CONDITIONERING VANZAND ......Hoofdstuk6, Hoofdstuk7, Hoofdstuk8, 3 Grondconditionering...

CONDITIONERING VAN ZAND-GROND VOOR UITBREIDING VAN

DE INZETBAARHEID VAN HETGRONDDRUKBALANSSCHILD

S. van der Woude

03

CONDITIONERING VAN ZANDGROND VOORUITBREIDING VAN DE INZETBAARHEIDVAN BET GRONDDRUKBALANSSCBILD

s.van der W oude,Augustus 1996,

student Ingenieurs Geologie,Technische Universiteit Delft,

interfacultaire werkgroep;"Gebruik van de Ondergrondse Ruimte",

SAMENVATTING

De verkeers- en vervoersinfrastructuur in Nederland zal de komende jaren worden uitgebreid.Door gebrek aan ruimte wordt de uitbreiding van infrastructuur bemoeilijkt. Ondergrondseconstructie met behulp van schildsystemen is een technisch haalbaar altematief, voor aanlegvanafhet maaiveld. In het westelijk gedeelte van Nederland wordt de ondergrond geken-merkt door een afwisselling van cohesieve en niet-cohesieve lagen met losse pakking en hogegrondwaterstand. In deze omstandigheden komen het vloeistofschild en het gronddrukbalans-schild in aanmerking voor tunnelbouw. Grofweg is het gronddrukbalansschild inzetbaar incohesieve grond en het vloeistofschild in niet-cohesieve grond. Een schild dat toepasbaar is inzowel cohesieve als niet-cohesieve grondsoorten is ideaal voor tunnelbouw in dit gedeeltevan Nederland. Hiervoor moet de inzetbaarheid van de schildsystemen worden uitgebreid.

Het gronddrukbalansschild wordt algemeen beschouwd als een eenvoudiger en goedkopersysteem. De grond in het gronddrukbalansschild moet functioneren als ondersteuningsmedi-urn en moet derhalve steundruk kunnen overdragen, slecht doorlatend, goed vervormbaar engemakkelijk transporteerbaar zijn. Door toevoegingen kunnen de eigenschappen van grondveranderd worden (grondconditionering) zodat de oorspronkelijke grond voldoet aan de eisenvoor een ondersteuningsmedium. Hiermee wordt de inzetbaarheid van het gronddrukbalans-schild vergroot. Zandgrond voldoet niet als ondersteuningsmediurn en moet worden gecondi-tioneerd zodanig dat de permeabiliteit verlaagd wordt, de vervormbaarheid verbeterd en desamendrukbaarheid en elasticiteit worden verhoogd. Toevoeging van bentoniet-suspensiesmet hoog volurnegewicht, schuim en polymeergel worden in de praktijk gebruikt om deeigenschappen van zand te veranderen. Uit experimenten en literatuuronderzoek is geblekenhoe deze conditioneermiddelen werken en wat de zwakke punten van de verschillendeinjectiesystemen zijn. Hierbij is in het bijzonder gekeken naar de conditionering van middel-grof korrelig zand, dat veel voorkomt in Pleistocene afzettingen, en dat in het verleden veelproblemen heeft veroorzaakt bij tunnelconstructie met gronddrukbalansschilden.

Hoge dichtheid suspensies (HDS) werken op basis van waterbinding. Vanwege de hogezwichtspanning van dit conditioneermiddel, is het niet in staat de formatie te penetreren endaarbij het grondwater te verdringen. Al het aanwezige grondwater wordt in de grondbrijopgenomen en moet door de HDS worden gebonden zodat geen vloeibare maar een plastischvervormende grondbrij ontstaat. HDS geconditioneerde grondbrij is daarmee gevoelig voorfluctuaties in het watergehalte van de oorspronkelijke grond.

Schuim penetreert de formatie en verdringt daarbij het grondwater. De grondbrij die ontstaatis slecht doorlatend, goed vervormbaar en droog. De schuimbellen in de grondbrij zijnsamendrukbaar, waardoor fluctuatie in de aangebrachte steundruk uitgedempt worden.Schuimconditionering is gevoelig voor variaties in de poriengrootte en permeabiliteit van deoorspronkelijke grond.

i

Bij conditionering met polymeergel moet een optimum worden gevonden tussen lagezwichtspanning, diepe penetratie en hoge viscositeit voor de vorming van een plastischvervormende en laag permeabele grondbrij. Dit vereist een nauwkeurige afstelling envoortdurende aanpassing van de concentratie van de polymeren.

Bij conditionering van zandgrond is het belangrijk dat de oorspronkelijke grondparametersbekend zijn en dat de eigenschappen van de grondbrij voortdurend worden gecontroleerd.Voor zandgrond moeten de wrijvingshoek, cohesie, korrelgrootte verdeling, volumegewicht,porositeit, poriengrootte en permeabiliteit nauwkeurig worden bepaald. De werking van deconditioneermiddelen is gevoelig voor variaties in deze grondparameters. Het is van belangom fluctuaties van de waarden van de verschillende grondparameters op voorhand te kennen,zodat het injectiesysteem tijdig kan worden aangepast. Hierbij kunnen instrumenten dievanuit de tunnelboormachine metingen verrichten uitkomst bieden.

Op basis van het verrichte onderzoek lijkt het gronddrukbalansschild met schuimconditione-ring goed toepasbaar in de Nederlandse ondergrond. Experimenten waarbij de omstandighe-den tijdens ontgraving en in de tunnelboormachine beter worden benaderd dan bij deexperimenten die in het kader van dit onderzoek zijn uitgevoerd, moeten aantonen of dit ookdaadwerkelijk het geval is. Verder onderzoek naar de optimale eigenschappen van hetondersteuningsmedium en het functioneren van de conditioneermiddelen moet wordenuitgevoerd zodat het gronddrukbalansschild nauwkeuriger kan worden bestuurd en probleem-loos kan worden toegepast in zandgrond.

ii

VOORWOORD

Dit onderzoek is uitgevoerd ter afsluiting van de studie Mijnbouwlrunde en Petroleum winningin de richting Ingenieursgeologie, aan de Technische Universiteit Delft. Het onderzoek isuitgevoerd bij de sectie Geotechniek aan de faculteit Civiele Techniek van de TechnischeUniversiteit Delft, in het kader van de interfacultaire werkgroep; "Gebruik van de Onder-grondse Ruimte" (GOR) van de de faculteit Civiele Techniek. Het GOR wordt gecoordineerddoor de leerstoel Ondergronds Bouwen van de faculteit Civiele Techniek, de leerstoel isingesteld parallel aan de oprichting van het Centrum Ondergronds Bouwen (COB). Hetonderzoek heeft plaats gevonden vanjanuari tot augustus 1996 en is afgesloten met eenpresentatie op 27 augustus 1996.De directe begeleiding van het onderzoek is geleverd door de leden van de afstudeercommis-sie. Deze bestaat uit:

Prof Jr. D.D. Genske (MP, ingenieursgeologie)Prof Jr. E. Horvat (CT, ondergronds bouwen)Prof II. A.F. van Tol (CT, geotechniek)Jr.B. Polen! Ir.W. Broere (CT, geotechniek)Jr. lA. Ringers (Visser & Smit Hanab)Drs.P.N.W. Verhoef(MP, ingenieursgeologie)

Graag wi! ik de leden van de afstudeercommissie bedanken voor de bijdrage die zij hebbengeleverd aan dit onderzoek. Ik heb veel geleerd van hun kennis en instructies.

Verder ben ik dank verschuldigd aan de mensen en bedrijven die mij hebben voorzien vanmateriaal, apparatuur en kennis welke onmisbaar waren voor de uitvoering van dit onderzoek.Ad Verhagen van het laboratorium van de Koninklijke Militaire Academie in Breda voor hetuitlenen van zijn schuimgenerator, Alberto lannaci van Lamberti spa. voor de levering vanschuimstoffen, Jaap Groen van Cebo Holland voor het uitlenen van zijn shear-o-meter. WillenVerwaal, van de vakgroep ingenieursgeologie voor het lenen van de vintest apparatuur. OscarVos ben ik dankbaar voor het verstrekken van de geotechnische gegevens van de Botlek-spoortunnel. Ulrich Maidl van Billfinger und Berger die mij voorzien heeft met nuttigeopmerkingen en adviezen ben ik tevens dank verschuldigd.In het bijzonder wi! ik de heren Gert Klaassen, Hans Ringers, Adriaan van Seeters en FransVerduin van Visser & Smit Hanab bedanken voor hun ondersteuning, ideeen en de prettigesamenwerking.

Ten slotte wi! ik Gea Datema, Jacco Haasnoot, Edwin van der Holst en Rob Zilver bedankenvoor hun geduldige nakijkwerk en zinvolle opmerkingen.

Sallo van der WoudeAugustus 1996.

III

INHOUDSOPGAVE

Samenvatting

V 0orwoord

Hoofdstuk 1 Inleiding1.1 Algemeen1.2 Probleemstelling1.3 Doelstelling1.4 Plan van aanpak1.5 Rapportindeling

Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines2.1 Inleiding2.2 Vloeistofschild2.3 Gronddrukbalansschild2.4 V 0or- en nadelen van het EPB- en vloeistofschild

Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium in EPB-schild3. 1 Inleiding3.2 Permeabiliteit3.3 Vervormbaarheid of consistentie3.4 Samendrukbaarheid en elasticiteit3.5 Abrasiviteit3.6 Kleverigheid

Hoofdstuk 4 Conditioneermiddelen4. 1 Inleiding4.2 Conditioneermiddelen Algemeen4.3 Bentoniet en hoge dichtheid suspensie4.4 Schuim4.5 Polymeergel

Hoofdstuk 5 Praktijk studie5.1 InIeiding5.2 Constructie van metrolijn nr.5 inValencia, Spanje5.3 Constructie van metrolijn nr.12, traject 2 in Tokyo, Japan5.4 Kruising van transportleiding met ringvaart in Zevenhuizen, Zuid-Holland5.5 Bot1ekspoortunne~ toekomstig proefproject voor grote diameter

tunnel constructie.5.6 Discussie (vergelijking van de vier praktijkprojecten)5.7 Conc1usies

IV

1

ill

12223

56911

151516202122

2525283445

49495562

697677

Hoofdstuk 6 Testprogramma6.1 Inleicling6.2 Grondmonsters6.3 Conditioneermiddelen6.4 Grondbrij (mengsels van zand, water en conditioneermiddel)6.5 Conclusies

79798296113

Hoofdstuk 7 Conclusies 115

Hoofdstuk 8 Aanbevelingen 117

Referentielijst 119

v

Hoofdstuk 1 Inleiding

HOOFDSTUK 1 INLEIDING

1.1 ALGEMEEN

1.1.1 Maatschappelijk relevantie

Om de prominente positie van Nederland als hande1s- en transportland te behouden zal m dekomende jaren de verkeers- en vervoersinfrastructuur m Nederland worden verbeterd enuitgebreid. Door het kabinet Kok zijn extra middelen beschikbaar gesteld voor uitbreidffig vande infrastructuur. In stedelijk gebied is het in veel gevallen onmogelijk om ruimte te creerenvoor nieuwe infrastructuur. In rurale gebieden wordt, als gevolg van recreatie- en milieuover-wegingen, bovengrondse aanleg van nieuwe verkeerswegen steeds vaker als ongewenstbeschouwd. Ondergrondse constructie met behulp van schildsystemen is een technischhaalbaaraltematiefvoor constructie aan de oppervlakte. Op dit moment zijn een aantalboortunnelprojecten in voorbereidffig. De Heinenoordtunnel en de Botlekspoortunne1 zijnproefjJIojecten met als doel ervaring op te doen met grote diameter boortunnels in deNederlandse ondergrond. Andere boortunnelprojecten die in de toekomst hoogstwaarschijn1ijkuitgevoerd zullen worden zijn de Westerschelde-oeververbinding, de Noord-Zuidlijn voor demetro in Amsterdam en een deeltraject van de Hogesnelheidslijn door het groene hart. Naastdeze grote diameter tunnels worden net als m de laatste jaren, op grote schaal transportlei-dingen voor olie, gas, afval- en drinkwater geboord.

1.1.2 Schild system en voor de Nederlandse ondergrond.

In de Nederlandse ondergrond, die gekenmerkt wordt door jonge sedimenten zonder cementa-tie met losse pakking en hoge grondwaterspiege~ moet om een tunnel te kunnen aanleggen,de grond worden ondersteund. Bij ondergrondse constructie gebeurt dit met behulp van eenschild. Omdat ook het boorftont waar de grond afgegraven wordt instabiel is als deze nietondersteund wordt, moet de afgraving worden gecombineerd met ondersteuning. Voor deNederlandse ondergrond komen twee principes voor de ondersteuning van het boorftont maanmerking: ondersteuning met vloeistof(vloeistofschild) en ondersteuning door middel vande afgegraven grond zelf (gronddrukbalansschild). Het gronddrukbalansschild wordt algemeenbeschouwd als een eenvoudiger en goedkoper systeemBij tunne1constructie met schildsystemen worden eisen geste1d aan de te ontgraven grond.Omdat de ontgraven grond bij een gronddrukbalansschild dienst doet als ondersteuningsmedi-um worden in vergelijking met het vloeistofschild meer en strengere eisen gesteld aan deeigenschappen van de grond. Grond met een hoog gehalte aan fijne delen en een geschiktwatergehalte voldoet aan deze eisen. Als de oorspronkelijke grond niet de gewenste eigen-schappen heeft kunnen deze worden veranderd met conditioneerstoffen. Hiermee wordt hetinzetbaarheid van het gronddrukbalansschild uitgebreid. Het schild is op dit moment reedseconomisch inzetbaar in grondsoorten die in het verleden een ander type schild vereisten.

1

Grondconditionering in het EPB-schild

1.2 PROBLEEMSTELLING

Algemeen beschouwd bestaat de Nederlandse ondergrond uit een afwisseling van cohesieve enniet cohesieve lagen. Het vloeistofschild is inzetbaar in niet cohesieve grond (zandgrond). Hetgronddrukbalansschild is inzetbaar in cohesieve grond (kleigrond). A1sbij een project wordtbesloten om gebruik te maken van 6en type tunnelboormachine dan kunnen problemenontstaan als langs het traject verschillende grondsoorten ontgraven moeten worden. Aanne-mers die pionierswerk hebben verricht op het gebied van tunnelconstructie in Nederlandhebben dit probleem aan den lijve ondervonden.Door toepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschildworden uitgebreid zodat ook niet cohesieve grond met een gronddrukbalansschild ontgravenkan worden. Met de toepassing van de recent ontwikkelde schullninjectietechnologie zijngoede resultaten geboekt in niet cohesieve grond. In Nederland is echter weinig kennisaanwezig omtrent de toepassing en werking van conditioneerstoffen voor niet cohesievegrond.

1.3 DOELSTELLING

Het doe! van dit onderzoek is de kennis op het gebied van grondconditionering voor toepas-sing in gronddrukbalansschilden te vergroten. Hierbij wordt in het bijzonder gekeken naarconditionering van de eigenschappen van zand, werking van de verschillende conditioneerstof-fen en zwakke punten van de verschillende conditioneersystemen. Dit onderzoek kan wordengezien als verkenning van de recente ontwikkelingen op het gebied van grondconditioneringbij gronddrukbalansschilden. Msluitend worden een aantal aanbevelingen voor verderonderzoek gedaan.

1.4 PLAN VAN AANP AK

Als eerste is een literatuurstudie uitgevoerd. Hierbij is achterhaald wat de mogelijkheden zijnvan de verschillende schildsystemen, wat de ideale eigenschappen zijn van de grondbrij in dewerkkamer van een gronddrukbalansschild en hoe en met welke middelen de oorspronkelijkegrondcondities veranderd kunnen worden opdat een ideale grondbrij gevormd wordt.Vervolgens zijn een aantal praktijkstudies uitgevoerd waarin conditionering van zandgrondcentraal staat. Hieruit is gebleken dat het gronddrukbalansschild succesvol kan werken inzandgrond.

2

Hoofdstuk 1 Inleiding

Tenslotte is een testprogramma uitgevoerd om te begrijpen hoe de verschillende conditioneer-stoffen werken en te achterhalen wat de zwakke plekken van de verschillende conditioneersys-temen zijn. Zodat kan worden bepaald of middelgrofkorrelig grindhoudend zand, dat veelvoorkomt in het Pleistoceen, kan worden geboord met een gronddrukbalansschild.Gedurende de verschillende stadia van het onderzoek is informatie uitgewisseld en zijngesprekken gevoerd met deskundigen op het gebied van grondconditionering en tunnelcon-structie. In deze gesprekken zijn problemen uit de praktijk, recente ontwikkelingen enbeperkingen van de verschillende systemen besproken.

