Evaluatie grouting staartspleet Botlekspoortunnel, …...door uitgeperst poriënwater van het grout...

Evaluatie grouting staartspleet Botlekspoortunnel, F300-W050

dr.ir. A.M. Talmon (WL | Delft Hydraulics) dr. C.A. Schoofs (Geodelft) ir. A. Bezuijen (Geodelft)

Mei 2003


Z3488 mei 2003

Inhoud

1 Probleemstelling....................................................................................................1–1

2 Doelstelling ............................................................................................................2–1

3 Rol diverse processen............................................................................................3–1

3.1 Algemeen...................................................................................................3–1

3.2 Groutdruk en grout/grond interactie ..........................................................3–1

3.3 Hoofdmechanismen groutdrukverdeling ...................................................3–3

3.3.1 Drukgradiënten over tunneldoorsnede..........................................3–4

3.3.2 Drukgradiënten in langsrichting ...................................................3–6

3.4 Illustratie ....................................................................................................3–7

4 Analyse...................................................................................................................4–1

4.1 Meetgegevens grouting..............................................................................4–1

4.2 Analyse meetgegevens grouting Zuidbuis: groutmortel ............................4–2

4.2.1 Zuidbuis: grouttoevoer en groutstroming in leidingsysteem ........4–2

4.2.2 Zuidbuis: groutdrukken in de staartspleet.....................................4–3

4.3 Analyse meetgegevens grouting Noordbuis: ETAC twee-componenten grout...........................................................................................................4–9

4.3.1 Noordbuis: groutinjectie en groutstroming in leidingsysteem......4–9

4.3.2 Noordbuis: groutdrukken in de staartspleet ................................4–11

4.4 Samenvatting resultaten analyse meetgegevens: .....................................4–12

5 Evaluatie grouting.................................................................................................5–1

5.1 Schets fysische processen stroming in staartspleet ....................................5–1

5.2 Groutstroming in leidingsystemen.............................................................5–1

5.3 Zuidbuis groutmortel .................................................................................5–2


Z3488 mei 2003

5.3.1 Zuidbuis: validatie rekenmodel DCgrout direct achter de TBM ..5–2

5.3.2 Zuidbuis: validatie theorie en model verder achter de TBM ........5–6

5.4 Noordbuis: Etac twee-componenten grout.................................................5–6

5.5 Gevoeligheidsanalyse groutdrukverdeling ................................................5–6

5.6 Overeenkomsten en verschillen conventionele groutmortel en tweecomponenten ETAC grout..................................................................5–6

6 Uitwerking invloed grond op groutdruk.............................................................6–6

6.1 Maximale drukken en plastische vervorming ............................................6–6

6.2 Afname groutdrukken bij consolidatie.......................................................6–6

6.3 Conclusies..................................................................................................6–6

7 Invloed lining op groutdrukken...........................................................................7–6

8 Uitwerking invloed overinjectie grout op groutdrukverloop naar achter .......8–6

8.1 Drukverdeling naar achter tijdens grouting ...............................................8–6

8.2 Drukverdeling over de tunnellining wanneer er niet gegrout wordt ..........8–6

9 Conclusie en aanbevelingen .................................................................................9–6

Referenties .............................................................................................................9–6

A Berekening relatie tussen groutinjectie, grouteigenschappen en drukverdeling in de staartspleet .........................................................................A–6

B Stromingsvergelijkingen rekenmodel DCgrout inclusief overinjectie grout ..B–6

C Van metingen groutmortel Zuidbuis Botlek Spoortunnel ................................C–6

D Groutconsolidatie proef groutmortel Botlek Spoortunnel ...............................D–6


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft S a m e n v a t t i n g – 1

Samenvatting In dit verslag worden de relaties tussen de injectieparameters, de injectiemethode, de eigenschappen van de grout en de drukverdeling in de staartspleet voor het grouten bij de Botlekspoortunnel bepaald, en wordt het ontwikkelde stromingsmodel van DC1 gevalideerd. Meetgegevens welke in de COB-deelcommissies TBM, GEO en Montagespanningen afzonderlijk uitgewerkt zijn, zijn daartoe gekoppeld. De meetgegevens van de Zuidbuis betreffen grouting met groutmortel. De informatiedichtheid van groutdrukken gemeten door de lining is hoog: er is informatie van veertien sensoren en er is gemeten tot vier tunnelringen achter de TBM. Er is gemeten zowel tijdens het boren als tijdens het plaatsen van tunnelliningsegmenten. Het grout is geïnjecteerd door vier van de zes beschikbare lisenen. Eén van de lisenen bovenin de TBM was niet in gebruik. De groutdrukverdeling direct achter de TBM is aldus sterk asymmetrisch. Verderop achter de TBM is deze asymmetrie niet meer merkbaar. Het rekenmodel DCgrout, dat heel geschikt is om de invloed van bijzondere injectiestrategieën te evalueren, geeft deze asymmetrie ook. In de groutdrukverdeling verderop, c.q. na langere tijd (tijdens boren en rust), zijn opdrijfeffecten van de tunnellining dominant. De gemeten drukverdeling is in overeenstemming met deze DC-theorie. De meetgegevens van de Noordbuis betreffen grouting met ETAC twee-componenten grout. De informatiedichtheid van groutdrukken gemeten door de lining is minder: er is informatie van zes sensoren, er is gemeten tot circa 40 cm achter de TBM. Er is gemeten zowel tijdens boren als tijdens onderbrekingen van het boorproces. Het grout is geïnjecteerd door twee lisenen bovenin de TBM. Er is zelfs een stukje geboord met één lisene. Het unieke van deze metingen is dat deze de mogelijkheid bieden om staartspleetvulprocessen met de snel uithardende twee-componenten grout te evalueren. Het drukverloop over de verticaal, tijdens vulling van de staartspleet, is in overeenstemming met reologische eigenschappen welke we eerder in een DC-project bepaald hebben. Er wordt geconcludeerd dat de stroming sterk gelokaliseerd is bij de achterrand, de grout stroomt direct van boven naar beneden. Bij conventionele grout is dat niet het geval en vindt de stroming over een veel groter gebied plaats. Verticale groutdrukverdelingen zijn nooit groutstatisch2 of hydrostatisch3, en dit is goed verklaarbaar. Er kunnen wel lineaire groutdrukverdelingen ontstaan. Echter de gradiënt komt dan niet overeen met statische drukverdelingen welke uit het soortelijk gewicht van de grout of het porienwater volgen. Een gevoeligheidsanalyse van de groutinjectie geeft de volgende resultaten: - De groutdrukverdeling direct achter de TBM is afhankelijk van het soortelijk gewicht van de grout, de dikte van de groutlaag, de reologische eigenschappen van de grout, de verandering van deze eigenschappen als functie van de tijd, het aantal en de posities van lisenen en de debietverdeling door deze lisenen.

1 = Delft Cluster 2 = statisch met een drukgradiënt in overeenstemming met het soortelijk gewicht van grout. 3 = statisch met een drukgradiënt in overeenstemming met het soortelijk gewicht van water.


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft S a m e n v a t t i n g – 2

- De drukverdeling verder achter de TBM is onafhankelijk van de injectiestrategie, en wordt enkel bepaald door opdrijvende krachten en buigstijfheid van de tunnellining. De drukverdeling is afhankelijk van het soortelijk gewicht van de grout, de dikte van de groutlaag, en de kracht welke de lining uitoefent op de grout. Daar reologische gegevens, en consolidatie eigenschappen, van de conventionele mortel welke bij de Zuidbuis gebruikt is, ontbraken zijn er ter validatie van uitgangspunten, en voor toekomstige beschouwingen, desbetreffende laboratoriumtesten uitgevoerd. Er zijn vane proeven uitgevoerd, zie bijlage C, en er is een groutconsolidatieproef uitgevoerd, zie bijlage D. Nadere uitwerking van diverse aspecten heeft tot de volgende vorderingen van het groutonderzoek geleid: 1- De groutdruk is geen vrij te kiezen constante, maar wordt bepaald wordt door het grondgedrag en eigenschappen van het grout. Dit kan nu gekwantificeerd worden. 2- Er is aangetoond dat de gradiënt in de groutdruk enkel direkt achter de TBM vrij te kiezen is. Op enige afstand van de TBM is dit geen vrij te kiezen constante, maar is een functie van opdrijfkrachten en buigende momenten in de lining. 3- Consolidatie van onder druk staande grout heeft een beperkte invloed. Een gedeelte van de grout zal vloeibaar blijven totdat het is uitgehard. Hieruit wordt geconcludeerd dat de tunnel nog enkele uren in vloeibaar grout ligt. Daarom is het van belang dat de verse grout een zodanige zwichtspannning heeft dat opdrijven wordt voorkomen. 4- De overinjectie van grout bepaalt, met de consolidatie van het grout, het groutdrukverloop naar achteren. De overinjectie is geïmplementeerd in het rekenmodel DCgrout. Het gebied waarin het rekenmodel realistische uitkomsten biedt, is daarmee uitgebreid naar achteren. 5- Er wordt meer grout geïnjecteerd dan uit het volume van de staartspleet en de consolidatie van de grout verklaard kan worden.


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft 1 – 1

1 Probleemstelling

De groutlaag tussen de tunnellining en de grond vormt een belangrijke factor ten aanzien van de grondvervorming en de belasting van de tunnellining. De grout wordt vanuit de tunnelboormachine (TBM) geïnjecteerd in de staartspleet. Bij de Botlekspoortunnel zijn door het COB metingen uitgevoerd aan groutstroming in het leidingsysteem van de TBM, groutdrukken in de staartspleet (gemeten door tunnellining-segmenten heen), grondvervormingen en spanningen in de tunnellining. De relatie tussen groutdrukken en grondvervormingen is geanalyseerd door de deelcommissie F330 ‘Geotechniek’ [8], de relatie tussen montagespanningen lining en groutdrukken is geanalyseerd door de deelcommissie F340 ‘Montagespanningen’ [7]. De groutstroming in het leidingsysteem en de debietverdeling over de injectieopeningen van de TBM is voor één meetdoorsnede geanalyseerd door de deelcommissie F310 ‘TBM’ [10]. De relatie tussen de gerealiseerde groutdrukken en de wijze waarop de grout in de staartspleet geïnjecteerd wordt (en wat de rol van de grouteigenschappen daarop is), is belangrijk bij de totstandkoming van de tunnel, en de kwaliteit van het werk. Deze relatie is niet geanalyseerd bij F300. Bij de Botlekspoortunnel zijn twee heel verschillende groutsoorten gebruikt. Er is gebruik gemaakt van een injectiemortel van een type dat wel vaker toegepast wordt in Nederland, en een twee-componenten grout van een type dat veel toegepast wordt in Japan (ETAC). De eigenschappen van deze grouts verschillen sterk, evenals de wijze waarop deze materialen geïnjecteerd worden in de staartspleet. Het is belangrijk duidelijkheid te verkrijgen hoe, en in welke mate, met deze totaal verschillende materialen de essentiële functies van de staartspleetvulling verwezenlijkt worden. In het kader van Delft Cluster zijn er door WL en GD rekenmodellen ontwikkeld [16, 17, 18] voor de relatie tussen groutinjectie, grouteigenschappen, en groutdrukverdeling in de staartspleet. Daarbij is zowel gekeken naar de meer gebruikelijke groutmortels als twee-componenten grout. De genoemde modellen zijn beschikbaar voor analyse/evaluatie van bovengenoemde relaties.

Opmerking [AB1]: Volgens mij hoeft de injectiemethode niet veel te verschillen. Bij de eerste proef is door de lining geïnjecteerd, later is het 2 componentenmateriaal door de lisenen getransporteerd.


Z3488 mei 2003


2 Doelstelling

Het doel van de studie is: 1) het bepalen van de relatie tussen de injectieparameters (druk, debiet), injectiemethode (eigenschappen grout, lengte injectieslangen, aantal injectieopeningen, locatie injectie openingen, verdeling van het debiet over de verschillende injectieopeningen) en de drukverdeling in de staartspleet en, 2) validatie van het ontwikkelde stromingsmodel van DC. Daarbij worden de meetgegevens welke in de deelcommissies uitgewerkt zijn gekoppeld. Tevens worden praktijkrelevante fysische inzichten welke met deze studie verkregen zijn uitgewerkt, ter bevordering van het groutonderzoek.


Z3488 mei 2003


3 Rol diverse processen

3.1 Algemeen Vooraf aan de beschrijving van de meetdata wordt een overzicht gegeven van de huidige inzichten op het gebied van groutstroming en de processen die daarbij optreden. Hierbij wordt begonnen bij de injectie in de staartspleet totdat het grout is uitgehard. Het zal blijken dat de groutdrukken worden bepaald door stroming van het grout, grout-tunnel interactie en grout-grond interactie. Doel van deze beschrijving is om later de metingen in een kader te kunnen plaatsen.

3.2 Groutdruk en grout/grond interactie Bij injectie van grout wordt een groter volume grout geïnjecteerd dan er aan volume in de staartspleet beschikbaar is. Dit zal leiden tot een plastische vervorming van het grondmassief en tot een achterwaartse stroming in de grout (zie ook verderop). De drukverdeling wordt bepaald door de groutstroming, zie paragraaf 3.3. Er zijn verschillende drukverdelingen mogelijk als functie van de injectiestrategie (Dit is te berekenen als Binghamse vloeistof met het Dcgrout model als functie van de positie van en het debiet door de diverse injectieopeningen). Op een wat grotere afstand van de TBM zal de stroming bijna tot stilstand gekomen zijn. De grout consolideert, waardoor het volume van de grout kleiner wordt. Deze consolidatie is gemeten in speciaal daarvoor ontworpen proeven [20]. Dit leidt tot een ontspanning van het grondmassief. Hierdoor zal ook de groutdruk afnemen. Hoe snel de groutdruk afneemt hangt af van de mate van ontspanning en deze wordt weer bepaald door de consolidatie eigenschappen van de grout en de elastische eigenschappen van de grond. Beschouw de situatie van figuur 3.1.


Z3488 mei 2003


lininggrout

rt

r

stroming opgewektdoor uitgeperst poriënwatervan het grout

lining

grond(zand)

xgrout

q=0

zand na cons.gecon. grout

h

Figuur 3.1: Schematische weergave, consoliderend grout.

Deze figuur toont schematisch een dwarsdoorsnede van een tunnel met grout. De groutlaag is veel dikker getekend dan deze in werkelijkheid is om de processen duidelijk te maken. Rechts is nog een gedeelte uitvergroot. De donkergrijze ring stelt de lining voor. Het lichtere grijs daarbuiten het grout. Het grout wordt door injectie in de staartspleet tot een dikte h (zie uitvergroting) aangebracht. Echter door consolidatie neemt het volume af tot alleen de licht grijze ring. In proeven, die zijn uitgevoerd op het grout dat is gebruikt voor Sophia, is vastgesteld dat bij een constante overdruk op de grout van ongeveer 1 bar, het volume de grout met ongeveer 8% afneemt. Nu zal de druk op het grout niet constant blijven, want de consolidatie van het grout leidt tot een ontspanning van het zandpakket. waardoor de overdruk op het grout afneemt en dus de consolidatiesnelheid zal afnemen. De consolidatie stopt als alle grout is geconsolideerd of als de druk in het grondmassief en dus de druk op het grout ongeveer gelijk geworden is aan de waterspanning in het grondmassief. Wat bepalend is, hangt af van de stijfheid van de grond rondom te tunnel: Er geldt voor een homogeen elastisch medium [17]:

Grr∆

=∆ 2σ (3.1)

Hierin is: ∆σ : de spanningsverandering (kPa) ∆r : de verandering van de straal (m) r : de straal van de tunnel (m) G : de glijdingsmodulus van de grond (kPa) De glijdingsmodulus in het Pleistocene zand voor een ontlastingssituatie is niet bepaald. Maar naar schatting zal deze in de orde van 100 Mpa zijn. Dat betekent dat bij een straalverandering van 5 mm bij die glijdingsmodulus al een spanningsvermindering levert van ongeveer 200 kPa. Dit betekent dat er maar weinig consolidatie (3%) van de staartspleet nodig is om alle overspanning in de grout te laten verdwijnen.


Z3488 mei 2003


De afname van de gemeten groutdruk nadat met het boren is gestopt verloopt vrij snel bij de Botlek in vergelijking met resultaten van andere metingen [20]. Dit wordt veroorzaakt door de relatief stijve ondergrond ter plaatse van de meetring. De hoge glijdingsmodulus van de ondergrond laat de druk snel afnemen. In principe is het ook mogelijk dat de doorlatendheid van de ondergrond hierop van invloed is. Immers bij een voldoend doorlatende ondergrond kan het water dat uit de grout wordt geperst eenvoudig afstromen, bij een minder doorlatende ondergrond is dit niet of in elk geval minder snel mogelijk. Echter aannemende dat het grout bij de zuidbuis niet veel afwijkt van het grout dat gebruikt is bij de Sophia spoortunnel, kan worden berekend dat de gemeten drukafname alleen kan worden bereikt doordat door de stijfheid van de grond de druk snel wordt afgebouwd. De doorlatendheid van het grout is zo laag dat ook bij een zeer grote gronddoorlatendheid de doorlatendheid van het grout de consolidatiesnelheid beperkt.

3.3 Hoofdmechanismen groutdrukverdeling Behalve de absolute waarde van de groutdruk is ook de drukverdeling rondom de tunnel van belang. De drukverdeling is bepalend voor de momenten in de lining en de niet radiale belasting op de ondergrond. De niet radiale belasting kan van invloed zijn op de vorm van de zettingstrog. In de groutdrukverdeling zijn verschillende, geleidelijk in elkaar overgaande, gebieden aan te wijzen welke elk aan verschillende invloeden onderhevig zijn. De twee belangrijke gebieden zijn: een gebied direct achter de TBM en een gebied ver achter de TBM. Beide gebieden zijn de modelleerd in het voorafgaande DC onderzoek. Voor het gebied direct achter de TBM is er een eindig differentie model gemaakt: DCgrout, voor het gebied verachter de TBM is er een analytisch model opgesteld. Tussen deze twee gebieden vindt een geleidelijke overgang plaats, die nog niet gemodelleerd is. De groutdrukverdeling direct achter de TBM wordt bepaald door de groutinjectiestrategie, invloedsgrootheden zijn: injectiestrategie (aantal lisenen), debiet door de lisenen en reologische eigenschappen. Met de debietverdeling van de geinjecteerde grout over de lisenen wordt in de praktijk vaak een netto groutstroom van boven naar beneden opgelegd. Daarmee worden o.m. de opdrijvende krachten werkend op de tunnellining verminderd. De verticale drukgradiënt is meestal kleiner dan een statische drukverdeling welke gebaseerd is op de dichtheid van het grout. In dit gebied kan de boormeester de vertikale drukverdeling sturen. De groutdrukverdeling ver achter de TBM wordt volledig bepaald door opdrijfeffecten. De drukverdeling van de groutlaag levert de tegenreactie voor de opdrijfkracht van de tunnellining. De vertikale drukgradiënt is kleiner dan de drukgradiënt van het porienwater. Deze bijzondere drukverdeling wordt mogelijk gemaakt door het plastische karakter van de grout (de opgewekte schuifspanningen zijn kleiner dan de zwichtspanning van de grout). Tussen deze twee belangrijke gebieden vindt er een geleidelijke transitie plaats. Daar spelen de volgende invloeden: - De stromingsweerstand van de grout neemt toe. De reden daartoe kunnen chemische omzettingen zijn, maar het kan ook liggen aan de vorming van een groutcake op het grensvlak grout/grond waardoor de vrije doorstroomopening verkleint.


Z3488 mei 2003


- Vanwege vloeistofverlies uit de onder druk staande grout, is er om dit te compenseren, circa 5 % overinjectie van grout nodig (de werkelijke overinjectie is groter: deze dient mogelijk om de grond direct achter de TBM plastisch te vervormen, en daarmee de zettingen te beïnvloeden. Een geheel sluitende volumebalans is echter nog niet gevonden, zie ook Hoofdstuk 6). Door deze overinjectie treedt er over het gehele gebied waar de grout nog vloeibaar is een geringe achterwaarts gerichte groutstroom op. Deze groutstroom is direct merkbaar in het drukverloop naar achteren (de kwantificering van dit drukverloop is een verworvenheid van deze Botlek studie, zie par.5.3.2). Met toename van de afstand achter de TBM neemt de stromingweerstand toe. Dit verandert wanneer er een afstand bereikt wordt waar de achterwaartse beweging van de grout opgevangen wordt door elastische deformatie, dan neemt de drukgradiënt naar achteren weer geleidelijk af. Door de liggerwerking van de tunnellining verandert de excentriciteit van de ligging van de tunnellining in het geboorde gat. Daardoor wordt er een weinig grout van boven naar onder geperst, hetgeen invloed op de drukverdeling heeft. Dit fenomeen leidt tot een transitie van de hoge vertikale drukgradiënt direct achter de TBM naar de lage verticale drukgradiënt ver achter de TBM. Door de hoofdcylinders van de TBM worden er verder krachten en koppels uitgeoefend op de lining. De doorbuiging welke veroorzaakt wordt door excentische aangrijpende cylinderkrachten kan invloed hebben op de vertikale drukgradiënt in de grout (zie deelcommisie F320: ongelijkmatig verdeelde compressie in eerste tunnelringen, in combinatie met rek bovenin de lining op zekere afstand achter de TBM).

