Afstudeeronderzoek: minimale waarde ondersteuningsdruk voor boorfrontstabiliteit

Bij het boren van tunnels in Nederland is de ondersteuning van het boorfront van groot belang. Om het boorfront stabiel te houden, dient de steundruk tussen een minimale en maximale grenswaarde te blijven om bezwijken van het graaffront te voorkomen. Vanwege het ontbreken van Nederlandse richtlijnen zijn er momenteel vraagtekens bij de bepaling van de ondergrenswaarde van de steundruk. In dit afstudeeronderzoek is een vergelijking gemaakt tussen verschillende bestaande modellen waarbij de RijnlandRoute als casestudy is gebruikt.

Als onderdeel van de RijnlandRoute wordt een nieuwe wegverbinding N434 gerealiseerd tussen de A4 (knooppunt Hofvliet) en de A44 (knooppunt Ommedijk). Een deel van het wegtracé is een boortunnel, bestaande uit twee tunnelbuizen met een diameter van 10,6 m en een lengte van 2,4 km. Het verticale alignement en het bijbehorende grondprofiel zijn weergeven in figuur 1.

Voor de boorfrontondersteuning wordt een vloeistofschild gebruikt dat het graaffront ondersteunt door middel van een onder druk staande vloeistof (slurry). Het onderzoek richt zich voornamelijk op de oostelijke ingangszone, waar de gronddekking gering is en extra ballast op maaiveld – in de vorm van boorterpen – nodig is. Ter plaatse van deze zone is de interactie tussen de benodigde boorterpen, het consolidatieproces in de ondergrond en de grenswaarden van de steundruk onderzocht.

Statisch

Het eerste deel van het onderzoek bestaat uit een vergelijkingsstudie tussen het Ruse-Vermeermodel (2002), Jancsecz-Steinermodel (1994) en DIN4126+4085-model (2007, 2013). Voor elk model is een theoretische achtergrondanalyse uitgevoerd, en met behulp van een casestudyanalyse is het effect van de modelverschillen op de minimale waarde van de ondersteuningsdruk bepaald. De overeenkomst tussen de verschillende berekeningsmethodes is dat ze alle uitgaan van een statische situatie (stilstaande tunnelboormachine, TBM), waarbij de minimale ondersteuningsdruk gelijk is aan de som van de horizontale effectieve spanning en de waterspanning die werken op het boorfront. Het verschil tussen de drie berekeningsmethoden is de bepaling van de horizontale effectieve spanning en dan met name de manier waarop boogwerking in rekening wordt gebracht.

Met behulp van de casestudy is het effect van de modelverschillen op de minimale waarde van de ondersteuningsdruk bepaald.

Na de theoretische analyse is een meer ‘praktische’ analyse uitgevoerd door het opnemen van externe aspecten zoals projectvoorwaarden, bodemomstandigheden en contractvereisten. Uit deze analyse is gebleken dat de boorterp leidt tot consolidatie in de ondergrond, en bij een langzame dissipatie van de wateroverspanningen kunnen de grenswaarden van de ondersteuningsdruk sterk worden beïnvloed. Om deze reden zijn het Jancesecz-Steiner- en het DIN-model uitgebreid met een eendimensionale verticale consolidatieanalyse. De wateroverspanningen in de ondergrond worden in deze analyse statisch verondersteld vanwege het relatief grote verschil in tijdsduur tussen het passeren van de TBM en de consolidatietijd.

Dynamisch

Het tweede deel van dit onderzoek is gebaseerd op tijdsafhankelijke/dynamische (transient) boorfrontstabiliteit. Gedurende het boorproces vindt er een continu proces van slurry-infiltratie en ontgraving van het boorfront plaats en daarom dient de interactie tussen de ondersteuningsvloeistof, voortgang TBM en het boorfront in rekening te worden gebracht. In eerste instantie zijn beide processen afzonderlijk onderzocht om de belangrijkste parameters voor elk proces in kaart te brengen.

Uit de analyse van het infiltratieproces blijkt dat de vloeisterkte (yield strength) van de ondersteuningsvloeistof een belangrijke parameter is voor zowel de stabiliteit van het graaffront als het scheidingsproces. Voor de voortgang van de TBM is de plaatsing van de graafgereedschappen op het snijwiel, capaciteit TBM en de pompcapaciteit van de scheidingsinstallatie van groot belang. Deze factoren bepalen de graafdiepte van het snijwiel per rotatie en de beschikbare tijdsduur voor de (her)opbouw van de afpleistering van het boorfront.

De combinatie van deze twee tijdsafhankelijke processen kan leiden tot de opbouw van (horizontale) wateroverspanningen ter plaatse van het boorfront. Met behulp van het model van Broere (1998) is de ontwikkeling en dissipatie van de wateroverspanningen bepaald voor de casestudyanalyse. Deze analyse laat zien dat de ontwikkeling van de extra wateroverspanningen kan leiden tot een vele malen hogere waarde voor de minimale ondersteuningsdruk. Uit de vergelijking tussen statische en tijdsafhankelijke/dynamische boorfrontstabiliteit kan worden geconcludeerd dat wanneer de ontwikkeling van deze wateroverspanningen niet wordt meegenomen in de bepaling van de minimale waarde van de ondersteuningsdruk dit kan leiden tot de toepassing van een ondersteuningsdruk die lager is dan de werkelijke ondergrens en zodoende leidt tot een bezwijkmechanisme van het graaffront.