1.5 RAPPORTINDELING

Na een inleidend deel dat bestaat uit een voorwoord, samenvatting en dankwoord worden debevindingen tijdens het afstudeeronderzoek gepresenteerd in acht hoofdstukken. HierondervoIgt de hoofdstukindeling.Hoofdstuk een is een algemene inleiding. In hoofdstuk twee, drie en vier worden achtereenvol-gens het principe en de inzetbaarheid van het vloeistofschild en het gronddrukbalansschildbesproken, de optimale eigenschappen van de door een gronddrukbalansschild te ontgravengrond en de conditioneermiddelen die worden gebruikt om de eigenschappen van deze grondte veranderen. De informatie in deze hoofdstukken is gebaseerd op literatuurstudie. Inhoofdstuk vijfworden vier praktijkstudies besproken, waarin niet cohesieve grond is ontgra-yen met een gronddrukbalansschild. De informatie voor deze praktijkstudies is verkregen uitde literatuur en via de bedrijven die bij deze projecten betrokken zijn. In hoofdstuk zes wordende resultaten van de laboratorium experimenten besproken. Het verslag sluit met een aantalconc1usies en aanbevelingen in hoofdstuk zeven en acht.

Hoofdstuk 1,Hoofdstuk 2,Hoofdstuk 3,

inleiding en problematiek.principe en inzetbaarheid van het vloeistof- en gronddrukbalansschild.ideale eigenschappen van de grondbrij in de werkkamer van hetgronddrukbalansschild.fimctie en werking van de drie belangrijkste conditioneerstoffen.praktijkstudies van tunnelprojecten waarbij zandgrond ontgraven wordtmet gronddrukbalansschilden.

testprogramma naar fimctioneren van de conditioneermiddelen.conc1usies.aanbevelingen.

Hoofdstuk 4,Hoofdstuk 5,

Hoofdstuk 6,Hoofdstuk 7,Hoofdstuk 8,

3


4

Hoofdstuk 2 Tunnelboonnachines

HOOFDSTUK 2 TUNNELBOORMACHllffiS

2.1 INLEIDING

In veel tunne1projecten heeft de ondergrond niet voldoende samenhang om zonder ondersteu-ning een tunnel te boren; er is een schild nodig dat de grond weerhoud in te storten en dat hetgrondwater buiten de tunnel houdt. Aan de voorzijde van het schild wordt de grond ontgra-Yen. Bij losgepakte grond moet ook dit graaffront worden ondersteund. Het graaffront kanmechanisch worden ondersteund, met behulp van luchtdruk, gronddruk of vloeistofdruk. Ineen tunnelboormachine met een graafwiel waarin weinig openingen zitten (gesloten graafwielgenoemd), wordt het boorfront ondersteund door een combinatie van mechanische ondersteu-ning en ondersteuning door het materiaal in de werkkamer.In de afgelopen decennia zijn een groot aantal Tunnelboormachines (verder aan te duiden alsTBM) ontwikkeld voor verschillende typen ondergrond. Voor tunnelboringen in deNederlandse ondergrond komen twee typen schildmachines in aanmerking; het gronddrukba-lansschild en het vloeistofschild.De twee type TBM verschillen in de manier waarop steundruk aan het graaffront, ook welboorfront genoemd, wordt overgebracht. Bij gronddrukbalansschilden wordt de steundrukovergebracht door de ontgraven grond, bij het vloeistofschild wordt de steundruk geleverddoor een vloeistof Het principe, de opbouw en de inzetbaarheid van de twee verschillendeTBM's zal in de volgende paragrafen behandeld worden.De inzetbaarheid geeft aan in welke grondcondities een type TBM succesvol kan wordeningezet. Bij het bepalen van de inzetbaarheid spee1tde korrelverdeling van de grond eenbelangrijke ro!. In de literatuur is tot nu toe voomamelijk aan de hand van de korrelgrootteverdeling bepaald welk type tunnelboormachine ingezet dient te worden. Gronddrukba-lansschilden werken optimaal in cohesieve gronden met een plastische consistentie.

Scheidingswand Steunvloeistof Grondbrij

Drukwand Drukwand

Lucht -+ ~

,=II Schroefvij zel'loeistof ciculatie =,'>:':'"

Vloeistofschild Gronddrukbalansschild

Figuur: 2.1 Principe van Hydro-schild en EPB-schild. Maidl, U (1995), figuur 1-2.

5

klei silt I zand rind I

: i i I ! I I .-I : I I 1/ 1/I

I /1/I /

...

//I / ...

/' ... -. ...- I......""...'".-Y

: ,I", ,....", I', A I. -,..." VI

- -. -t '!l ~1" /' i

Giondconditionering in het EPB-schild

Vloeistof schilden zijn het best toepasbaar in cohesieloze gronden die bestaan uit grofmateriaal zoals zand en eventueel ook grind. Beide methoden hebben echter een ontwikkelingdoorgemaakt zodat een duidelijke tweedeling van inzetbaarheid niet meer reee! is, zie figuur2.1 en 2.2. Het inzetbaarheid van beide machines is vergroot en de grenzen van de grenzenvan inzetbaarheid overlappen.

Grenzen van inzetbaarheid van EPB- en Hydroschild

100

~ 90

-; 80

:! 70III

a. 60

:: 50N

1; 40"tI.. 30CD.:! 20ctJ 10

~ 00.001 0.01 0.1

-grens Iinzetbaarheid iHydroschild

-grensinzetbaarheidHydroschild

- - - - - - - grens

inzetbaarheidvan s:'B-schild

-1 Essen

-2 Milaan

10 100

:

zeefdiameter (mm) i1 I

Figuur: 2.2 Inzetbaarheid van EPB- (links van grens) en vloeistofschild (tussen de grenzen). Lijn I isde zeeflcromme van grand uit Essen die is afgegraven met een Hydroschild, lijn 2 is zeetkromme vangrand die is afgegraven met een EPB-schild. Bijde schilden zijn ingezet ver buiten het optirnaleinzetbaarheidsgebieden, naar Maidl, U. (1995).

2.2 VLOEISTOFSCHILDEN

De ontwikkeling van de vloeistofschilden gaat veel verder terug in de tijd dan die van de EPB-schilden. AI in 1874 werd een patent verleend aan Greathead voor een tunnelboormachine dieals voorloper van de huidige vloeistofschilden is te beschouwen, zie figuur 2.3. Vanaf eind

jaren 60 bestaat een groeiendebelangstelling voor de uitvoeringvan geboorde tunnels in grond.Met de toenemende groei ontwik.-kelen de TBM's zich sneI, waarbijaanvankelijk de nadruk ligt opboomontondersteuning met be-hulp van vloeistof Het vloeistof-schild heeft in Japan, Engeland enDuitsland "onafhankelijk" ontwik.-kelingen doorgemaakt.

Figuur: 2.3, Vloeistofschild van "Greathead". Maidl, B (1995)

6

Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines

In Japan resulteert dit m het "slurry shield". In Duitsland zijn naast het vee1 gebruikte "hydro-shield" verscheidene variant en ontwikkeld zoals het "mixshie1d", "hydrojetshield" en "thix-shield" zie figuur 2.4. De eerste tunnels met een vloeistof schild worden achtereenvolgens mJapan 1970, Engeland 1971 en Duitsland m 1974 gebouwd.

Bij de vloeistofschilden wordt de steundruk geleverd door een suspensie van bentoniet of nietzwellende kleien. De suspensie wordt m de gesloten werkkamer gepompt, zodat de druk kanworden geregeld. De suspensie drIDgtm de grondformaties, die zij vervolgens bijna ondoorla-tend maakt door de vormmg van een filterkoek. De filterkoek zorgt voor afsluitmg van hetboorftont zodat de vloeistof in de werkkamer onder druk kan worden gezet en voor stabiliteitvan de mdividuele korrels m de matrix. Er zijn ook deskundigen die beweren dat de steundruk

geleverd word door hetgraafwiel. De vloeistofdrukdraagt slechts m geringe ma-te bij aan de ondersteuningvan het boorftont, Mori(1995). Deze bewering isaannemelijk voor TBM's meteen gesloten graafwiel. Doorontgraving wordt de filter-koek voortdurend afgebro-ken en opnieuw opgebouwd.Het ontgraven materiaal ende suspensie worden m dewerkkamer vermengd envervolgens verpompt. Deondersteuningsvloeistof doetdan dienst als transportmedi-um Aan het oppervlak wor-den ontgraven materiaal ensuspensie van elkaar geschei-den met behulp van eenscheidingsmstallatie.De verschillende constructievarianten van vloeistofschil-den berusten op verschillenm ontgraving en op deaanwezigheid van lucht-drukbuffers.

2.2.1 Principe en machine opbouw

Vloeistofschild

graafwiel~drukwandJ

jl:E VloeistofL-.J buffer

Thixchild

.L-

Cutterbagger ~ --drukwand ---3.~ --

CF Vloeistofbuffer

Hydro schild

lucht

~.

vloeistofgraaiwiel --

scheid~gswand --drukwand ==

Hydr()jetschild

waterJet~scheidingswand"'"

drukwand ,J:

"""""

Luchta:.

~

---

Figuur: 2.4 Principe opbouw van de verschillende vloeistofscbildsyste-men. Maidl, B (1995), figuur 10-4.

7

klei silt zand grind

II f"~V

1 / V/

/ 2 ,I

l//'

~/

i/ - "--


De luchtdrukbuffer is in Duitsland ontwikkeld en dient om drukwissellingen in de werkkameruit te vlakken, zodat de druk aan het boomont stabieler is en het ontgravingsproces beter tecontroleren is. Afgraving vindt plaats met behulp van een graafwiel, "Slurry shield" en"hydroshield" , door een bewegende snijkop "thixshield" of door water onder hoge druk tegenhet boomont aan te spuiten "hydrojet shield", zie figuur 2.4.Ontgraving met een graafwiel verdient de voorkeur in de losgepakte Nederlandse grondsoor-ten omdat deze in (gedeeltelijk) gesloten vorm zorgt voor mechanische ondersteuning van hetboomont. Door de aanwezigheid van een luchtbuffer in het "hydro"-schild kan de steundruknauwkeuriger worden afgesteld dan bij het "slurry"-schild, het ''hydro''-schild verdient daaromde voorkeur in de Nederlandse ondergrond. In de volgende paragrafen wordt bij de besprekingvan het vloeistofschild het ''hydro''-schild in het bijzonder bedoeld.

2.2.2 Bodemgesteldheid en inzetbaarheid

Vloeistofschilden functioneren het best in zandgrond. Hier zijn de omstandigheden ideaal voorde vorming van een filterkoek, en de gronddeeltjes mengen goed met de transportvloeistofOmdat de scheiding van suspensie en grond duurder wordt naarmate de korreldiameterafueemt is er wat korrelgrootte betreft een economische inzetgrens voor vloeistofschilden.Technisch gezien zijn er ook grenzen aan de inzetbaarheid met betrekking tot de korrel-verdeling zie figuur 2.5. Is de grond te grofkorrelig dan ontwijkt alle suspensie en wordt ergeen filterkoek opgebouwd. Men verliest dan veel bentoniet maar belangrijker is dat desteundruk niet meer overgebracht kan worden. Is het materiaal fijnkorrelig en cohesief dankunnen problemen ontstaan met de afvoer. Als de klei slap is dan kan het gemakkelijk in dewerkkamer dringen en goed met de vloeistof in de werkkamer worden gemengd. De afvoervan vloeistofverloopt zonder problemen. Is de klei geconsolideerd en heeft het een hogereconsistentie (samenhang) dan ontstaan problemen door verstopping in de transportleidingen ende doorgangen in het graafwiel.

Inzetbaarheid van vloeistofschild volgens Krause (1987)

100

- 90gJ 80N

~ 70~ ~ 0051:: 50... 4)ClIII

IIICII 40

CI::!s c.. 30cf! 208. 10

0

0.001 0.01 0.1

zeefdiameter (mm)

10 100

Figuur: 2.5 Inzetbaarheid van het vloeistofschild volgens Krause (1987).

8


2.3GRONDDRUKBALANSSCHILDEN

De gronddrukbalansschilden, "earth pressure balance shield" ofEPB-schild zijn voor het eerstontwikkeld in Japan. De eerste toepassing vindt plaats in 1974 in Tokyo, Peron (1994). InJapan bestaat een voorkeur voor het EPB-schild in vergelijking met het vloeistofschild, Maidl,B.( 1995). Op dit moment zijn twee van de drie gebouwde tunnelboormachines in Japan EPBtype tunnelboormachines. In Europa bestaat een lichte voorkeur voor het vloeistofschild, dekeuze wordt vooral bepaald door de grondcondities, Herrenknecht (1994), Babendererde(1991), Becker (1993).

()

<DCD Graafwiel

<D Grondbrij

CD Schroefvijzel

<D Afsluitklep

<D Hydraulische vijzels<D Tunnelmantel

Figuur: 2.6 Principe van het gronddrukbalansschild. Krause (1987), figuur 39.

2.3.1 Principe en machine opbouw

In figuur 2.6 staat een gronddrukbalansschild afgebeeld. Als de grond wordt losgewoeld doorhet graafwiel van de machine wordt deze opgevangen in de direct achterliggende werkkamer.De werkkamer moet geheel zijn gevuld met grond zodat de steundruk die geleverd wordt doorde hydraulische vijzels kan worden overgebracht op het boorfront. De schroefvijzel is eenbelangrijk onderdeel dat zorg draagt voor de afVoervan materiaal uit de werkkamer. Tussenhet boorfront en de uitgang van de schroefvijzel bestaat een drukverschil dat de schroefVijzelmoet overbruggen. In figuur 2.7 wordt gerdealiseerd weergegeven hoe het materiaal door dewerkkamer en de schroefvijzel stroomt. In figuur 2.7 wordt uitgegaan van constante steundruken zijn de rotatie van de afgegraven materiaal in de werkkamer en de schroefvijzel buitenbeschouwing gelaten. Als hogere drukken beheerst moeten worden kunnen twee schroefvijzelsmet verschillende diameter en rotatiesnelheid achter elkaar opgesteld worden, Babendererde( 1993).

9


Het graafProces wordt gestuurd door een evenwicht tussen geleverde steundruk, aangebrachtvia de hydraulische vijzels, en de afvoer via de schroefvijzel. Wordt teveel grond afgegravendan worden de gaten die in de werkkamer ontstaan gevuld met grond uit de omgeving van detunnel. Dit veroorzaakt deformaties en zettingen aan het oppervlak. Wordt te weinig grondontgraven dan neemt de steundruk toe en kan er opheffing aan het oppervlak plaatsvinden.Transport van de afgegraven grond door de tunnel vindt plaats via transportbanden, per spoorof via leidingen na menging met water. Laatst genoemde manier van afvoer is niet wenselijkomdat het materiaal gemengd word met water (ofbentonietsuspensie), terwijl droge afvoerjuist word gezien als een voordeel van het EPB-schild, Schalkwijk (1993).

I Werkkamer~

stator- - Stromingslijn--- -- Equipotentiaallijn

geringe drukval~\)1J?\mixer

sc\\t°ee\,!\et

pt\\\C.o\1~\

,,:;00!0

~ A \ \1.\)ec\\e Get\1.\)ec\\e---------

- \"",e- 'Lo

.

~ \-------

\\

~oo/o1. sc\\toe\'J\)1J?\

GtU\C.'Iet\Oo\1\'!\

Figuur: 2.7, Stroming en equipotentiaallijnen door werkkamer en schroefvijzel. Maidl, U (1995)figuur 11-2

2.3.2 Bodemgesteldheid en inzetbaarheid

De gronddrukbalansschilden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik in homogenefijnkorrelige cohesieve grond. De eerder ontwikkelde vloeistofschilden voldoen niet in dezeondergrond omdat het scheiden van kleien siltdeeltjes van de bentoniet steunvloeistofmoeilijker en kostbaarder wordt bij afllemende korreldiameter.Het schild werkt optimaal in kleiige grond met papperige tot weke consistentie. Doortoepassing van conditioneerstoffen kan de inzetbaarheid van het gronddrukbalansschildworden uitgebreid van cohesieve grond tot matig cohesieve grond en zelfs tot niet cohesievezandgrond, zie figuur 2.8.Links van lijn 1 bevind zich het optimale inzetbaarheid van het gronddrukbalansschild.

10

klei silt zand grind

V/

./ rT

V V./ 1/

1 ./ V, 2 j,;-'... ./ " V

!7 -,,"~I,..


Conditionering van de grond is alleen nodig indien de consistentie van het materiaal nietgeschikt is. Tussen lijn 1 en 2 moet de grond worden geconditioneerd om de permeabiliteit teverlag en, hierbij moet de vervormbaarheid van het materiaal plastisch blijven. Tussen lijn 2 en3 kan het schild alleen worden ingezet als de tunnel boven het fteatisch vlak blijft. Rechts vanlijn 3 is het EPB-schild slecht inzetbaar.

Verruiming van het inzetbereik van het EPB-schild

100

1:: 90III

=80

:3 70Do

'Gi 60:!I ~ 50..~.g 40& 30"C 20Q/

e 10IIIDo 0

0.001 0.01 0.1

zeefdiameter (mm)

10 100

Figuur: 2.8 Inzetbaarbeid van bet gronddrukbalansschild, volgens Maid!, U. (1995).