3.3.1 Drukgradiënten over tunneldoorsnede

Tot de metingen aan de Sophia spoortunnel waren de gemeten drukgradiënten niet erg goed begrepen. Het idee was dat zolang de grout een vloeistof is er een hydrostatische drukverdeling gemeten zou moeten worden waarbij de druk toeneemt met diepte en het soortelijk gewicht van het grout bepalend is voor de drukgradiënt (dit wordt verderop een groutstatische drukverdeling genoemd). Als de grout is uitgehard, was het onduidelijker wat er gemeten zou moeten worden, maar men ging er vanuit dat dan een hydrostatische waterspanning gemeten zou worden (dit zal verder een hydrostatische drukverdeling worden genoemd). De meetresultaten bij verschillende projecten kwamen echter niet overeen met deze theorie. Weliswaar werden er direct achter de TBM drukgradiënten gevonden die leken op een hydrostatische drukverdeling in het grout, meestal was de gradiënt lager en wat verder van de TBM was de drukgradiënt zelfs lager dan die overeen zou komen met die van de waterspanning. Door het DC groutonderzoek en de metingen aan de Sophia spoortunnel zijn de gemeten drukgradiënten beter begrepen. Direct achter de TBM wordt de drukverdeling, zoals gezegd, bepaald door de positie van de groutinjectiepunten en de debietverdeling over die punten. De daar gemeten drukgradiënt zal lager zijn dan de groutstatische drukverdeling als de verdeling van injectiepunten en debieten zodanig is dat de grout naar beneden stroomt langs de tunnellining. Het grout is een Binghamse vloeistof en een naar beneden gerichte stroming is alleen mogelijk als de druktoename kleiner is dan de groutstatische drukken. In het theoretische geval dat de grout aan de onderkant van de tunnel wordt geïnjecteerd en dus naar boven moet stromen, is het mogelijk dat de drukgradiënt groter is dan de groutstatische drukverdeling. Een dergelijke injectiestrategie wordt echter nooit toegepast. Deze levert ook een grote belasting op de lining [18].


Z3488 mei 2003


Op een wat grotere afstand van de TBM wordt de drukverdeling beïnvloed door de opdrijfkrachten die door de tunnel worden gegenereerd. Ook hier is het gegeven dat grout een Binghamse vloeistof is essentieel voor het begrijpen van de drukverdeling. De tunnelbuis is lichter dan het gewicht van volume grout dat deze verplaatst en dus zal de tunnelbuis willen opdrijven. Dit opdrijven wordt tegengegaan door, gecorrigeerd voor de groutstatische drukken, boven de druk wat hoger te laten zijn dan onder. In een Newtonse vloeistof met alleen viscositeit kan er dan geen evenwicht zijn. Het grout zou gaan stromen en de tunnel verplaatsen. In een Binghamse vloeistof kan echter enige schuifspanning worden opgenomen zonder dat de vloeistof blijft vervormen. De vloeistof gedraagt zich dan als een slappe klei. Als er zich een schuifspanning in de grout kan ontwikkelen, kan er ook een drukverschil in de grout zijn anders dan het groutstatische drukverschil zonder dat dit leidt tot stroming. Een en ander is gekwantificeerd in [20]. Als er alleen een dwars-doorsnede wordt beschouwd is in [20] afgeleid dat de minimaal mogelijke gradiënt bij benadering te schrijven is als:

hg

dzdP

grτρ −= (3.1)

Met: dP/dz : de drukgradiënt in verticale richting (z neemt toe met de diepte) (kPa/m) ρgr : de volumieke massa van het grout (kg/m3) g : de versnelling van de zwaartekracht (m/s2) τ : de schuifspanning die gemobiliseerd kan worden in de grout (kPa) h : de dikte van de groutlaag (m). Verder is in [20] de relatie tussen de opdrijfkracht en de τ afgeleid om opdrijven te voorkomen.

2DKh

=τ (3.2)

Met: D : de diameter van de tunnel (m) τ : de schuifspanning die gemobiliseerd moet worden in de grout om opdrijven te

voorkomen (kPa) h : de dikte van de groutlaag (m). K : de opdrijfkracht (KN) Door combinatie van (3.1) en (3.2) is dus te bepalen wat de drukgradiënt moet worden als het gewicht van de tunnel bekend is, de volumieke massa van het grout en de dikte van de staartspleet. De gemeten gradiënt kan hiervan afwijken, omdat er geen sprake is van een zuiver 2 dimensionale situatie. De TBM is zwaarder dan de lining en zal dus opdrijven voorkomen. Aan het einde zal het grout zijn uitgehard en daar zal de lining dus zijn ingeklemd. Deze effecten zullen er voor zorgen dat er andere gradiënten worden gemeten dan berekend voor de zuiver 2-dimensionale situatie.


Z3488 mei 2003


Wel kan worden vastgesteld dat de schuifspanning in het grout een invloed heeft op de drukverdeling. Nu is deze schuifspanning een tensor en de daaruit af te leiden schuifkracht een vector. Wanneer dus bij het boren er grout in de staartspleet wordt gepompt en dit een stroming naar achteren veroorzaakt, dan zal er door de vloeistof een schuifkracht naar achteren op de tunnel worden ontwikkeld op dat moment is het niet mogelijk dat er ook een schuifkracht daar loodrecht op wordt ontwikkeld. Een en ander is schematisch weergegeven in Figuur 3.2. Het gevolg is dat de tweede term in Vergelijking (3.1) wegvalt of in elk geval kleiner wordt en dus dat de gradiënt tijdens het boren groter wordt. Dat betekent dan ook dat direct achter de tunnel tijdens het boren de opdrijfkrachten niet worden gecompenseerd door drukverdeling in het grout. De tunnel zal over dat stuk opdrijven en wordt alleen maar tegengehouden door de relatief zware TBM aan de voorkant en het gegeven dat meer naar achteren er geen groutstroming meer is en daar dus wel de schuifspanningen wel loodrecht op de axiale richting kunnen staan.

grout

TBMlining

groutstroming

schuifspanning

schuifspanning

Figuur 3.2: Schematische weergave stroming grout (direct achter de TBM) en de richting van de schuifspanningen.

Dit is van belang voor de belasting op de lining. Juist tijdens het boren als de krachten op de lining het grootst zijn, zal er direct achter de TBM ook nog een moment in langsrichting noodzakelijk zijn om opdrijven van het stuk lining direct achter de tunnel te voorkomen. Dit moment vormt een extra belasting en het is dus begrijpelijk dat juist de net geplaatste liningelementen soms beschadigen.

3.3.2 Drukgradiënten in langsrichting

De grouteigenschappen bepalen ook voor een gedeelte de maximale gradiënten in langsrichting. Zoals verderop zal worden aangetoond geldt er voor de drukgradiënt in langsrichting:

hdxdP

l

τ= (3.4)

Met: dP/dxl : de drukgradiënt in langsrichting (kPa/m).


Z3488 mei 2003


h : de dikte van de staartspleet (m) τ : de maximale schuifspanning in x richting (kPa) Maar om dezelfde reden als gebruikt in de vorige paragraaf is bovenstaande vergelijking alleen geldig bij groutstroming zuiver evenwijdig aan de tunnelas. Bij een stroming in een andere richting zal de maximale schuifspanning in de langsrichting kleiner zijn. Wanneer grout consolideert in een bepaalde doorsnede kan dit leiden tot een sterke drukafname. Als iets dichter bij de TBM nog grout wordt geïnjecteerd en daardoor de drukken nog hoog zijn, dan zal er een groutstroming naar achteren optreden, totdat de groutdruk verder van de TBM zodanig gezakt is, dat de stroming weer stopt.

3.4 Illustratie De hierboven gegeven beschrijving voor de vertikale drukgradiënten wordt geïllustreerd met metingen die zijn uitgevoerd bij de Sophia Spoortunnel. Bij de Sophia Spoortunnel is langer gemeten dan de in dit rapport besproken metingen bij de Botlek Spoortunnel. Verder is er bij Sophia ook met een groter aantal meetinstrumenten gemeten. Daarom lenen de metingen bij Sophia zich beter als illustratie van het beschreven verloop van de druk-gradiënt. Het resultaat van de gemeten drukgradiënt bij Sophia is weergegeven in Figuur 3.3 als functie van de tijd. Daarbij is ook de voortgangssnelheid aangegeven, waaruit kan worden bepaald wanneer er wordt geboord en wanneer niet. Verder is schematisch op een paar tijdstippen aangegeven welk proces er optreedt. De meting begint wanneer het liningelement met de drukopnemers juist uit de TBM is gekomen. De resultaten tonen duidelijk dat bij het begin van de meting de gradiënt toeneemt als er wordt geboord. Wat verderop is dan de gradiënt juist tijdens het boren het laagst. Dit komt, zoals in de vorige paragrafen werd behandeld, omdat direct achter de TBM er bij het boren een naar achteren gerichte groutstroming zal zijn en dus zal de naar beneden gerichte schuifspanning die de grout op de tunnel uitoefent beperkt zijn. Dit stuk van de tunnel zal tijdens het boren willen opdrijven en moet door de TBM en de eerder geboorde ringen op zijn plaats worden gehouden. Wat verder van de TBM zal het boren geen groutstroming meer veroorzaken en dus blijft de mogelijkheid aanwezig om een schuifspanning op de tunnel loodrecht op de as van de tunnel uit te oefenen. Zodra de gemeten gradiënt gelijk is aan de gradiënt die berekend wordt t.g.v. opdrijven (de zwarte lijn in de figuur), zal de tunneldoorsnede stabiel zijn, ook zonder “hulp” van de TBM of het eerder geboorde stuk.


Z3488 mei 2003


0 .00

0 .02

0 .04

0 .06

0 .08

0 .10

0 .12

0 .14

0 .16

0 .18

0 .20

grad

ient

(bar

/m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

sne

lhei

d(m

m/m

in)

27,18:00: 28 ,00:00 : 28,06:00: 28,12 :00: 28,18 :00:

Datum, tijd

g radien tsnelhe id (mm/min)

gradient volgensopdrijven

TBM lining

grout

TBM lining

grout

TBM lining

grout

Figuur 3.3: Groutdruk gradiënt gemeten bij de Sophia Spoortunnel.

Tijdens het boren, in het gedeelte waar geen groutstroming meer is, neemt de gradiënt zelfs af. Door het moment dat tijdens het boren op de tunnel wordt uitgeoefend, wordt de lining naar boven geduwd. Dit naar boven duwen wordt tegengegaan door de zwichtspanning in de grout. Aangezien dan, via de zwichtspanning het grout grotendeels aan de tunnel ‘hangt’, is de drukgradiënt gering. Lager nog dan die overeenkomt met de gradiënt volgens opdrijven.


Z3488 mei 2003


4 Analyse

4.1 Meetgegevens grouting Uitgangspunt van de analyses vormen de meetgegevens zoals gerapporteerd in de meetverslagen, evaluatierapporten en eindevaluatierapporten van de F300. Er wordt in principe geen analyse op originele ruwe data uitgevoerd. De gerapporteerde data van de drukopnemers in de lining en de gerapporteerde TBM-data zijn echter niet zondermeer geschikt voor een evaluatie van de grouting. Juiste momenten, geschikt voor evaluatie, dienen bepaald te worden. Dit betreft: - synchronisatie in plaats en tijd. - positie van drukopnemers. Het resultaat van de analyse van de meetgegevens is dat er een set bij elkaar behorende data vastgesteld wordt welke geschikt is voor evaluatie. Bij de Botlekspoortunnel is de Zuidelijke buis het eerst geboord. De boorrichting is van West naar Oost. De eerste buis is met gewone groutmortel gegrout, met uitzondering van een gedeelte ter lengte van 60 m, waar een test met twee-componenten ETAC grout is uitgevoerd [3]. De gegevens van deze test zijn niet beschikbaar voor de huidige analyse. De Noordelijke tunnelbuis is geheel met ETAC-grout gegrout. In onderstaande tabel is een overzicht gegeven van data betrekking hebbend op de analyse van de grouting. Tabel 4.1 Data voor analyse grouting Tunnelbuis geïnstrumenteerde ring met

drukopnemers grout bijbehorende ringnummers TBM-dataset

Zuid ring 817 ring 817 (plaatsing liningsegmenten) ring 818 ring 819 (vrijkomen ring 817 uit TBM) ring 820 ring 821 ring 822

Noord ring 823 ring 823 (plaatsing liningsegmenten) ring 824 ring 825 (vrijkomen ring 823 uit TBM)

De diepteligging van de kruin van de tunnel is bij deze tunnelringen circa 20 m. De waterspanning ter hoogte van de kruin is 175 kPa. De vertikale grondspanning bij de kruin is 385 kPa (en dus een vertikale korrelspanning van 210 kPa).


Z3488 mei 2003


4.2 Analyse meetgegevens grouting Zuidbuis: groutmortel

4.2.1 Zuidbuis: grouttoevoer en groutstroming in leidingsysteem

De deelcommissie TBM heeft de groutinjectie van de eerste buis bij MQ4 geanalyseerd [10]. Met name is de situatie bij ring is 817 uitgewerkt. In de deelcommissie GEO zijn voor heel MQ4 de ringgemiddelde instellingen van het groutsysteem gepresenteerd. Beide commissies concluderen dat er asymmetrisch gegrout is. De deelcommissie GEO geeft daarbij een verklaring; één van de groutleidingen was verstopt [4].

1

2

34

5

6

Figuur 4.1 Posities lisenen Botlekspoortunnel. Afstand bovenzijde TBM tot lisene 1 en 6: 0,482 m, afstand bovenzijde tot lisene 2 en 5: 3,782 m, afstand bovenzijde tot lisene 3 en4: 9,248 m. (bron: [4]).

Groutinjectie: De posities van de lisenen (=uitstroompunt grout) zijn weergegeven in onderstaande tabel, zie ook Figuur 4.1: Tabel 4.2 Posities lisenen Zuidbuis positie lisene 1 40 graden rechtsom lisene 2 80 graden rechtsom lisene 3 140 graden rechtsom lisene 4 140 graden linksom lisene 5 80 graden linksom lisene 6 40 graden linksom De verpompte hoeveelheden conventionele groutmortel (gegeven door deelcommissie TBM) en groutdebietverhoudingen zijn weergegeven in onderstaande tabel. Deze hoeveelheden zijn bepaald aan de hand van slagentellers op de pompen. Tabel 4.3 Verpompt grout en debietverhouding ring 817 Zuidbuis verpompt grout debietverhouding Q/Qtotaal lisene 1 2,352 m3 0,30 lisene 2 1,776 m3 0,23


Z3488 mei 2003


lisene 3 0 0 lisene 4 2,019 m3 0,26 lisene 5 1,568 m3 0,21 lisene 6 0 0 totaal volume 7,715 m3 1 Dit is 7% overinjectie grout (t.o.v. het theoretisch volume van 7,2 m3/ring). In de navolgende ringen is volgens GEO met de volgende debietverhoudingen gegrout (de gemiddelde overinjectie van de ringen is 15%: Tabel 4.4 Onderlinge verhouding groutinjectie Zuidbuis ring 817 ring 818 ring 819 ring 820 ring 821 ring 822 lisene 1 [-] 0,30 0,28 0,27 0,26 0,26 0,27 lisene 2 [-] 0,23 0,22 0,23 0,21 0,21 0,20 lisene 4 [-] 0,26 0,24 0,24 0,26 0,26 0,26 lisene 5 [-] 0,21 0,26 0,26 0,27 0,27 0,27 totaal [-] 1 1 1 1 1 1 totaal [m3/ring] 7,8 9,1 7,8 8,0 8,3 8,6 Groutdrukken: Er zijn per injectielijn twee drukopnemers geinstalleerd: bij de pomp en aan het begin van de lisene. Deze laatste drukopnemer bevindt zich circa 3,5 m voor instroming in de staartspleet. De pomp en lisene zijn verbonden met een flexibele slang van circa 4 m. De druk vlak na de groutpomp varieert tijdens het boren tussen 400 en 600 kPa. Bij stilstand is deze druk circa 200 kPa +/- 50 kPa. De pompen zijn naast elkaar opgesteld. Het stromingsverlies tussen de groutpomp en het begin van de lisene is volgens het TBM rapport [10] 60 tot 130 kPa (plaatshoogteverschillen zijn verdisconteerd). De druk gemeten op de lisenen, in de tijdsregistratie van ring 817 (dan kwam ring 815 uit de TBM), is circa 100 kPa hoger dan in de staartspleet gemeten met de drukopnemers in de lining. De inwendige diameters van de slangen en lisenen zijn gelijk: 50 mm. Uit deze gegevens volgt dat de wandschuifspanning van de grout met de slangen 310 Pa is, en de wandschuifspanning van de grout met de stalen pijpwand gelijk is aan 375 Pa. Hieruit wordt geconcludeerd dat er geen verschil is tussen de stroming door een stalen leiding (=lisene) of een door flexibele slang, en de wandwrijvingsprocessen dus identiek zijn.

4.2.2 Zuidbuis: groutdrukken in de staartspleet

De drukken gemeten met de drukopnemers in de lining zijn weergegeven in Figuur 4.2a en Figuur 4.2b. Dit betreft de data van een raai sensoren aan de voorkant (TBM zijde) en van een raai sensoren aan de achterkant (liningzijde) van deze ring. Tijdens de meting zijn er vier tunnelringen geboord. De dataregistratie bij het boren van tunnelring 819 is uitvergroot in de Figuren 4.3a en 4.3b. In deze figuren is de aanduiding ‘meetpunt uit schild’ foutief. In deze metingen is zichtbaar dat op t = 11:52 (fig.4.3a) en op t = 12:16 (fig.4.3b) de eerste drukverhogingen gemeten worden. Dan schuift de eerste borstelraai over de drukopnemers en bevinden de drukopnemers zich in de eerste vetkamer. Door het in rekening brengen van


Z3488 mei 2003


de afmetingen van de vetkamers (totale lengte ~ 80 cm) en de verplaatsing van de TBM volgt dat op respectievelijk t = 12:22 en t = 12:43 de druksensoren voor het eerst groutdrukken meten (dat is ook zichtbaar aan de manier waarop druksignalen varieeren). Op t =12:50 is het boren van ring 819 klaar. De sensoren ‘achterkant’ bevinden zich dan 1 m achter de TBM, de sensoren ‘voorkant’ bevinden zich dan 0,25 m achter de TBM. De drukwaarden aan het begin van de dataregistratie zijn vetdrukken, deze worden onafhankelijk van de groutdruk ingesteld, maar kunnen wel beinvloed worden door groutdrukken omdat de vetborstels enigsinds doorlatend zijn. De opnemerposities welke in de legenda van de Figuren 4.2ab zijn aangegeven moeten als onjuist beschouwd worden. De positionering welke door GeoDelft bij de postdicties van grondvervormingen gevolgd wordt, wordt bij deze aangehouden (deze is overigens weer gelijk aan de positionering beschreven in de hoofdstekst van F330/GT [4]). Zie onderstaande tabel.

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

1 1 : 0 0 1 2 : 0 0 1 3 : 0 0 1 4 : 0 0 1 5 : 0 0 1 6 : 0 0 1 7 : 0 0 1 8 : 0 0 1 9 : 0 00

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

T B M

Gem

eten groutdruk [kPa]

Achterkant

T i j d [ u u r : m in ]

Voor

tgan

g TB

M [m

m]

8 1 9 8 2 0 8 2 1 8 2 2

a k 4 5 g r a d e n a k 3 4 5 g r a d e n a k 2 7 0 g r a d e n a k 2 2 5 g r a d e n a k 1 8 0 g r a d e n a k 1 3 5 g r a d e n

Figuur 4.2a Zuidbuis: gemeten groutdrukken lining met ‘druksensoren achterkant’als functie van de tijd (bron [8]). ‘Graden aanduiding’ in legenda is onjuist.

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 1 8 :0 0 1 9 :0 00

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

T B M

Gem


Voorkant

T ijd [u u r :m in ]

Voor

tgan

g TB

M [m

m]

8 1 9 8 2 0 8 2 1 8 2 2

v k 8 0 g ra d e n v k 1 5 g ra d e n v k 3 1 5 g ra d e n v k 2 5 0 g ra d e n v k 2 0 0 g ra d e n v k 1 5 5 g ra d e n v k 1 1 0 g ra d e n

Figuur 4.2b Zuidbuis: gemeten groutdrukken lining met ‘druksensoren voorkant’als functie van de tijd (bron [8]). ‘Graden aanduiding’ in legenda is onjuist.


Z3488 mei 2003


Figuur 4.3.a Zuidbuis: Gemeten drukken bij eerste vrijkomen eerste rij druksensoren lining (bron: [4]). De aanduiding ‘meetpunt uit schild’ is foutief.

Figuur 4.3b Zuidbuis: Gemeten drukken bij eerste vrijkomen tweede rij van druksensoren lining (bron: [4]). De aanduiding ‘meetpunt uit schild’ is foutief.


Z3488 mei 2003


Tabel 4.5 Positionering drukopnemers lining, Zuidbuis kanaal voorkant

(TBM zijde) [graden]

achterkant (liningzijde) [graden]

F330/GT aanduiding [8]

1 80 vk 15 graden 2 45 ak 45 graden 3 15 vk 80 graden 4 345 ak 90 graden 5 315 vk 110 graden 6 270 ak 135 graden 7 250 vk 155 graden 8 225 ak 180 graden 9 200 vk 200 graden 10 180 ak 225 graden 11 155 vk 250 graden 12 135 ak 270 graden 13 110 vk 315 graden 14 90 ak 345 graden De druksensor van kanaal 5 bevindt zich precies tussen de twee raaien in, in het midden van het liningsegment. Een aantal vertikale groutdrukprofielen is weergegeven in de Figuren 4.4ab. In Figuur 4.5 is in een drukroos de drukverdeling rondom de tunnellining weergegeven. De gesloten symbolen zijn drukken tijdens het boren, de open symbolen zijn drukken gemeten tijdens stilstand wanneer er tunnelliningsegmenten geplaatst worden. In deze drukverdeling is goed te zien dat op het moment dat de sensoren voor het eerst vrijkomen uit de TBM de drukverdeling sterk asymmetrisch is. Op t = 12:30 is de eerste raai sensoren net vrijgekomen uit de TBM. Als de tweede ring raai sensoren vrijkomt zijn de drukken gelijk aan het vrijkomen van de eerste raai sensoren, vergelijk t = 12:48 in Figuur 4.3b met t = 12:30 in Figuur 4.3a. Deze asymmetrie verdwijnt verder achter de TBM. Bij het boren van de tweede ring is de asymmetrie nog zwak herkenbaar. In onderstaande tabel is de afstand van de sensoren tot de achterkant van de TBM voor de geselecteerde momenten weergegeven.


