Probabilistische analyse van de zetting van afgezonken tunnels

De zettingsdata van de Kiltunnel en de Heinenoordtunnel laten veel grotere zettingen zien dan verwacht tijdens het ontwerp van de tunnels. Bij de Kiltunnel zijn zettingen tussen 8 en 70 mm gemeten en bij de Heinenoordtunnel tussen 7 tot 30 mm, terwijl maximaal enkele millimeters verwacht waren vanwege de zeer lage effectieve belasting. Het doel van dit afstudeeronderzoek was om te bepalen wat de oorzaak van deze zettingen is en hoe het zettingsgedrag beter te modelleren en voorspellen is.

Beide tunnels zijn onderzocht met de geofysische onderzoekmethode MASW (multichannel analysis of surface waves) die de schuifgolfsnelheid van de grond op verschillende dieptes meet over de lengte van de tunnel. De resultaten van deze metingen zijn gecombineerd met de sonderingen die eerder gemaakt waren, de CPT-data. Vervolgens is er gekozen voor een probabilistische analyse, omdat het inzicht geeft in de kans dat bepaalde zettingen optreden. Dit is gedaan met een statistische analyse op de CPT-data om de mogelijke conusweerstanden in de omgeving te kunnen simuleren, en door de onzekerheid in de relatie tussen afschuifsnelheid en de stijfheid bij lage rekken mee te nemen. Een limitatie van het gebruikte model is dat het een eendimensionaal model is. De tweede limitatie is dat er alleen naar het vlakke deel van de afgezonken tunnel is gekeken.

Verificatie van het model

Het model en de probabilistische analyse zijn in eerste instantie getest op een proeflocatie in Blessington, Ierland. Hier zijn last-zakkingsproeven uitgevoerd van poeren van 0,1 m bij 0,1 m tot 0,4 m bij 0,4 m. Tevens zijn hier CPT- en MASW-proeven uitgevoerd. Op deze locatie vielen de gemeten zettingen binnen het betrouwbaarheidsinterval van het model. De berekende zetting voor beide tunnels was in de orde van 2 à 5 millimeter, veel lager dan de gemeten zetting. Tevens vond het grootse deel van de berekende zetting over een veel kortere periode plaats dan de gemeten zetting, waarna slechts nog een zeer kleine zetting ten gevolge van de kruip berekend was. Hieruit kon geconcludeerd worden dat er een ander proces verantwoordelijk was voor de gemeten zetting.

Dynamische belasting

De hypothese was dat de tijdsafhankelijke zetting veroorzaakt wordt door dynamische belastingen. In het afstudeeronderzoek is daarom gekeken naar getijdenbelastingen op de tunnels. De getijden kunnen de ondergrond belasten door slecht doorlaatbare lagen slib op de bodem van de rivier. Wegens gebrek aan waterspanningsmetingen ter plaatse van de afgezonken tunnels is een inschatting gemaakt van minimale en maximale invloed van de getijden op basis van een oude meting in de nabije omgeving. Verkeersbelasting is niet meegenomen in de analyse.

Resultaten

Ter plaatse van de Heinenoordtunnel zijn zettingen van 5 à 8 mm en van 10 à 15 mm berekend bij aanname van respectievelijk minimaal en maximaal geschatte getijdenbelasting ten tijde van de laatste meting, terwijl ongeveer 7 mm gemeten was. Bij de Kiltunnel waren de resultaten vergelijkbaar: de berekeningen leverden zettingen op van 5 à 14 mm (minimaal) en 9 à 28 mm (maximaal), de metingen gaven een zetting van 8 à 34 mm aan.

Aan de hand van het onderzoek konden de volgende conclusies getrokken worden:

1. De zetting ten gevolge van de statische belasting was te gering en te kortdurend om de gemeten zetting te verklaren.
2. Kruip is van invloed op het zettingsproces van de tunnel, maar eveneens is de berekende zetting een orde kleiner dan de gemeten zetting.
3. Als de invloed van getijden wordt toegevoegd, valt de gemeten zetting binnen het betrouwbaarheidsinterval van de berekende zetting van de tunnels ter plaatse van het horizontale element.

De gemeten zetting van de afgezonken tunnels kan dus een resultaat zijn van de combinatie van de statische belasting en de getijden. Er kan echter niet uitgesloten worden dat de invloed van de getijden kleiner is dan geschat in dit onderzoek of dat er andere factoren van significante invloed zijn.

Aanbevelingen

1. De belangrijkste aanbeveling is om waterspanningsmeters te plaatsen bij beide tunnels om te verifiëren dat de getijden invloed hebben op het zettingsgedrag van de tunnels.
2. Meer en accuratere CPT-metingen zijn nodig ter plaatse van de Kiltunnel gezien de zeer geringe beschikbare CPT-informatie op dit moment.
3. Het eendimensionale model moet worden uitgebreid naar een twee- of driedimensionaal model. De aanbeveling is om hiervoor een finite element method (FEM) te gebruiken. Dit is nodig om de invloed die verschillende elementen en segmenten op elkaar hebben mee te nemen en het gedrag van de grond preciezer te kunnen modelleren. Hierbij kan ook de distributie van de belasting door dijken op tunnels meegenomen worden.