2.4 VOOR- EN NADELEN VAN BET EPB- EN VLOEISTOFSCHILD

Tijdens constructie van de geboorde tunnel streeft men naar behoud van oorspronkelijkegrondspanningen, zodat deformaties niet optreden. Het boorITont moet gedurende de heleoperatie ondersteund worden. De besproken typen tunnelboormachines hanteren verschillendewijzen van ondersteuning en transport. Er is geen universeel toepasbare tunnelboormachinevoor gebruik in zachte grond, Babendererde (1991). De machine moet worden aangepast aande heersende geotechnische condities. In deze paragraaf zullen de voor- en nadelen van hetEPB- en vloeistofschild behandeld worden. Een keuze tussen de twee systemen moet berustenop economische maar vooral ook op veiligheidstechnische aspecten.

2.4.1 Voordelen van vloeistofschild

Vloeistofschilden zijn beter te sturen omdat het ontgravingsproces gej;cheiden is van hetondersteuningsproces. Beide processen befuvloeden elkaar (de filterkoek die belangrijk is voorde ondersteuning wordt continu afgegraven door het graafwiel) maar kunnen "onafhankelijk"worden geregeld.Als gevolg van het lage volumegewicht en de lage viscositeit van de bentoniet suspensie in de

11


werkkamer ten opzichte van de grondpasta m een EPB-schild is veel mmder energie nodig omhet graafwiel aan te drijven en is er minder slijtage.Een groot voordeel van de vloeistof-schilden is dat de suspensie m de werkkamer vervangenkan worden door lucht. De werkkamer is dan toegankelijk voor eventuele reparaties enonderhoudswerkzaamheden. Door de fiherkoek kan de lucht niet ontsnappen en kan voldoen-de druk worden opgebouwd om het boomont stabiel te houden. Bij EPB-schilden wordt geenfilterkoek opgebouwd en dienen andere maatregelen genomen te worden om toegang tekrijgen tot de werkkamer. Zo is het mogelijk om gedurende lange tijd extra bentoniet temjecteren voordat de werkkamer geleegd wordt, het boomont contmu te bespuiten metschuim Maidl, U.(1995) of gebruik te maken van een graafwiel die zich kan sluiten, Wallis(1992).Grote stenen vormen zowel voor vloeistof- en EPB-schilden een probleem Echter bij eenvloeistofschild is het mogelijk om een stenenbreker te mstalleren, bij EPB-schilden moetengrote stenen door diskcutters op het graafwiel voldoende klem worden "gesneden" zodat ze mstukken afgevoerd kunnen worden door de schroefvijzel. Eventueel kan ook een steenval m deschroefvijzel worden mgebouwd. Een andere mogelijkheid om grote stenen uit de werkkamerte transporteren is aanpassmg van het type schroefvijzel. Door de schroefte vervangen dooreen spiraal wordt de maximale opening vergroot.

2.4.2 Voordelen van gronddrukbalansschild

Het ondersteuningsmedium bij EPB-schilden is het afgegraven materiaal ze]f Het is ondenk-baar dat m een volledig gevulde werkkamer ongewenst materiaaltransport plaatsvindt alsgevolg van mstabiliteit aan het boomont. Algemeen geldt dat hoe hoger het volumegewicht ende viscositeit van het ondersteuningsmedium hoe stabieler het boomont. De viscositeit van degrondpasta is ongeveer 1500 maal die van de bentoniet slurry. Als zich m de werkkamer vanhet EPB-schild een homogene pasta bevrndt zonder holle ruimtes dan heeft men een veelveiliger situatie dan bij een vloeistofschild, Babendererde (1995).Bij tunnelconstructie met EPB-schilden is geen dure scheidIDgsmstallatie nodig. Dit is eengroot voordeel ten opzichte van vloeistofschilden waar dit wel nodig is. Dit aspect wordtbelangrijker naarmate de ontgraven grond fijner wordt, en het derhalve moeilijker en duurderwordt om de gronddeeltjes van de suspensie te scheiden.Volledige scheidIDgis onmogelijk. Na een aantal keren hergebruik bezit de bentoniet, alsgevolg van vervuilIDgmet gronddeeltjes niet meer de gewenste eigenschappen. De bentonietmoet dan worden vervangen. De hoeveelhdeden af te voeren materiaal zijn bij het vloeistof-schild veel groter.Bij vervuilde grond kan bentoniet zijn gunstige eigenschappen verliezen, hierdoor kan devorming van de filterkoek m gevaar komen waardoor de stabiliteit van het boomont niet meergegarandeerd is. Door toevoegffig van chemicalien kan het effect van de vervuiling verminderdworden. Een voordeel van de EPB-machIDes is dat het afgegraven materiaal droog is en duseenvoudiger kan worden afgevoerd en verwerkt. Bij een teveel aan conditioneringsstoffenzoals schuim, polymeren en bentoniet kan het te storten materiaal niet meer beschouwdworden als schone grond ook al zijn de conditioneringsstoffen niet schadelijk.

12

Hoofdstuk 2 Tunnelboormachines

EPB-schilden zijn het best te gebruiken in fijnkorrelige bodems maar zijn met toevoeging vanconditioneringsmiddelen ook inzetbaar in grotkorrelige bodems. Hierdoor is dit type TBMzeer geschikt voor bodems met een afwisseling van verschillende lagen.Om een beeld te krijgen van eventueel optredende deformaties is het nuttig om te bepalen ofde voortgangssnelheid in overeenstemming is met de hoeveelheid afgegraven materiaal. Bijgronddrukbalansschilden kan de hoeveelheid afgegraven grond worden gemeten aan de handvan het aantal omwentelingen van de schroefVijzelof de dikstofPomp. Bij vloeistofschildengeeft het dichtheidsverschil tussen in- en uitgevoerde bentoniet een idee over de hoeveelheidafgegraven grond. De laatst genoemde methode duurt langer en is minder nauwkeurig,Babendererde (1993).EPB-schilden kunnen worden ingezet op geringe diepte onder het maaiveld. Vloeistofschildenkunnen niet op geringe diepte worden ingezet omdat dan het gevaar bestaat voor ontsnappingvan bentoniet aan het oppervlak, Becker (1993).Vanwege de lagere startkosten zijn EPB-schilden economisch aantrekkelijker op kortetrajecten. Schalkwijk (1993):"bij grot ere tunneldiameters is het vloeistofchild pas economischte gebruikenbij grotere tunnellengtes.II

Herrenknecht (1995) en Schalkwijk (1993) merken op dat het EPB-schild als tunnelboor-machine eenvoudiger en gemakkelijker te hanteren is dan het vloeistofschild.

2.4.3 Deformaties

Bij het boren worden de oorspronkelijke grondspanningen gewijzigd. Hiedoor tredendeformaties (vervormingen) op rond de tunnel die eventueel kunnen leiden tot zettingen aanhet oppervlak en verminderde draagkracht van funderingselementen. Een aantal factoren diedeformaties veroorzaken zijn niet te verhelpen en kunnen worden gezien als constantefactoren. Om de wrijving te verlag en is het schild van de TBM meestallicht conisch (dediameter aan de voorzijde is iets groter dan aan de achterzijde). De afuame in diameter wordtdoor de grond die grenst aan het schild gevolgd, dit veroorzaakt deformaties in een zone rondde tunnel. Het schild omhult de uiteindelijke tunnelmantel en heeft dan ook een grot erebuitendiameter. Om het verschil in diameter op te heffen wordt grout gefujecteerd.Compensatie van het volumeverlies door groutinjectie lukt echter maar ten dele. De boveng-enoemde factoren hebben kleine deformaties tot gevolg, die van te voren bekend zijn.Instabiliteit van het boorfront, onverwachte verlaging van het :treatische vlak en andere nietvoorziene gebeurtenissen hebben veel grot ere deformaties tot gevolg. Bovengenoemdefactoren zijn afhankelijk van de bestuurbaarheid van het boorproces, de complexiteit van deondergrond, het management en het vakmanschap van de boorploeg.Om instabiliteit van het boorfront en deformatie te voorkomen dient de steundruk gelijkmatigen zonder fluctuaties aangebracht te worden op het boorfront, Babendererde (1995). Bij hetDuits hydro shield kunnen variaties van de steundruk in de werkkamer gedeeltelijk wordenopgevangen door de luchtdrukbuffer die in contact staat met de werkkamer. De luchtdrukregeling vermindert de fluctuaties tot i: 5 % Babendererde (1991). Bij EPB- TBM's is desteundrukregeling veel moeilijker. Er dient een optimum gevonden te worden tussen afvoervan materiaal via de schroefvijzel en de aangebrachte druk.

13


Anders gezegd tussen de hoeveeJheid ontgraven grond en de voortgang van de TBM. Tochhoeven de fluctuaties niet groot te zijn. Toevoeging van conditioneringsmiddelen versoepelthet proces en verminderd de fluctuaties. Als schuim wordt toegevoegd functioneert dit tevensals luchtbuffer, Wallis (1995), Maidl,U (1995b) en Herrenknecht (1995). Schuim kan tevensgebruikt worden om de steundruk direct te rege1en, Herrenknecht (1995). Op deze manierworden de fluctuaties en deformatie sterk verminderd; zettingen lager dan 3mm wordenregelmatig behaald, Wallis (1995). Bij zowel de vloeistofschilden als de gronddrukbalansschil-den moet men rekening houden met zettingen. Algemeen kan worden gesteld dat met de juisteTBM en bekwaam personeel de zettingen beperkt kunnen blijven tot 10 rom, van Tol (1995).

14

Hoofdstuk 3 Optimale eigenschappen van grondbrii

HOOFDSTUK 3 OPTIMALE EIGENSCHAPPEN VAN BETONDERSTEUNINGSMEDIUM IN EENEPB-SCHaD

3.1 INLEIDING

De functies van het ondersteunmgsmedium in het EPB-schild zijn:1) overbrenging van de steundruk,2) waterkering,3) gemakkelijk transport door graafwie~ schroefvijzel en transportbanden.

Om deze fimcties goed te kunnen vervullen worden er een aantal eisen gesteld aan deeigenschappen van de grondbrij in de werkkamer. De betreffende grondparameters zijn devervormbaarheid of consistentie, permeabiliteit, compressibiliteit of elasticiteit, abrasiviteit enkleverigheid. Niet voor al deze parameters zijn in de literatuur absolute waarden te vindenwaaraan de grondbrij moet voldoen. De eigenschappen van de pasta in de werkkamer wordengrotendeels bepaald door de ontgraven grondsoort. Voor het functioneren als ondersteunmgs-medium zijn vooral de volgende grondeigenschappen van belang, Mai~ U (1995):* korrelgrootte verdeling,* mineralogie,

* electrische eigenschappen van het oppervlak van de gronddeeltjes,* eigenschappen van het grondwater en daarin opgeloste ionen,* interactie van de deeltjes, grondwater en opgeloste ionen.

Definitie grondbrij:Grondbrij is het ondersteunmgsmedium in de werkkamer van het gronddrukbalansschild. Hetis een mengsel van grond, grondwater en eventueel conditioneermiddel. Dit ontstaat als degrond wordt ontgraven door het graafwiel van de tunnelboormachine en vermengd wordt metde toegevoegde conditioneerstoffen. Bij het ontgraven wordt de oorspronkelijke structuur vande grond verstoord waarbij het porienvolume wordt vergroot. De ontstane ruimte wordtopgevuld door de gebruikte conditioneersto£

3.2 PERMEABILITEIT

De waterkerende werking van de grondbrij wordt bepaald door de permeabiliteit van hetmengsel in de werkkamer. Als we een grofkorrelige bodem hebben en deze zonderconditioneringsmiddelen in de werkkamer gebruiken als ondersteuningsmedium, dan gebeurthet volgende: De steundruk veroorzaakt een toename van de totaalspanning. Deze spanningwerkt alleen op het korrelskelet van de bodem omdat het water ontsnapt.

15

Grondconditionerin~ in het EPB-schild

De aandrijfinomenten van graafwiel en schroefvijzel nemen toe met toenemende effectievespanning van de grondbrij. Tegen de grondwaterdruk kan geen tegenkracht worden gebodenen onder het heersende potentiaalverschil stroomt het water door het graafwiel en de schroef-vijzel de tunnel in. Het grondwater uit de omgeving stroomt naar de tunnel waardoor degrondwaterspiegel daalt en deformaties optreden.De permeabiliteit dient voldoende laag te zijn om waterdoorstroming te voorkomen. Depermeabiliteit van de bodem wordt bepaald door de korrelgrootteverdeling, de opbouw enstructuur, de porositeit, de verzadigingsgraad en de viscositeit van de doorstromendevloeistof Door de viscositeit van de vloeistofte laten toenemen neemt de permeabiliteit afVervanging van water door bentonietsuspensie met een hogere viscositeit heeft dus eenverlaging van de permeabiliteit tot gevolg. Hebben we te maken met een sterk doorlatendebodem dan hebben vloeistoffen met hoge viscositeit geen effect meer omdat zij als gevolg vande hoge steundruk simpelweg worden uitgeperst. Verbindingen tussen vloeistof en vaste stofkunnen er voor zorgen dat de vloeistof niet tussen de porien wordt uitgeperst.Als het aandeel fijne delen (korrels < 0.06 mm) van een bodem groter is dan 30 % dan is depermeabiliteit laag genoeg. Als niet voldoende fijne delen in de grond aanwezig zijndan kandeze hoeveelheid worden verhoogd met conditioneermiddelen.Het aangeven van een grenswaarde voor de doorlatendheid van de oorspronkelijke bodem ismoeilijk omdat de pemeabiliteit (k) afhangt van de steundruk in de werkkamer, Maid!,U(1995). Uit ervaring blijkt dat k=10-5m/s een maximum is voor de doorlatendheidgrondbrijin het EPB-schild met een steundruk kleiner dan 2 bar, Maid!,U(1995) en Maid!, B.(1995).In dit rapport waarbij de permeabiliteit is bepaald onder atmosferische druk is de grenswaardegesteld op 0.5*10-5 m/s.

3.3 VERVORMBAARHEID OF CONSISTENTIE

Goede vervormbaarheid is belangrijk voor gelijkmatige overbrenging van de steundruk, Maid!,U (1995) en Maidl, B. (1995). De vervormbaarheid is tevens belangrijk voor een gemakkelijktransport door graafwiel, werkkamer en schroefvijzel, Schalkwijk (1993), Maid! U (1995) enBabendererde (1993).Voor vloeibare en vaste materialen worden verschillende parameters gebruikt om de vervorm-baarheidseigenschappen uit te drukken. Voor vloeistoffen zijn het de viscositeit en zwichtspan-ning die een idee geven over de vervormbaarheid. De deformatie modulus (opgebouwd uitp1astische en elastische vervorming geeft de vervormbaarheid van vaste stofweer, Goodman(1989). Optimale grondbrij gedraagt zich plastisch. De vervormbaarheidsgedrag van plastischematerialen houden het midden tussen die van vaste stof en vloeisto£ Deze vervormbaarheid ismoeilijk te kwantificeren. Consistentie (of samenhang) is een kwalitatiefbegrip dat een ideegeeft over de vervormbaarheid van plastische materialen. Het begrip is niet geschikt om devervormbaarheidseigenschappen goed te beschrijven en is verschillend gedefinieerd voorcohesieve gronden en niet cohesieve gronden.

16


Eventueel kan met geschikte meetapparatuur de vervormbaarheid van plastische materialenbeschreven worden met viscositeit en zwichtspanning. Deze parameters worden in deliteratuur over optimale grondbrij nauwelijks besproken. In het testprogramma zijn enkeleviscositeits- en zwichtspanningsmetingen op grondbrij uitgevoerd.

3.3.1 Vervormbaarheid in de werkkamer en schroefvijzel.

De werkkamer moet volle dig gevuld zijn met een homo gene pasta zodat de steundruk gelijk-matig over het boornont verdeeld wordt. De grond wordt tijdens ontgraving door hetgraafwiel voor de eerste keer gemengd, in de werkkamer wordt het materiaal verder gemengddoor roerstaven die zich op de achterkant van het roterende graafwiel en op de drukwandbevinden. Plastische materialen worden suel gemengd waardoor de steundruk gelijkmatigwordt overgebracht. Bij te hoge vervormbaarheid wordt het materiaal vloeibaar en zal hetontwijken via de schroefvijzel, de druk in de werkkamer daalt en het boornont kan instabielworden. Bovendien ontstaan er problemen met de verdere afvoer nadat de grondbrij deschroefvijzel is gepasseerd. Een te lage vervonnbaarheid kan verstopping veroorzaken in hetgraafwiel en het schroefvijzel met veranderingen in de steundruk als gevolg.Andere positieve effecten van een plastische vervormbaarheid zijn een laag aandrijfinoment enenergieverbruik van de schroefvijzel en het graafwiel en een vermindering van de slijtage aande TBM.

3.3.2 Consistentie

Veel factoren zijn van invloed op de consistentie zoals: mineralogie, korrelgrootte verdeling,korrelvorm, watergehalte en chemisch milieu. In de grondmechanica wordt de consistentieindex Ie gedefinieerd voor cohesieve materialen. In de betontechnologie is het begrip gedefi-nieerd om de vervormbaarheid en verwerkbaarheid van natte beton en mortel uit te drukken,zie tevens paragraaf 6.4.3.3.

"Geotechnische consistentie"De "geotechnische consistentie" van cohesieve materialen wordt bepaald door het water-gehalte en de Atterbergse grenzen met behulp van de volgende formule.