Z3488 mei 2003


150 200 250 300 350 400 450

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

12:45:0013:45:0014:30:0015:30:0015:45:0017:30:0018:29:00hyd. groutdrukwaterdruk

Figuur 4.4a. Gemeten groutdruk in kPa, als functie van de diepte ten opzichte van de bovenkant van de tunnelbuis voor de zuidbuis, achterkant.

150 200 250 300 350 400 450

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

12:45:0013:45:0014:30:0015:30:0015:45:0017:30:0018:29:00hyd. groutdrukwaterdruk

Figuur 4.4b Gemeten groutdruk in kPa, als functie van de diepte ten opzichte van de bovenkant van de tunnelbuis voor de zuidbuis, voorkant.


Z3488 mei 2003


Tabel 4.6 Afstand drukopnemers achter de TBM: Zuidbuis tijdstip (zie Figuur 4.5) opnemers ‘voorkant’ opnemers ‘achterkant’ 12:30 boren in vetkamer 0,3 m 13:45 stilstand (einde) 0,25 m 1,0 m 14:30 boren 1,45 m 2,2 m 15:30 stilstand (einde) 1,75 m 2,5 m 15:45 boren 1,95 m 2,7 m 17:30 stilstand (einde) 3,25 m 4,0 m Bij stilstand zijn de gemeten drukverdelingen symmetrisch. De geselecteerde stilstandsmomenten in Figuur 4.5 zijn vlak voordat aangevangen wordt de volgende tunnelring te boren.

gemeten groutdrukken Zuidbuis Botlekspoortunnel

0

50

100

150

200

250

300

350

4000

5 10 15 20 2530

3540

4550

5560

65707580859095100

105110

115120

125130

135140

145150

155160165170175180185190195200205210215

220225

230235

240245

250255

260265270275280285290295

300305

310315

320325

330335

340345350

druk lisenen12:30 boren13:45 stilstand14:30 boren15:30 stilstand15:45 boren17:30 stilstandwaterspanning

Figuur 4.5 Zuidbuis: gemeten groutdrukverdeling rondom tunnellining

Tijdens boren zijn de groutdrukken hoger dan de waterspanning. Bij stilstand relaxeren de groutdrukken naar de waterspanning, en kunnen zelfs iets kleiner dan de waterspanning worden. Groutdrukken kleiner dan de waterspanning zijn ook bij de Sophiaspoortunnel waargenomen, en zijn niet verontrustend. Naar verwachting ontstaat er een groutcake op het grensvlak grout/grond welke een negatief drukverschil kan opnemen. Ondanks de hoge informatiedichtheid missen we informatie op de positie ‘7,5 uur’. Daar is een sensor (kanaal 8) uitgevallen. Dit is toevallig het gebied waar direkt achter de TBM de hoogste groutdrukken heersen. Op deze positie bevindt zich een lisene met een hoog groutdebiet. Normaliter wordt met een lisene op een dergelijk positie overigens maar een klein groutdebiet gevoerd, of wordt deze zelfs helemaal niet gebruikt.


Z3488 mei 2003


4.3 Analyse meetgegevens grouting Noordbuis: ETAC twee-componenten grout

4.3.1 Noordbuis: groutinjectie en groutstroming in leidingsysteem

De groutinjectie vindt plaats door de lisenen 1 en 6, zie Figuur 4.1. Door de commissie GEO worden er injectiedrukken gemeten met het twee-componenten ETAC systeem gerapporteerd, zie Figuur 4.6ab [6]. De drukken zijn gemeten bij de pompen. Er wordt echter geen beschrijving van dit systeem en leidingwerk gegeven. Daarom is er geen goede kwalitatieve analyse mogelijk van de relatie tussen pompdrukken en groutdrukken in de staartspleet. De afzonderlijke grout componenten zijn overigens goed vloeibaar en het is bekend dat deze weinig stromingsverlies geven. Dit is een logistiek voordeel. Uit het wegvallen van de druk net na t = 7:30, en de lagere groutdrukken nadien in de staartspleet, wordt geconcludeerd dat de leiding is afgekoppeld. De gehanteerde injectiedruk is 5,5 bar, zowel bij injectie via twee lisenen als via één lisene. Deze druk blijkt onafhankelijk van de druk in de staartspleet. Gegeven de korte data-set is het niet zeker of bij onderbreking van de boring deze sensoren de dan heersende druk in de staartspleet registreren. De verpompte grouthoeveelheden voor de verschillende ringen zijn, ring 823 13,45 m3, ring 824 14,2 m3 en ring 825 14,9 m3. Dat is meer dan twee maal het volume van de annulaire ruimte, hetgeen opmerkelijk is. Dit staat in schril contrast met de grouthoeveelheden toegepast in de ETAC proef van in de Zuidbuis welke van de orde 7 m3/ring was. De ondergrens aan gerealiseerde groutinjectie bij de Noordbuis is circa 10 m3/ring.


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft 4 – 1 0

0

200

400

600

800

1000

05:00 06:00 07:00 08:00 09:000

200

400

600

800

1000

Gem


Voorkant

825onderbreking borenonderbreking boren

824

Voo

rtgan

g TB

M [m

m]

vk 0 graden vk 45 graden vk 90 graden vk 150 graden vk 190 graden vk 240 graden vk 290 graden

Tijd [uur:min]

Figuur 4.6a Noordbuis: gemeten drukken lining eerste rij druksensoren als functie van de tijd (bron: [8]). ‘Voorkant’ is tegenovergesteld gedefinieerd in vergelijking tot de Zuidbuis. In tegenstelling tot de aanduiding ‘825’, wordt de boring van deze ring voortgezet op t=8:55.

0

200

400

600

800

1000

05:00 06:00 07:00 08:00 09:000

200

400

600

800

1000

Tijd [uur:min]

Gem


825onderbreking borenonderbreking boren

824

Voo

rtgan

g TB

M [m

m]

ak 45 graden ak 90 graden ak 150 graden ak 190 graden ak 240 graden ak 340 graden ak 340 graden

TBM


Z3488 mei 2003


Figuur 4.6b Noordbuis: gemeten drukken lining tweede rij sensoren als functie van de tijd (bron: [8]). In tegenstelling tot de aanduiding ‘825’, wordt de boring van deze ring voortgezet op t=8:55.

4.3.2 Noordbuis: groutdrukken in de staartspleet

De gemeten drukken met de in de lining gemonteerde drukopnemers en de voortgang van de TBM zijn weergegeven in Figuur 4.6a en 4.6b. In deze originele figuren zijn overigens de posities ‘voorkant’ en ‘achterkant’ tegenovergesteld gedefinieerd als in de Zuidbuis. Uit de druksignalen volgt dat op t = 5:30 de eerste raai meetsensoren de eerste vetkamer inschuift. Uit de verplaatsing van de TBM volgt dat op t = 7:15 deze sensoren uit de tweede vetkamer komen en voor het eerst groutdrukken meten. De TBM heeft dan namelijk 80 cm geboord hetgeen gelijk is aan de breedte van de vetkamers. Op dit moment is het boren van ring 825 net gestart (er is dan reeds 10 cm geboord). De TBM boort nog 25 cm totdat de boring plots wordt onderbroken (de druk van lisene 1 wordt dan nul en blijft nul voor de rest van de meting). Vervolgens wordt er 12 minuten later nog een stukje van zo’n 15 cm geboord en wordt de boring circa 50 minuten onderbroken. Inmiddels is de meting van de drukopnemers gestopt. Helaas komt de tweede raai drukopnemers tijdens deze meting niet meer uit de vetkamers, en moeten we het met één raai drukopnemers doen: de relevante gegevens staan in Figuur 3.6a. Van deze gegevens dient overigens de sensor aangeduidt met ‘vk 0 graden’ buiten beschouwing gelaten worden, deze bevindt zich waarschijnlijk nog in de vetkamer. Er is overigens een paar minuten afwijking in de door F330/GT gerapporteerde synchronisatie van TBM data en groutopnemerdata geconstateerd (het verstappen van de hoofdvijzels, zoals gerapporteerd in [8], is niet synchroon met de fluctuaties in liningdrukken afgebeeld). Op t~7:30 uur zien we dat de groutdrukken sterk terugvallen. Normaliter nemen de groutdrukken bij het stoppen van de boorfase geleidelijk af, zie bijvoorbeeld Figuur 4.2a. Het feit dat de boordrukken zo snel afnemen duidt er op dat de groutinjectie eerder stopt dan de voortgang van de TBM. Hier constateren we in Figuur 4.6a dezelfde tijdsynchronisatiefout, en dat is lastig bij het uitmeten van de positie van de groutdrukopnemers t.o.v. de achterkant van de TBM. De uitschieter van de rode lijn van de sensor op 190 graden kan wellicht verklaard worden uit het feit dat zich hier het oudste grout bevindt welke al aan het uitharden is, en wellicht door een kleine achterwaartse beweging van de TBM klem komt te zitten. Wanneer er verder geboord wordt blijven de groutdrukken laag. Dat komt waarschijnlijk omdat er nu met één lisene veel minder grout geinjecteerd wordt. Aan de tijdsregistratie in Figuur 4.6 valt overigens op dat bij het gebruik van twee lisenen de groutdrukken in de staartspleet hoger dan 4 bar zijn, terwijl bij conventionele grout de groutdrukken in een bereik van 2 tot 4 bar zijn. In het eerste deel van de boring is de groutdruk bij de kruin vrijwel gelijk aan de ongestoorde vertikale grondspanning van 385 kPa. Pas bij het gebruik van één lisene zijn bij ETACgrout de drukken in ditzelfde bereik. Enkele groutdrukprofielen zijn weergegeven in Figuur 4.7. De afstand van de druksensoren tot de achterrand van de TBM, van de geselecteerde momentopnamen in Figuur 4.7, is gegeven in onderstaande tabel.


Z3488 mei 2003


0 100 200 300 400 500 600

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

7:00:007:30:007:40:008:00:008:30:00Waterdruk

Figuur 4.7 Gemeten groutdruk in kPa, als functie van de diepte ten opzichte van de bovenkant van de tunnelbuis voor de Noordbuis, voorkant. Bovenste sensor bevindt zich nog in de vetkamer, de onderste sensor vertoont bijzonder gedrag, zie fig 4.6a..

Tabel 4.7 Afstand druksensoren lining tot de achterkant van de TBM: Noordbuis tijdstip (zie Figuur 4.7) opnemers ‘voorkant’ 7:00 stilstand in vetkamer 7:30 boren 0,20 m 7:40 stilstand (einde) 0,25 m 8:00 boren 0,35 m 8:30 stilstand (einde data set) 0,40 m

4.4 Samenvatting resultaten analyse meetgegevens: Geschiktheid data deelcommissie GEO - In de rapporten van de deelcommissie GEO F330/GT, welke het uitgangspunt voor de analyse van de groutdrukken in de staartspleet vormen, zijn een aantal storende fouten aangetroffen: 1) Het moment van vrijkomen van de druksensoren uit de TBM klopt niet. Daardoor zijn een aantal vetdrukmetingen voor groutdrukdata aangezien, deze drukken kunnen nogal verschillen. Er kan daardoor een verkeerd beeld ontstaan van het grouten. 2) De positie van de drukopnemers rond de omtrek is foutief weergegeven. Dat komt de inzichtelijkheid van het groutproces niet ten goede. 3) De tijdsynchronisatie van TBM-data en lining-data zit er een paar minuten naast. Voor deze fouten is in de huidige studie gecorrigeerd. Geschiktheid data deelcommissie TBM - In de deelcommissie TBM is de groutinjectie van de Zuidbuis (groutdebiet en leidingweerstand) twee ringen te vroeg uitgewerkt. Er wordt geen data van aangrenzende ringen gegeven. Uit de systematische weergave van ringgemiddelden door de


Z3488 mei 2003


deelcommissie ‘GEO F330/GT’ valt op te maken dat de groutinjectie niet veel varieert over het onderhavige analysegebied. Meetgegevens Zuidbuis - De meetgegevens van de Zuidbuis hebben betrekking op grouting met conventionele groutmortel. Er is gemeten tot 4 tunnelringen achter de TBM. De grout is geinjecteerd door vier van de zes beschikbare lisenen. Het bijzondere bij deze metingen is dat er sterk asymmetrisch gegrout is. Eén van de lisenen bovenin de TBM zou verstopt zijn. De groutdrukverdeling direct achter de TBM is dientengevolge sterk asymmetrisch. Verderop achter de TBM is deze asymmetrie niet meer merkbaar. De data-set is ontdaan van fouten, compleet en geschikt voor de evaluatie van het groutproces. Meetgegevens Noordbuis - De meetgegevens van de Noordbuis betreffen grouting met ETAC twee-componenten grout. Slechts zes van de veertien druksensoren hebben groutdrukken gemeten. Er is gemeten tot slechts 40 cm achter de TBM. De grout is geinjecteerd door twee lisenen bovenin de TBM. Er is zelfs een stukje geboord met één lisene. Het unieke van deze metingen is dat deze desondanks toch mogelijkheden bieden om staartspleetvulprocessen met de snel uithardende twee-componenten grout te evalueren, omdat hier de relevante processen direct achter de TBM plaatsvinden.


Z3488 mei 2003


5 Evaluatie grouting

5.1 Schets fysische processen stroming in staartspleet Er vindt een evaluatie plaats van gerealiseerde groutdebieten, groutdrukken, drukverdelingen direct achter de TBM en verderop. Dit als een functie van de operationele parameters en de fysische mechanismen als groutverdeling in de staartspleet, het opdrijven van de tunnellining, en de verandering van de stromingseigenschappen van de grout in de staartspleet. Behalve aan de gemiddelde drukverdeling in de staartspleet wordt er ook aandacht besteedt aan de variabiliteit in de meetdata. Er zijn overigens door het COB tijdens de boring geen reologische bepalingen op de grouts uitgevoerd. Daarom is voor deze evaluatie gebruikt gemaakt van ervaringen opgedaan met grouteigenschapppen in het DCgroutproject [16] en het COB-Sophiaspoortunnel project [2]. Ter validatie van de uitgangspunten zijn er nadat de evaluatie uitgevoerd was alsnog reologische bepalingen op de conventionele grout mortel uitgevoerd. (zie bijlage C) Consequenties worden besproken, er zijn geen nieuwe berekeningen uitgevoerd. Er wordt een onderscheid gemaakt naar groutdrukken direct achter de TBM, tot circa 2 a 3 tunnelringen achter de TBM en verderop (en/of na langere stilstand). De drukverdeling rondom de tunnellining valt te berekenen met het DCgrout rekenmodel voor de drukverdeling direct achter de TBM en een analytisch DCmodel voor de drukverdeling bij het opdrijven van de lining. De gemeten drukverdelingen zullen in dit hoofdstuk geevalueerd worden, daarbij worden deze modellen gebruikt. Het uitgangspunt is dat de grout als een plastische homogene massa beschreven kan worden. Er wordt opgemerkt dat er ook wel anders tegenaan gekeken wordt, vanuit een snelle ontwatering waarbij er snel een korrelskelet ontstaat. Naar onze informatie heeft deze zienswijze niet tot rekenmodellen/rekenmethoden geleid. In onze aanpak kunnen de invloeden van een dergelijke ontwatering op de stromingseigenschappen, en daarmee op het drukverloop, overigens goed verdisconteerd worden. De absolute druk in de staartspleet wordt bepaald door de interactie van grond en grout. Van invloed kunnen daarbij zijn: spannings-rekgedrag van de grond en samendrukking en consolatie van de grout. De interactie grout-grond valt buiten het kader van de analyse.

5.2 Groutstroming in leidingsystemen De enige manier waarop de staartspleetvulling beïnvloed kan worden is via de instelling en gebruik van het groutinjectiesysteem, en de reologische eigenschappen van de grout. Er zijn twee heel verschillende grouts toegepast, met verschillende groutinjectiesystemen. De stroomsnelheden in het leidingsysteem van de conventionele grout zijn circa 0,4 m/s. De wandschuifspanning is daarbij is 350 Pa. In het DCgrout onderzoek [16] is voor


Z3488 mei 2003


conventionele grout bij verschillende stroomsnelheden de wandschuifspanning bepaald. De wandschuifspanning neemt toe met de stroomsnelheid. De hoogste stroomsnelheid in het DC-onderzoek was 0,1 m/s, Figuur 5.1. De wandschuifspanning was 200 Pa +- 100 Pa. Extrapolatie van de gegevens zoals weergegeven in Figuur 5.1 naar 0,4 m/s stroomsnelheid geeft een wandschuifspanning van 300 Pa, hetgeen goed overeenkomt met de meting in de TBM. Het bepalende proces is glijfilmvorming langs de pijpwand, de weerstand van dergelijke glijfilms is slecht te voorspellen, en onze ervaring is dat deze per grout nogal kan verschillen. De injectiesystemen voor conventionele groutmortel en ETAC grout zijn niet vergelijkbaar. De ETAC grout ontstaat pas op het allerlaatst, aan het einde van het injectiesysteem wanneer de twee-componenten bij elkaar komen. Door gebrek aan gegevens kunnen er geen conclusies getrokken worden.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

10 100

wan

dsch

uifs

pann

ing

[Pa]

snelheid [mm/s]

wandschuifspanningen 1 component grout

gladgeperforeerd

ruw

Figuur 5.1 Meetgegevens wandschuifspanning conventionele groutmortel langs vlakke ondoorlatende wand als wand van stroomsnelheid (bron: [16]).

5.3 Zuidbuis groutmortel

5.3.1 Zuidbuis: validatie rekenmodel DCgrout direct achter de TBM

Het rekenmodel DCgrout [16] wordt gebruikt voor de evaluatie. Dit model berekent de groutverdeling en de drukverdeling in de staartspleet. In dit model worden de continuiteitbalans en de krachtenbalans opgelost. Via de krachtenbalans wordt de wrijving


Z3488 mei 2003


van de groutstroming met de tunnellining en de grond in rekening gebracht. In deze paragraaf worden de resultaten van berekeningen met dit model besproken. De meetgegevens van de Zuidbuis laten een directe invloed van de asymmetrische groutinjectie op de drukken in de staartspleet zien. De invloed van deze groutinjectie naar achteren toe is beperkt. Deze asymmetrische injectie vormt een uitdaging voor het model omdat dit een ander beeld geeft van het invloedsgebied van de stroming in de staartspleet dan bij de meer gebruikelijke symmetrische injectie. reologie grout De reologische eigenschappen van de grout zijn ontleend uit het rapport van het DCgroutproject. Daarin zijn o.m. de reologische eigenschappen van de grout bepaald. Onze ervaring is dat op het grensvlak grond/grout de zwichtspanning van de grout de maatgevende factor is, en dat op het contactvlak lining/grout de remoulded strenght maatgevend is (evenals bij trage stroming in gladde pijpleidingen). De gemeten zwichtspanning (vane test) van de conventionele mortel is ongeveer 0,8 kPa, en blijft op dit niveau gedurende een verwerkbare periode van zo’n 5 a 7 uur. Daarna zet de daadwerkelijke harding van de grout in. Onze ervaring is dat in de staartspleet de wrijving op het grensvlak grout/grond hoger kan zijn dan deze zwichtspanning, welke betrekking heeft op de bulk van de grout, en gemeten is onder atmosferische omstandigheden. Op dat grensvlak dienen in het rekenmodel hogere waarden genomen te worden: zo’n 2 a 3 kPa. Dit wordt toegeschreven aan het ontstaan van een groutcake op dit grensvlak. Er vinden t.b.v. Groene Hart Tunnel en Sophiaspoortunnel laboratoriumproeven plaats naar dit proces. Invoerparameters groutdrukberekening Zuidbuis, conventioneel grout Het debiet door de injectieopeningen verschilt per lisene. Uit de gegevens volgt dat er twee injectiegroepen zijn te onderscheiden. De naast elkaar gelegen lisenen 1 en 2, en de naast elkaar gelegen lisenen 4 en 5. Representatieve debieten welke invoer zijn voor de berekening, zijn weergegeven in onderstaande tabel, zie ook Figuur 4.2 en de Tabelen 4.3 en 4.4. Deze debieten stemmen overeen met de meetwaarden van ring 819. Tabel 5.1 Debietverdeling input rekenmodel, berekening Zuidbuis Lisene debiet [-] no 1 0,27 no 2 0,23 no 3 0 no 4 0,24 no 5 0,26 no 6 0 (opmerking: Gebruikelijk zijn debietverdelingen waarbij in de bovenste helft van de tunnel meer grout wordt geinjecteerd dan onderin, daardoor wordt een deel van de grout naar beneden geperst, hetgeen de vertikale drukgradiënt kleiner maakt dan een grout-statische drukverdeling met een gradiënt van 22kPa/m). De overige invoerparameters zijn weergegeven in onderstaande tabel.


Z3488 mei 2003


Tabel 5.2 Invoergegevens stromingsmodel DCgrout Invoervariable eenheid Buitendiameter tunnellining 9,45 [m] Dikte staartspleet 0,16 [m] Voortgangssnelheid (gemiddelde van de 4 ringen) 0,0006 [m/s] Groutdruk kruin4 200000 [Pa] Dichtheid grout 2190 [kg/m3] Zwichtspanning 20005 [Pa] Viscositeitsparameter K 50 [Pa s] Verwerkbare periode grout 4 [uur] snelheid harding na verwerkbare periode 50 [kPa/uur] rekenresultaten De berekende drukverdeling is weergegeven in Figuur 5.2. De drukverdeling is sterk asymmetrisch met maximale waarden bij de ‘7,5 uur’ positie. Op deze positie bevindt zich lisene nummer 4.

