Doordat 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, wil 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 gepaard 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 het TBM-positioneringssysteem en vastgelegd in richting, hellingshoek en verrolling. 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 het gat dat de voorzijde van de TBM ontgraaft. Hij simuleerde de grondverplaatsing rondom het boorschild door het ontgraven profiel van de grond te vergelijken met de locatie van het schild in dat gat. Figuur 1 (zie hiernaast) 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 indrukking op.

Krachten

De distributie van de voortstuwingskracht van de TBM verkreeg Festa uit de TBM-meetdata. De voortstuwingkracht en de steundruk in de graafkamer vormden de belangrijkste horizontale krachten. Tijdens het boren varieerde de horizontale kracht van -10 MN tot -5 MN; bij stilstand van de TBM zakte dit meestal tot 0 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 laat zien 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 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 krachten 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. Aangezien 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 uiteindelijk het gedrag van de TBM beter voorspellen en de zettingen als gevolg van de passage van het schild beter bepalen.