O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e T u n n e l b o u w 84 cement 2007 2 De belangrijkste uitgangspunten van het boortunnelontwerp zijn: ? tunneldiameter: d uitw = 6,5 m d inw = 5,8 m ? dikte segment: 0,35 m ? ringverdeling: 7 segmenten + 1 sluitsteen ? ringkoppeling: 2 kom-nokverbindingen per segment, in de kwartpunten aangebracht; ? ringvoeg: 2 kaubitstroken, b = 80 mm en d = 5 mm, per kom-nokverbin- ding. De belastingen op de tunnel zijn groot, vooral waar de tunnel gedeeltelijk in de holocene kleila- gen is gelegen, waardoor grote vervormingen kunnen ontstaan. Dit brengt risico's met zich mee voor de waterdichtheid. Aangezien dit niet wenselijk is, is tussen de tunnelringen de kom- nokcon- structie toegepast, per ringvoeg twee per segment (foto 1). Koppel- krachten (representatief ) in de orde van grootte van 160 kN per kom-nokverbinding zijn berekend. Deze waarden zijn sterk afhanke- lijk van het stijfheidsgedrag van de kaubitstroken. De proevenseries bestonden uit zogenoemde kleine (basis) en grote proeven. Bij de kleine proeven zijn delen van de seg- menten gemaakt en vervolgens beproefd. Voor de grote proeven zijn volledige segmenten gemaakt en vervolgens tot bezwijken gebracht. De serie kleine proeven is uitge- voerd in het proeflaboratoriom van DSI-Dywidag Systems Inter- national in Lohhof bij München, de serie grote proeven in het labo- ratorium van de TU Delft. S e r i e k l e i n e p r o e v e n De kleine proeven zijn op basis van voorlopige berekeningen en de door de aannemer vastgelegde voegengeometrie uitgevoerd. De toegepaste betonsterkteklasse was C35/45. Afspatproeven PA (fig. 2) Via deze proeven is een niet-plan- matige verschuiving bij het inbou- wen van de segmenten onderzocht bij een proefkracht die minimaal overeenkomt met de gebruiksvij- zelkracht (18473 kN). De gebruiks- vijzelkracht is 60% van de maxi- maal geïnstalleerde vijzelkracht (30788 kN). Het doel hierbij was: ? het afspatgedrag van de kom- nok als gevolg van de verschui- ving te onderzoeken; ? de maximaal toelaatbare radiale verschuiving tussen twee ringen te bepalen; ? de invloed van het afdichtings - profiel te onderzoeken. Ringvoegproeven PR (fig. 3) Via deze proeven is de doorgifte van de langskrachten (vijzelkracht TBM) met het gekozen voegmate- riaal onderzocht. Het doel hierbij was: ? de breukkracht per lastinvoer - punt in de ringvoeg te bepalen; ? de invloed van een excentrische lastinvoer te onderzoeken; ? het beddingsgedrag van de last - doorgifteplaten (hardboard d = 3,2 mm) te bepalen; ? de juistheid van de toegepaste betonsterkteklasse te bevestigen. Stadsregio Rotterdam: Statenwegtunnel Proefnemingen segmenten boortunnel RandstadRail ir. E. Taffijn en ir. D.C. van Zanten, Ingenieursbureau Gemeentewerken Rotterdam In het bestek van de boortunnel RandstadRail Rotterdam zijn eisen gesteld met betrekking tot de betonnen segmenten. Een van de eisen betreft het beproeven van de segmenten om de juistheid van de, door de aannemer uit- gevoerde, detailengineering aan te tonen. Doel van deze proeven is de rekenaannamen met betrekking tot de sterkte en het (bezwijk) draagvermogen van de ring- en langsvoegconstructies, die het uitgangspunt vormen van de berekeningen, te verifiëren en indien nodig aan te passen. Ook moeten de proeven inzicht verschaffen in het belastings- en vervormingsgedrag van het gekozen voegmateriaal (kaubitstroken of hard- boardplaten) en de waterafdichtingsprofielen. 