I =WI-W

c-Ip

(3.1)

waarbij Iew

WI

Wp

Ip

: consistentie index: het watergehalte van de bodem,: de vloeigrens,: plasticiteitsgrens,: het plasticiteitsgetal WI- wp'

17

li!':I:.I.II.,..!..'::i~:~"'I..I.I,I~lllllli!!/:I:'11Ili!!,:ii:I.IIIIIIIIII!IIIIII!!:IIIIIIIIIIIIIIII:!111111111111111!1:1!1!1!1!!III!I!ill!11 1!!!I!!!!il!I/II/!'II!;!!!!!!llillllllllllllllllll!://!/IIIIIIIIIIIIIIIIIII!!I!;III.II!IIIIIIIIIIII!llllilll!!:!liIIII11111!:!~il!I!IIIIIIIIIIII~llllllllllllllli..II.III!

::: 16 vloeibaar

10-15 halfplastisch

5-9 plastisch

::::4 aardvochtig


De waarde Ie is gerelateerd aan kwantitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel 3.1.

<0 vloeibaar

0 - 0.5

0.5 - 0.75

half Dlastisch

lastisch

0.75 - 1.0 stiif

> 1.0I

aardvochtigI

TabeI3.!: Relatie tussen consistentiegetal Ie en kwalitatieve begrippen van concistentie.

Bij bepaling van de plasticiteitsgrens dient het materiaal gekneed te worden, en moet hetmateriaal kunnen worden uitgerold tot rolletjes met een doorsnee van 3mm. Dit is onmogelijkvoor een zandige grondbrij. Om toch uitspraken te kunnen doen over de vervormbaarheid enconsistentie van een zandige grondbrij kunnen we gebruik maken van de betontechnischebepaling van de consistentie.

"Betontechnische consistentie ".De "betontechnische consistentie" wordt meestal bepaald met behulp van de kegel vanAbrams. De zetmaat in centimeter, zoals gemeten met de kege1van Abrams, kan wordengerelateerd aan een kwalitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel 3.2.

TabeI3.2: Relatie tussen zetmaat en consistentie volgens Souwerbren (1995)

Relatie "betontechnische en geotechnische consistentie".Het is niet mogelijk de consistentie van de zandige grondbrij te bepalen met behulp van deplasticiteitsgrenzen omdat de uitrolgrens van de mengsels niet bepaald kan worden. In eenkort testprogramma is getracht de "betontechnische en geotechnische consistentie" termen aanelkaar te koppelen, zie hoofdstuk 6.3.3.

18


3.3.3 Viscosititeitsmetingen

Het vervormingsgedrag van plastische materialen kan worden bepaald met viscositeitsmeting-en. In deze meting en wordt de schuifspanning en de schuithoeksnelheid gemeten. Vit dezeparameters kunnen de zwichtspanning en de viscositeit worden bepaald. De zwichtspanning("yield stress") geeft een maat voor de kracht die nodig is om een beweging op te starten. Deviscositeit geeft de kracht weer die nodig is voor een toename in de stroomsnelheid, Wallevik(1995). Afhankelijk van de ratio viscositeit/ zwichtspanning gedraagt de grondbrij zich alsBinghamplastische vloeistof (ratio=hoog) of als plastische vloeistof (lage ratio, ratio=O vooreen ideaal plastische vloeistof), Ammerlaan (1994).Voor het ideaal plastische materiaal geldt dat als de zwichtspanning bereikt is, de schuifspan-ning constant blijft en onafhankelijk is van de schuithoeksnelheid, lijn 1 in figuur 3.1. Devervormingseigenschappen van de plastische vloeistofworden vooral bepaald door dezwichtspanning.De vervormingseigenschappen van een Binghamplastische vloeistofworden bepaald door dezwichtspanning en de viscositeit, lijn 2 en 3 figuur 3.1. Bij lage ratios is de grondbrij in deschroe:fvijzelte beschouwen als een plastisch lichaam dat langs het staal wordt geduwd. EenBinghamplastische grondbrij stroomt als een spiraalvorm door de schroe:fvijzel,Ammerlaan(1994).Voor de rheologische eigenschappen van grondbrij zijn geen grenswaarden bekend. Defini-ering van grenswaarden voor deze eigenschappen is wenselijk. De parameters geven eenvollediger beschrijving van de vervormbaarheidseigenschappen dan het begrip consistentie. Deparameters zijn kwalitatief, zodat ze gebruikt kunnen worden voor berekeningen.

Schuifspanning versus schuifhoeksnelheid

--

iUa..

OJc:'cc:IVc..~':;.c:uCI)

0

0

schuifhoeksnelheid y (dv/dr)

Figuur 3.1: Rheologisch diagram, Met 1) ideaal plastische vloeistof, 2) en3) Bingham vloeistof en 4) Newtonse vloeistof Naar Janssen (1991),

19


3.3.4 Eisen aan de vervormbaarheid van grondbrij.

In de literatuur worden bodems met een percentage fijne de1en(diameter < 0.06mm) groterdan 30% als goed verwerkbaar voor een EPB-schild genoemd. Bij een gehalte aan fijne delenvan meer dan 30% kan men spreken van een cohesiefmateriaal. Hier is dus de geotechnischeconsistentie van toepassing. Maid!, U(1995) heeft deze grenswaarden duidelijker vastgelegdmet behulp van de concistentie index Ic. Volgens Maid!, U (1995) en Maid!, B (1995) heeftgrondbrij een optimale vervormbaarheid als de ~ tussen 0.4 en 0.75 ligt. Dit komt overeen meteen plastische consistentie, Maid!, U (1995), Babendererde (1993). De consistentie van deoorspronkelijke cohesieve grond kan met toevoeging van water of andere conditioneerstoffenin het plastische gebied worden gebracht. Steiner (1996) stelt dat het watergehalte van deoorspronkelijke grond net onder de vloeigrens moet worden gebracht om te kunnen wordenafgegraven. Dit resulteert in een grondbrij met negatieve consistentie index Ic,in dit rapportwordt dat als te vloeibaar beschouwt.Zandige grondbrij lijkt meer op nat beton. De consistentie moet worden bepaald met dezetmaat. Een zetmaat van 7.5 ! 5 em is kenmerkend voor een materiaal met goede consisten-tie en vervormbaarheidseigenschappen. Deze waarde is vastgeste1d in overeenstemming metgegevens uit de literatuur, Kanayasu (1995), Kawaeda (1992), Mizuno (1993), Tarnai (1995),Kuribashi (1993) en het praktijkadvies van de heer Verduin (Visser & Smit Hanab). Dewaarden is volgens de NEN 5956 kenmerkend voor plastisch gedrag.

Babendererde (1991) stelt dat de ondersteuningspasta een zekere schuifsterkte ("non friction-less properties") moet hebben. Als er spanningsverschil heerst tussen de grond en de pasta inde werkkamer en de pasta heeft geen interne wrijving (zoals bij vloeistofschilden) dan bezwijkthet front, de grondbrij ontsnapt bij de schroefvijze1of wordt omgewisseld door bezwijkendegrond van voor het boorITont. Als de pasta we1 schuifsterkte bezit dan kan geen deformatieoptreden omdat er als gevolg van die deformatie meteen een spanningsverhoging optreedt diedeformatie tegenwerkt. De schuifsterkte zorgt ervoor dat de steundruk in de werkkamer kanworden behouden door de wrijvingkrachten die via de schroefvijzel worden overgebracht.

3.4 SAMENDRUKBAARHEID EN ELASTICITEIT

Samendrukbaarheid is een belangrijke eigenschap van de zandige grondbrij. In het geval deconsistentie van onsamendrukbare grondbrij (vloeistofgeconditioneerde grondbrij) verandert,dan heeft dit effect op de afvoersnelheid en daarmee ook de ondersteuningsdruk. Stel dat degrondbrij in de werkkamer te vloeibaar wordt. Er wordt per tijdseenheid te vee1 rnateriaalafgevoerd omdat het gernakkelijk door de schroefvijzel stroomt. De druk in de werkkamerdaalt dan onmiddellijk omdat het rnateriaal onsamendrukbaar is en als gevolg van de drukwis-seling niet uitzet. De luchtbellen die zijn toegevoegd bij schuimconditionering zullen we1uitzetten bij deze drukverlaging waardoor de ondersteuningsdruk langer gehandhaafd blijft ener meer tijd is om in te grijpen.

20


Zandgrond waar 500 11m3schuim aan toegevoegd is heeft een E-modulus van O.4MPa,berekening op basis van gegevens Maid!, U(1995). Onder druk wordt het mengse1van schuimen zand samengedrukt totdat de meest losse pakking van het zand is bereikt vervo1gens wordthet mengse1 nauwlijks verder samengeperst maar wordt de drukverhoging door de schuimbe1-1en(die zich in de porien bevinden) opgenomen zonder dat de korre1spann.mgtoeneemt.Voor cohesieve gronden met idea1e consistentie is de samendrukbaarheid van minder be1ang.In dat geva1verloopt het gecombineerde afgravings- en afvoerproces vee1 gelijdlijker a1sgevo1gvan de betere vervormbaarheidseigenschappen van de grondbrij. Wisselingen van hetwatergeha1te van de grond hebben een vee1kleiner effect op de vervormbaarheid van degronbrij a1sgevo1g van de waterabsorberende werking van de klei. De drukwisselingen zijnkleiner.Babendererde (1995) ste1t dat het ondersteuningsmedium samendrukbaar moet zijn. Als ditniet het geva1 is dan kan de steundruk niet worden overgebracht op het instabie1e boomont.Hiermee wordt bedoe1d dat een bezwijkend boomont niet kan worden ondersteund doordathet ondersteuningsmedium samengeperst wordt. Zulke samenpersingen zijn echter niet reee1 ingronddrukschilden waar het ondersteuningsmedium voor het grootste gedee1te uit grondbestaat. Kleine volume veranderingen a1sgevo1gvan druk veranderingen zijn in de praktijkzelfs gewenst omdat drukwisselingen gedee1telijk gedempt worden, Maid!, U(1995b). Diteffect wordt gezien a1seen voordee1 van schuim toevoeging; het schuim functioneert a1sde1uchtbuffer bij het "hydroshie1d" en zorgt voor een minder sterk fluctuerende steundruk,Herrenknecht (1995). Het ondersteuningsmedium moet tevens e1astisch reageren op drukwis-selingen zodat het boomont continu ondersteund wordt. Als een drukverhoging p1aatsvindtgevo1gd door een drukverlaging, dan wordt een e1astischsteunmedium eerst samengedrukt.Bij drukverlaging zet het materiaa1 weer uit, zodat geen extra grond in de werkkamer komt.P1astischvervormende materia1en zullen bij de drukverlaging niet meer uitzetten zodat er eenruimte in de werkkamer ontstaat, die opgevuld za1worden met materiaa1 van buiten de tunnel.Deformaties in de grond zijn het gevo1g. In de literatuur zijn geen grenswaarden gevondenvoor e1asticiteit en compressibiliteit van grondbrij. Door Maid!, U (1995) zijn we1 een aantalproeven gedaan die het effect van schuim op de compressibiliteit en de e1asticiteit illustreren.

3.5 ABRASWITEIT

Abrasiviteit geeft aan of een materiaa1 slijtage kan op1everen bij een ander materiaal. Mineralenmet een hardheid die hoger of gelijk is aan die van kwarts (hardheid 2: 7 op de harheidschaa1van Mohs) zijn abrasiefvoor staal. Abrasiviteit is geen zuivere materiaa1 eigenschap, het isafhankelijk van de hardheid van de betrokken materia1en, van de druk, van de temperatuur ende grootte van de korre1s die de slijtage veroorzaken, Deketh (1995). Het slijtage proces iszeer ingewikke1d. Een p1astisch materiaa1 zal meer slijtage in een TBM veroorzaken dan eenzeer v10eibaar materiaal. De krachten die nodig zijn om het stijve materiaa1 af te voeren en temengen zijn vee1 groter. Het materiaa1 za1met vee1 grotere krachten 1angshet staal schurenwaardoor de slijtage vee1 groter is.

21

Kz K~ V

Kh l/Kg ...V

KI ./V Se

,/ Sz

,./' Sh...

SISg


De zanden die in Nederland voorkomen bestaan vrijwel allemaal voor het grootste gedee1te uitkwarts. Slijtagegevoelige onderde1en van TBM's worden dan ook meestal uitgevoerd inTungsten Carbide een metaal dat niet door kwarts wordt afgesleten mits de temperatuur vanhet metaal met te hoog oploopt. De abrasiviteit neemt af met toevoeging van met abrasievemineralen, of door inkapseling van de abrasieve mineralen door een conditioneermiddel.

3.6 KLEVERIGHEID

Kleving van het ondersteuningsmedium aan de1envan de TBM is ongewenst omdat hetaandrij:finoment en de slijtage verhoogd worden. Bovendien bestaat de mogelijkheid dat hetgraafwiel en schroefvijze1 vastlopen of verst opt raken als de grondbrij te stijfis. Dit heeftvertraging en extra kosten tot gevolg. Fijnkorrelige cohesieve bodems zijn vaak erg kleverigen kunnen dientengevolge problemen veroorzaken. In figuur 3.2 is een classificatiediagramweergegeven dat gebnrikt wordt in de Britse grondclassificatie systemen. Cohesieve grond-soorten met hoge plasticiteits index, boven de diagonale plasticiteits lijn, en hoge vloeigrenszijn, afhankelijk van het watergehalte, zeer plastisch en kleverig en moeten worden geconditio-neerd om de kleverigheid af te laten nemen en de vloeibaarheid te verhogen. In het optimalebereik voor de consistentie-index zoals genoemd in paragraaf3.3.4 spee1t kleving een beperkterol. De conditioneerstofis gericht op het verlagen van de consistentie (water) ofhet verminde-ren van de cohesie ofkleverigheid (schuim en polymeeroplossingen).

Plasticiteiisdiagram voor de classlficatie van cohesievegrond Verwaal (1988)

70

60?f!.~50III

-g 40!]! 30'(ji; 20I'CIQ. 10

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

vloeigrens (%)

Figuur 3.2: Plasticiteitsdiagram voor de classificatie van cohesieve grondsoorten.K=k1ei, S=silt, l=lage, g=gemiddelde, h=hoge, z=zeer, e=extreem hogeplasticiteit.

22


Als maat van de kleverigheid van geconditioneerde zandgronden (zand zonder fijne de1enheeftgeen cohesie en is niet kleverig) lrunnen de cohesie of de Atterbergse grenzen niet gebruiktworden. Atterbergse grenzen van zandige grondbrijmengse1s kunnen niet worden bepaa1d, zieparagraaf3.3.2. Tijdens dit onderzoek is een test ontwikke1d die een idee geeft van dekleverigheid van zandige grondbrij, zie paragraaf6.4.3.5.Cohesie en wrijvingshoek van de grond enerzijds en het sooft staal en de ruwheid anderzijdsbepa1en de wrijvingseigenschappen van het grensv1aktussen grond en TBM onderde1en. Inschuifbak pro even kunnen de wrijvingshoek en cohesie van deze grensvlakken bepaa1dworden, Potyondy (1966). Kleverigheid is slechts een beperkte beschrijving van dezewrijvingseigenschappen.

23


24

Hoofdstuk 4 Conditioneenniddelen

HOOFDSTUK 4 CONDITIONEERMIDDELEN

4.1 INLEIDING

In figuur 4. 1 is een cohesieve grond te zien dat van nature voldoet als ondersteuningsmedium,zie Hoofdstuk 3. In de meeste gevallen zijn conditioneerstofIen nodig om de eigenschappenvan grond te veranderen zodat het gecombineerde ontgravings- en afvoerproces soepelverloopt.Eerst worden de meest gebruikte conditioneerstofIen kort besproken. Vervolgens zal inparagraaf 4.3,4.4 en 4.5 dieper worden ingegaan op de conditioneermidde1en die gebruiktkunnen worden voor de conditionering van zandgrond.

Figuur: 4.1 Natuurlijke grond met optimale consistentie. Maidl,B (1995),figuur 11-3

4.2 CONDITIONEERMIDDELEN ALGEMEEN

4.2.1 Water

Water wordt toegevoegd om de vervormbaarheid van stijve materialen, zoals sterk geconsoli-deerde klei, te vergroten. Materialen zoals kleiige silt en siltig zand hebben vaak niet degewenste vervormbaarheid. De vervormbaarheid kan eenvoudig in het plastische bereikworden gebracht door toevoeging van water, zodat het materiaal een plastische consistentiekrijgt. Echter bij grond met een laag percentage fijne delen is toevoeging van water nutteloos.Er treedt dan geen verlaging meer op van de consistentie. Het gevaar bestaat dat hetzand/watermengsel ontmengt, (uitzakking van het zand) Maid!, B. (1995).