Groutdruk [Pa](ds = pi/100 D)

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

s = 1/2 dss = 5/2 dss = 9/2 dss = 13/2 dss = 16/2 dss = 21/2 ds

Figuur 5.2 Rekenresultaat DCgroutmodel drukverdeling staartspleet conventionele groutmortel. Situatie Zuidbuis ring 817.

4 in het rekenmodel dient de groutdruk bij de kruin van de tunnellining gespecificeerd te worden. De gemeten groutdruk is daar 200 kPa, de waterspanning circa 190 kPa. 5 In het rekenmodel is het niet nodig afzonderlijk de wandwrijving van de grout met de tunnellining en van de grout met de grond in rekening te brengen. Het volstaat de gemiddelde waarde van de wandwrijving met de tunnellining en de grond als invoerparameter op te geven: 4000 Pa met de grond 0 Pa met de lining.


Z3488 mei 2003


Toelichting op Figuur 5.2: De getalswaarden in de legenda van deze figuur (en de figuren A1 t/m A4) betreffen de afstand achter de ‘borstelrand’ van de TBM. Omdat een vierkant stromingsnet wordt gehanteerd en de tunnel tangentieel is verdeeld in stukjes van π/100 D met D de diameter is de afstand gerelateerd aan het stromingsnet in de axiale richting geen afgerond getal. Onderstaande tabel geeft de omrekening tussen de afstand in eenheden van het vierkantennet (ds) en de bijbehorende afstand tot de injectiepunten in meters. Legenda afstand achter TBM s = ½ ds s = 0,15 m s = 5/2 ds s = 0,75 m s = 9/2 ds s = 1,35 m s = 13/2 ds s = 1,95 m s = 16/2 ds s = 2,40 m s = 21/2 ds s = 3,15 m Het rekengebied loopt tot 3,45 m. Dat is zo’n twee en een halve tunnelring achter de TBM. De groutdrukken zijn gemeten tot 5,5 m achter de TBM. Op de locatie 8 uur is in figuur 5.2 een discontinuïteit in de rekenuitkomsten zichtbaar, deze locatie bevindt zich midden tussen twee lisenen (nummer 4 en 5) in. Deze discontinuiteit is een bijzonderheid van het rekenmodel. Op deze locatie zijn twee randen van het rekengebied tegen elkaar gelegd, over deze randen kan er geen dwarsstroming plaatsvinden. Het rekengrid is zodanig gedraaid dat de uitkomsten zo goed mogelijk aansluiten. De berekening laat zien dat iedere lisene een eigen verzorgingsgebied heeft, ergens halverwege tussen de lisenen in ontmoeten de verschillende groutstromen elkaar, daar is de tangentiële stroomsnelheid van de grout nul en de tijd sinds injectie het langst, zie Figuur 5.3.

le e f t ijd g ro u t(d s = p i/ 1 0 0 D )

-5 0 0 0

0

5 0 0 0

1 0 0 0 0

1 5 0 0 0

2 0 0 0 0

2 5 0 0 0

-2 0 -1 5 -1 0 -5 0 5 1 0 1 5 2 0

n [m ]

tijd

[s]

s = 1 /2 d s

s = 5 / 2 d s

s = 9 / 2 d s

s = 1 3 / 2 d s

s = 1 7 /2 d s

s = 2 3 / 2 d s

Figuur 5.3 Leeftijd grout sinds injectie uit de lisenen, momentopname vlak voor beeindiging van het boren van een tunnelring. Situatie Zuidbuis ring 817.

Behalve de asymmetrische drukverdeling met hoge groutdrukken op 7,5 uur laat de berekening bij de kruin een opvallende dip in de groutdruk zien in vergelijking tot


Z3488 mei 2003


naastgelegen groutdrukken. Een dergelijke dip is ook waar te nemen in de meting, zie Figuur 4.5, echter deze is minder geprononceerd. Indien een lagere zwichtspanning toegepast zou worden in de berekening is deze dip ook minder, maar worden de hoge drukken bij de ‘7,5 uur’ positie niet gesimuleerd. In de Figuur 5.3 is de berekende tijd sinds injectie van de grout weergegeven. Dit is een momentopname vlak voor de boring van de derde tunnelring (ring no 821) gereed is. De onderbrekingen van de boring voor het plaatsen tunnelliningsegmenten zijn goed zichtbaar. Uit de berekening volgt dat, afgezien van onderbreking voor het plaatsen van tunnelliningsegmenten, het bijna twee uur duurt voordat grout welke geïnjecteerd is door de operationele lisenen bij de niet-actieve lisenen arriveert (dat is dus na het boren van twee tunnelringen!). De verwerkbare periode is circa 5 uur, daarna begint de grout meer stromingsweerstand te bieden. Er is gemeten een drukverschil onder-boven van circa 1,7 bar bij de eerste ring achter de TBM. Dat is 0,5 bar minder dan volgt uit een groutstatische verdeling. De predictie ging uit van groutdebieten welke voor alle injectieopeningen gelijk genomen waren. In de predictie werd daardoor een groutstatische drukverdeling berekend met lokale drukverhogingen voor de injectieopeningen. Als nadeel van de asymmetrische injectie wordt aangemerkt dat de compactering van de grout rondom het injectiepunt nummer 4 waarschijnlijk sneller gaat en rondom dit gebied de grout meer stromingsweerstand zal vertonen dan aan de andere kant (zit niet in de huidige versie van DCgrout model, het model houdt enkel rekening met de tijd verstreken sinds injectie van de grout, het model kan wel aangepast worden). Het stroomt daar moeilijker, en de groutdruk loopt onevenredig op. De groutdruk bij lisene 4 is bijna 1 bar hoger dan de waterspanning, terwijl op andere posities direct achter de TBM tijdens het boren de groutdruk tussen 0 en 50 kPa hoger is dan de waterspanning. Deze asymmetrische grouting heeft tot een bijzondere onregelmatige radiale belasting van de lining geleid. De berekening, welke aanvullend op de meetgegevens is, laat dit goed zien.

gradient voorkant

0

5

10

15

20

25

30

12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00

tijd

vert

ical

e gr

adie

nt g

rout

druk

[kPa

/m]


Z3488 mei 2003


Figuur 5.4 Vertikale gradiënt in de groutdruk (in kPa/m) aan de voorkant, berekend met de kleinste kwadraten methode.

5.3.2 Zuidbuis: validatie theorie en model verder achter de TBM

Vertikale drukgradiënt Voorkant De vertikale gradiënt is berekend met behulp van de kleinste kwadraten methode. De resultaten zijn weergegeven in Figuur 5.4. Tijdens het boren van de eerste twee ringen nadat de opnemers vrijgekomen zijn (vanaf 12.15 uur en vanaf 14.00 uur) loopt de gradiënt op tot waarden van ca. 20 tot 25 kPa/m. Tijdens stilstand van de TBM neemt de gradiënt af van ca. 11 kPa/m om 13.00 uur tot 6 à 7 kPa/m aan het einde van de meting (om 18.00 uur). Op een paar momenten (tussen 16.00 uur en 16.13 uur en rond 18.15 uur) is de vertikale gradiënt rond of zelfs onder nul. Dit is het directe gevolg van het oplopen van de groutdruk in de opnemer op 15 graden. De reden voor deze toename is niet bekend. Vertikale drukgradiënt Achterkant In Figuur 5.5 is de vertikale gradiënt afgebeeld als functie van de tijd. Deze gradiënt is berekend met behulp van de kleinste kwadraten methode. Volgens de verwachting komen in het begin de hogere pieken overeen met perioden van boren, de lagere gedeelten met perioden van stilstand van de TBM. In de periode voor en tijdens de eerste boorperiode wordt een hoge gradiënt aangetroffen (ca. 23 kPa/m rond 12.50 uur). Vervolgens neemt de gradiënt tijdens stilstand af van ongeveer 11 kPa/m om 13.05 uur tot ongeveer 7 kPa/m om 18.30 uur. De minimale gradiënt is 5 kPa/m om ongeveer 16.15 uur (ook tijdens boren).

gradient achterkant

0

5

10

15

20

25

30

12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00

tijd

vert

ical

e gr

adie

nt g

rout

druk

[kPa

/m]

Figuur 5.5 Vertikale gradiënt in de groutdruk (in kPa/m) aan de achterkant, berekend met de kleinste kwadraten methode van de meetpunten over de lining.


Z3488 mei 2003


Drukgradiënten in langsrichting Gebruik makend van de parameters uit Tabel 2.1 kan worden berekend dat de opdrijvende kracht gelijk is aan K = 1184 kN/m. Met de relatie tussen schuifspanning en opdrijvende kracht [2]

2DsK

=τ (5.1)

geeft dit een schuifspanning van 1,9 kPa tussen de grond en het grout. Deze resultaten samen met de vergelijking tussen de gradiënt en de opdrijvende kracht minus de kracht als functie van de zwichtspanning (op 90 graden is de gradiënt maximaal):

sg

zP

grτρ −=

∂∂

(5.2)

leidt tot een maximale gradiënt van 7,4 kPa/m wanneer alleen de opdrijvende krachten de gradiënt bepalen. Dit is circa 2,4 kPa/m hoger dan de minimale gemeten gradiënt (zie Figuur 4.4). Dit verschil geeft aan dat de lining krachten ondervonden heeft van de opspanning door enerzijds de TBM en anderzijds het uitgeharde grout. Behalve de krachten op de tunnellining leiden de berekeningen van de opdrijvende krachten nog tot een ander resultaat. De berekende schuifspanning is namelijk meer dan de gemeten zwichtspanning. Dit zou betekenen dat de tunnel niet stabiel is en gaat stijgen door de opdrijvende krachten. Een andere manier om naar de resultaten te kijken is door het bepalen van de zwichtspanning uit de metingen. Indien de rheologische eigenschappen van het grout hetzelfde zou zijn als voor water, dan zou de gradiënt altijd gelijk zijn aan 20,7 kPa/m ongeacht over er wel of niet geboord wordt. Er van uitgaande dat de tunnel door de opdrijvende krachten altijd omhoog wil, resulteert de minimum gemeten gradiënt met vergelijking (3) in een gemobiliseerde schuifspanning. Dit kan minder zijn dan de zwichtspanning, maar in ieder geval niet meer. Door gebruik te maken van vergelijking (3) kan worden geconcludeerd dat de aan de achterkant gemeten gradiënt van 14 kPa/m rond 14.10 uur overeenkomt met een minimale zwichtspanning van 0,9 kPa. Het minimum in de gradiënt gemeten net na 16.00 uur, met een waarde van 5,0 kPa/m betekent dat de zwichtspanning 2,2 kPa of meer is. Aan de voorkant van de lining is een gemeten gradiënt van 21 kPa/m rond 14.10, overeenkomend met een minimale zwichtspanning van 0,0 kPa. Op een aantal momenten gaat de gradiënt naar 0, als gevolg van de sterke stijging in de druk bij opnemer vk15. Deze momenten zijn in deze beschouwing van de minimale schuifspanning buiten beschouwing gehouden. Het minimum in de gradiënt gemeten om ca. 16.20 uur, met een waarde van 6,0 kPa/m betekent dat de zwichtspanning 2,1 kPa of meer is. Berekende zwichtspanningen kunnen hoger zijn dan de afzonderlijk gemeten waarden in reologische testen. Mogelijke redenen voor deze afwijking zijn: 1. De reologische parameters zijn bepaald onder atmosferische druk. Ontwatering in de

veldsituatie kan leiden tot een hogere zwichtspanning. Dit wordt bevestigd door de achteraf uitgevoerde groutconsolidatieproeven, zie appendix D.

2. De schuifspanning langs de tunnellining en het grout is verwaarloosd, gebaseerd op stromingsexperimenten. Het is mogelijk dat deze in no-flow condities zijn veranderd. 3. Door de vorming van een groutcake is de effectieve spleet dikte(s) kleiner.


Z3488 mei 2003


Met behulp van de drukverschillen tussen voor- en achterkant van de lining kan ook een minimale zwichtspanning worden berekend. Figuur 5.6 geeft de gemiddelde groutdruk ter hoogte van de tunnelas (afgeleid uit de gradiënt verkregen met de kleinste kwadratenmethode) voor de voorkant en achterkant. De gemiddelde drukken aan de voor- en achterkant zijn gedurende de eerste twee boorcycli nagenoeg gelijk. In de periode na ca. 15.30 uur is de groutdruk aan de voorkant 3 tot 23 kPa hoger dan die aan de achterkant.

200

220

240

260

280

300

320

340

12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00

tijd

gem

idde

lde

grou

tdru

k op

ash

oogt

e [k

Pa]

ACHTERKANTVOORKANT

Figuur 5.6 Gemiddelde groutdruk ter hoogte van het midden van de tunnelbuis (in kPa) voor de metingen aan de voorkant en aan de achterkant. Het gemiddelde is berekend met behulp van de kleinste kwadraten methode.

Met behulp van het groutdrukverschil kan de ondergrens van de zwichtspanning van het grout worden bepaald aan de hand van een klein blokje grout (tussen de lining en de grond (zie Figuur 5.7):


Z3488 mei 2003


∂xs

r∂φτ τ

Figuur 5.7 Schematisatie van een infinitesimaal klein blokje grout met de schuifspanning tussen het grout en de grond c.q. het segment, en het drukverschil tussen de sensoren aan de voorkant en achterkant van een tunnelsegment.

φφτ ∂∂=∂∂ rPsrx2 (5.3) met 2τ de zwichtspanning over zowel de grond als de lining, s de dikte van de grout laag, ∂x een klein afstandje in de richting van de tunnel, ∂P het drukverschil over dit afstandje, en r∂φ de booglengte van het kleine blokje. De booglengte valt weg. Met een afstand tussen de opnemers aan de voorkant en achterkant van de lining van ∂x = 0,75 m, een groutspleetafstand van s = 0,14 m, geeft vergelijking (3)

P∆×= −21033.9τ (5.4) met ∆P het drukverschil over de lining. De resultaten zijn afgebeeld in Figuur 5.8. Tijdens het boren om 14.30 uur is de berekende zwichtspanning gelijk aan 6,4 kPa. Voor deze hoge waarde is geen duidelijke reden aan te geven. In latere perioden ligt de ondergrens van de berekende yieldspanning in de buurt van 2,0 kPa. Deze laatste waarden komen wel goed overeen met de waarden die met behulp van de vertikale spanningen zijn berekend.


Z3488 mei 2003


zwicht spanning

0

1

2

3

4

5

6

7

12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 19:00:00

Tijd

Cal

cula

ted

yiel

d st

ress

[kPa

]

Figuur 5.8 Berekende zwichtspanning (in kPa) aan de hand van het drukverschil tussen voor- en achterkant.

5.4 Noordbuis: Etac twee-componenten grout In geval van ETAC twee-componenten grout, vindt de menging van de twee componenten in een nozzle welke zich in de lisene bevindt. Het soortelijk gewicht van de twee-componenten grout is circa 1000 kg/m3. Uit eerdere reologische bepalingen (vane metingen, voor een voorbeeld van een tijdsregistratie bij zo’n meting, zie Fig 5.9, volgt dat durende een periode van circa 40 minuten na menging van de twee componenten de zwichtspanningen toenemen van 0,5 tot 3 kPa), zie Figuur 5.10a. Na een uur zijn de zwichtspanningen al van de orde 10 à 100 kPa (dit is vergelijkbaar met zachte klei), en nemen verder bij benadering lineair met de tijd toe (na 8 uur: 700 kPa), zie Figuur 5.10b.


Z3488 mei 2003


0

500

1000

1500

2000

2500

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

schu

ifspa

nnin

g [P

a]

omwentelingssnelheid [1/s]

Flow curve 2-componentgrout 40 minuten na aanmaak

Figuur 5.9a Voorbeeld vane meting twee-componenten grout (bron: eindverslag ‘DCgroutproject’). De zwichtspanning van de grout is de hoge waarde bij 0,035 [1/s]. De remoulded strength is de schuifspanning van de spanningsregistratie onderin de figuur.

0 10 20 30 40

Thousands

tijd sinds injectie [s]

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

schu

ifspa

nnin

g [P

a]

laatst geinjecteerd proef 66laatst geinjecteerd proef 67eerst geinjecteerd proef 66proef 66 teruggaandproef 67 teruggaandlaatst geinjecteerd proef 70eerst geinjecteerd proef 71midden injectie proef 71laatst geinjecteerd proef 71

schuifspanningen ETAC


Z3488 mei 2003


0 10 20 30 40

Thousands

tijd sinds injectie [s]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Thou

sand

s

schu

ifspa

nnin

g [P

a]

laatst geinjecteerd proef 66laatst geinjecteerd proef 67eerst geinjecteerd proef 66proef 66 teruggaandproef 67 teruggaandlaatst geinjecteerd proef 70eerst geinjecteerd proef 71midden injectie proef 71laatst geinjecteerd proef 71

schuifspanningen ETAC

Figuur 5.10ab Reologische gegevens twee-componenten grout als functie van de tijd (bron: [16]). De aanduiding ‘teruggaand’ is de remoulded strength gemeten een vane. De data in beide figuren is dezelfde, het verschil is vertikale as: logaritmisch versus lineair.

Bij twee-componenten grout treedt er hoogstwaarschijnlijk een gekanaliseerde stroming direct langs de achterrand van de TBM op. Dat komt doordat na stilstand voor het plaatsen van tunnellining-segmenten de reeds geïnjecteerde grout verhard is, en de nieuwe grout enkel in een smalle baan naar beneden kan stromen. Door verdere toename van de weerstand van de geïnjecteerde grout wordt een dergelijke stroming in stand gehouden. In de eerste 40 minuten zijn in vane testen ook zogenaamde ‘remoulded strenght’ waarden bepaald. Deze nemen gedurende deze periode toe van circa 50 Pa tot circa 100 Pa. Deze spanningen, welke optreden in glijvlakken, zijn beduidend lager dan de zwichtspanningen welke nodig zijn voor het creëren van deze glijvlakken. De gemeten wandwrijving van het twee-componenten mengsel in een rechte leiding is van dezelfde orde als de remoulded strenght, zie DCgrout testen. Uit de gemeten drukverdeling over de hoogte direct achter de TBM kan niet anders geconcludeerd worden dan dat de ‘remoulded strenght’ de bepalende weerstandswaarde is. Daar de vaste stof in deze grout veel fijner is dan het zand in het grondpakket, zal dit een afpleisterende en afsmerende werking kunnen geven. Als de grout ouder is, worden de bezwijkvlakken waarschijnlijk weer ‘gedicht’ door chemische reacties, en zijn naar alle waarschijnlijkheid de piekspanningen (= zwichtspanningen) weer maatgevend. Door de snelle uitharding van ETAC grout vindt er een drastische verkorting plaats van het traject achter de TBM waarover de groutdrukken beïnvloed worden door de groutinjectie. De stroming is sterk gelokaliseerd langs de achterrand van de TBM en de grout ontwikkelt snel weerstand om krachten uit de lining te weerstaan (gevolg van krachten uit TBM en opdrijving).


Z3488 mei 2003


Vanwege de onvolledigheid van de meetdata van de Noordelijke tunnelbuis is m.b.t. de processen verder achter de TBM alleen de data van de Zuidbuis geanalyseerd, er is immers bij de Noordbuis maar tot circa 40 cm achter de TBM gemeten.

5.5 Gevoeligheidsanalyse groutdrukverdeling Op voorhand zijn er een aantal gevoeligheden aan te geven. Deze zijn samengevat in onderstaande tabel. Tabel 5.3: Invloedsfactoren op drukverdeling grout: Parameter Drukverdeling direct

achter de TBM Drukverdeling verder achter TBM

Drukverdeling na langere tijd stilstand

totaal debiet grout en boorsnelheid TBM

geen (wel op het drukniveau)

geen (wel op drukniveau)

geen

verdeling groutdebiet over lisenen

wel geen geen

reologie grout wel geen (mits voldoende zwichtspanning)

geen (mits voldoende zwichtspanning)

tijdsverandering reologie grout

wel geen geen

soortelijk gewicht grout

wel wel wel

dikte groutlaag6 wel wel wel dikte lining geen geringe invloed geringe invloed vijzelkrachten uit TBM

amper wel wel

excentrische positie lining

n.v.t. in principe wel (echter pas bij meer dan 0,5h excentriciteit significante invloed op reactiekracht)

in principe wel (echter pas bij meer dan 0,5h excentriciteit significante invloed op reactiekracht)

vloeistofverlies indirect via reologische eigenschappen of groutcake

geen geen

Hoe dat de gebieden ’direct achter de TBM’ en ‘verder achter de TBM’ in elkaar over gaan is niet gekwantificeerd in de rekenmodellen, omdat desbetreffende kennis nog ontbreekt. Dit is één van de onderwerpen waarvoor nadere studie benodigd is. De analyse van de drukgradiënt in langsrichting (par 5.3.2), en de daarbij optredende wandschuifspanning, biedt nieuwe inzichten in de geleidelijke overgang tussen deze gebieden. In de bijlage zijn enkele gevoeligheidsberekeningen opgenomen. Dit betreft de injectiestrategie en de invloed van reologische parameters. Daarbij wordt er ook aandacht geschonken aan de invloed van variaties in de registratie van de operationele condities. Onderstaand worden de conclusies uit deze berekeningen besproken. 6 de dikte van de groutlaag is van invloed op de rekenresultaten, afwijkingen zijn te verdisconteren in een aangepaste schuifspanning, maar de invloed is van ondergeschikt belang t.o.v. de variatie in reologische kenmerken van de grouts.


