bentonietslurry. Het is van belang dat de grond zich niet teveel met het bentoniet vermengd. Want hoe fijner de afgegraven gronddeeltjes zijn, hoe moeilijker het is om de grond in de scheidingsinstallatie van het bentoniet te scheiden. De brokken afgegraven grond mogen ook niet te groot zijn: dan wordt het transport naar de scheidingsinstallatie een probleem. Daarom zit er voor de zuigmond van de afvoerpijp van de bentonietslurry een rooster. De mix van water, bentoniet en afgegraven grond wordt vervolgens getransporteerd naar de bovengrondse scheidingsinstallatie. Hier worden de grond en het bentoniet van elkaar gescheiden. De grond wordt afgevoerd naar één van de twee opslagdepots - voor het creëren van de landschapsheuvel, of naar de Jan Gerritsepolder - en het bentoniet kan worden hergebruikt.
7.10.6 Sturen van de tunnelboormachine
Positiebepaling
De TBM vindt onder de grond zijn weg met behulp van het Tunnel Advanced Control System (TACS). Dat bestaat uit een aantal prisma's, een laser met afstandmeter en een doelplaat. Door de laser nu eens op het prisma te richten en dan weer op de doelplaat, kan precies worden berekend wat de positie is van de TBM.
Sturen
De TBM wordt gestuurd door de druk van de vijzels op de segmenten te variëren. Bij een grotere druk van de vijzels op de segmenten aan de rechterkant, gaat de TBM naar links. Een grotere druk aan de bovenkant betekent dat de TBM naar beneden gaat. Om er voor te zorgen dat de tunnelwand deze bochten kan "volgen", wordt er gewerkt met "linkse" en "rechtse" segmenten. Door de inbouwpositie van de sluitsteen te variëren, kan een richting worden gekozen.
7.10.7 Onderhoud
De tunnelboormachine is, inclusief de drie volgwagens, eigenlijk één grote ondergrondse fabriek van bijna 60 meter lengte met een diameter van zo'n 8,5 meter. Voortdurend is onderhoud nodig om de vele installaties optimaal te laten functioneren. Zo moeten de mortelleidingen bijvoorbeeld elke keer wanneer de boormachine stilstaat worden doorgespoten om te voorkomen dat de leidingen onbruikbaar worden. Ook moet tijdens het boorproces de boorkamer kunnen worden betreden voor inspectie en reparatie van het graafwiel. Dit gebeurt door het verlagen van de bentonietspiegel in de boorkamer onder gelijktijdige verhoging van de luchtdruk.
volgende pagina
vorige pagina