25


4.2.2 Bentonietsuspensies

Bentoniet kent veel toepassingen die bijna allemaal gebaseerd zijn op het water absorberendvermogen van dit materiaal. De naam bentoniet is a:fkomstigvan de oorspronkelijke vindplaatsFort Benton in Wyoming, (U.S.A.). Het is kleiig materiaal dat ontstaat door de chemischeornzetting van vulkanische gesteenten en assen. Het materiaal bestaat grotendee1s uit kleimine-ralen die behoren tot de hoofdgroep van smectieten. Het hoofdbestanddee1 van bentonietwordt gevormd door het smectietmineraal montmorilloniet.Bentonietsuspensies worden allange tijd als boorspoeling gebruikt in de diepboringindustrie.Bij vloeistofschilden worden bentonietsuspensies gebruikt als steunvloeistof Bij gronddrukba-lansschilden wordt het gebruikt als conditioneerstof om de eigenschappen van grond teveranderen. Bentoniet wordt toegepast om de viscositeit van de porieenvloeistofte verlag enzodat de permeabiliteit afueemt. Tevens wordt het gebruikt om de consistentie van cohesievegrond te bemvloeden. Bij doorpersingen worden vaak bentonietsuspensies met lage concentra-tie gebruikt als smeermidde1 om de mantelwrijving te verminderen. Op vaste afstanden zijn eenaantal smeernippels (injectiepunten) opgesteld waar bentoniet door de lining kan wordengemjecteerd.

4.2.3 Hoge dichtheid suspensie (HDS)

In de literatuur wordt regelmatig gesproken over "high density slurries" ofhoge dichtheidsuspensies (verder aan te duiden als HDS). Dit zijn bentonietsuspensies waar silt, zand en nietzwellende klei aan toegevoegd is. Deze "hoge dichtheids vloeistoffen" zijn ontwikkeld voor deconditionering van zandige grond in het gronddrukbalansschild. Bentoniet is het hoofdbestand-dee1van HDS maar voor conditionering van grindformaties wordt HDS gebruikt die voor hetmerendeel uit zand bestaan, 54 % zand, 41 % water en 4 % bentoniet. Het volumegewicht is1,4 kgf1,Kawaeda (1992).HDS conditionering wordt toegepast in niet cohesieve grond om de permeabiliteit te vermin-deren en de consistentie van de grondbrij te regelen. In paragraaf 4.3 wordt dieper ingegaanop de eigenschappen en de werking van HDS en bentonietsuspensies.

4.2.4 Schuim

In de diepboringindustrie wordt schuim sinds de jaren 60 toegepast als verdringingsmediumom de achtergebleven waardevolle olieresten alsnog uit de formaties te krijgen, McDermott(1973). Schuim wordt eveneens als transportmedium van water gebruikt. In boringen waarbijlucht als transportmedium voor gesteenteftagmenten wordt gebruikt, kan hinderlijk water nietmet lucht, maar wel met schuim aan het oppervlak worden gebracht, Gray (1980).Bij de tunne1bouw in gesteente worden soms uithardende schuimen gebruikt als opvulling enwaterafdichting achter de liningse1ementenvan de tunnel, Rippl (1987).In beginjaren tachtig werd in Japan schuim als conditioneerstofvoor gronddrukbalansschildenontwikkeld.

26


In 1986 werd door een dertigtal grote aannemers de "Association of chemical foam injectedEPB shield tunnelling method" opgericht, Naito (1989). De organisatie heet nu "the rheologi-cal foam shield tunnelling method association" en heeft 50 leden, allernaal Japanse bedrijven.In de loop der tijd zijn in Japan meer dan 250 projecten met deze techniek uitgevoerd,Obayashi (1995). In Europa zijn inmiddels tientallen tunnelprojecten uitgevoerd waarbijschuimistoegepa~.In Europa zijn drie producenten van bodemconditioneringsschuim; Condat (Frankrijk), Sika(Frankrijk) en Lamberti (Italie). De fabrikanten geven geen details over de chemische opbouwvan de gebruikte stoffen.De geproduceerde schuimen hebben verschillende samen~elling (concentratie van sch~of-fen en stabilisatoren) afhankelijk van het beoogde doel. Bij Condat en Sika is de bodemcondi-tionering vooral gericht op het reduceren van kleverigheid en verlaging van de consi~entie Ievan overgeconsolideerde klei, zodat het aandrijfinoment van de TBM gereduceerd worden. Bijhet gebruik van Lamberti schuim(o.a. door Herrenknecht) wordt het schuim toegepa~ om depermeabiliteit en consi~entie zoals bepaald met de zetrnaat, te bemvloeden. Het schuim wordtook gebruikt als in~rument om de druk in de werkamer te ~en. Als de druk temglooptwordt onder dmk schuim gemjecteerd om de druk op het oorspronkelijke niveau te brengen.Groot voordeel van schuimconditionering is dat de grondbrij een hog ere compressibiliteitkrijgt als gevolg van de aan de grond toegevoegde luchtbellen. Als de afvoer niet parallellooptmet de voortgang zal de ~eundruk fluctueren, deze fluctuaties worden door volumeverande-ring van de luchtbellen uitgevlakt.De algemene fysische chemie van schuim en de werking van schuim voor conditioneringzandgrond zal in paragraaf 4.4 behandeld worden. Conditionering van cohesieve grond valtbuiten het bereik van dit onderzoek.

4.2.5 Polymeergel

Polymeren zijn in de olie-indu~rie als eer~e in 1944 door de Phillips Aardolie Maatschappijgebmikt. Het was in eerste in~antie een toevoeging aan de bentonietspoeling. Later zijnzuivere polymeergels als bOOlvloei~ofgebmikt, Gray (1980). In Japan zijn praktijk~diesbekend waarbij uitsluitend polymeren zijn gebmikt als conditioneermiddel in gronddrukbalans-schilden, Tarnai (1995). In het artikel van Tarnai wordt gesproken over een super absorberendpolymeer dat enkele honderden rnalen zijn gewicht in water absorbeert. Het polymeer wordtgemengd met water, vormt een gel, en wordt vervolgens gemjecteerd. Net als bij bentonietsuspensies bem~ de waterkerende werking en de verhoging van de vervormbaarheid op het~erk absorberend vermogen van het rnateriaal. In hoofd~ 4.5 wordt polymeergel voor deconditionering van zandgrond uitgebreider besproken.

27


4.2.6 Combinaties van conditioneermiddelen

Als een tunnel verschillende grondsoorten doorsnijdt moeten soms verschillende conditioneer-midde1entijdens een project gebruikt worden.Het effect van verschillende conditioneermiddelen is anders. Het komt dan ook voor dat tweeconditioneermiddelen tegelijkertijd worden toegevoegd.Met het tegelijkertijd toevoegen van hoge dichtheid suspensie en schuim is al veel ervaringopgedaan, Kawaeda (1992), Herrenknecht (1995), Maidl,D. (1995). Omdat de stromingsei-genschappen van de verschillende conditioneerstoffen anders zijn, kunnen ze niet via dezelfdesystemen worden gemjecteerd. TBM's worden bij toepassing van meer dan een conditioneer-stof uitgerust met meerdere injectiesystemen.In een experiment is getracht bentoniet "droog" te transporteren met schuim. De effectiviteitvan de waterbinding van de bentoniet is vee1hoger omdat het van te voren niet met waterreageert. Het schuim is echter niet stabiel genoeg gebleken om bentoniet te transporteren. Alsbentoniet aan schuim wordt toegevoegd springen direct aile luchtbeilen als gevolg van dewaterabsorptie van de bentoniet.

4.3 BENTONIET EN HOGE DICHTHEID SUSPENSIES

De conditionerende werking van bentonietsuspensies en hoge dichtheidsvloeistoffen ingronddrukbalansschilden is gebaseerd op de zweilende eigenschappen van het kleimineraalmontmorilloniet.Om de eigenschappen van verschillende kleimineralen te begrijpen voIgt eerst een kortebehandeling van de voor dit onderwerp belangrijke onderdelen van de kleimineralogie. Hetonderwerp wordt besproken aan de hand van: Olphen (1963), Reynders (1985) en Bailey( 1980).In de grondmechanica wordt klei gedefinieerd als de grondfractie met een korreldiameter diekleiner is dan 2 /-lID.De kleiftactie bestaat voornamelijk uit kleimineralen maar ook uit anderemineralen zoals kwarts, veldspaat en ca1ciet.

4.3.1 Belangrijke begrippen

4.3.1.1 Structuur kleimineralen

Kleimineralen zijn aluminiumsilicaten, behorende tot de groep van phyilosilicaten (gelaagdesilicaten) Verhoef(1992). De verschillende kleimineralen ontstaan door opeenstapelingen vanoctaederlagen (0) en tetraederlagen (T). De tetraederlaag heeft als elementaire bouwsteen deSi04-tetraeder (figuur 4.2a), de octaederlaag heeft als bouwstenen Al(O/OHkoctaedersfiguur 4.3a. In de tetraederlaag zijn drie van de vier oxyde atomen gebonden zodat eentweedimensionale tetraederlaag ontstaat, figuur 4.2b en 4.2d.

28


De deling van oxyde en/ofhydroxylgroepen van de verschillende A1(0/OH)6-octaedersresulteert ill een laag zoals weergegeven m figuur 4.3b en 4.3d.De gelijkvormigheid en de identieke dimensies van de twee lagen zorgt ervoor dat deongedeelde oxyde-atomen van de tetraederlaag (in figuur 4.2b aan de onderzijde) zich aan deoctaederlaag kunnen binden. De bmding van de tetraederlaag aan 1 of 2 kanten van deoctaederlaag resulteert m twee perfect neutrale hoofdstructuren van de kleimineralen:

I) de T-0 structuur (Kaolinietgroep )IT)de T-0- T structuur (Smectiet- en Illietgroep)

/ ",-""

\ ~ 'I

( \

.....

'- I......

'(11) (e)

~LEGEND

0 OXYGEN

0 SILICON

(II) (d)

Figuur: 4.2 Strnctuur van de tetraederlaag. (a) tetraeder geometrie van Si04, (b) perspectiefschets vanafzonderlijke tetraeder zesring, (c) projectie van tetraeder, (d) bovenaanzicht van tetraeder. Olphen (1963).

De twee hoofdstructuren kunnen beide worden onderverdeeld op basis van de mvulling van deoctaederplaatsen, als twee van de drie plaatsen zijn bezet: dioctaedraal, als alle drie de plaatsenzijn mgenomen trioctahedraal De T-0 en T-0- T structuurmineralen worden respectievelijkook wel de 1 : 1 en de 2 : 1 mineralen genoemd, duidend op de verhouding tussen tetraeder-en octaederlagen. De stapeling levert respectievelijk -T-0- T-0- en -T-0- T-T-0- T-T-. Deelectrostatischekrachten (valentiekrachten) in de gedeelde OH- of 0- groep van de tetraeder-en octaederslaag billding zorgen voor een sterke binding. De van der Waals krachten die detetraederlagen bij elkaar houden zijn veel zwakker. De hartafstand tussen de opeenvolgendegelaagde structuren is typerend voor het type kleimineraal Met rontgendiffiactie kunnenhartafstanden worden gemeten zodat de kleimineralen kunnen worden herkend.

29


I/

LEGEND(e)

0 OxYGEN

(a)

~ ~ NYOROXYL

(b). AI OR Mg

°oQ~o~CD. CD. I '@;;..

Q ~ OI. :1..- (\ -.I

(d)

Figuur: 4.3 Structuur van de octaederlaag. (a) octaeder geometrie van Al(O\OH)6 , (b) perspectiefschets vanoctaeder in de octaerderlaag, (c ) projectie van het octaeder, (d) bovenaanzicht van de octaederlaag. Olphen(1963).

4.3.1.2 Isomorfe vervanging

Een mechanisme dat leidt tot de vorming van verschillende kleimineralen is isomorfe vervang-ing. Door isomorfe vervanging worden de Si en Al atomen in respectievelijk de tetraeders enoctaeders vervangen door ongeveer even grote gelijkvormige atomen die meestallagerepositieve lading hebben. Silicium (Si) kan alleen worden vervangen door Aluminium (Al). Alkan worden vervangen door ijzer (Fe), magnesium (Mg), chroom (Cr), zink (Zn) en inmindere mate ook door andere atomen. Doordat de atomen die Si en Al vervangen een lagerevalentie hebben krijgen de tetraeder en octaederlagen een overschot aan negatieve lading. Ditoverschot wordt gecompenseerd door absorptie van grote positief geladen ionen, compensatiekationen genaamd. De compensatie kationen drijven de tetraeder en octaederlagen uit elkaar.In het geval van montmorilloniet is de afstand tussen de tetraeder en octaederlagen zo grootgeworden dat er water kan indringen. De water moleculen absorberen aan de compensatiekationen en hebben een redelijk stabiele positie in het kristal rooster. De hoeveelheid compen-satie kationen is een maat voor het vermogen van kleien om water te absorberen.

30

Hoofdstuk 4 Conditioneermiddelen

4.3.1.3 CEC

In aanwezigheid van water kunnen compensatie kationen vervangen worden door in wateropgeloste kationen. Dit proces wordt vooral gestuurd door concentratie verschillen en deaffiniteit van de verschillende kationen met klei. Het totaal aantal vervangbare kationen kananalytisch worden gemeten. Het aantal van deze kationen uitgedrukt in milli equivalent per100 gram droge klei wordt de kationen uitwisselingscapaciteit of de "CEC" genoemd.

4.3.1.4 I<leimineralen

I<leimineralen vallen uiteen in 5 groepen te weten:* Kaolinietgroep* lllietgroep* Smectietgroep* Palygorskietgroep* Chlorietgroep

De kleien uit de kaoliniet-, illiet en smectietgroep komen het meest voor. I<leimineralenkunnen ook worden gevormd door opeenstapelingen van verschillende kleimineralen, zobestaat er bijvoorbeeld illiet\smectiet. Deze gemengde kleimineralen worden "mixed layerminerals" genoemd.

Kaoliniet kleimineralen hebben een bijna perfecte T-O structuur. Het zijn niet zwellende kleienmet een zeer lage CEC. Isomorfe vervanging komt vrijwel niet voor. Enkele mineralen uitdeze groep zijn kaoliniet, dickiet, hallysiet en nacriet. De verschillen tussen deze mineralenworden gevormd door variaties in T-0\ T-0 opeenstapelingen.

llliet kleimineralen hebben een T-O- T structuur. De Si atomen in de tetraederlaag kunnen zijnvervangen. De negatieve lading die zo ontstaat wordt meestal vervangen door kalium Kaliumdat zich tussen de tetraeder en octaederlagen bevindt kan niet worden vervangen, Kalium dataan de buitenzijde van het kleimineraal zit kan wel worden vervangen. llliet mineralen hebbeneen lage CEC. Enkele mineralen uit deze groep zijn illiet, brammalliet, glauconiet en Phengiet.

Smectiet mineralen zijn zwellende kleimineralen. Smectietmineralen hebben een T-0- Tstructuur. In zowel de tetraeder als octaederlagen vindt isomorfe vervanging plaats. Decompensatie kationen die de negatieve lading compenseren zijn voornamelijk Natrium Nal+ enCalcium Ca2+.Smectieten kenmerken zich door hele hoge CEC waarden.Montmorilloniet is het bekendste en meest voorkomende smectietmineraal. Beideliet, saponieten vermiculiet zijn tevens smectieten.

31


4.3.1.5 Colloid chemie en ladingseigenschappen

Als men kleien met isomorfe vervanging in water suspendeert dan vormt zich een dubbellaag,zie figuur 4.4. De compensatie kationen die de negatieve lading van het kleideeltje, als gevolg

van de isomorfe ver-vangmg, opvangengaan gedeeltelijk inoplossing als het klei-deeltje in contactkomt met water. Doorde negatieve ladingworden kationenaangetrokken en anio-nen afgestoten. Als nutwee kleideeltjes el-kaar naderen dan sto-ten zij elkaar af alsgevolg van de afsto-tende werking van detwee dubbellagen,Permien (1995). Devorming van de dub-bellaag is zeer gevoe-lig voor het chemischmilieu met name depH.

...

- .

+

Bolvormigeelectrische potentiaal

Kationenconcentratie

Anionconcentratie

Figuur: 4.4 Schematische voorstelling van de electrische dubbellaag.

4.3.2 Bentonietsuspensies als conditioneermiddel

Het hoofdbestanddeel van bentoniet, het kleimineraal montmorilloniet heeft een hoogwaterabsorberend vermogen. Hoe hoger het gehalte aan montmorilloniet hoe hoger hetabsorberend vermogen en hoe hoger de viscositeit van de bentonietsuspensie. Dit is belangrijkomdat de permeabiliteit van een materiaal afhankelijk is van de viscositeit van de vloeistof inde porien. De permeabiliteit van grond voor een zekere vloeistof is uit de intrinsieke permeabi-liteit ofuit de permeabiliteit voor water te berekenen met:

k -k. p"

g,b-P1P~=~~kllb Pw llb

g,w (4.1)

32


waarbij:

~g : intrinsieke permeabiliteit (materiaalconstante)~,b : permeabiliteit voor boorvloeistof~w : permeabiliteit grondmateriaal voor waterg : gravitatie constante

l1b : viscositeit van boorvloeistofl1w : viscositeit van waterPb : volumegewicht van boorvloeistofPw : volumegewicht van water

(m2)(m/s)(m/s)(m/s2)(Pa s)(Pa s)(kN/m3)(kN/m3)

Een bentonietspoeling met een volumegewicht van 10.35 kN/m3, heeft al snel een viscositeitvan ca. 0,05 Pa s, terwijl water bij 20 graden en een druk van 1 bar een viscositeit van 1,00210-3Pa s heeft. Dit betekent dat de permeabiliteit voor bentonietsuspensie een factor 50 lageris dan voor water.Bij vloeistofschilden dringt de bentonietsuspensie in de formatie als gevolg van het drukver-schil tussen de grondwaterdruk en de vloeistofdruk in de werkkamer. Aan het boomont vormtzich een filterkoek van kleideeltjes. De filterkoek heeft als functie de steundruk over tebrengen op het grondmassie£ Bisschop (1995). Tegelijkertijd wordt verder verlies vanbentoniet voorkomen en instroom van grondwater in de werkkamer onmogelijk gemaakt.Bij gronddrukbalansschilden wordt door toevoeging van bentonietsuspensie de viscositeit vande porieenvloeistofvergroot waardoor de permeabiliteit afueemt en het materiaal als het wareverstopt en ondoorlatend wordt voor water.