Z3488 mei 2003


variatie in geregistreerde operationele condities De onderlinge verhouding van de debietverdeling over de lisenen vormt de belangrijkste operationele parameter welke de drukverdeling bepaalt. De variatie in de gemeten onderlinge verhouding van debieten in het meettraject is zeer gering, zie Tabel 3.4. De daarbij geconstateerde maximale onderlinge verschuiving van 2% heeft geen merkbare invloed op de drukverdeling. Het uitvallen van lisenen heeft wel invloed. invloed reologie In de berekening weergegeven in Figuur 5.2 is de zwichtspanning van de grout zodanig gekozen dat er een goede overeenkomst ontstaat tusssen de gemeten drukverdeling en de berekende. Deze zwichtspanning is hoger dan gemeten onder atmosferische omstandigheden, zie par.5.3.1. en bijlage C. De in deze berekening toegepaste zwichtspanning is in overeenstemming met hetgeen geconcludeerd wordt uit de analyse van de meetgegevens verder achter de TBM, par. 5.3.2. Bij vermindering van de effectieve spleetdikte, t.g.v. de vorming van een groutcake, kunnen deze resultaten overigens in overeenstemming gebracht worden. In Figuur A.1 wordt de rekenuitkomst gegeven bij een gehalveerde zwichtspanning en bij een kwart van de zwichtspanning, Figuur A.2. Bij verlaging van de zwichtspanning verdwijnt de asymmetrie uit de drukverdeling, en ontstaat een drukverdeling welke nadert tot een groutstatische drukverdeling (2 bar bij de kruin, 4 bar aan de onderkant van de tunnel). Deze berekening maakt de rol van de reologische eigenschappen van de grout duidelijk. Met betrekking tot de drukverdeling is de zwichtspanning van de grout de belangrijkste reologische parameter omdat de stroomsnelheden in de staartspleet erg klein zijn. invloed injectiestrategie In Bijlage A zijn ook de resultaten bij twee verschillende injectiestrategien weergegeven (bij gelijke reologische parameters als in Figuur 4.2). De eerste berekening is uitgevoerd met een gelijk debiet door alle 6 lisenen. Er ontstaat dan een groutstatische drukverdeling, Figuur A.3. Een dergelijke debietverdeling zijn we in de praktijk nog niet tegengekomen. De tweede berekening betreft een berekening waarbij alleen de bovenste vier lisenen aktief zijn, Figuur A.4. Dat is de injectiemethode welke bij de Botlekspoortunnel gehanteerd werd voordat één van de lisenen verstopt raakte. Een deel van de grout wordt bij deze injectiestrategie van boven naar onderen geperst. Ten gevolge van de daarbij optredende wrijving ontstaat er een vertikaal groutdrukprofiel tussen de hydrostatische en groutstatische waarde in. Deze situatie, of varianten daarvan, (bijvoorbeeld: onderste lisenen voeren een beduidend kleiner debiet dan de bovenste) komt wel bij andere tunnelboorprojecten voor.

5.6 Overeenkomsten en verschillen conventionele groutmortel en tweecomponenten ETAC grout

Op basis van de voorafgaande analyse en evaluatie van de grouting bij de Botlekspoortunnel zijn de volgende overeenkomsten en verschillen tussen conventionele groutmortel en twee-componenten ETAC grout te constateren: -Het stromingsgedrag van het twee-componenten grout is zodanig dat er minder lisenen nodig zijn: dat komt door snelle uitharding in combinatie met lage stromingsweerstand wanneer het vers geinjecteerd wordt, en in beweging is.


Z3488 mei 2003


-De bijdrage van de statische groutdruk aan het vertikale groutdrukdrukprofiel is beduidend kleiner dan bij conventionele mortel omdat het soortelijk gewicht van de twee-componenten grout ongeveer 1 is. -De twee-componenten grout ontwikkelt veel eerder draagkracht dan conventionele groutmortel. Of dat deze draagkracht bij reguliere uitvoering van de boring specieke voordelen biedt is onbekend. - In de Noordbuis, waar over de gehele lengte van de tunnelbuis twee-componenten grout is gebruikt, is een flinke overinjectie van grout toegepast, hoger dan bij conventionele grout. De gevolgtrekking uit de analyse van MQ4 is dat bij deze tunnelbuis de groutdrukken in de staartspleet mogelijk stelselmatig hoger geweest dan bij de conventionele groutmortel welke toegepast is bij de Zuidbuis. - Bij twee-componenten grout is de vertikale drukgradiënt direct achter de TBM kleiner dan 10 kPa/m. Bij conventionele grout is de drukgradiënt direct achter de TBM over het algemeen tussen 15 en 22 kPa/m in. Twee-componenten grout geeft hier dus een andere belasting op de tunnellining. -Bij twee-componenten grout wordt verder achter de TBM een andere groutdrukverdeling verwacht dan bij conventionele grout omdat het soortelijk gewicht kleiner is. We kunnen dit niet verifieeren aan de ons ter beschikking staande meetgegevens van staartspleetdrukken. Gezien het korte meettraject met ETAC data, dienen bovenstaande constateringen met enige reserves beschouwd te worden.


Z3488 mei 2003


6 Uitwerking invloed grond op groutdruk

6.1 Maximale drukken en plastische vervorming Eén van de uitgangspunten van de in Paragraaf 3.1 beschreven theorie is dat er tijdens het injecteren van het grout plastische deformatie optreedt van het grondpakket. Dit is onderzocht met behulp van de cavity expansie theorie. Luger en Hergarden [21] geven een oplossing voor deze theorie waarbij niet alleen de limietdruk wordt berekend, maar ook wordt berekend wat er gebeurt bij een beperkt plastisch gebied en welke drukken daar voor nodig zijn. Het blijkt echter dat de met die theorie berekende drukken veel hoger zijn dan de gemeten drukken. Er lijkt dus geen sprake van alzijdig ‘oppompen’ van het boorgat. Waarschijnlijk zal dus niet de diameter van het boorgat significant toenemen, maar zullen de spanningsveranderingen lokaal een toename in volume veroorzaken of wordt er door het boren meer volume weggenomen dan algemeen wordt aangenomen. Om dit te kunnen simuleren is een EEM simulatie noodzakelijk en deze valt buiten het bestek van deze evaluatie.

6.2 Afname groutdrukken bij consolidatie Het is wenselijk om te onderzoeken of de gemeten afname van de groutdruk ook is terug te rekenen met de in Paragraaf 3.1 gegeven beschrijving. Echter, om dit uit te kunnen rekenen is het noodzakelijk om de grouteigenschappen te weten en deze waren niet vastgelegd. Om toch een indruk te kunnen krijgen of de orde van grootte klopt en hoeveel water wordt uitgeperst is uitgegaan van de grouteigenschappen zoals gemeten voor de Sophia. Na het schrijven van dit hoofdstuk zijn er alsnog consolidatietests op de groutmortel van de Botlekspoortunnel uitgevoerd. (zie bijlage D). Voor de beschrijving van het consolidatieproces wordt gebruik gemaakt van de [20] gegeven theorie. Uitgangspunt daarvan is dat grout wordt aangebracht bij een zekere porositeit (ni) en dat tijdens consolidatie van de grout er geen korrelspanning is totdat de grout is samengeperst tot een porositeit (ne). In [19] is aangetoond dat dit slechts een benadering is, maar het bleek mogelijk met deze benadering een vrij nauwkeurige beschrijving te geven van de uitgevoerde consolidatieproeven. De in [19] behandelde numerieke methode is mogelijk nauwkeuriger, maar aangezien de groutparameters toch niet goed bekend zijn, is gekozen voor een analytische oplossing, aangezien deze mogelijk meer inzichtelijk is. Zoals ook in [19] is behandeld, is het verschil tussen de groutconsolidatieproeven die zijn uitgevoerd en de situatie rond een tunnel, dat bij een consolidatieproef er een constante druk wordt aangebracht en dat de druk bij een veldsituatie niet constant is. Door de volume afname van het grout zal er ontspanning optreden in de grond rondom de tunnel. Aangenomen dat het gaat om bij benadering elastische ontspanning, dat deze axiaal symmetrisch is en dat de grond te beschouwen is als een homogeen elastisch medium, is volgens Verruijt de relatie tussen de drukverandering en de vervorming te schrijven als:


Z3488 mei 2003


Grr∆

=∆ 2σ (6.1)

Hierin is: ∆σ : de spanningsverandering (kPa) ∆r : de verandering van de straal (m) r : de straal van de tunnel (m) G : de glijdingsmodulus van de grond (kPa) Volgens Darcy geldt voor de stroming in het grout:

xkq

φ∆= (6.2)

met q : het specifiek debiet (m/s) ∆φ : het stijghoogteverschil over de grout (m) k : de doorlatendheid van de grout (m/s) x : dikte waarover de groutlaag is geconsolideerd (m), zie Figuur 3.1. In [19] en [20] is sprake van een stromingsweerstand in het zandpakket. Op basis van wat afschattende berekeningen wordt hier verondersteld dat deze hier verwaarloosd kan worden. Verder geldt nog de continuïteitsvoorwaarde:

dtdx

nnn

qe

ei

−−

=1

(6.3)

met: ni : de porositeit voor uitpersing (-) ne : de porositeit na uitpersing (-) Deze relatie geeft het verband tussen het debiet en de snelheid waarmee de grens tussen uitgeperst en niet uitgeperst grout zich verplaatst. Combinatie van, (6.1), (6.2) en (6.3) leidt tot de volgende differentiaalvergelijking:

012 φ

ρ ei

e

nnn

xrG

gdtdx

kx

−−

=+ (6.4)

Met als randvoorwaarde dat x = 0 voor t = 0. Waarin φ0 de groutdruk is op t=0. Bij een gegeven x geldt voor de groutdruk (P) die wordt gemeten bij de lining:

xnnn

rGgP

e

ei

−−

−=1

20φρ (6.5)

Nu is helaas de oplossing van de differentiaalvergelijking (6.4) niet triviaal. De differentiaalvergelijking is te herschrijven tot:


Z3488 mei 2003


0φCBxdtdx

kx

=+ (6.6)

Met:

rG

gB

ρ2

=

en

e

e

nnn

C−

−=

1

1

Met behulp van het computerprogramma Maple is de volgende oplossing gevonden:

= ( )x t− − + t k B2 C Φ

⎛

⎝

⎜⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟⎟⎟⎟ln C Φ

⎛

⎝

⎜⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟⎟⎟⎟LambertW e

⎛

⎝⎜⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟⎟− + −

t k B2

C Φ( )ln −C Φ 1

C Φ C Φ ( )ln −C Φ

B

(6.7)

In deze oplossing is Φ gebruikt in plaats van φ0 omdat het laatste karakter wat lastig in Maple was in te voeren. De in de oplossing genoemde LambertW functie is als volgt gedefinieerd:

xexLambertW xLambertW =)().( (6.8)

met de eis dat de functie analytisch is op x=0. Zoals gezegd, er is dus een oplossing, maar niet een die direct veel inzicht verschaft. Het is wel mogelijk om de differentiaalvergelijking (6.4) nog wat nader te beschouwen. Zeer voor de hand ligt om te bekijken wat de eindwaarde van x is, dus hoeveel van het grout consolideert voordat de consolidatie stopt, omdat door ontlasting de groutdruk gelijk geworden is aan de waterspanning. In dat geval is dx/dt=0 en is dus heel eenvoudig de eindwaarde van x te berekenen. Er moet gelden:

01

5.0 φρ

ei

eeind nn

nGgx

−−

= (6.9)

Bij een grote waarde van G en een groot verschil tussen de begin en eind porositeit zal xeind dus klein zijn. Het verloop in de tijd is doorgerekend voor de waarden van de parameters zoals genoemd in Tabel 6.1. Tabel 6.: Parameters gebruikt in berekening.

Parameter waarde dim. Straal tunnel φ0 G (grond) k (grout) ni

ne

5 10 90 4.7*10-8

0.327 0.275

m m Mpa m/s - -


Z3488 mei 2003


Het resultaat van de berekening is weergegeven in Figuur 6.1.

tijd (s)

grou

tdru

k(k

Pa)

Figuur 6.1: Berekening groutdrukverloop volgens vergelijking (6.7) met parameters zoals gegeven in Tabel 6.1.. Druk ten opzichte van de waterspanning.

Met vergelijking (6.9) kan worden berekend dat 3.9 cm van de grout consolideert voordat het consolidatieproces stopt, omdat de groutdruk vergelijkbaar geworden is met de waterspanning. Dit berekende verloop lijkt op het drukverloop dat is gemeten op de lining met “de drukopnemers voorkant”, zie Figuur 6.2. Iets na 12:50 wordt het boren gestopt. De drukken relaxeren tot ongeveer 13:10, dat is 20 minuten dus 1200 s. Iets langer dan in de som, maar in de meting is er geen zuivere relaxatie de drukken stijgen soms weer iets. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt door bewegingen van de TBM en leidt tot een iets langere relaxatietijd.

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

grou

tdru

k(b

ar)

12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00tijd

vk 80 corr.vk 15vk 315vk 250vk 200vk 155vk 110


Z3488 mei 2003


Figuur 6.2 : Zuidbuis, detail drukken gemeten op de lining met 'drukopnemers voorkant'. Resultaten direct na vrijkomen drukopnemers. In deze figuur is de gradenaanduiding gecorrigeerd voor de onjuiste aanduiding in Figuur 4.2b.

Ter vergelijking: als de gehele groutlaag zou consolideren, omdat de groutdruk constant zou blijven (wat zou kunnen optreden in een heel slap grondpakket) dan is de differentiaalvergelijking (6.4.) te schrijven als:

01

φei

e

nnn

dtdx

kx

−−

= (6.10)

Deze vergelijking is wat eenvoudiger oplosbaar en heeft als oplossing:

0

2

21 φkx

nnn

te

ei

−−

= (6.11)

De totale dikte van de groutlaag bij de Botlek was 0.16 m. Met de in Tabel 6.1 gegeven parameters wordt dan een langere consolidatietijd van bijna 2000 s gevonden. Dit lijkt niet in overeenstemming met de metingen, te meer omdat dan ook de groutdruk gelijk zou moeten blijven nadat het boren is gestopt. Vanwege de onzekerheden in de berekeningen (de parameters zijn geschat aan de hand van de resultaten van een andere tunnel) is het verschil in consolidatietijd nog niet eens doorslaggevend om aan te tonen dat er een relaxatie van de groutdruk plaatsvindt door elastische ontlasting. Het gegeven dat de groutdruk direct afneemt, nadat het grouten stopt, zoals ook berekend in Figuur 6.1 is daarvoor een duidelijker aanwijzing. Bij een veel lagere elasticiteitsmodulus van de grond, zou de drukverdeling er volgens de hier gepresenteerde theorie uitzien als in Figuur 6.3. De groutdruk zou dus in dat geval meer dan 60 kPa boven de waterspanning blijven. Dit is niet gemeten.

tijd (s)

grou

tdru

k(k

Pa)

Figuur 6.3: Berekening als in Figuur 6.1 maar met G = 10 in plaats van 90 Mpa. Duidelijk blijft de groutdruk nu hoger. Groutdruk ten opzichte van de waterspanning.


Z3488 mei 2003


Uit de achteraf uitgevoerde groutconsolidatieproeven (Bijlage D) is gebleken dat de doorlatendheid van de voor de Botlek gebruikte grout ongeveer een factor 5 groter was dan die van het grout dat voor de Sophia tunnel is gebruikt. De op basis van vergelijking (6.11) uitgevoerde berekening zou dus een consolidatietijd van 400 seconden opleveren in plaats van 2000.Dit zou wel overeenkomen met de metingen, maar het gedrag van het gemeten drukverloop is nog steeds anders dan het gedrag dat zou volgen uit volledige consolidatie, zoals hierboven is toegelicht.

6.3 Conclusies Vergelijking van de metingen met de berekeningen leidt tot de conclusie dat niet alle grout consolideert. Een gedeelte zal vloeibaar blijven totdat het is uitgehard. Hieruit is te concluderen dat de tunnel nog enkele uren alleen in vloeibaar grout ligt. Dit betekent dan weer dat gedurende die tijd de tunnel door opdrijven naar boven kan bewegen. Het is dus van belang dat ook de ‘verse’ grout die wordt ingebracht in de staartspleet een zodanige zwichtspanning heeft dat opdrijven wordt voorkomen. Volgens de achteraf uitgevoerde metingen was bij het gebruikte grout de zwichtspanning te klein (0.6 kPa terwijl er 1.9 kPa nodig was) om opdrijven te voorkomen. Wel bleek bij de metingen dat de sterkte heel snel toenam (door consolidatie van de grout), waardoor de gewenste sterkte al na zeer korte tijd (minder dan 10 minuten) wordt gehaald. Het aantal ringen waar opdrijving mogelijk is, zal dus zeer beperkt zijn.


Z3488 mei 2003


7 Invloed lining op groutdrukken

In de paragraaf 3.4 “Illustratie” is aangetoond dat bij de Sophia spoortunnel ook de bewegingen van de lining van invloed zijn geweest op de groutdrukken. Bij de hier behandelde metingen is dit minder eenduidig vast te stellen. Uit Figuur 6.4 blijkt dat de verticale gradiënt van de groutdruk sterk afneemt wanneer wordt geboord (zie het verloop rond 16:00 uur in Figuur 6.4), maar de instrumenten zitten dan nog zo dicht bij de TBM dat ook de stroming van grout nog een dominante invloed kan hebben. Ook blijkt dat deze afname in gradiënt optreedt doordat alleen de bovenste drukopnemer in de lining sterk stijgt, zie Figuur 3.1. In deze figuur is een detail van het drukverloop uitgezet, dat in zijn geheel is weergegeven in Figuur 4.2b.

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

grou

tdru

k(b

ar)

14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00tijd

vk 80 corr.vk 15vk 315vk 250vk 200vk 155vk 110

Figuur 6.4: Zuidbuis, detail drukken gemeten op de lining met 'drukopnemers voorkant'. Vervolg van de metging gepresenteerd in Figuur 6.2 In deze figuur is de gradenaanduiding gecorrigeerd voor de onjuiste aanduiding in Figuur 4.2b. De zwarte verticale lijnen geven aan wanneer er wordt geboord en wanneer niet, zie ook Figuur 4.2b.

Duidelijk blijkt uit de figuur dat de druk op 15 graden (dus bijna aan de bovenkant van de tunnel) tijdens het boren sterk oploopt. Opmerkelijk is daarbij dat dit niet gebeurt bij het begin van het boren, maar dat gedurende het boren de druk oploopt en deze ook weer terugloopt voordat het boren is afgelopen. Met de ter beschikking staande gegevens is niet te achterhalen waardoor dit wordt veroorzaakt. Door het (dus gedeeltelijk onbegrepen) verloop van de drukopnemer bij 15 graden, wat overigens bij ‘drukopnemers achterkant’ niet is gemeten, is het niet mogelijk vast te stellen of en zo ja, in hoeverre het geïntroduceerde moment in de lining de afname in drukgradiënt


Z3488 mei 2003


in de lining veroorzaakt. Om het in de paragraaf “Illustratie” beschreven fenomeen te kunnen vaststellen zou het nodig zijn om metingen over een langere periode te hebben. Ook in Figuur 3.3 (de Sophia metingen) is pas na 4 ringen duidelijk zichtbaar dat tijdens het boren de gradiënt zakt vanwege het omhoog duwen van de lining. Dat er een buigend moment ontstaat in de lining is wel vastgesteld. Bovenin de tunnel zijn positieve rekken worden gemeten. De liningelementen bewegen zich dus aan de bovenkant iets van elkaar af. Als de TBM geen moment over zou brengen, zouden er alleen negatieve rekken gemeten kunnen worden tussen de elementen (de elementen worden tegen elkaar aangedrukt).