1 | Ko m - n o k c o n s t r u c t i e a b O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w cement 2007 2 85 Langsvoegproeven PL (fig. 4) Met deze proeven is de doorgifte van de ringkracht in de langsvoeg onderzocht. Het doel hierbij was: ? de breukkracht per strekkende meter in de langsvoeg te bepa- len; ? de voorziene wapening in het gebied van de langsvoeg te be- vestigen en indien nodig te ver- beteren; ? de invloed van een verdraaiing van de langsvoeg te onderzoe- ken. S e r i e g r o t e p r o e v e n Het doel van de serie grote proe- ven was het afschuifgedrag en de overbrenging van de koppelkracht in de ringvoeg te onderzoeken en zonodig te verbeteren. Vanuit de resultaten van de kleine proeven en de ontwerpberekenin- gen is een configuratie van de seg- mentwapening bepaald, die in de segmenten van de grote proeven is toegepast. Het principe hiervan is dat de komflank een toeslagwape- ning krijgt (fig. 8 en 10), terwijl de nok ongewapend is uitgevoerd. Per proef is gebruikgemaakt van drie tunnelsegmenten (foto 5), waarvan de buitenste twee via be- tonnen sokkels verticaal aan de la- boratoriumvloer zijn afgespannen. Het middelste tunnelsegment is verschuifbaar aangebracht en be- vat twee nokken en twee kommen. Uit de ontwerpberekeningen is ge- bleken dat een verschilrotatie ter plaatse van een kom-nok, de breukcapaciteit van deze verbin- ding substantieel doet afnemen door het gaan leunen op één zijde van de kom-nok. Om dit aspect in de proef te simuleren, zijn de vier nokken van de proefstukken ver- draaid vervaardigd met een rotatie- hoek ? = 8?. In langsrichting zijn de segmen- ten voorgespannen met een kracht van 240 kN ter wederzijdse stabili- teit van de proefstukken. De waar- de is gerelateerd aan een zo realis- tisch mogelijk samendrukken van het waterafdichtingsprofiel. De eigenlijke proefbelasting had dusdanig plaats, dat alleen het middelste proefstuk, dichtbij de kom-nokconstructies, werd belast (foto 5). Door middel van één proef konden op deze wijze vier kom-nokverbindingen worden ge- test. In deze proef is ook het stijfheids- gedrag van de kaubitstroken ge- meten. Er zijn twee proevenseries uitge- voerd met elk drie proefnemingen. R e s u l t a t e n s e r i e k l e i n e p r o e v e n Afspatproeven PA Ten aanzien van de verschuiving bij de ringmontage is gebleken dat een verschuiving ? 7 mm zonder nadelige gevolgen (beton-beton- contact en scheurvorming) kan worden opgenomen bij een proef- kracht van 25536 kN, te weten 82% van de maximaal geïnstalleer- de vijzelkracht. Vanwege de vorm en afmetingen van de kom-nokverbinding bleek bij grotere verschuivingen dan 7 mm de toelaatbare vijzelkracht sterk af te nemen. In het ontwerp is dientengevolge de maximale toelaatbare verschui- ving begrensd tot 7 mm. Ringvoegproeven PR Hierbij geldt de eis dat zonder be- zwijken of relevante schade de proefkracht overeenkomend met 1,44 (? ? f? ? ?? m? ) maal de maximaal ge- e e 350 560 280 350 e 55 55 55 55 weg 1/3 weg 2/4 weg 4 hartlijn kom weg 3 weg 2 weg 1 e 350 500 250 350 144 206 e 55 55 55 55 hartlijn druk- overdrachtsvlak hardboard plaat 300x210 - d=3,2 mm - + weg 1/3 weg 2/4 F weg 4 weg 3 weg 2 weg 1 250 500 350 175 175 350 e 175 103 103 144 55 55 55 55 144 + - - + e + - weg 1/3 weg 2/4 F hartlijn druk- overdrachtsvlak langsvoeg weg 4 weg 3 weg 2 weg 1 2 | Pr o e fo p s t e l l i n g PA . D e m e e t s e n s o r e n z i j n s c h e - m a t i s c h m e t ' We g ' a a n - g e g eve n 3 | P r o e fo p s t e l l i n g P R 4 | P r o e fo p s t e l l i n g P L O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e T u n n e l b o u w 86 cement 2007 2 installeerde vijzelkracht, in combi- natie met de hoekverdraaiing en excentriciteit, kan worden opgeno- men. Vanuit de proefresultaten is de ex- centriciteit van de lastinvoer (vij- zel) begrensd tot 40 mm en de hoekverdraaiing tot 10?. De gekozen geometrie en wape- ning van de ringvoeg, alsmede de aangehouden stijfheid van de hardboardplaten in de berekenin- gen, zijn door de proeven beves- tigd. Langsvoegproeven PL De proeven zijn uitgevoerd voor een aantal