4.3.3 Hoge dichtheid suspensie als conditioneermiddel

In formaties met een hoge permeabiliteit is toevoeging van bentoniet niet geschikt omdat teveel materiaal ontsnapt en de consistentie van de grondbrij na menging met de bentonietsus-pensie niet in het plastische bereik komt. Bij lIDS conditionering word een grote hoeveelheidfijne korrels aan de grond toegevoegd. De korrelgrootte van de vaste stof is afgesteld op deporiengrootte van de grond zodat wel een filterkoek gevormd word. De consistentie van degrondbrij komt als gevolg van de extra hoeveelheid fijne delen in het plastische bereik. Depermeabiliteit wordt op twee manieren verlaagd, als eerste doordat de viscositeit van deporienvloeistofverhoogd wordt en ten tweede omdat het percentage aan fijne delen wordtverhoogd.Bij normale bentonietsuspensies kan het aandeel aan bentoniet niet sterk verhoogd wordenomdat het materiaal dan niet meer te verp ompen is, Maid!, U.(1995). Om toch voldoende fijneilactie in de werkkamer te krijgen worden de toe te voegen hoeveelheden suspensie al snel tegroot. Een oplossing voor dit probleem is toevoeging van minder sterk waterabsorberendekleien zoals illiet en kaoliniet. Zwellende kleimineralen binden water, ongebonden water in eensuspensie noemt men vrij water. Dit vrije water is bepalend voor de viscositeit, hoe meer vrijwater hoe lager de viscositeit, Mastenberg (1995). Toevoeging van silt en niet zwellendekleien verhogen het volumegewicht terwijl voldoende vrij water in de suspensie aanwezigblijft.

33


Het materiaal heeft een hoger volume gewicht (p > 12 kN/m3) en viscositeit dan normalebentoniet suspensies. Een nadeel ten opzichte van de bentoniet suspensies is dat het moeilijkeris om een homogeen mengse1 in de werkkamer te krijgen. Er dient meer arbeid verricht teworden om de vloeistof met de grond te mengen, waardoor er meer slijtage optreedt, Cadeau(1992).Bij oplopende zwichtspanning en viscositeit penetreert de conditione erstof steeds minder verin de formatie. Het grondwater dat in de formatie zit wordt opgenomen in de grondbrijwaardoor deze vloeibaar dreigt te worden. De HDS moet voldoende waterbindende capaciteithebben om de grondbrij in het plastische bereik te houden. Zie paragraaf6.4.

4.4 SCHUIM

Onder schuim wordt verstaan een dispersie van gas in vloeistof Er kan onderscheid wordengemaakt tussen chemische en fysische schuimen. Een chemisch schuim ontstaat als gevolg vaneen chemische reactie waarbij gas vrijkomt, het gas blijft vervolgens in suspensie. Men kanhierbij denken aan "pur-schuim" zoals dat gebruikt wordt in de bouw.Fysisch schuim wordt verkregen door menging van lucht en vloeistof Het schuim ontleent zijn"stabiliteit"aan het Maragoni effect (zie paragraaf 4.4.1.2) en indirect aan de verlagingvanoppervlakte spanningen door schuimstoffen. Het verschil tussen de fysische- en chemischeschuimen is het ontbreken van een permanent stabiele bellen structuur, zie figuur 4.5.De luchtbelletjes in het fysische schuim van gronddrukbalans schilden ontsnappen naar verloopvan tijd. Bij fysische schuimen kan onderscheid worden gemaakt tussen twee hoofdtypes, zie

figuur 4.6. Het eerste type (verdundschuim) is opgebouwd uit bijna bol-vormige belletjes die worden ge-scheiden door een dikke laag vloei-stof Het tweede type schuim (ge-concentreerd schuim) bestaat voor-namelijk uit de gasfase, zie figuur4.6. De gasbelletjes zijn veelhoekendie worden gescheiden door dunnefilms van vloeistof De gasbellenvormen als het ware een bellenske-let. Voor conditionering van grondin EPB-machines wordt geconcen-treerd fysisch schuim met een bel-lenskelet gebruikt. Voordat de wer-king van het schuim wordt uitgelegdzullen eerst fysische en chemischebegrippen worden besproken.

12

...

ld

10 I

""

~E 8tJJ!E 6.:i.ciii 4

'"

2

0

0.1

.. - I

10log tijd (min)

100

Figuur: 4.5 Schuimstabiliteit van fYsische schuim m. 2 enchemisch schuim m. 1. Maidl, U. (1995) figuur 5-1.

34


uc'!oC2rrYW

,,"","" ".-.'~~

:.O.-"'.O:,~"::

~,.DO~OAO,

Figuur: 4.6 Verschillende schuim typen, a) verdund schuim, b) geconcentreerd schuim.Wilson (1989).

Oppervlaktespanning, ook wel oppervlakte-energie genoemd, speelt een centrale rol in defysische oppervlaktechemie van schuimvorming. Het is een stofeigenschap die weergeefthoeveel energie nodig is om het vloeistofi'gas-grensvlak (L/G-grensvlak) met een eenheid tevergroten. De eenheden van oppervlaktespanning en energie zijn respectievelijk N/m en J/m2.Op moleculaire schaal gezien, ontstaat de oppervlaktespanning door de aantrekkingskrachtenvan moleculen onderling. Een molekuul midden in de vloeistof ondervindt aantrekkende vander Waals krachten veroorzaakt door de omliggende moleculen. In polaire vloeistoffen, zoals

water komen daar 'nog dipoolkrach-ten bij. De resulterende kracht opeen enkel molekuul is nul. Bevindteen molekuul zich aan het oppervlakdan ondervindt het molekuul eennetto kracht inwaarts, zie figuur 4.7.De oppervlaktespanning kan opverschillende manieren worden ge-meten mb.v. de capillaire stijghoog-te of met de tensiometer van du N0-uy figuur 4.8 en 4.9. In de onder-staande tabel staan enkele oppervlak-tespanningen van zuivere stoffen ge-

Figuur: 4.7 Aantrekkingskrachtenvanmoleculenaanhetopper-H (1990)vlak en middenin een vloeistof.Shaw(1980),figuur4.1. geven, eerema .

4.4.1 Belangrijke begrippen

4.4.1.1 Oppervlaktespanning

Lucht

--*=*~*---*=r- -* - - -*

- --

-- -

- * - -- --

Vloeistof~* -- *--

- - - -

35

1111:111111111111111:"1111'1:11'1111':11111:.111:1'1'1:':1'1:111.:111,:'1:111:,,:1..1:111111.11:111111111:1:1:111::1'111:1::1111"::':1':::::"::::"1111:111'::1::':'::':,'IIIIIIII'II!I: :',.::II'I'I'I:'I::::I"::I:'IIII.IIII!III::.~I~I~~:111~1~11'::::I:::II:I:I:!lllli:11

water 72,75

aZlJnzuur 27,6

aceton 23,7

ethanol 22,3

kwik 485

hoogovenslak (bij smeltpunt) 400


Tabel 4.1: Oppervlaktespanning van verschillende vloeistoffen, Heerema (1990).

Oppervlakte actieve stoffen nestelen zich aan het grensoppervlak van vloeistof en lucht enveranderen de eigenschappen daarvan. Ze vormen een :fi1m1aagaan het L\G-grensvlak envenninderen hierdoor de oppervlaktespanning. Deze vennindering veroorzaakt een strevennaar vergroting van het L\G-grensvlak. Vaste stoffen worden beter benat en schuim kanworden gevormd.

--2r I 11

- -'~-iJ9.: -[:=j-1- .- -...i--f- -.

-- - - - - - - - -~- - - - - - - - -- -.- - - --- -- ---- - - - - - - - ---- --. --- - -- - Water - - - - - - -

Figuur: 4.8 Capilaire stijghoogte. Shaw (1980), fi- Figuur: 4.9 Meting van oppervlaktespanning van tweegum 4.3 vloeistoffen. Shaw (1980), figuur 4.6.

Kijken we naar een vloeistofdruppel op een vast oppervlak in evenwicht, dan geldt devergelijking van Young, zie figuur 4.10 van Shaw (1980):

YS1G-YS1L -Y GILcos6=O (4.2)

36

Hoofdstuk 4 Conditioneermiddelen

YS/G ~

YGIL

Vloeistof

YSIL

~Lucht

Vaste stof

Figuur: 4.10 Krachtenevenwicht aan vloeistofdruppel. Naar Sandwijk (1991)

Beschouwen we in deze situatie de adhesiearbeid WSIL, vergelijking 4.3:

WS1L =YSIG+YGIL -YS1L (4.3)

Omschrijven van 4.2 en 4.3 levert:

WS1L =Y GIL(1 +cos6) (4.4)

Als 6 = 0Als 0 < 6 < 180Als 6 = 180

dan is W SIL = 2y GIL

dan is W SIL = YGIL (1 +cos6)dan is WSIL = 0

Volledige bevochtigingGedeeltelijke bevochtigingGeen bevochtiging

Met: WSIL

YS/G

YSIL

YGIL

6

: adhesiearbeid (arbeid om twee niet te mengen stoffen te scheiden) (N/m): oppervlaktespanning vast-gas (N/m): oppervlaktespanning vast-vloeistof (N/m): oppervlaktespanning gas-vloeistof (N/m): contacthoek.

Als de oppervlaktespanning van het L/G-oppervlak afueemt dan daalt de grote van de contact-hoek en wordt het oppervlak beter benat.

37


4.4.1.2 Schuimstoffen, Tensiden

Schuimstoffen zijn oppervlakteactieve stoffen die de oppervlaktespanning van het L/G-grensvlak verlagen. Ret zijn stoffen met zowel een hydrofiel als een hydrofoob karakter. Ditdubbele karakter zorgt ervoor dat zij aan het L/G-grensvalk absorberen zie figuur 4.11 Maidl,U (1995).Ret hydrofobe gedeelte wordt gevormd door een lange koolstofketen. De hydrofiele kant diegemakkelijk oplost in water, wordt gevormd door een polaire kop. Stoffen zoals bijvoorbeeldvetzuren ofzepen (RCOOR-), aminen (RNlf), sulfonaten (RS03+) en bepaalde biomoleculenzoals protefuen zijn oppervlakteactieve stoffen (R staat voor de lange koolstofketen). Desynthetisch bereide zepen worden tensiden genoemd.

De oudst bekende bereiding van tensiden ishet koken van dierlijke vetten met zoutentot zeep. Tegenwoordig worden oppervlak-teactieve stoffen gemaakt door hydrolysevan glyceriden (vetten), waarbij zout van decarbonzuren en glycerol ontstaan. Ret gly-ceried bouwt de lange koolstotketen, waar-aan de polairecarboxyl-groep COO- is ge-bonden, figuur 4.11.

Hydrofobe groepCH)

I(CH2)

7

CHil

CH

(CH2)7..n,,,,,,,,,,~,,,",,""" n

n"'''.''.''.

Hydrofiele groep

co

0Ret grensvlak met de tensidenfilm heeft eenlagere oppervlaktespanning omdat de vander Waals aantrekkingskrachten tussen deapolaire koolwaterstotketens kleiner is dande dipoolkrachten tussen de polaire watermoleculen, Maid!, U(1995). Ret procesvan de verlaagde oppervlaktespanningwordt ook wel eens anders beschreven,Reerema (1990), Shaw (1980); doordat de

zeepmoleculen naar het grensvlak trekken, ontstaat de neiging om het oppervlak te vergroten.De resulterende kracht werkt tegen de thermodynamische kracht die het oppervlak wi!verkleinen. Als resultaat wordt de oppervlaktespanning verlaagd. Met de oppervlakte spanningneemt ook de schuifweerstand tussen vloeistof en vaste stof af

'+Na

Figuur: 4.11 Chemische opbouw en symbolische weer-gave van een tensid molekuul. Staart is Hydrofoob dekop is hydrofiel. Maidl, U (1995) figuur 5-3.

4.4.1.3 Oppervlaktefilm en micellen

De sterke absorptie van tensiden aan het L/G-grensvlak zorgt voor de vorming van eenoppervlakte film of monomoleculaire laag en wordt oppervlakteactiviteit genoemd. Opper-vlakte activiteit is een dynamisch fenomeen waarbij de uiteindelijke grenslaag de balans weer-geeft tussen de drang tot absorptie aan het grensvlak en de drang tot complete menging alsgevolg van thermische beweging van de moleculen in een vloeisto£ Shaw (1980).

38


Bij hoge concentraties van tensiden ontstaan er naast de oppervlaktelaag ook micellen. Dit zijnkogelvormige agglomeraten van zeepmoleculen die kunnen bestaan door de lichteaantrekkingskracht van de hydrofobe delen van de zeepmoleculen. De hydrofiele kop blijft ingehydrateerde toestand en wijst naar buiten zie figuur 4.12. De micellen zijn evenals als deoppervlakte laag van het zeep niet stabiel, ze zijn in dynamisch evenwicht met de omgeving.

Oppervlaktefilm

i I I I I I I I I\'

,~Vloeistof

"'

( ('. I (.; U( U -:- /'''-~-..J '-"+ T /~ + /',. """'-1- --

-

. ") + '--+.r; ,

,,,,", . \..,.. r,

~+ 1)' I' ",",.,..' , ,

+"--' ,.

'"r~

.

.,, ty

~,

Jc.~.

-

/.,' 7""'- ,'~~

. Micelle', I~.- ''-'

/.''\'-.'--:

\'-'J /"~ I + ++'---;C'-:

+ 1 + ~:=;'~+~~ )- . ~.+

~::::r-~,

+..."

_

I

'/,

".,

'. -- Tensidmolekuul+(~r; +'-\..)'--'

+

q\

Figuur: 4.12 Schematische weergave van oppervlaktefilm en micelle vonning. Maidl, U(1995), figuur 5-4.

4.4.1.4 Schuimstabiliteit

Met gas en een pure vloeistofkunnen luchtbellen worden gecreeerd die niet stabiel zijn. Omeen redelijk stabiel schuim te krijgen is toevoeging van een oppervlakte actieve stofvereist. Destabiliteit van schuim wordt verminderd door twee factoren: de tendens van de vloeistoffilmom te draineren en dunner te worden en het knappen van bellen door verstoringen van buiten.Andere factoren die een rol spelen bij de stabiliteit van schuim zijn verdamping en diffusie vangas door vloeistofThermodynamisch gezien zijn alle fYsischeschuimen instabiel als gevolg van het grote interneoppervlak en vrije energie. Toch kan onderscheid worden gemaakt tussen onstabiel enmetastabiel schuim. Onstabiel schuim kan worden gevormd met licht oppervlakte actievestoffen zoals kort geketende vetzuren en alcoholen. De beperkte oppervlakte activiteit zorgtvoor een vertraging van drainage en het knappen van de bellen. Metastabiele schuimen zijnschuimen die worden gevormd met schuimstoffen zoals zepen, synthetische wasmiddelen,sulfonaten, proteme, etc. Na verloop van tijd ontstaat er een krachtenevenwicht die verderedrainage en verdunning van de filmlaag voorkomt. Wanneer er geen verstorende factoren zijndan kunnen deze schuimen oneindig lang bestaan.

39

Grondconditionering: in het EPB-schild

Het krachtenevenwicht dat zorgt voor de stabiliteit van schuim bestaat uit tenminste vierfactoren. Verdunning van de filmlaag tussen twee gasbellen wordt veroorzaakt door deaantrekkende van der Waals krachten en capilair krachten.

II

~Beschouw figuur 4.13. De druk in de aangren-zende luchtbellen is gelijk, dit heeft tot gevolg datde vloeistofdruk in punt A, waar de gasbellen opgrotere afstand liggen lager is. De vloeistofdruk inpunt B is hoger, waardoor vloeistoftransport vanB naar A optreedt en verdunning wordt veroor-zaakt.Overlapping van twee gelijk geladen electrischedubbellagen van de in vloeistof opgeloste stoffenzorgen voor een afstotende kracht die verdunningtegengaat. Het belangrijkste proces dat verdunningvan de vloeistoffihn tegen gaat wordt het Gibbs-Maragoni effect genoemd. Het Gibbs-Maragonieffect kan men zien als elasticiteit van de filmlaag.