Z3488 mei 2003


8 Uitwerking invloed overinjectie grout op groutdrukverloop naar achter

8.1 Drukverdeling naar achter tijdens grouting In paragraaf 5.3.1 is het rekenmodel DCgrout gevalideerd aan de verticale groutdrukverdeling direkt achter de TBM. De overeenstemming is goed. De gemeten groutdruk verandert als functie van de afstand achter de TBM. Direct achter de TBM is de verticale drukgradiënt circa 20 kPa/m, ver achter de TBM is de verticale drukgradiënt afgenomen tot 5 a 7 kPa/m. Deze laatste gradiënt komt weer goed overeen met opdrijftheorie van de lining, zie paragraaf 5.3.2. De absolute waarde van de groutdruk neemt af met afstand achter de TBM. Voor dit fenomeen, dat de overgang vormt tussen de processen dicht achter de TBM en de processen ver achter de TBM was nog geen goede theorie voorhanden. Dat is ook te zien in de rekenresultaten van het rekenmodel Dcgrout, Figuur 5.2. Het model rekent tot drie tunnelringen achter de TBM. De rekenresultaten laten zien dat de drukafname naar achteren, zoals geconstateerd bij de Botlek, niet gesimuleerd wordt. Dat komt omdat in het rekenmodel de berekende stroming amper componenten in langrichting vertoont. Met uitzondering van de lokale groutinjectiestroming direct achter de TBM is er voor de grout geen reden om naar achteren te stromen. In het rekenmodel, dat meebeweegt met de TBM wordt er door de lisenen evenveel grout geinjecteerd als er aan de achterkant van de rekengrid (zo’n 3 tunnelringen achter de TBM) aan stilstaande grout uitschuift. In paragraaf 5.3.2. is, aan de hand van de verschoven opstelling van de groutdrukopnemers in de lining, de drukval van de grout in langsrichting gekwantificeerd. Uit analyse van dit drukverschil volgt, aan het einde van paragraaf 5.3.2, in de grout een schuifspanning welke zich goed laat vergelijken met de orde grootte van zwichtspanning van stromende grout. De grout wordt in de praktijk met overinjectie toegediend. De langsdrukgradiënt ontstaat waarschijnlijk door een trage groutstroming in achterwaartse richting, welke het geringe vloeistofverlies van de onder druk staande grout aanvult. Het rekenmodel DCgrout is uitgebreid met een trage groutstroom naar achteren, zie Bijlage B. Er wordt verondersteld dat het vloeistofverlies gelijk verdeeld is over het gehele rekenmodel (in lengte en breedte). De precieze verdeling in langsrichting zal overigens niet critisch zijn, het gaat erom dat de schuifspanningen naar achteren gericht worden, dan is de absolute waarde van de stroomsnelheid niet zo belangrijk. Uit de analyse van de langsdrukverschillen volgde dat de teruggerekende zwichtspanning in de naar achter stromende grout groter dan de zwichtspanning van de verse grout was. Bij deze terugrekening is de dikte van de staartspleet constant verondersteld. Uit analyse van de consolidatie eigenschappen van de grout, in relatie tot het grondgedrag, volgde dat de consolidatie van de grout niet volledig is, en er a.h.w een groutcake vormt. Daardoor vermindert de vrije doorstroomopening van de grout. Daar in de huidige versie van het model er vanuitgegaan wordt dat de dikte van de groutspleet constant blijft, heeft dit tot gevolg dat de zwichtspanning van de grout modelmatig verhoogd moet worden. Het


Z3488 mei 2003


rekenmodel kent de mogelijkheid om de tijdsafhankelijkheid van grouteigenschappen ofwel te koppelen aan de tijd sinds injectie van de grout, of aan de leeftijd van de groutcake welke zich langs het boorgat vormt. Voor de simulatie van de stroming naar achteren is de volgende formule voor de zwichtspanning toegepast (= gemiddelde zwichtspanning op de interfaces grout/grond en grout/lining): τ y

te= + −1000 1500 3600 met: t = tijd exclusief ringbouw. Met bovenstaande formule betekent dit dat binnen één 1 uur, drie-en-zeventig procent van de groutcake gevormd is. In de toekomst zullen vloeistofverlies en groutcakedikte, als functie van de afstand en de tijd, extern berekend moeten worden in een grout- consolidatiemodel waarin het gedrag van het grondpakket verdisconteerd is. De rekenresultaten zijn weergegeven in Figuur 8.1 en 8.2. In deze berekening is de opgegeven overinjectie 5% (de resultaten zijn ongevoelig voor de mate van overinjectie). De getalswaarden van de overige inputparameters van het rekenmodel zijn gelijk gehouden aan die vermeld in paragraaf 5.3.1. De berekende drukverdeling als functie van de afstand achter de TBM is weergegeven in Figuur 8.1 voor verschillende posities rond de omtrek van de tunnellining. Het drukverloop is bij gebruik van bovenstaande formule gelijk aan het gemeten drukverloop naar achteren. In Figuur 8.2 wordt de berekende drukverdeling rond de omtrek van de tunnellining gegeven (deze posities zijn in de legenda aangeduidt met ’12 uur, 2,4,6,8, en 10 uur’. De berekende drukverdeling direkt achter de TBM, is in goede overeenstemming met de metingen, verder nemen de berekende groutdrukken natuurlijk af naar achteren, hetgeen overeenstemt met de tendens weergegeven in Figuur 4.5.

groutdruk

150000

200000

250000

300000

350000

400000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

s [m]

druk

[P

a]

12 uur

2 uur

4 uur

6 uur

8 uur

10 uur

Figuur 8.1 Groutdrukberekening inclusief overinjectie grout: Berekend drukverloop naar achteren.


Z3488 mei 2003


Berekende groutdrukken

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

x = 0.15 m

x = 0.75 m

x = 1.35 m

x = 1.95 m

x = 2.15 m

x = 2.75 m

waterdruk

Figuur 8.2 Resultaten berekening groutdrukverdeling rondom de tunnellining.

De geldigheid van het rekenmodel is hiermee een stuk naar achteren uitgebreid. De langsdrukgradiënt in het vloeibare gedeelte komt nu beter overeen met de praktijk. Deze theorie is van toepassing zolang de grout nog vloeibaar is. Dit gebied eindigt op het moment dat elastisch vervormingen van de grout optreden, zonder stroming van de grout. Deze overgang wordt bepaald door de heersende spanningen en de actuele zwichtspanning van de grout. Het model reikt nog niet tot het gebied waar opdrijven van de tunnellining bepalend is.

8.2 Drukverdeling over de tunnellining wanneer er niet gegrout wordt

Wanneer er niet meer gegrout wordt lopen de groutdrukken langzaam terug. Op het moment dat er gestopt wordt heerst over de lengte van de tunnel een naar achter afnemende langsdrukverdeling en een naar achterafnemende vertikale groutdrukgradiënt. Dit is de uitgangssituatie. Vanaf deze situatie vindt er rondom de tunnel een elastische ontspanning van de grond plaats, de snelheid van deze wordt bepaald door de doorlatendheid en samendrukbaarheid van de grond en de consolidatie van de grout, zie hoofdstuk 6. De groutdrukverdeling blijkt al snel na het stoppen van het grouten bepaald te worden door de krachten om opdrijven van de tunnel te voorkomen. Waarbij de afstand van de TBM ook een rol speelt, zie Paragraaf 3.2. Wanneer het boren, en de groutinjectie weer hervat worden, wordt de elastische ontspanning van de grond weer gecompenseerd door overinjectie van grout. De grond direct achter de TBM, welke voor het eerst door groutdrukken belast wordt, zal daarbij vervormen door de overinjectie.


Z3488 mei 2003


9 Conclusie en aanbevelingen

C 1) Kwaliteit aangeleverde data: De toegeleverde data was erg ruw en foutief weergegeven (in overleg met andere opdrachtnemers zijn zoveel mogelijk fouten er uit gehaald). Het moment dat de groutdrukopnemers voor het eerst daadwerkelijk groutdrukken meten was foutief, of helemaal niet vermeld. Dit moment is uitermate belangrijk omdat anders vetdrukken gebruikt worden in interpretaties. De gerapporteerde posities van de liningdrukopnemers waren niet eenduidig. Er is een kleine afwijking in de tijdsynchronisatie van de data geconstateerd. C 2) Meetgebieden drukmetingen door de lining Bij de Zuidbuis strekt het meetgebied waarin groutdrukmetingen door de lining uitgevoerd zijn zich uit over 4 tunnelringen. Hier is gewone mortel toegepast. Bij de tweede tunnelbuis reikt het meetgebied niet verder dan tot 40 cm achter de TBM. Hier is twee-componenten grout toegepast (meetdata van twee-component grout testen in de eerste buis konden niet in de COB opdracht geanalyseerd worden). C 3) Meetraaien meetsegment Bij de Zuidbuis zijn er betrouwbare metingen verkregen voor de grout in de vloeistoffase aan de voor- en achterkant van het meetsegment. De registratie van één van de opnemers is niet meegenomen in de analyse, omdat die onbetrouwbaar was. C 4) Groutinjectie Bij het gebruik van gewone mortel bij de Zuidbuis is er maar door vier van de zes beschikbare lisenen geinjecteerd. De injectie is asymmetrisch uitgevoerd. Bij het twee-componenten grout is er enkel aan de kruin geïnjecteerd. De wandschuifspanningen in het grouttoevoersysteem zijn bij conventioneel grout t.g.v. glijfilmvorming sterk afwijkend van die in de staartspleet. C 5) Drukverdeling direct achter de TBM Het is bekend dat de drukverdeling direct achter de TBM in sterke mate beïnvloed kan worden door de groutinjectie. De meetgegevens laten dat ook zien. De asymmetrische injectie bij de Zuidbuis leidt tot een asymmetrische drukverdeling (helaas is echter op het punt waar de allerhoogste drukken verwacht worden er een drukopnemer uitgevallen). Bij de twee-componenten grout is aan de drukverdeling duidelijk te zien dat de grout naar beneden gedrukt wordt vanuit de kruin. C 6) Invloed TBM-krachten uitgeoefend op de lining De groutdrukken worden niet alleen beïnvloed door de injectiestrategie en de stroming, maar ook door krachten uitgeoefend op de lining gedurende het plaatsen van de segmenten of het boren. C 7) Opdrijvende krachten Noordbuis De registratie van de groutdrukmetingen van de Noordbuis van de Botlekspoortunnel ter hoogte van meetkruis MQ4 zijn te kort van duur om een betrouwbare uitspraak te doen over het mechanisme van opdrijven.

Opmerking [AB2]: Hierdoor lijkt het een beetje: er is wat gekozen, terwijl er denk ik goede redenen waren voor die keuze.

Opmerking [AB3]: Waarom niet?


Z3488 mei 2003


C 8) Rol opdrijvende krachten tijdens stilstand (Zuidbuis) De groutdruk wordt gedurende stilstand van de TBM bepaald door opdrijvende krachten en in mindere mate door buigmomenten van de lining. Dit resulteert in drukgradiënten die aanzienlijk lager zijn dan een situatie waarin de groutdruk hydrostatisch toeneemt met de diepte. C 9) Minimale zwichtspanning grout in staartspleet De minimaal aanwezige zwichtspanning, als berekend uit de vertikale gradiënt in de groutdruk (2,2kPa), komt goed overeen met die berekend met de axiale gradiënt (2,0 kPa). De absolute grootte van de vectoriële zwichtspanning is 3,0 kPa. Deze waarden zijn berekend met als uitgangspunt dat alleen bij de grondzijde de zwichtspanning werkt, en dat de effectieve dikte van de groutlaag 0,16m is. C 10) Validatie reologische eigenschappen De zwichtspanning, toegepast bij de evaluatie van de metingen en de bij input van het rekenmodel, is hoger dan de gemeten waarden in de reologische tests. Dat komt omdat er uitgegaan wordt van stroming over de volledige doorsnede van de staartspleet. In het vervolg dient de invloed van consolidatie en groutcake vorming op de groutdrukken in de rekenmodellen en analyses verder verdisconteerd te worden. C 11) Stromingsweerstand injectieleidingen De wandschuifspanning in het leidingsysteem van de conventionele groutmortel is circa 350 Pa. Dit komt wel overeen met eerdere ervaring met mortels, maar we hebben ook beduidend hogere waarden gezien. Dergelijke weerstanden zijn over het algemeen slecht voorspelbaar, en kunnen per grout verschillen (het best is van te voren groutweerstanden experimenteel te bepalen, incl. variatie grouteigenschappen). Met behulp van eenvoudige vane proeven kan hier al een redelijk betrouwbare schatting voor worden gemaakt. C 12) Gevoeligheidsanalyse De injectiestrategie (keuze actieve lisenen en drukverdeling over de lisenen) en de reologische eigenschappen van de grout zijn de belangrijkste invloedsfactoren op de stroming direct achter de TBM. Bij het opdrijven verder achter de TBM zijn het ondergedompeld gewicht van de tunnellining en krachten uitgeoefend door de TBM op de lining de belangrijkste invloedsgrootheden. C 13) Conventionele groutmortel versus twee-componenten grout Daar de fysische samenstelling en het stromingsgedrag van de grouts sterk verschillend zijn, dienen de grouts op verschillende wijzen geïnjecteerd te worden. De daarmee te realiseren drukverdelingen direkt achter de TBM zijn verschillend. Bij conventionele groutmortel is dat tussen hydrostatisch en groutstatisch in, bij twee-componenten grout is dat kleiner dan hydrostatisch. Met beide grouts kunnen de essentiële functies van het grouten verwezenlijkt worden. C14) Consolidatie van de grout Vergelijking van de metingen met de berekeningen voor conventioneel grout leidt tot de conclusie dat niet alle grout consolideert. Een gedeelte zal vloeibaar blijven totdat het is uitgehard. Hieruit is te concluderen dat de tunnel nog enkele uren alleen in vloeibaar grout ligt. Dit betekent dan weer dat gedurende die tijd de tunnel door opdrijven naar boven kan bewegen. Het is dus van belang dat ook de ‘verse’ grout die wordt ingebracht in de staartspleet een zodanige zwichtspanning heeft dat opdrijven wordt voorkomen.

Opmerking [AB4]: Deze waarden zijn berekend met als uitgangspunt dat alleen bij de grondzijde de zwichtspanning werkt.

Opmerking [AB5]: Dat konden jullie toch bepalen uit de “remoulded strength”?


Z3488 mei 2003


C 15) Validatie modellen De validatie van de modellen tegen de data laat de volgende sterke punten zien: -Het rekenmodel laat goed zien hoe de grout vanuit de injectiepunten rondom de tunnellining geperst wordt. -Het rekenmodel laat duidelijk zien hoe de groutinjectiemethode van invloed is op de drukverdeling in de staartspleet. -Ook bij sterk asymmetrische groutinjectie kan de bijbehorende asymmetrische drukverdeling in de groutspleet goed voorspeld worden. -Met het rekenmodel wordt duidelijk waarom bij de gebruikelijke injectiestrategieën geen hydrostatische drukverdelingen ontstaan. -Het rekenmodel is in staat het eerste gedeelte, gerekend van de TBM, van de groutdruk gradiënt naar achteren te berekenen. -De resultaten van het opdrijfmodel komen verder achter de TBM goed overeen met de metingen. Aanbevelingen A1) Het meettraject van de Noordbuis is erg kort. Voor een nadere substantiëring van conclusies t.a.v. de toepassing van twee-componenten ETAC grout wordt aanbevolen ook de gegevens van de ETAC proeven bij de Zuidbuis te evalueren. A2) Aanbevolen wordt dwarsverbanden te leggen met drukken in de omringende grond, grondvervormingen, het krachtenspel in de tunnellining en schadebeelden, opdat gekwantificeerd kan worden hoe de groutinjectie vanuit de TBM deze aspecten beïnvloedt. A3) Er wordt geadviseerd op systematische en fundamentele wijze te onderzoeken wat de rol is van de samenstelling van de grout.


Z3488 mei 2003


Referenties [1] Aanvullende data-analyse praktijkonderzoek Botlekspoortunnel m.b.t. de TBM, commissie F310, J.F.W. Joustra, TU Delft, febr. 2002. [2] Bezuijen, A., en Talmon, A. M., 2001. Groutdrukken rondom tunnelwand, berekeningen Sophia spoortunnel, Delft Cluster 10504/10. [3] Evaluatie F330/GT Spanningen en deformaties ondergrond, 1e passage MQ1 t/m MQ3, Botlekspoortunnel, CUR/COB-Uitvoeringscommissie F330, Opdrachtnummer M-0813, 27 jan. 2000. [4] Evaluatie F330/GT Spanningen en deformaties ondergrond, 1e passage MQ4 t/m MQ6, Botlekspoortunnel, CUR/COB-Uitvoeringscommissie F330, Opdrachtnummer M-0813, 10 oct. 2000. [5] Evaluatie F330/GT Spanningen en deformaties ondergrond, 2e passage MQ1 t/m MQ3, Botlekspoortunnel, CUR/COB-Uitvoeringscommissie F330, Opdrachtnummer M-0813, 14 mrt. 2001. [6] Evaluatie F330/GT Spanningen en deformaties ondergrond, 2e passage MQ4 t/m MQ6, Botlekspoortunnel, CUR/COB-Uitvoeringscommissie F330, Opdrachtnummer M-0813, 28 mrt. 2002. [7] Eindevaluatierapport F340 Montagespanningen F340 [8] Eindevaluatierapport F330/GT Spanningen en deformaties ondergrond F330 [9] Evaluatiefase A: MQ2 Zuidelijke buis. Boorfrontstabiliteit, mengselvorming en grondtransport. K300-W-018-01, 2000. [10] Evaluatiefase A: MQ4 Zuidelijke buis. Boorfrontstabiliteit, mengselvorming en grondtransport. Krachtenbalans en groutproces, K300-W-018-02, Juli 2000. [11] Evaluatiefase A: MQ5 Zuidelijke buis. Boorfrontstabiliteit, mengselvorming en grondtransport. Slijtage snijtanden, K300-W-018-03, Jan. 2001.


Z3488 mei 2003


[12] Evaluatiefase A: Noordelijke buis MQ2, 4 en 5 Boorfrontstabiliteit, mengselvorming en grondtransport. Vergelijk tussen Noord- en Zuidbuis, F300-W-018-04, Maart 2002. [13] Evaluatiefase A: Bijlagen A t/m M. Noordelijke buis MQ2, 4 en 5., F300-W-018-05, Maart 2002. [14] Evaluatiefase A: Noordelijke buis Boorfrontstabiliteit, mengselvorming en grondtransport Slijtage snijtanden (+ Noord en Zuidbuis: axiale krachtenbalans meetkruisen) [15] Evaluatiefase B: Zuid en Noordbuis, Druk open afbouw over de TBM Axiale krachtenbalans, April 2002. [16] Talmon A.M., Aanen L & W.H. van der Zon, 2002, Stromingsgedrag Groutinjectie, Thema 1 Delft Cluster, Z3074, febr 2002. [17] Verruijt, A., Soil Dynamics, Delft University of Technology, b28, januari 1993. [18] Predictierapport HSL. [19] Bezuijen A., Consolidation of grout, theory. GeoDelft report 403050/4, January 2003 (concept). [20] Groutdrukmetingen Sophia, metingen en analyse beide buizen. Delft Cluster rapport: 10504. Januari 2003 (concept).


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft A – 1

A Berekening relatie tussen groutinjectie, grouteigenschappen en drukverdeling in de staartspleet

• Globale modelbeschrijving DCgroutmodel

Het rekenmodel DCgrout berekent de groutverdeling in de staartspleet over de eerste ringen achter de TBM. Daartoe worden de continuïteitbalans en de krachtenbalans aangewend. Via de krachtenbalans wordt de wrijving van de groutstroming met de tunnellining en de grond in rekening gebracht. In dit hoofdstuk worden de resultaten van berekeningen van het groutdrukverloop rondom de tunnellining gegeven. In onderstaande lijst zijn de belangrijkste kenmerken van het rekenmodel samengevat.

Het model is twee dimensionaal. Het berekent de verdeling van de grout en groutdrukken in de staartspleet. Het aantal injectie-openingen, de locatie van de injectie-openingen en de debietverdeling over de injectie-openingen kan gevarieerd worden. Een ‘shallow flow’ benadering wordt toegepast. De stromingsvergelijkingen zijn gemiddeld over de dikte van de groutlaag. Het ontstaan van een gecompacteerde laag op het grensvlak grout/grond wordt niet in rekening gebracht op de dikte van de stromende groutlaag. De dikte van de groutlaag wordt constant verondersteld. De eindige differentie methode wordt toegepast. In de grout wordt er geen onderscheid gemaakt naar korrel- en waterspanningen omdat verse grouts gekenmerkt worden door goede stroombaarheid en verwerkbaarheid. De reologische eigenschappen van de grout zijn gemodelleerd als een één-fase viscoplastische Bingham vloeistof. De reologische eigenschappen kunnen opgegeven worden als een functie van de tijd sinds injectie in de staartspleet. De hydratatie van de cement leidt tot tijdsafhankelijkheid van de reologische eigenschappen. Gevolgen van vloeistofverlies van de grout naar de omringende grond kunnen verdisconteerd worden in de tijdsafhankelijkheid van de reologische eigenschappen. De stromingsweerstand wordt bepaald door wrijvingsweerstand van de grout met de tunnellining en de omringende grond. De normaalspanningen in de grout zijn isotroop verondersteld. Inwendige schuifspanningen tengevolge van snelheidsverschillen met aangrenzende gridpunten worden verwaarloosd. Het extra grout dat geïnjecteerd wordt om vloeistofverlies te compenseren is niet inbegrepen in de continuiteitsverlijkingen van het model. Rekengebied omvat de gehele omtrek van de tunnellining, direct aansluitend aan de achterkant van de TBM tot een afstand van 3 of meer tunnelsegmentringen achter de TBM.

De injectieopeningen van de grout bevinden zich op 12 vaste posities: op 1 uur, 2 uur, 3 uur, 4 uur, 5 uur, 6 uur, 7 uur, 8 uur, 9 uur, 10 uur, 11 uur en 12 uur. De instroomopeningen bevinden zich overigens niet precies op deze locaties. Het aantal gridpunten in dwarsrichting is namelijk geen veelvoud van 12. Het debiet door alle injectiepunten is constant in de tijd. Per injectieopening kan het aandeel in het totale groutdebiet opgegeven worden.


Z3488 mei 2003


Het spreadsheet rekent niet volledig rond de omtrek. Op één plaats is het rekengebied gesplitst, in de meeste berekeningen op ‘6 uur’ onderaan de tunnel. Dit is gedaan uit stabiliteitsoverwegingen. Op deze plaats kan er, in het rekenmodel, geen grout van de ene zijde van de buis naar de andere zijde stromen. Aan de bovenkant, bij de kruin van de tunnel, kan dat overigens wel. Deze splitsing onderaan bij 6 uur is eigenlijk alleen gerechtvaardigd bij een symmetrisch injectiepatroon (gezien t.o.v. de verticaal door 6 uur). Door draaiing van het rekengebied is het mogelijk het symmetriepunt op andere locaties te leggen. Dit biedt de mogelijkheden verschillende injectiestrategie en/of uitval van injectieleidingen te simuleren. In de rekenuitkomsten is deze splitsing van het rekengebied in sommige gevallen zichtbaar aan een sprong in de rekenuitkomsten. • Invloed reologische eigenschappen grout Voor motivatie van de berekeningen, en interpretatie van de uitkomsten, zie paragraaf 4.5. Tabel A1 Invoergegevens stromingsmodel DCgrout berekening A1 Invoervariable eenheid Buitendiameter tunnellining 9,45 [m] Hoogte staartspleet 0,16 [m] Voortgangssnelheid (gemiddelde van de 4 ringen) 0,0006 [m/s] Groutdruk kruin 200000 [Pa] Dichtheid grout 2190 [kg/m3] Zwichtspanning 1000 [Pa] Viscositeitsparameter K 50 [Pa s] Verwerkbare periode grout 4 [uur] snelheid harding na verwerkbare periode 50 [kPa/uur] Lisene debiet [-] no 1 0,27 no 2 0,23 no 3 0 no 4 0,24 no 5 0,26 no 6 0


Z3488 mei 2003


Tabel A2 Invoergegevens stromingsmodel DCgrout berekening A2 Invoervariable eenheid Buitendiameter tunnellining 9,45 [m] Hoogte staartspleet 0,16 [m] Voortgangssnelheid (gemiddelde van de 4 ringen) 0,0006 [m/s] Groutdruk kruin 200000 [Pa] Dichtheid grout 2190 [kg/m3] Zwichtspanning 500 [Pa] Viscositeitsparameter K 50 [Pa s] Verwerkbare periode grout 4 [uur] snelheid harding na verwerkbare periode 50 [kPa/uur] Lisene debiet [-] no 1 0,27 no 2 0,23 no 3 0 no 4 0,24 no 5 0,26 no 6 0 -invloed keuze aktieve lisenen en debietverdeling over lisenen Voor motivatie van de berekeningen, en interpretatie van de uitkomsten, zie paragraaf 4.5. Tabel A3 Invoergegevens stromingsmodel DCgrout berekening A3 Invoervariable eenheid Buitendiameter tunnellining 9,45 [m] Hoogte staartspleet 0,16 [m] Voortgangssnelheid (gemiddelde van de 4 ringen) 0,0006 [m/s] Groutdruk kruin 200000 [Pa] Dichtheid grout 2190 [kg/m3] Zwichtspanning 2000 [Pa] Viscositeitsparameter K 50 [Pa s] Verwerkbare periode grout 4 [uur] snelheid harding na verwerkbare periode 50 [kPa/uur] Lisene debiet [-] no 1 0,166 no 2 0,166 no 3 0,166 no 4 0,166 no 5 0,166 no 6 0.166


Z3488 mei 2003


Tabel A4 Invoergegevens stromingsmodel DCgrout berekening A4 Invoervariable eenheid Buitendiameter tunnellining 9,45 [m] Hoogte staartspleet 0,16 [m] Voortgangssnelheid (gemiddelde van de 4 ringen) 0,0006 [m/s] Groutdruk kruin 200000 [Pa] Dichtheid grout 2190 [kg/m3] Zwichtspanning 2000 [Pa] Viscositeitsparameter K 50 [Pa s] Verwerkbare periode grout 4 [uur] snelheid harding na verwerkbare periode 50 [kPa/uur] Lisene debiet [-] no 1 0,25 no 2 0,25 no 3 0 no 4 0 no 5 0,25 no 6 0,25


0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

s = 1/2 ds

s = 5/2 ds

s = 9/2 ds

s = 13/2 ds

s = 16/2 ds

s = 21/2 ds

Figuur A1 Conventionele groutmortel: berekende groutdruk bij gehalveerde waarde zwichtspanning (input: τy = 1000 kPa).