belastingsconfiguraties, waarvan twee extremen zijn te on- derkennen. Ten eerste de situatie waarbij de grootste normaalring- kracht optreedt in combinatie met de daarbij behorende hoekver- draaiing (? N k? = -2184 kN/m en ? = 1?). Vervolgens het tweede geval met de grootste hoekver- draaiing in combinatie met de aanwezige normaalringkracht (? N k? = -1728 kN/m en ? = 19?). Indien deze belastingsgevallen, met toepassing van een algehele veiligheidsfactor van 1,7, in de proef zonder schade dan wel be- zwijken kunnen worden opgeno- men, is de gekozen geometrie en wapening van de langsvoeg door de proeven bevestigd. De proefresultaten laten zien dat geen beschadigingen of scheuren op de contactvlakken van de langs- voegen zijn ontstaan (foto 6). In de ontwerpberekening van de tunnelsegmenten is de betoncapa- citeit van de langsvoegen bepaald via een beschouwing als beton- scharnier. Hoewel hier geen spra- ke is van een echt betonscharnier, geeft dit toch een goede benade- ring. Daarbij wordt een volgens de VBC toegestane verhoogde reken- waarde van de druksterkte toege- past. Bij een normaaldrukkracht van 1750 kN/m kan dan een mo- ment worden opgenomen van 125 kNm/m bij een rotatie van 14?. In figuur 7 is de toegepaste langs- voegconfiguratie weergegeven. R e s u l t a t e n s e r i e g r o t e p r o e v e n Eerste serie De wapeningsconfiguratie van de kom-nokken van de eerste serie van drie proeven is aangegeven in figuur 8. De komflank kreeg hier - bij een toeslagwapening, de nok is ongewapend. Per proef zijn vier kom-nokverbin- dingen aanwezig. Vanwege de lig- 10 90 3 72 72 30 33 40 103 144 103 350 400 62 40 14 3 7 6 7 86 dichtingssleuf 5 | Pr o e fo p s t e l l i n g s e r i e g r o t e p r o eve n . D e t we e b u i t e n s t e s e g m e n t e n z i j n o p d e l a b o r a t o r i u m v l o e r a f g e s p a n n e n , h e t m i d - d e l s t e s e g m e n t wo r d t d i r e c t n a a s t d e vo e g e n b e l a s t 6 | B e p r o e f d e l a n g s vo e g 7 | T o e g e p a s t e l a n g s vo e g - c o n f i g u r a t i e O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eT u n n e l b o u w cement 2007 2 87 ging van de segmenten zijn er echter twee representatief, omdat twee kom-nokken aan de binnen- en twee aan de buitenzijde worden belast. Per proevenserie waren er zodoende zes bruikbare resulta- ten. De kom-nokbreukkrachten die tij- dens de beproevingen (foto 9) zijn opgetekend, 200 à 250 kN per kom-nok, bleken aanzienlijk be- neden de te realiseren minimale breukkrachten te liggen. Na sta- tistische bewerking, waarbij het beperkt aantal proeven een rol speelde, resulteerde een toelaat- bare kom-nokkracht van circa 100 kN. Analyse van de kom-nokverbin- dingen toonde aan dat de kom aan de binnenzijde het zwakke element vormde. De gerealiseerde betondekking van de toeslagwa- pening bleek groter te zijn dan voorzien (~ 40 mm). Ook bleken de lasverbindingen tussen de toe- slag- en dwarswapening te zwak en waren deze staven te kort. De eerste proevenserie heeft ge- leid tot een verbeterde kom-nok- (wapenings)configuratie, een kwaliteitsimpuls voor het produc- tieproces en een tweede proeven- serie. Tweede serie Ten opzichte van de eerste serie is de toeslagwapening vermeerderd van 6Ø10 naar 10Ø10, zijn vier- punts krachtlassen toegepast en is de dwarswapening verlengd en ge- bogen uitgevoerd. Buiten deze aanpassingen loopt ook de toeslag- wapening iets verder de hoeken in, waarbij de dekking van de toe- slagwapening werd verkleind van 25 naar 20 mm (fig. 10). De nu gevonden breukkrachten waren substantieel hoger, 270 tot 320 kN per kom-nok (fig. 11). Na statistische bewerking resulteerde een toelaatbare kom-nokkracht van circa 160-170 kN. De betondekkingen hadden nu de juiste waarde (± 1 mm), derhalve tussen 19 en 21 