Figuur: 4.13 Grens tossen drie luchtbellen. Alsgevolg van de kromming in het gas/vloeistofgrensvlak is de druk in punt A lager.

lnterlamelaire vloeistofLucht

\

Lucht

Figuur: 4.14 Gibbs-Maragoni-effect. Maidl, U (1995), figuur 5-19.

Stel dat ergens in de vloeistoffihn rond een gasbel een verstoring optreedt die een verdunningteweeg brengt. Deze verdunning noemen we de hals. In de hals wordt het oppervlak vergrootwaardoor de concentratie van oppervlakteactieve stoffen afueemt, zie figuur 4.14. Oppervlak-te actieve stoffen verlag en de oppervlakte energie. Omdat de concentratie van oppervlakteactieve moleculen plaatselijk afueemt neemt de oppervlakte activiteit toe (Gibbs effect).Omdat het enige tijd kost om de oppervlakte actieve moleculen via diffusie naar het gebogenoppervlak te transporteren blijft de verhoogde oppervlakte spanning lang genoeg bestaan omvoldoende vloeistof naar de hals te trekken, (Maragoni effect).

40


De afwezigheid van het Gibbs-Maragoni effect in zuivere vloeistoffen zorgt er voor dat daargeen schuim gevormd kan worden. Het is opvallend dat iets sterkere oplossingen vanschuimstoffen juist instabie1er schuim leveren. Dit is het gevolg van een sneller verlopendediffusie proces bij verhoogde concentratie, Shaw (1980).

4.4.2 Schuim als conditioneerstof

Het schuim dat wordt gebruikt als conditioneermiddel voor grofkorrelige grond is eenmetastabie1 £ysisch schuim dat voor het grootste gedee1te uit lucht en een klein dee1waterbestaat. Als schuimstoffen worden tensiden gebruikt. Polymeren worden gebruikt als stabi-lisator.

4.4.2.1 Schuimstoffen gebruikt voor bodemconditionering

TensidenIn de dissertatie van Maidl,U (1995) worden aanbevelingen gedaan over de te gebruikentensiden en polymeren. Maid1: "half synthetische anionactieve tensiden, die uit de sulfatiseringof sulfonatisering van olefinen gewonnen worden, hebben bewezen zeer goed geschikt te zijnvoor schuimbereiding voor bodemconditionering".Onderscheid tussen de twee eindprodukten op basis van sulfonatisering of sulfatisering kangemaakt worden door te letten op de hydrofiele groep:

sulfonatisering:sulfatisering:

SulfonaatSulfaat

R-S03NaR-O-S03Na

Tensiden zijn eenvoudig te produceren en er is een enorme verscheidenheid aan produkten opde markt waarvan de samenstelling slechts licht verschilt, en de eigenschappen nagenoeg gelijkzijn, Porter (1991).

PolymerenPolymeren worden gebruikt als stabilisator van schuim om de levensduur en de sterkte teverhogen. Zeer geschikt voor deze toepassing zijn de synthetische polymeren uit de acrylamidegroep en de half synthetische polymeren uit de polysacchariden groep Maidl,U(1995).Het is belangrijk dat de schuimstoffen en de eventueel te gebruiken stabilisatoren op elkaarworden afgestemd. Maidl,U.(1995) stelt dat anionactieve tensiden in combinatie met anionac-tieve polymeren met middelgrote polimerisatiegraad zeer goed geschikt zijn. Hij gebruikt danook een tensid uit de groep van Natrium Alkylsulfatenen en als stabilisator halfsynthetischeCarboxymethy1cellu1ose(CMC).

41


4.4.2.2 Biologische afbreekbaarheid en verwerking

In de brochures van verschillende producenten van schuim wordt gewezen op de biologischeafbreekbaarheid van het product. Zowel de schuimstoffen als tensiden zijn onschadelijkorganische stoffen die oxideren tot de natuurlijke producten CO2 en H2O. De stoffen mogendan biologisch afbreekbaar, en in verdunde oplossing onschadelijk zijn toch zijn er een aantalbeperkingen aan het gebruik.De biologische afbraak van halfsynthetische polymeren inc1usiefCMC duurt vaak zeer lang.In veellanden worden limieten gesteld aan de zuurstof opname van te storten grond. Als teveel schuim wordt toegevoegd dan kan de voor afbraak benodigde hoeveeJheid zuurstof delimiet overschrijden. Het materiaal is dan niet meer te beschouwen als schone grond en moetdan in speciale afvaldepots opgeslagen worden. In Duitsland bestaat een ontwerprichtlijn dieste1tdat de maximaal op te nemen hoeveeJheid O2de waarde van 20 mg/l niet mag overschrei-den, Maidl,U(1995).Door het IPO (Inter Provenciaal Overleg) worden in Nederland geen eisen gesteld aanmaximaal toelaatbare percentages tensiden en polymeren. Het IPO is verantwoordelijk voor deregelgeving totdat het bouwstoffenbesluit in 1998 in werking treedt, IPO (1994).Voor bentoniet bestaan vergelijkbare problemen. Ondanks het feit dat het een natuurproduktbetreft, wordt grond vermengd met bentoniet in Japan als chemisch afval beschouwd, Mizuno(1993 ).

Een groot voordeel van schuim toevoeging is dat de afgegraven grond zijn oorspronkelijkeeigenschappen temgkrijgt. Bij zandgrond is dit van groot belang omdat "schoon" zandopnieuw gebruikt kan worden en economische waarde heeft. Zodra het schuim-grondmengselin de open lucht komt, ontsnappen de luchtbellen en krijgt het materiaal zijn vaste vorm. Bijtoevoeging van bentoniet in grote hoeveeJheden is en blijft het materiaallange tijd zeerplastisch. Komt het materiaal na uitdroging opnieuw in contact met water dan wordt hetopnieuw zeer plastisch. Het materiaal moet dan ook in speciale afvaldepots worden opgesla-gen.

4.4.3 Werkingswijze in de grond

De werking van schuim in het korrelskelet staat duidelijk beschreven in de dissertatie van deheer Maidl, U (1995) . Aan de hand van deze dissertatie wordt de werking van schuimbehandeld.In originele toestand is de bodem te beschouwen als een tweefasen systeem van vloeistof envaste korrels. Door toevoeging van schuim komt daar lucht als derde fase bij. De eigenschap-pen van het systeem zijn afhankelijk van de volumeftacties van de verschillende fasen. Hetvolumegewicht van het driefasen systeem kan worden berekend met behulp van de volumef-racties van de drie fasen.

42


en LuchtbelGesprog

/+ -<~'f; ',""",...,

>«;+21-""",. '.~+0' .~

l~''--5 +

;>~.">I....+ r I

--t};~~W:w//.

:I:. +"'fr:f.""":~:.~~~

,z'~~;

.

;~.;;;

..

.,,~

~~

,.,

',.

+,.,

',

-+/""',~~,r"

0-'-' "'-1%},;

:I:./ '~'~;';~~~

~ .7,S'l/.."+'::

'" '-'-,'~,

Luchtbel

if Micellec--~

Hydrofobe mantel

a) b)

Figuur: 4.15 Absorptie van tensidmoleculen aan het vloeistof/vast grensvlak, bij (a) geringeconcentratie en (b) geschikte concentratie. Maidl, U (1995), figuur 5.14.

4.4.3.1 Chemische processen tijdens menging

Als eerste wordt een zuiver ten sid schuim behandeld zonder toevoeging van stabilisator.Vervolgens wordt ook de werking van een polymeerschuim toegelicht.

Tensidschuimen.Bij aanvang van schuiminjectie klappen de eerste luchtbellen als zij in contact komen metgronddeeltjes. De hydrofiele kop van het zeepmolekuul absorbeert namelijk beter aan het L\S-grensvlak dan aan het L\G-grensvlak. Na verloop van tijd, bij geringe ten sid concentratie is deabsorptielaag van de korrels compleet (figuur 4.15a). De korrels zijn hydrofoob gewordenomdat de hydrofobe staart van de zeepmolekulen naar de vloeistof is gekeerd. Door dezeapolarisatie van de korrels wordt de aanhechting van korrels aan elkaar versterkt.Ook in deze absorptiefase zijn de luchtbellen niet stabiel. Bij contact tussen luchtbel engronddeeltje (met enkelvoudige adsorptielaag) treedt onmiddellijk verstoring op. Dit procesgaat door totdat de gronddeeltjes voorzien zijn van een dikke adsorptielaag zoals is aangege-ven in figuur 4.15b. Pas dan heerst er een stabiele situatie. Tussen de korrels bevindt zich nueen stabiel kussen van schuimbellen.Tevens zorgt het negatieve karakter van de ten sid molekulen voor een negatieve oppervlakte-lading van de korrels zodat de afstoting van korrels versterkt wordt.Als gevolg van de absorptie laag en het luchtkussen neemt de hoek van inwendige wrijving af

43


Polymeerschuimen.In figuur 4.16 is weergegeven hoe een schuimoplossing met polymeer toevoeging werkt. Desterk hydrofiele eigenschappen van de polymeren zorgen voor een snelle en krachtigeabsorptie aan het eveneens hydrofiele korreloppervlak. De gronddeeltjes worden omringddoor een diffuse laag die opgebouwd is uit ten sid- en polymeermolekulen. De dynamischewisselwerking tussen de tensidmolekulen in de schuimbellen en de tensidmolekulen in deadsorptie film van de korrels is veel minder dan bij zuiver tensidschuim. Hierdoor is het schuimstabie1er. De polymeer-tensidlaag is als het ware een beschermings colloid, zij schermt dekorrels af van elektrische invloeden. Kationen die de negatieve oppervlaktelading kunnenverminderen worden voortijdig geneutraliseerd en kunnen niet tot het korrelopervlak doord-ringen. Het geheel heeft een grotere negatieve lading waardoor de stabiliteit van de interlame-laire vloeistofverhoogd wordt. Tevens wordt de korrel-korrel wrijving verminderd door hetgelaagde karakter van de beschermingskolloid. De algehele verkleving zorgt voor eentoenemende ondoorlatendheid voor water.

Bodemdeeltjes

Figuur: 4.16 Absorptie van polymeershuim aan het vast/vloeistof grensvlak.Maidl, U (1995), figuur 5-15

4.4.3.2 Veranderde fysische eigenschappen van de grond

In het bodem-schuimmengsel zijn de drie aanwezige fasen tot een samenhangend gehee1verbonden. Op basis van de hogere adhesie- en capillairkrachten en de hogere viscositeit vanhet schuim wordt het ontwijken van een fase voorkomen. Dit heeft positieve gevolgen voor dewaterdoorlatendheid, de kompressibiliteit en de spanningsverdeling.

44


4.5 POL YMEERGEL

De werking van polymeergel als conditioneermiddel voor zandgrond berust op de waterbin-dende capaciteit van de polymeren. De gel wordt toegevoegd om de concistentie van degrondbrij te beinvloeden. Hierbij dient het grondwater door de polymeren te worden gebondenopdat er geen vloeistof ontstaat. Er zijn veel soorten polymeren op de markt waaronder purenatuurprodukten, synthethische- en halfsynthethische stoffen. In paragraaf 4.5.1 en 2 zal eerstde chemie van deze stoffen worden behandeld, vervolgens zal de werking van de polymerenaan de hand van Babendererde (1993) en Maid!, U. (1995) worden besproken in paragraaf4.5.3.

4.5.1 Chemie en bereiding

Polymeren zijn organische verbindingen die opgebouwd zijn uit een groot aantal gelijke basismoleculen die monomeren worden genoemd. De bindingen in deze lange makromolukulen dieopgebouwd zijn uit soms wel honderdduizenden atomen zijn koolstofbindingen. Copolymerenzijn makromolekulen die opgebouwd zijn uit minstens 2 verschillende monomeren.Polymeren komen veel voor in organismen. Protefue bijvoorbeeld zijn polymeren en vormenhet leeuwendeel van het lichaam van dieren, maar ook cellulose de bouwstof van planten is eenpolymeer.Synthetisch kunnen polymeren worden bereid uit stoffen met dubbele koolstofbindingen viapolymerisatie, polycondensatie ofpolyadditie. Plastics zijn synthetische polymeren. Demogelijkheden en variaties binnen de synthetische polymeren zijn onbeperkt. Een belangrijkbegrip bij de bereiding van de polymeren is de polimerisatiegraad, welke wordt bepaald doorhet aantal monomeren in een makromolekuul. Korte ketens van monomeren hebben een lagerepolimerisatiegraad dan lange ketens. De eigenschappen van de polymeren worden naast depolimerisatiegraad bepaald door de bouwstenen van het makromolekuul en de structuur vanhet kettingmolekuul.

4.5.2 CarboxylMethylcellulose (CMC)

Carboxylmethylcellulose (CMC) wordt veel gebruikt in diepboringen en als conditioneermid-del van grond. CMC is een polymeer uit de groep van halfsynthetische polymeren, ook welnatuurlijk gemodificeerde polymeren genoemd. CMC is een chemische modificatie vancellulose. De structuur formule van cellulose is weergegeven in figuur 4.17. Ondanks het feitdat de stof opgebouwd is uit repeterende anhydroglucozeringen met ieder drie hydroxylgroepen, is de stofzeer complex en amorfvan structuur. Cellulose is onoplosbaar. Als dehydroxyl groepen (-OH) vervangen worden door alcohol groepen dan ontstaat het in wateroplosbare CMC. In figuur 4.18 is de structuur formule van CMC weergegeven.

45

OH OH C H20 H

I HO

0 --- "'" () \

CH20H

~O--

OH 'I

CH20H OH

Grondconditionering in bet EPB-schild

Figuur: 4.17 Structuurformule cellulose, Gray (1980) figure, 11-11.

In de figuur is te zien dat twee -OH groepen vervangen zijn door primair alcohol (links) ensecundair alkohol (rechts). Als men deze substitutie over het hele molelruul doorzet danspreekt men van een substitutiegraad van een. De substitutiegraad van industrieel vervaardigdCMC is in werkelijkheid zeer onregelmatig en loopt uiteen van 0.5 tot 1.5. De oplosbaarheidin water neemt toe met de substitutie graad. Het gewicht van het molelruul is afhankelijk vande polimerisatiegraad van de anhydroglucose ringen.

\HC

/!H.CH

\HC

ICH

~c~o~/c==o

Na+.O/"

H2OH C, ICH HC

\ /CH CH

/ \ / \?H0 0 HC

OH

0

/\\H/CH

,

0

'"CH2

/O==C"-

" O-Na +

Figuur: 4.18 Structuurformule van carboxylmetylcellulose. Gray (1980), figuur 11-12.

46


Voor de bereidIDg worden als grondstoffen natuurlijke celsto£ natronloog, monoclorisch zuuren natrium zout gebruikt. CMC heeft een anionisch karakter en is sterk waterabsorberend.Opgelost in water vormt het stabiele colloid oplossingen die bij hogere concentraties gelachtigworden. CMC is hydrofiel en absorbeert aan de hydrofiele oppervlakken van gronddeeltjes,

4.5.3 Werking in de grond

De werking van polymeren is sterk afhankelijk van de elektrische aantrekkingskrachten en depolimerisatiegraad. In figuur 4.19. zijn vier basissystemen voor de wisselwerking van hetkorrelskelet met polymeren te zien. Niet ionogene polymeren kunnen aan het oppervlak vangronddeeltjes absorberen figuur a), zonder dat er electrostatische krachten werkzaam zijn.Elektrische aantrekkingskrachten kunnen ontstaan als de gronddeeltjes geladen zijn, figuur b)of als de polymeeroplossing een geladen karakter heeft, figuur d).Met verschillende polymeren kunnen de eigenschappen van grond worden gemanipuleerd,Maidl,D.(1995), Babendererde (1993):

* Als het polymeer een hoge polimerisatiegraad heeft dan kunnen de gronddeeltjes inhUllgeheel worden opgenomen in de gel structuur. Het korrelskelet wordt ingepakt door depolymeren, de korrels worden met elkaar verbonden en in een grofkorrelige niet cohesievebodem ontstaat een cohesieve matrix. Door de glijwerking van de oplossing wordt de wrijvingtussen korrels verminderd en daalt de hoek van inwendige wrijving.

a)

~

c)

b)

d)

Figuur: 4.19 Wisselwerking van grondkorrels met verschillende polymeeroplossingen. Maidl, U (1995) figuur4-1.

47


* Permeabiliteitsvermindering kan ook worden bereikt door toevoeging van nietabsorberende, niet elektrisch geladen polymeren, figuur c). Als de concentratie hoog genoeg isdan verstrengelen de polymeren met elkaar. De polymeren vormen met de gronddeeltjes en hetporienwater een samenhangend geheel.

* Korte polymeerketens met ionogeen karakter kunnen zorgen voor een toename van denegatieve lading aan het oppervlak van de gronddeel1jes. Door de toegenomen afstotendewerking tussen dee1tjes onderling, neemt de neiging tot samenklontering a£ In de ondersteu-ningsvloeistof van vloeistofschilden wordt hier vaak gebruik van gemaakt.