Z3488 mei 2003



0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

s = 1/2 ds

s = 5/2 ds

s = 9/2 ds

s = 13/2 ds

s = 16/2 ds

s = 21/2 ds

Figuur A2 Conventionele groutmortel: berekende groutdruk bij een kwart van zwichtspanning (input: τy = 500 kPa).


0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

s = 1/2 ds

s = 5/2 ds

s = 9/2 ds

s = 13/2 ds

s = 16/2 ds

s = 21/2 ds

Figuur A3 Conventionele groutmortel: berekende groutdrukken bij gelijk groutdebiet door alle zes lisenen.


Z3488 mei 2003



0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

s = 1/2 ds

s = 5/2 ds

s = 9/2 ds

s = 13/2 ds

s = 16/2 ds

s = 21/2 ds

Figuur A4 Conventionele groutmortel: berekende groutdrukken bij gelijk groutdebiet bij gebruik bovenste vier lisenen.


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft B – 1

B Stromingsvergelijkingen rekenmodel DCgrout inclusief overinjectie grout

Het rekenmodel Dcgrout berekent de drukverdeling direct achter de TBM: circa de eerste drie tunnelringen achter deTBM. In het oorspronkelijk model is het vloeistofverlies van de grout naar het grondpakket naar de grond verwaarloosd en wordt de spleetdikte constant veronderteld. Dat model geeft een betrouwbare berekening van de drukverdeling over de omtrek, echter voor de achterwaarts liggende rekenpunten worden vrijwel dezelfde groutdrukken berekend, terwijl de praktijkmetingen uitwijzen dat dit niet juist is. De uitkomsten van de analyse van het langsdrukgradiënt over de meetring bij Botlek, en de veronderstelde relatie met de overinjectie, is de aanleiding het rekenmodel Dcgrout uit te breiden met de invloed van de achterwaarts gerichte groutstroming. In het rekenmodel DCgrout worden de stroomsnelheden berekend in een coördinatensysteem dat meebeweegt met de TBM. In het meebewegende assenstelsel geldt voor de continuiteit van de grout: ∂∂

∂∂

∂∂

ht

hVs

hVn

qs n+ + + = 0

met: Vs, Vn = stroomsnelheden t.o.v. bewegend coordinaten systeem [m/s]. q = vloeistofverlies van de grout [m/s] Dit kan geschreven worden als: ∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

Vs

Vn h

ht

V hs

V hn

qh

As ns n+ = − + + − =

1 ( )

De rechterterm kan in eenzelfde vorm geschreven worden als de linker term:

A vs

vn

s n≡ +∂∂

∂∂

' '

met: v’= ‘snelheid lekstroomveld’ t.o.v. bewegend coordinatensysteem. Daarmee is in het meebewegende coordinatensysteem verondersteld dat de variabelen enkel een functie van s en n zijn. Ieder element wordt verondersteld evenveel grout te lekken

(leksnelheid: q v hst= γ 0

∆, met ∆s = lengte rekengebied, h0= uniforme spleetdikte direct

achter de TBM), hetgeen een ruwe benadering van de werkelijkheid is. De groutstroom (lekstroom) naar achteren om dit vloeistofverlies te compenseren wordt gegeven door (de tunnel wordt verondersteld concentrisch te liggen in het geboorde gat):

v v sss t

' ( )= −γ 1∆

en vn' = 0

Maar ook andere functies zijn mogelijk, wanneer het vloeistofverlies q en de spleetdikte niet uniform zijn. Modelmatig wordt deze kleine lekstroom daarbij verondersteld uniform door de achterrand van de TBM het rekengebied in te stromen, hetgeen gezien de kleine stroomsnelheden van de lekstroom toelaatbaar is. De continuiteitsvergelijking wordt met deze schrijfswijze: ∂

∂∂∂

V vs

Vn

s s n−+ =

'

0

Een oplossing voor deze vergelijking is de zogenaamde stroomfunctie, welke in dit geval gedefinieerd is als:


Z3488 mei 2003


∂φ∂n

V vs s= − ' , ∂φ∂s

Vn= −

De snelheden (U) t.o.v. de stilstaande grond en de tunnellining zijn:

U V vn

v vs s t s t≡ − = + −∂φ∂

' , U Vsn n≡ = −

∂φ∂

De bewegingsvergelijkingen in s- en n-richting (in het meebewegende coördinatensysteem) zijn: ∂∂

τps h

s= −2

∂∂

τρ θp

n hgn= − +2 sin

De schuifspanningen τs en τn zijn de gemiddelde waarden van de schuifspanningen op de interfaces grout/grond en grout/lining. Via kruisdifferentiatie wordt de drukterm geëlimineerd, en verdwijnt het statische deel van de druk (hetgeen later weer bij de oplossing opgeteld dient te worden): ∂τ

∂∂τ

∂s nhn

hs

/ /− = 0

Opmerking: Gezien de eenvoudige structuur van deze vergelijking, en het feit dat practisch gesproken de wandschuifspanningen gelijk zijn aan de zwichtspanning, kan een verandering van de laagdikte h kunstmatig goed geaccommodeerd worden in een aangepaste zwichtspanning. Indien deze laagdikte betrekking heeft op vrij stroombaar grout, en dus exclusief de groutcake is, zijn de stroomsnelheden van de vrije grout iets te laag, enkel de berekenende tijd sinds injectie klopt niet meer. De wandschuifspanning wordt gemodelleerd m.b.v. een variabele maar isotrope (= in alle richtingen gelijke) viscositeit, alsof het een laminaire stroming door een spleet betreft:

τ η τ ηss

nnU

hUh

= =12 12

,

Substitutie van de stroomfunctie en de potentiaalfunctie geeft:

τ η ∂φ∂

τ η ∂φ∂s s t nh n

v vh s

= + − = −12 12( ) ,'

De schijnbare viscositeit wordt gegeven door:

ητ

= +⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

−y

n

Uh K

Uh12

121

met:

U V v Vs t n= − +( )2 2 ofwel,

Un

v vss t= + − + −( ) ( )'∂φ

∂∂φ∂

2 2


Z3488 mei 2003


Substitutie van de schuifspanningen in de resterende bewegingsvergelijking geeft, onder de veronderstelling van een constante spleetdikte:

∂η ∂φ∂

∂

∂η ∂φ∂

∂∂η∂

ss

nn

v vnt s+ = −( )'

Daar de leksnelheid rechtevenredig is met vt mag in het rekenmodel op alle plaatsen waar vt

voorkomt, deze vervangen worden door: v v sst t: ( ( ))= − −1 1γ

∆, hetgeen geschiedt is in de

toegepast nieuwste software.


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft C – 1

C Van metingen groutmortel Zuidbuis Botlek Spoortunnel

Inleiding: De zwichtspanning van grout is te bepalen paramter bij het berkenen van de drukverdeling in de grout achter de TBM. De chemische harding veranderen de stromingseigenschappen van grout. Door middel van vane-testen is, onder atmosferische omstandigheden, deze zwichtspanning als functie van de tijd bepaald. Deze metingen zijn bedoeld ter verificatie van de uitgangspunten van de berkeningen in Paragraaf 5.3, en voor het vastleggen van de reologische eigenschappen voor toekomstig gebruik. Grout: De geteste grout is Beamix BTC946. De droge stofbestanddelen van de grout zijn, gemengd en al aangeleverd door Beamix. Tevens zijn er door Beamix overzichten van produktcontrolemetingen ter beschikking gesteld. De droge stof wordt gemengd met een gerijpte bentonietsuspensie. De bentoniet is Ibeco HTX. Uit de produktcontrolemetingen in de periode waarin meetsectie MQ4 gepasseerd is blijkt dat een representatieve waarde voor de bentonietconcentratie in de bentonietsuspensie circa 30 gr/liter is. Een representatieve massaverhouding bentonietsuspensie/droge stof is 19,5 %. Het soortelijk gewicht van de grout is aldus 2110 kg/m3. Innamecontrole: Om er zeker van te zijn dat de nagemaakte grout hetzelfde is als tijdens het boren zijn de volgende tests uitgevoerd, en vergeleken met de specs: - korreldiameterverdeling droge stof: zeefcurve. De resultaten bevinden zich midden in de gespecificeerde range. - reologie gerijpte bentoniet, standtijd meer dan 8 uur (vergeleken met een reeds beschikbare BTL meting op dezelfde bentoniet), Tabel C1. - vloeimaat kleine slump test (direct na aanmaak en 5 uur na aanmaak mengsel). De resultaten bevinden zich dicht bij de gespecificeerde ondergrens. Deze test zijn uitgevoerd op kleine batches vooraf aan de proeven. Aanmaak laboratoriumhoeveelheid grout: Er zijn vier dezelfde mengsels getest, zie Tabel C2. Er is 45 gram droog bentonietpoeder geleidelijk toegevoegd aan 1,5 liter kraanwater, in een keukenmixer. De bentoniet is gerijpt gedurende 8 uur of meer. Er is 7,7 kg droge grout afgewogen. De bentonietsuspensie en de droge grout zijn handmatig gemengd in een laboratoriumemmer van 10 liter. Gedurende het eerste uur zijn de mengsels regelmatig handmatig doormengd. Meetinstrumenten: Reologie bentoniet-suspensie: Er is gebruikt een Fann viscometer model 286. Zwichtspanning grout: Er zijn gebruikt een Haake vane-viscometer en twee pocket penetrometers (ST207 en ST315). De viscometer en de vane elementen zijn afgebeeld in Figuur C1 en C2. Door harding was het op een gegeven moment niet meer mogelijk om de vane elementen in de grout te drukken, en zijn de pocket penetrometers gebruikt. Het zesbladige FL100 element heeft een diameter van 22 mm. Het vierbladige FL1000 element heeft een diameter van 11 mm.


Z3488 mei 2003


Figuur C1. Haake M1500 (links: stuur- en plot-unit, rechts: aandrijving + vane)

Figuur C2. Meetelementen van links naar rechts: FL10 (niet gebruikt), FL100, FL1000.


Z3488 mei 2003


Uitvoering van de vane proeven: Omdat we, voor toekomstige ontwikkelingen, de eigenschappen van de grout voor meer dan 24 uur wilden volgen, en s’nachts door te werken niet aan te bevelen is, is besloten gestaffelde batches te maken. Daardoor worden ‘gaten’ in de waarnemingen gedicht, en treden er dubbellingen op. Dit laatste geeft een indruk van de reproduceerbaarheid en de spreiding. In principe zouden twee batches voldoende zijn. Er is een extra batch gemaakt omdat de structuur van de verse grout een nogal losse indruk maakte. Deze extra batch is kortdurig op een trilapparaat geplaatst om gegevens van een compactere grout te verkrijgen. Er is nog een vierde batch gemaakt omdat er bij de eerste batch onregelmatigheden voordeden bij de aanvang van de final set (harding). Bij deze vierde batch is getracht extra aandacht te geschenken aan de vane-metingen rond deze periode. In Tabel C1 zijn de vooraf bepaalde reologische eigenschappen van de Bentonietsuspensie samengevat. In Tabel C2 zijn de aanmaaktijden van de mengsels samengevat, en de bleeding (gemeten aan het eind van test). De metingen op de vloeibare grout zijn bij ieder mengsel aangevangen met het FL100 vane element. Wanneer deze door harding niet meer in de grout gedrukt kon worden is overgestapt op het kleinere FL1000 element. Na enige tijd trad hetzelfde probleem bij het FL1000 element op, en is overgestapt op pocket penetrometer metingen. Zwichtspanningen groter dan 5 kPa zijn met het FL1000 element gemeten. Zwichtspanningen > 30 kPa zijn met de pocket penetrometers bepaald. In de meeste experimenten wordt binnen 2 minuten de vane (lineair opgaand) van stilstand op een toerental van 0,5 omw/min gebracht. Vervolgens wordt de vane 5 minuten lang op dit toerental gehouden, daarna wordt het toerental binnen 2 minuten weer naar 0 afgebouwd wordt (0,5 omw/min is het laagst mogelijk in te stellen constante toerental). Twee voorbeelden van de resultaten van vane metingen zijn weergegeven in Figuur C3 en C4. Langs de horizontale as is het toerental uitgezet. Het meest rechts op de horizontale as bevindt zich het toerental 0,5 omw/min. Er is een groot verschil tussen de piekwaarde en de remoulded strength (de teruggaande curve). De flowcurven zijn overigens minder vloeiend van vorm dan bij Sophia en Groene Hart Tunnel.


Z3488 mei 2003


0

100

200

300

400

500

600

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

schu

ifspa

nnin

g [P

a]

omwentelingssnelheid [rad/s] Figuur C3: Voorbeeld meting gedrag vloeibare grout, proef 05.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

schu

ifspa

nnin

g [P

a]

omwentelingssnelheid [rad/s] Figuur C4: Voorbeeld meting tijdens harding, proef 11.


Z3488 mei 2003


Uitvoering Pocket penetrometingen: De pocketpenetrometingen zijn uitgevoerd met twee standaard meetinstrumenten. Eén met een volle schaalbereik van 5 MPa en één met een volle schaal bereik van 15 MPa. Uit onderzoek op ander grout is gebleken dat pocket-penetrometer en vanemetingen goed op elkaar aansluiten. Pocketpenetrometer waarden zijn naar schuifspanningen (ook wel schuifsterkte genoemd) omgerekend volgens de theoretische relatie: τ = ppocket/5. Resultaten: De meetresultaten zijn samengevat in de Tabellen C3 en C4. De gemeten piekwaarde, en remoulded strength, van de vaneproeven zijn weergegeven in de Figuren 5, 6 en 7. De meetpunten welke via een lijntje verbonden zijn, zijn vane-metingen. Het blijkt dat in het eerste uur na aanmaak er amper structuur ontstaat (het meeste bleed water staat al op het groutopppervlak). Circa 3 uur na aanmaak wordt een zwichtspanning van 1 a 1,5 kPa bereikt. Het getrilde mengsel geeft een hogere zwichtspanning van 2 kPa. Ongeveer 7 uur na aanmaak begint de final set (harding). De meetwaarden van mengsel 1 op 7 1/4 uur en op 8 3/4 uur zijn niet betrouwbaar: de piekwaarde is vrijwel gelijk aan de remoulded strength. Hetzelfde geldt voor mengsel 4 op circa 8 uur na aanmaak.. Volgens de figerende groutstromingstheorie is de piekwaarde maatgevend voor de stromingsweerstand van de grout met de grond. De remoulded strenght waarden zijn volgens de figerende groutstromingstheorie maatgevend voor de stromingsweerstand van de grout met de tunnellining. De remoulded strength is circa een factor 10 kleiner dan de piekwaarde (vergelijk figuur C5 en C7). De vane en de pocket penetrometer metingen sluiten goed op elkaar aan. Uit de metingen ontstaat de indruk dat na circa 15 uur de toename van de weerstand circa een factor drie sneller verloopt dan in de voorafgaande periode tussen 7 en 15 uur na aanmaak. In de Figuren C8 en C9 zijn de meetgegevens op logaritmische schaal uitgezet om een indruk te geven van het tijdsverloop over het gehele meetbereik. Voor het Dcgrout stromingsmodel voor de drukverdeling achter de TBM is overigens enkel de weerstand in de eerste uren na injectie van belang. Bij Botlek geven de groutdruksensoren op de lining meetgegevens tot 7 uur na injectie. Er zijn in deze meetperiode 4 ringen geboord. De hardening van de grout begint na de derde tunnelring (het grout is dan reeds 5 uur in de staartspleet, het groutmengsel is dan circa 7 uur oud: het transport en verblijf in de mengtank in de TBM zijn op 2 uur geschat). Het Dcgrout opdrijfmodel is toepasbaar verder achter de TBM, dan is de leeftijd van de grout zeker 10 uur of meer. De gemeten druksterkte op 1 dag na aanmaak is overigens hoger dan de gespecificeerde ondergrens.


Z3488 mei 2003


0 10 20 30 400

100

200

300

400

Tho

usan

ds

leeftijd groutmengsel [uur]

zwic

htsp

anni

ngen

[Pa]

mengsel 1

mengsel 2

mengsel 3

mengsel 4

Botlek grout BTC946

Figuur C5: Gemeten piekwaarden.

0 2 4 6 8 100

1

2

3

4

5

Tho

usan

ds


zwic

htsp

anni

ngen

[Pa]

mengsel 1

mengsel 2

mengsel 3

mengsel 4

Botlek grout BTC946

Figuur C6: Gemeten piekwaarden tot 10 uur na aanmaak groutmengsels.


Z3488 mei 2003


0 10 20 30 400

500

1000

1500

2000


rem

ould

ed s

treng

ht [P

a]

mengsel 1

mengsel 2

mengsel 3

mengsel 4

Botlek grout BTC946

Figuur C7: Gemeten remoulded strenght waarden (laagste waarde teruggaande curve).

0 10 20 30 40100

1000

10000

100000

1000000


zwic

htsp

anni

ngen

[Pa]

mengsel 1

mengsel 2

mengsel 3

mengsel 4

Botlek grout BTC946

Figuur C8 Gemeten piekwaarden op logaritmische schaal.


Z3488 mei 2003


0 10 20 30 4010

100

1000

10000


rem

ould

ed s

treng

ht [P

a]

mengsel 1

mengsel 2

mengsel 3

mengsel 4

Botlek grout BTC946

Figuur C9 Gemeten remoulded strenght waarden op logaritmische schaal.