mm. Naar aanlei- ding van de bezwijkbeelden (fig. 11, foto 12) kon worden ge- concludeerd dat de lasverbindin- gen goed waren uitgevoerd. In het ontwerp is voorzien dat de tijdelijke bouten worden aange- bracht ter hoogte van de kom-nok- verbindingen. Vanuit beide proef- serieresultaten kon worden geconcludeerd dat de schroefgaten 40 32 25 25 40 binnen buiten toeslagwapening 6Ø10 dwarswapening van de toeslagwapening 2-punts hechtlas 8 | De t a i l ko m wa p e n i n g e e r- s t e s e r i e 4430 25 25 20 34 20 binnen buiten +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 toeslagwapening 10Ø10 dwarswapening van de toeslagwapening 4-punts krachtlas 9 | Be z we ke n ko m c o n s t r u c- t i e e e r s t e s e r i e 1 0 | D e t a i l ko m wa p e n i n g t we e d e s e r i e 0 50 100 150 200 250 300 350 0 168 191 283 454 638 1010 1186 1332 1461 1503 2001 tijd (s) kracht (kN) kom-nok 1kom-nok 2 1 1 | Ka r a k t e r i s t i e k k r a c h t- t i j d d i a g r a m t we e d e s e r i e 1 2 | B e z we ke n ko m c o n s t r u c t i e t we e d e s e r i e O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e T u n n e l b o u w 88 cement 2007 2 voor deze bouten geen draag- krachtverminderende invloed heb- ben. De proeven zijn uitgevoerd bij een verdraaiingshoek ? = 8?, groter dan de rekenkundig bepaalde hoek van 6? die bij de maximale koppelkracht behoort. Derhalve is in de proeven voldoende rekening gehouden met deze invloed. P r o e f p r o d u c t i e Nadat de verschillende beproevin- gen waren uitgevoerd is de proef- productie opgestart. Tijdens de proefproductie bleek dat de te han- teren toleranties op de maatvoe- ring en plaatsing van de wape- ningskorven aanleiding konden geven tot grotere dekkingen. Dit was met name van belang bij de toeslagwapening in de kommen, waar de wapening juist zoveel mo- gelijk tot in de hoek was doorge- zet. Een productietolerantie op de plaatsing van de komwapening van maximaal 5 mm was echter wenselijk (fig. 13). Dit heeft er toe geleid dat, voor lo- caties in het boortunneltracé waar grote koppelkrachten zijn bere- kend, de toeslagwapening ther- misch verzinkt is uitgevoerd (foto 14). Toepassing van deze ver- zinkte wapening van de kom gaf namelijk de mogelijkheid dat de dekking van deze staven kon varië- ren tussen 15 en 20 mm. Aanvul- lend onderzoek heeft aangetoond dat deze oplossing niet nadelig uitwerkt op de duurzaamheid van de tunnelconstructie. Voor locaties in het boortunneltra- cé met lagere koppelkrachten kon worden volstaan met de wape- ningsconfiguratie volgens de twee- de proevenserie, maar met accep- tatie van een grotere dekking van de toeslagwapening, namelijk tus- sen 20 en 30 mm. Met betrekking tot de kaubitstro- ken hebben de proeven als resul- taat opgeleverd dat het in de bere- kening gehanteerde stijfheids- verloop marginaal iets groter was dan uit de proeven naar voren kwam. Een en ander betekent dat de in de berekening gehanteerde stijfheid heeft geleid tot iets grote- re koppelkrachten. C o n c l u s i e De in het bestek vastgelegde werk- wijze met beproeving van de seg- menten heeft ertoe geleid dat de krachtswerking van de segmenten voorafgaande aan het productie- proces kon worden geoptimali- seerd en getoetst. Met name voor die onderdelen van de boortunnel waar de krachtswerking complex is, zoals de kom-nokverbinding, is de uitvoering van 1:1 beproevin- gen noodzakelijk gebleken. n 1 4 | Th e r m i s c h ve r z i n k t e ko m wa p e n i n g 4330 25 25 13 33 20 binnen buiten +5/0 +5/-5 +5/-5 +5/-5 +5/-10 +5/-5 +5/-5 toeslagwapening 10Ø10 - thermisch verzinkt dwarswapening van de toeslagwapening 4-punts krachtlas 1 3 | De t a i l ko m wa p e n i n g s p e c i f i e ke s e g m e n t e n , zo a l s i n ove r g a n g P l e i s t o c e e n - H o l o c e e n