Z3488 mei 2003


Conclusies innametests: - de korrelverdeling van de droge mortel komt overeen met de specs. -de reologie van de gerijpte bentonietsuspensie komt overeen met een BTL meting eerder. -de slump test (vloeimaat) de grout komt overeen met de meetwaarden in BEAMIX lab. (vlak na aanmaak van het mengsel en 5 uur na aanmaak). Hieruit wordt geconcludeerd dat de grout hetzelfde is als tijdens de boring. De karakteristieke zwichtspanning in de verwerkbare periode is 1 a 1,5 kPa. De afschuifweerstand neemt tijdens het begin van de harding toe met circa 5,3 kPa/uur (tussen 7 en 15 uur na aanmaak). Voor 15 uur en meer na aanmaak neemt de afschuifweerstand toe met circa 15 kPa/uur. De gemeten schuifspanningen zijn input voor de bestaande stromingtheorien. De orde grootte van de maximale schuifspanning van de verse grout is vergelijkbaar met metingen op andere grouts. Anders kan het niet goed geinjecteerd kan worden. De piekwaarden welke volgen uit de vane-metingen met de Haake en de pocket penetrometingen sluiten, ondanks sterk verschillende meetbereiken, goed aan. Tabel C.1: Gemeten Herschel-Bulkley parameters gerijpte Bentoniet Ibeco HTX 30 gr/l. suspensie 1 suspensie 2 datum 28 april 29 april standtijd 6 uur 24 uur τy zwichtspanning [Pa] 1,09 1,09 K consistentieparameter [Pa s^n] 0,28 0,29 n exponent [-] 0,55 0,58 Tabel C.2. Overzicht mengels mengsel 1 mengsel 2 mengsel 3 mengsel 4 bedoeling: basis gestaffeld gestaffeld en

getrild herhaling meting mengsel 1

aanmaak suspensie 30 april 23:30 1 mei, 11:00 1 mei, 13:00 1 mei, 19:00 aanmaak mengsel: 1 mei april, 8:30 1 mei, 19:20 1 mei, 19:45 2 mei, 8:30 ontwatering [ml]: 120 338 383 260


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft C – 1 0

Tabel C.3. Overzicht vane metingen.

datum tijd filenaam vane type pieksterkte [Pa]

remoulded shear strength7 [Pa]

mengsel opmerkingen

01-05-03 9:37 botlek.001 FL100 136 40 1 01-05-03 9:48 botlek.002 FL100 133 30 1 01-05-03 10:13 botlek.003 FL100 392 50 1 01-05-03 10:39 botlek.004 FL100 833 60 1 01-05-03 11:14 botlek.005 FL100 779 90 1 01-05-03 11:38 botlek.006 FL100 1147 130 1 01-05-03 12:23 botlek.007 FL100 1176 110 1 01-05-03 12:44 botlek.008 FL100 1372 120 1 01-05-03 13:39 botlek.009 FL100 833 120 1 01-05-03 14:39 botlek.010 FL100 2009 220 1 01-05-03 15:45 botlek.011 FL100 1103 980 1 01-05-03 17:15 botlek.012 FL100 808 810 1 01-05-03 17:27 botlek.013 FL1000 9834 340 1 01-05-03 19:03 botlek.014 FL1000 19434 0 1 01-05-03 19:57 botlek.015 FL1000 23370 450 1 01-05-03 20:39 botlek.016 FL100 167 30 2 01-05-03 20:53 botlek.017 FL1000 29520 540 1 01-05-03 ? botlek.018 ? zonder vane 01-05-03 21:08 botlek.019 FL100 514 50 3 01-05-03 ? botlek.020 ? ? 01-05-03 21:24 botlek.021 FL100 588 2 teruggaand niet op hardcopy 01-05-03 21:38 botlek.022 FL100 1540 120 3 01-05-03 21:54 botlek.023 FL1000 30504 0 1 01-05-03 22:06 botlek.024 FL100 1176 59 2 01-05-03 22:18 botlek.025 FL100 1675 75 3 01-05-03 23:05 botlek.026 FL100 1548 200 2 01-05-03 23:05 botlek.027 FL100 8856 1 teruggaand niet op hardcopy 01-05-03 23:05 botlek.028 FL100 2058 980 3 02-05-03 11:22 botlek.029 FL100 4 overflow 02-05-03 11:24 botlek.030 FL100 735 90 4 02-05-03 13:14 botlek.031 FL100 1088 150 4 02-05-03 13:25 botlek.032 FL100 2940 150 4 02-05-03 14:22 botlek.033 FL100 2352 200 4 02-05-03 15:26 botlek.034 FL100 3214 120 4 02-05-03 16:24 botlek.035 FL100 2450 1620 4 02-05-03 16:37 botlek.036 FL1000 17000 90 4 02-05-03 17:17 botlek.037 FL1000 15823 130 4 02-05-03 18:53 botlek.038 FL1000 10728 130 4 02-05-03 19:56 botlek.039 FL1000 12516 130 4

7 laagste waarde teruggaande curve


Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft C – 1 1

Tabel C.4. Pocket penetrometingen

datum tijd bezwijkdruk [kg/cm2]

berekende schuifsterkte [kPa]

mengsel opmerkingen

01-05-03 23:15 1,5 , 2 , 1 30 102-05-03 8:30 1,2 , 1,6 , 1,8 30 202-05-03 8:30 1,6 , 1,6 , 1,9 34 302-05-03 10:30 7,5 , 7 , 7 144 102-05-03 10:30 3,7 , 3,8 , 2 , 3,8 , 3,5 68 202-05-03 10:30 2,2 , 2 , 2,8 , 3 , 2, 9 3 53 302-05-03 11:30 10 , 10,5 , 12, 10,5 214 102-05-03 11:30 5,5 , 6 , 6,5 , 7 125 202-05-03 11:30 5,5 , 3,5., 4, 5 , 6 96 302-05-03 13:15 10 , 14,5 , 9 , 10,5 , 11 220 102-05-03 13:15 9 , 7 , 7 , 7 150 202-05-03 13:15 8 , 7 , 8 , 7 , 6,5 146 302-05-03 15:30 14 , 15 , 10,5 ,12 ,11 250 102-05-03 15:30 11,5 , 12 , 10,5 , 12,5 232 202-05-03 15:30 8 , 10, 7, 6,6 , 8 , 11 168 302-05-03 17:20 11,5 , 12 , 13,5 , 15 260 102-05-03 17:20 15 , 15 , 15 , 15 290 202-05-03 17:20 13 , 10,5 , 10 , 9,5 216 302-05-03 19:30 >15 102-05-03 19:30 15 ,>15, >15 202-05-03 19:30 15 , 12, >15 280 302-05-03 20:50 1,5 , 1,7 , 2 , 2 36 402-05-03 23:30 3,4 , 2,2 , 2,7 , 2,7 55 403-05-03 10:00 12 , 10 , 11 , 10 216 403-05-03 13:15 15 , 15 , 14,5 296 4

Evaluatie grouting staartspleet Botlekspoortunnel, F300 - W050 Z3488 mei 2003

WL | Delft Hydraulics/GeoDelft D – 1

D Groutconsolidatie proef groutmortel Botlek Spoortunnel

Projectleider: ir. A. Bezuijen Projectbegeleider: ing. W.H. van der Zon Overige leden projectteam: ing. F.M. Schenkeveld J.W. van Pernis Inhoudsopgave

D.1 Inleiding 2 D.2 Groutconsolidatie 2 D.3 Proefresultaten 4 3.1. Compressieproeven 4 3.2. Consolidatieproeven 5 3.2.1. Consolidatie en doorlatendheid 5 3.2.2. Vinproeven 7 3.3. Metingen na afloop van de proeven 7 3.3.1. Pocket penetrometer tests 7 3.3.2. Uitgraven monster en metingen 8 D.4 Discussie 9 D.5 Conclusies + aanbevelingen 9 D.6 Referenties 10



D.1 Inleiding In het kader van een onderzoeksprogramma bij de Groene Hart Tunnel is bij GeoDelft een opstelling ontwikkeld om het consolidatie gedrag van grout vast te leggen. Dit is van belang voor het verloop van de sterkte ontwikkeling en stromingsweerstand van de grout. Ook kan een inschatting worden gemaakt hoeveel volumeverlies te verwachten is na het inpersen van grout in de staartspleet. De commissie F310 van het COB heeft verzocht om de grout dat voor de eerste tunnelbuis is gebruikt in dit consolidatieapparaat te beproeven. Dit om de consolidatie eigenschappen van dit grout vast te leggen samen met de reologische eigenschappen die door het WL | Delft Hydraulics worden bepaald. Het verrichtte consolidatie onderzoek bestond uit de volgende 2 onderdelen: • Genoemde groutconsolidatieproef met op verschillende tijden meting van de sterkte

met behulp van een vinproef. • 1 compressieproef in een oedometer om het spanningsrek gedrag van het groutmengsel

te bepalen.

Deze appendix geeft een korte beschrijving van de gebruikte opstelling voor de groutconsolidatieproeven en een beschrijving van de resultaten van beide proeven. Er wordt afgesloten met conclusies. Dit rapport beschrijft enkele experimenten op de bij de Botlekspoortunnel toegepaste grout. Dit betreft de grout van de eerste tunnelbuis. Compressie- en consolidatieeigenschappen zijn onderzocht. De grout blijkt een voldoend lage doorlatendheid te hebben, niet in gebruikte zandpakket te dringen en een redelijk sterkte te ontwikkelen. Het volumeverlies door consolidatie lijkt aan de hoge kant. Ook blijkt de aanvangssterkte relatief gering. De gebruikte theorie voor het uitwerken van de proeven wordt hier niet behandeld, daarvoor wordt verwezen naar [1].

D.2 Groutconsolidatie De gebruikte opstelling is schematisch weergegeven in Figuur 1. In een cel met een diameter van 0,285 m is een zandpakket aangemaakt van 10 cm hoogte. De d50 van het gebruikte zand is 440 µm. Dit zand is maximaal verdicht, zodat het volume van het zand nauwelijks zal variëren bij verschillende drukken. De doorlatendheid van dit zand is veel groter dan die van de grout en zal daarom het consolidatieproces niet beïnvloeden. Daar bovenop is grout aangebracht. Op de grout is een deksel aangebracht met een luchtdichte afsluiting. Dit deksel representeert de tunnellining. Door nu een druk aan te brengen op het deksel wordt gesimuleerd dat de grout met een bepaalde druk in de staartspleet wordt aangebracht. Door de druk zal vloeistof uit de grout in het zand worden geperst en het volume grout afnemen. Na vooraf bepaalde tijdstippen is de druk van de grout afgenomen en het deksel verwijderd. Met behulp van een vin werd de sterkte van de grout op verschillende diepten bepaald. Daarna is weer het deksel en de druk aangebracht tot het volgende tijdstip van vin bepaling. Deze procedure herhaalde zich totdat er geen water meer werd uitgeperst.



Nadat zich een stabiele situatie had ingesteld, werd de proef beëindigd en het monster uitgegraven. Dan werd onderzocht of er zichtbaar grout in het zandmateriaal was ingedrongen. Figuur 2 geeft een foto van de opstelling.

zand

grout

luchtdrukplunjer

drainage

0,284

0,2

0,1

afmetingenin meters

zand

grout

0,284

0,2

0,1

vin

Figuur D.2: Opstelling voor meting grout eigenschappen onder druk. Opstelling tijdens de vane proeven en tijdens drukbelasting als een grote consolidatiecel.

In de hier gerapporteerde proef was het plan gedurende 1 uur elke 10 minuten een vin test uit te voeren. Het bleek echter dat de grout relatief snel consolideerde. Daarom is slechts 4 keer een vinproef uitgevoerd. Deze vin test is steeds op een andere locatie in het monster uitgevoerd en per locatie op maximaal 4 verschillende dieptes. De vinproef meet alleen de sterkte van de grout wanneer deze sterkte lager is dan 10 kPa. Ook al is de grout nog niet uitgehard, dan kan de sterkte groter zijn dan 10 kPa wanneer er voldoende water is uitgeperst. Daarna is het monster gedurende enkele uren op druk gehouden. Ongeveer 7 uur na de aanmaak van het sample is het uitgebouwd. Bij het uitbouwen is met een pocket penetrometer de sterkte van het monster bepaald. Dit geeft een indicatie van de sterkte ongeveer 7 uur na het aanmaken van de grout.



container

drainage

Loadcell

Vesselto collectexpelledwater

vane

Figuur D.3: Testopstelling.

D.3 Proefresultaten 3.1 Compressieproeven De compressieproeven zijn uitgevoerd op 2 verschillende monsters die zijn genomen uit dezelfde batch waaruit ook het monster voor de consolidatieproeven is genomen. De resultaten van de proeven zijn weergegeven in Figuur 3..

/

0

50

100

150

200

250

300

350

span

ning

(kPa

)

0.00 0.02 0.04 0.06rek (-)

Figuur D.4: Resultaten compressieproeven.



De resultaten zijn gefit aan een machtsfunctie:

βαεσ =v (D.1)

Met: σv : de verticale spanning die wordt aangebracht op het monster (kPa) α : coëfficiënt (kPa) ε : de rek (vertikaal) (-) β : coëfficiënt (-) De resultaten van deze fit staan gegeven in onderstaande tabel. Parameter monster A α β

2,33*106

3,14 In vergelijking met andere proeven is de coëfficiënt “α” vergelijkbaar met andere proeven, maar is “β” lager. Dit betekent dat er ook bij kleinere rekken al sprake is van een zekere spanningsopbouw. 3.2. Consolidatieproeven 3.2.1. Consolidatie en doorlatendheid De opgelegde druk en het uitgeperste water als functie van de tijd zijn weergegeven in Figuur 4.

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

uitg

eper

stw

ater

(kg)

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

luch

tdru

k(k

Pa)

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000tijd (s)

gew. waterluchtdruk

Figuur D.5: Verloop consolidatieproef. Uitgeperst water (linker as) en luchtdruk als functie van de tijd.



In de figuur is duidelijk te zien dat de eerste tijd de luchtdruk een aantal keer is afgebouwd om de vintesten te kunnen uitvoeren. Verder blijkt dat er na ongeveer 5000 s een evenwichtswaarde wordt bereikt, maar daarna wordt er toch continu water uitgeperst. Na 8000 s is dit niet meer door consolidatie, maar is er een lekkage bij de bovenplaat ontstaan, waardoor de lucht (die de bovenplaat op druk houdt) in de grout lekt. Hierdoor wordt verder het water uit de grout gedrukt. Zoals verderop zal blijken is voor de resultaten van de proef vooral het eerste stuk van de kromme belangrijk. Toen was deze lekkage nog niet aanwezig. In de analyse van de metingen is aangenomen dat tijdens de perioden met lage luchtdruk de consolidatie stil stond. Om de resultaten te kunnen fitten met de in [1] besproken theorie zijn daarom de stukken met lage luchtdruk weg gefilterd uit de meetresultaten. Het resultaat en de fit (die alleen geldig is voor het eerste gedeelte van de proef) zijn weergegeven in Figuur 5.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

uitg

eper

stw

ater

(kg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

luch

tdru

k(b

ar)

0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000tijd (s)

gew. waterluchtdruk

Figuur D.5: Meetresultaten met hoge druk en fit aan theoretische kromme.



Ook deze figuur geeft tevens de luchtdruk. In vergelijking met Figuur D.4 is te zien dat de tussenliggende meetpunten met een luchtdruk lager dan 10 kPa zijn verwijderd. De fit is uitgevoerd aan de formule:

batV = (D.2)

met: V: het gewicht van het uitgeperste water (kg) a: coëfficiënt t: tijd (s) b: coëfficiënt (-) Omdat tb niet dimensieloos is, is ook de coëfficiënt a niet dimensieloos (maar heeft de dimensie kg.s-b) . Dit is geen probleem zolang alle parameters in de formule maar in de hier gegeven dimensie worden ingevoerd. Volgens de in [1] besproken theorie moet V evenredig zijn met vt, dus b=0,5. In de fit werd voor b 0,486 gevonden. Er is dus een goede overeenstemming met de theorie. Extrapolatie van de theoretische kromme geeft dat de grout na ongeveer 1.500 s is geconsolideerd (bij een constante druk van 100 kPa). Het uitgeperste water is dan volgens de "fit" gelijk aan de eindsituatie, zie ook de zwarte lijnen in de plot van Figuur D.5. In werkelijkheid duurt het wat langer, zoals ook in Figuur D.5 is te zien. Uitwerken volgens [1] levert een doorlatendheid van 1,5*10-7 m/s voor het samengeperste grout. Dit is een factor 5 tot 6 hoger dan bij eerdere proeven. Uit de meting blijkt verder dat er een rek van 10 % optreedt door het uitreden van water uit de grout. Door consolidatie wordt het volume dus met dat percentage kleiner. 3.2.2 Vinproeven De resultaten van de vinproeven zijn weergegeven in Figuur D.6. De grout heeft een lage aanvangsterkte van 0.6 kPa. Deze waarde loopt vrij snel op tot enkele kPa's totdat het belangrijkste deel van de grout is geconsolideerd. Bij de niet weergegeven meetpunten was het niet mogelijk om de sterkte te meten, omdat de sterkte van de grout al zo groot was (meer dan 10 kPa) dat de vin niet op die diepte te brengen was.

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0

schuifsterkte (kPa)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

hoog

tebo

ven

over

gang

grou

t-zan

d(c

m)

0 s600 s1200 s1800 s

tijd na startproef

Figuur D.6: Resultaten vinproeven.



De grout heeft 40 minuten in de cel gestaan voordat de proef begon. In die tijd heeft er al consolidatie plaatsgevonden ook al was er geen bovenbelasting. Er is al een duidelijke toename van de sterkte over de diepte op t=0 s (dit is de tijd dat er druk op het monster heeft gestaan). Wanneer er bij dit snel consoliderende grout gedurende 1800 s druk op de grout heeft gestaan is het al bijna geheel geconsolideerd. 3.3. Metingen na afloop van de proeven 3.3.1 Pocket penetrometer tests Evenals bij eerdere proeven zouden na afloop van de proeven pocket penetrometer tests uitgevoerd worden. Het bleek echter dat dit grout in korte tijd een sterkte ontwikkelde. 7 uur en 15 minuten nadat het mengen van het groutmengsel was gestopt, bleek de grout al een zodanige sterkte ontwikkeld te hebben dat het niet meer mogelijk was met een pocket penetrometer de sterkte te onderzoeken. Het kleinste voetje van de penetrometer was bij een kracht van meer dan 11 kg niet in de grout te drukken. Dit betekent dat de ongedraineerde schuifsterkte zeker groter was dan 285 kPa. Na consolidatie is er dus minder tijd nodig voordat de grout een grotere sterkte heeft. 3.3.2 Uitgraven monster en metingen Na afloop van de proeven is het monster voorzichtig uitgegraven. Daarbij is met name de overgang tussen de grout en het zand onderzocht. Als de grout in het zand dringt, zitten er te veel fijne delen in en kan dit aanleiding geven tot extra maaiveldzakkingen. Het bleek echter dat er geen vaste stof delen van de grout in het zand zijn gedrongen. Er was een scherpe 'één korrel' scheiding tussen de grout en het zand, zie Figuur D.7 en Figuur D.8. Ook bentoniet is niet in het zandpakket gedrongen, maar alleen het water uit de grout.

Figuur D.7 : Scheiding grout-zand na afloop van de proef.



Figuur D.8: Detail scheiding tussen grout en zand.

D.4 Discussie Er blijkt een behoorlijk verschil te zijn tussen de resultaten van de compressieproeven en de consolidatieproeven. Bij gelijke druk is de rek in consolidatieproef ongeveer 2 maal zo groot. Ook bij eerdere proeven zijn verschillen gemeten, maar nooit van deze omvang. Een vermoedelijke oorzaak is in paragraaf 3.3.1 genoemd. Daar bleek dat de grout onder druk sneller uithardde dan zonder druk. In de compressieproef is de belasting elke 10 minuten opgevoerd. Het is mogelijk dat bij de lagere belastingen de consolidatie al zorgt voor een sterkte toename van het monster. Bij een hogere belasting is er dan minder vervorming mogelijk. Om deze hypothese te toetsen zou aanvullend onderzoek nodig zijn. Wanneer de hypothese juist zou zijn, leidt dat tot een aanzienlijke complicatie bij de beschrijving van het groutgedrag. Nu is in rekenmodellen aangenomen dat bij toenemende belasting de vervorming alleen afhankelijk is van de belasting. Bij juistheid van de genoemde hypothese zou ook de belastingsgeschiedenis van belang worden. Uit metingen [groutrapport Botlek] is gebleken dat de groutdruk na het stoppen van de groutinjectie bij de Botlek veel sneller afneemt dan bij andere tunnelprojecten. Als vermoedelijke oorzaken zijn genoemd het ontbreken van een ondoorlatende bentoniet slurry laag van het boorfront (omdat met een EPB is geboord) en de hogere E-modulus van het zand bij de Botlek in vergelijking met andere projecten. Nu blijkt nog een derde verklaring mogelijk: de veel hogere consolidatiesnelheid van het Botlekgrout. Het is op dit moment niet te kwantificeren wat de bijdrage is van de verschillende mechanismen. Het lijkt er echter op dat de snellere consolidatietijd een dominante invloed heeft.

D.5 Conclusies + aanbevelingen Metingen aan de bij de eerste buis van de Botlek Spoortunnel gebruikte grout met de in de rapport beschreven meetapparatuur hebben geleid tot de volgende conclusies: 1. Met de beschreven apparatuur zijn de compressie en consolidatie eigenschappen vastgelegd. 2. De doorlatendheid van de grout is 1,5*10-7 m/s. Wanneer geboord wordt in Pleistoceen zand, zal de doorlatendheid van de grout bepalend zijn voor de consolidatiesnelheid. De doorlatendheid is ruim een factor 5 hoger dan die van de grout die bij de Sophia Spoortunnel is gebruikt. 3. De vaste delen van de grout en ook de bentoniet dringen niet in het zandpakket. De vloeistof in de grout en de daarin opgeloste delen doen dat wel.


WL | Delft Hydraulics/GeoDelft D – 1 0

4. In de huidige samenstelling is er bij een constante overdruk van 1 bar een samendrukking van het groutmonster van 10%. Dit betekent ook dat 10% van het volume van het groutmonster als poriewater in de omringende grond zal komen. Deze uitpersing heeft tot gevolg dat de groutdrukken afnemen na het inbrengen van de grout. 5. De schuifsterkte van de grout direct na het inbrengen in de staartspleet is 0,6 kPa. Dit is over het algemeen te laag om opdrijven van de liningelementen te voorkomen. Hierdoor zullen momenten in de langsrichting van de lining ontstaan. De sterkte neemt echter in korte tijd (orde 10 minuten) toe tot enkele kPa's en dat is voldoende om opdrijven te voorkomen. 6. De sterkte van de grout is na 7 uur al zodanig toegenomen dat deze niet meer met een pocket penetrometer te bepalen is (de ongedraineerde schuifsterkte is dan meer dan 285 kPa). Na consolidatie van de grout lijkt de sterkte sneller toe te nemen dan zonder consolidatie. De aanbevelingen zijn: 1. De uithardingsnelheid van de grout een ook de samendrukbaarheid lijkt afhankelijk van het watergehalte. Voor beschrijving van het groutgedrag rondom een tunnel is het van belang om dit resultaat te kwantificeren. 2. Volgens theoretische beschouwingen wordt de afname van de groutdruk na injectie rond de tunnellining bepaald door de consolidatiesnelheid van de grout en de doorlatendheid en stijfheid van de ondergrond. Het kwantificeren van de verschillende bijdragen is van belang, omdat daar uit volgt wat het watergehalte van de grout is bij uitharden en ook hoe de drukafname zal veranderen als een van de genoemde eigenschappen verandert. In principe is een theorie beschikbaar die kwantitatieve resultaten geeft, maar deze dient geverifieerd te worden met metingen.

D.6 Referenties [1] Bezuijen A., Talmon A.T. Groutdrukmetingen in de Sophia spoortunnel/Metingen en analyse beide buizen. DC/COB rapport, December 2002.

Evaluatie grouting staartspleet Botlekspoortunnel, …...door uitgeperst poriënwater van het grout...

Documents

Transcript of Evaluatie grouting staartspleet Botlekspoortunnel, …...door uitgeperst poriënwater van het grout...