* Door omhulling van de kleidee1tjes met polymeren wordt absorptie van watervoorkomen waardoor de kleverigheid van de klei afueemt. Door dit effect kan de benodigdearbeid voor rotatie van het graafwiel en andere bewegende delen verminderd worden.

* Door vervuilde grond kunnen kleideeltjes in suspensie uitvlokken, doordat zij incontact komen met extra kationen. De kationen absorberen aan de kleidee1tjes waardoor denegatieve lading aan het platte oppervlak venninderd wordt. De afstotende werking tussen dekleiplaatjes neemt af en de suspensie kan uitvlokken. Bij vloeistofschilden kan dit fatalegevolgen hebben. Polymeersuspenties zijn bestand tegen verontreinigingen en neutraliseren deionen in oplossing. Als toevoeging aan bentonietsuspensies zorgen ze dan ook voor behoudvan de eigenschappen.

* Door omhulling van de korrels met polymeren neemt de wrijving tussen korre1s af

48

Hoofdstuk 5 Praktiikstudies

HOOFDSTUK 5 PRAKTIJKSTUDIES

5.1 INLEIDING

In dit hoofdstuk worden praktijkstudies beschreven om te achterhalen ofboortunnels zijnuitgevoerd in zandgrond met vergelijkbare eigenschappen als Nederlands Pleistoceen zand. Depraktijkstudies zijn;

-Metrotunnel in Valencia-Metrotunnel in Tokyo-Doorpersing in Zevenhuizen-Botlekspoortunnel in Rotterdam

De eerste drie praktijkstudies behandelen projecten waarin gronddrukbalansschilden zijntoegepast in niet cohesieve grond. Conditionering van de grond is in aile gevallen nodig enstaat centraal in deze praktijkstudies. Het laatste project is een Nederlands tunnelproject datmomenteel in voorbereiding is. In deze praktijkstudie wordt besproken ofhet mogelijk is omde tunnel aan te leggen met een gronddrukbalansschild en hoe en met welke middelen degrond geconditioneerd kan worden.

5.2 CONSTRUCTIE VAN METROLIJN NR. 5 IN VALENCIA, SPANJE.

5.2.1 Project omschrijving

Deze praktijkstudie is gebaseerd op informatie uit de literatuur. De informatie is afkomsig uitartikelen van Wallis (1995) en Herrenknecht (1995).In oktober 1994 is begonnen met de constructie van lijn 5 van het metronetwerk van Valenciain Spanje. Het traject is in totaal3. 750 m lang, inc1usiefde vijf stations Alameda, Colon,Xativa, Angel Guimera en Avinguda. Over een lengte van 2.100 m wordt het traject gegravenmet een gronddrukbalansschild TBM. De resterende 1.650 m van de tunnel wordt gecon-strueerd met de cut en cover methode. Het geboorde traject bevind zich onder de historischebinnenstad van en bestaat uit twee tunnels met een uitwendige diameter van 6.35m. De vijfstations en twee tunnelsecties van 800 m en 140 m vormen het gedeelte dat is gemaakt met de"cut and cover" methode.Het tunneltraject start in de, 15jaar geleden drooggelegde, rivierbedding van de rivier de RioTuria ongeveer 380 m ten oosten van het Alameda station en loopt tot station Avinguida. Hettraject loopt dwars onder het historische centrum van Valencia door. Er is gekozen voor eensleufloze techniek om het centrum en het drukke verkeer aldaar niet extra te belasten.Het diepste punt van het traject bevindt zich tussen de stations Colon en Xativa; hier liggen detwee tunnels boven elkaar. De as van de onderste tunnel bevindt zich 26m onder het maaiveld.Het project is in 1991 uitbesteed aan de joint venture EOVAL.

49


Dit consortium bestaat uit twee Spaanse aannemers, Entrecana1es en OCP en een adviseur, hetSpaanse Iberinsa. ..

Het contract inc1usief ontwerp, constructie, verbindingsbrug (tussen de historische oevers vande Rio Turia) en andere geassocieerde werkzaamheden is vergeven voor 320 miljoen US.dollar. De kosten voor de geboorde tunnel bedragen ca. f113.950,- per meter (inc1usiefTBMen mante1e1ementen).Ter vergelijking: de cut-en-cover tunnel van 0.8 km gaat f131.200,- permeter kosten (deze tunnel wordt uitgevoerd a1sstation). Bij de omrekening is uitgegaan van:US$l = f12-. De contractperiode 100pt afin mei 1997. Men verwacht dat de eerste metro eind1997 door de tunnel za1rijden.

5.2.2 Geologie en Geotechniek

5.2.2.1 Geologie

De geologie in het gebied is complex en wordt sterk bepaa1d door het sedimentatieproces vande Rio Turia. de stroombedding van de RioTuria vindt men een afwisseling van kleien, zandenen grinden. Het freatische vlak bevindt zich op een diepte van 3 tot 7 m onder het maaiveld.De tunnels bevinden zich op een diepte van ongeveer 15 m onder het maaiveld. In figuur 5.1 iseen deel van het geotechnische profiel van het traject weergegeven. De eerste 120 m van hettraject gaat door grindhoudend zand (laag 3). In laag 3 bevindt zich een lens van kleiige siltmet een maximale dikte van 4m en een breedte van ongeveer 60 m (laag 4). Beide lagen zullenover een behoorlijke lengte gelijktijdig worden afgegraven door de TBM.

~ Klei en zand, laag 1D Klei en silt, laag 20 Zand en silt, laag 4 en 5

.D Silt en grindhoudendzand laag, 3 en 6

Figuur: 5.1, Geotechnisch profiel. Herrenknecht (1995).

50

I/ J

I/

//

1/......-

/

/

-'"I ,/

....~


Vervolgens wordt over een lengte van 890 m uitsluitend geboord in de cohesieve lagen vanlaag 4. Voordat station Angel Guimera is bereikt gaat men over in siltig zand (laag 5). Hettraject loopt 200 m in laag 5, de resterende 850 m tot aan het laatste station Avinguda bevindtzich in laag 6. Laag 6 bestaat uit zanden en grinden.

5.2.2.2 Geotechnische gegevens

In figuur 5.2, 5.3 en 5.4 zijn de grenzen van de zeefkrommen van de grondsoorten uit laag 3en 6, laag 4 en laag 5 weergegeven. De fijne ftactie van de gronden uit laag 3 en 6 varieerttussen 5 en 50 %. Als gemiddelde kan een fijne ftactie van 15 tot 20 % worden genomen. Depermeabiliteitvan de grond uit laag 3 en 6ligt rond de 10-4mis, met uitschietersnaar 10-3 mlsen kan dus worden beschouwd als permeabel tot zeer permeabel. De maximale diameter van

de stenen die in deze lagen zijngevonden is 15 tot 20 cmGrond uit laag 4 heeft een per-centage fijne korrels uiteenlo-pend van 30 % tot 100 %. Alsgemiddelde waarde kan 80 %worden genomen. De permea-biliteit is zeer laag. De cohesie,bepaald met een ongedraineer-de triaxiaal test, bedraagt 100kN/m2. De gronden in niveau 5hebben een gemiddeld percen-tage fijne delen van 40 %.De NSTP (standaard penetra-tie test) waarde zoals bepaa1dmet een standaard penetratietest is groter dan 30. Deconsistentie op basis van deNS TP waarde wordt "semi so-lid" genoemd. Het tunneltra-ject bevindt zich gemiddeld 8 Ii10m onder het fteatische vlak.De dekking bedraagt 1.4 D(D=diameter ).De waterdrukken in het tunnel-traject van laag 6 lopen op totboven de 2 bar.

10090

'; 80CIIN ~ 70

~ =- 60

&~ 50

~ =40

2J a. 30:u 20Q.

100

0.001

Figuur: 5.2

10090

'; 80:!I ~ 701i ~ 60

~ -; 50C> OIl.:!:: 4051 a. 30()

~ 20Q.10

00.001

Figuur: 5.3

Grenzen van de zeefkrommen van laag 3 en 6

0.01 0.1 1zeefdiameter (mm)

10 100

Grenzen van de zeefkrommen van laag 4

0.01 0.1 10 100

zeefdiameter (mm)

51

~/

- 1---/

/

I-


Grenzen van de zeefkrommen van laag 5

10090

... 80...:!:! ~ 70.. ~ 60

~;; 50tII ...,:!::: 40

:J a. 30

! 2010

0

0.001 0.01 0.1 10 100

zeefdiameter (mm)

Figuur: 5.4

5.2.3 Tunnelboormachine

5.2.3.1 Keuze van de TBM

In dit projectzijn voor het sleufloze traject het "hydroshield" en het gronddrukbalansschildbestudeerd als mogelijke ontgravingsmethoden. Volgens de hee R. Justa, werken beidesystemen even goed in dit terrein; bij constructie met een EPB- of "hydro shield" zouden dezettingen binnen de gewenste specificaties < 3 mm kunnen blijven. De uiteindelijke keuze voorhet EPB-type is genomen op basis van een kostenoverweging.Bepaalde delen van het traject liggen boven het fteatisch vlak. In het geval een "hydro shield"gekozen zou zijn, dan zou het ontgravingsproces gepaard zijn gegaan met een hoge bentonietconsumptie. Doordat tijdens ontgraving het percentage fijne delen sterk varieert en over eenlange periode erg hoog is kunnen er verstoppingen optreden in de transport leidingen.Bovendien is scheiding van fijne deeltjes en bentonietsuspensie moeilijk en kostbaar.EOVAL veronderstelde dat de ontgraving van niet cohesieve lagen beter zijn te controlerendoor een EPB-schild met conditioneermiddelinjectie. Een nadeel van het EPB-schild is datmeer eisen aan de ondergrond gesteld dienen te worden, omdat de grond dienst doet alsondersteuningsmedium.Met name de cohesieve lagen hebben een te hoge wrijvingshoek en cohesie en de grove lagenhebben een veel te hoge permeabiliteit. De grondconditionering moet worden aangepast op hettype grond dat op dat moment ontgraven wordt.

5.2.3.2 TBM-specificaties.

Tijdens de TBM aankoopprocedure van EOVAL zijn negen voorstellen gedaan door verschil-lende tunnelbouwers. Drie daarvan zijn uitvoeriger bekeken, te weten twee Japanse inFrankrijk te bouwen TBM's en een Duitse TBM van de firma Herrenknecht.

52


Uiteindelijk is gekozen voor het EPB-schild van Herrenknecht.Aan de hand van de geotechnische gegevens is de TBM met de benodigde kracht voor devoortstuwing en de draaimomenten voor schroefvijzel en snijkop ontworpen. Verderetechnische gegevens van de TBM zijn:

Buiten diameter SchildSchild lengte

6,35 m6,80 m

Totale lengte TBMTotaal gewicht

74m550 t

Lengte schroefvijzelDiameter schroefvijzel

12m700 mm

Maximale voortstuwingMaximale uitschuiving van hydraulische stempelsGraafwiel vermogenGraafwiel momentRotatiesnelheid van graafwielMaximale "manlock" drukTotaal gemstaleerd vermogen

4.300 t1,7m800 kW5.000 kNm0-30mw/OO3 bar1.600 kVa

De TBM is voorzien van drie aparte injectiesystemen voor bentoniet, schuim en "high densityslurry" (hoge dichtheid suspensies). De schuimvloeistofwordt aan het oppervlak gemengd enin een buffer opgeslagen. De vloeistofwordt vervolgens naar het graafwiel gepompt. Hetschuim wordt in de TBM met behulp van perslucht (druk: 6bar) gegenereerd. Injectie vindtplaats in zes computer gestuurde schuim injectie-eenheden met een capaciteit van 700 1/00.Het schuim wordt onder een druk van 2,5 bar gefujecteerd aan het boornont, aan de buiten-zijde van de TBM, in de werkkamer en in de schroefvijzel.

5.2.4 Ervaring en vorderingen tijdens constructie.

Het tijdschema voor de te boren tunnel gaat uit van een voortgangssnelheid van 15 m per dagvan 24 uur. Het schema van de eerste tunnel is aangepast omdat constructie van de tussenlig-gende stations vertraging heeft opgelopen. Er hoeft slechts 12 uur per dag gewerkt te worden.Momenteel is men bezig met de tweede tunnel, en is men weer overgestapt op de 24-urigewerkdag. De tunnelconstructie is gestart in november 1994. Zonder problemen is injuni 1995station Xativa bereikt. Over deze eerste 85 Omis tijdens de beste dag 12 m tunnel, per 12 uurgeconstrueerd. 12 m tunnel bestaat uit 10 tunnelringen van elk 7 betonnen elementen. Deconstructie van het tweede stuk tunnel naar station Guimera duurde van juni 1995 tot oktober1995. De hoogste voortgangssnelheid is verbeterd tot 11 ringen per 12 uur.Tot nu toe hebben zich tijdens het project geen problemen voor gedaan. Het schuim voldoetgoed als conditioneermiddel. De steundruk wordt goed overgebracht.

53


De afvoer via de schroefvijzel en werkkamer verloopt soepel. De elasticiteit van hetondersteuningsmedium is toegenomen en ze1fsde grindige formaties kunnen afdoende inpermeabiliteit worden verlaagd met schuim. Ook tijdens de ontgraving van de grindhoudendezanden zijn geen problemen opgetreden. Het succes van dit werk wordt door de uitvoerendepersonen grotendeels toegeschreven aan de schuimconditionering. De maximaal toelaatbarezettingen voor dit project zijn vastgeste1d op 10-15 mm. De opgetreden zettingen zijn tot nutoe altijd onder de 3mm gebleven.

Conditioneermiddelen.Ondanks het feit dat door machinebouwer Herrenknecht schuim is aanbevolen, is doorEOVAL HDS als conditioneermiddel gekozen. Het schuiminjectiesysteem is oorspronkelijk alstestapparatuur ingebouwd. In het eerste traject is de grond niet geheel verzadigd, de fijneftactie bedraagt tussen de 10 % en 25 %. De bentonietconsumptie ligt op 400 liter/min of220liter/ m3 ontgraven grond. De schuimconsumptie in deze1fde laag bedraagt 500 liter/m3ontgraven grond, voor 500 liter schuim is 18 liter schuimvloeistof nodig. Dit is een aanzienlij-ke vooruitgang; er hoeft veel minder materiaal afgevoerd te worden en het materiaal behoudtzijn samenhang (wordt niet vloeibaar).Als gevolg van de hoge wrijvingshoek en slechte veIVormbaarheid van de grond, tijdens HDS-conditionering, is de drukverdeling, zoals gemeten met de drukopnemers in de werkkamerzeer variabel. De drukverdeling blijft variabel ondanks verhogingen in de hoeveelhedentoegevoegd HDS. Als gevolg van de inhomogene drukverdeling blijkt de TBM zeer moeilijkbestuurbaar en wordt de steundruk met gelijkmatig aan het boomont overgebracht. Deminimale steundruk van 1.8 bar aan de top van het boomont wordt niet altijd gehaald terwijlde drukopnemers van de hydraulische vijzels asdrukken van 3 bar registreren. De overstapnaar schuim, resulteert in een veel gelijkmatiger drukverdeling. Het drukverschil tussen de topen de as van de TBM neemt afvan 1,5 bar tot 0,5 bar. Door schuiminjectie vermindert debenodigde hydraulische druk voor de schroefvijzel met 42 %, van 120 bar tot 70 bar. Na hetexperiment met HDS- en schuimconditionering is definitief overgestapt op schuimconditione-nng.In dit project wordt het schuim injectiesysteem gebruikt om de steundruk direct te befuvloe-den. Tijdens werking blijkt dat de schuimdruk vlak na menging zeer goed overeenkomt met dedruk van de gronddrukopnemers in de achterwand van de werkkamer. De steundruk stijgt mettoenemende injectiedruk. De drukverdeling in de werkkamer is als gevolg van de schuiminjec-tie veel stabieler. De grondbrij is homogener en de luchtbellen vlakken drukwisselingen alsgevolg van de wisselingen in voortgangssnelheden uit.De verhouding tussen gefujecteerd schuimvolume en het ontgravingsvolume schommelt tussende 25 % en 30 %.

54

5.3 CONSTRUCTIE VAN METROLIJN NR. 12, TRAJECT 2 INTOKYO, JAPAN.

5.3.1 Projectomschrijving

.,Hoofdstuk 5 Praktiikstudies

De infonnatie voor deze praktijkstudie is verkregen uit twee artikelen Kawaeda (1992) enKanayasu (1995) en via correspondentie met de auteurs. Deze praktijkstudie betreft deuitbreiding van het metronetwerk in Japan. Het traject van de geboorde tunnel is kort, slechts617 m De diameter van de tunnel is 8,5 m Dit project is interessant omdat er is geexpe-rimenteerd met toevoeging van verschillende conditioneermiddelen. Omdat het controle- enmeetsysteem redelijk compleet is, is goed te zien wat het effect is van schuimtoevoeging.In het Noordoostelijk deel van de stad Tokyo wordt het metronetwerk uitgebreid met lijn 12.Deze praktijkstudie betreft het tweede deeltraject van de metrolijn. De eigenaar van demetrolijn is de gemeente Tokyo: "Bureau of Transportation, under the Tokyo MetropolitanGovernment" .Het ontwerp en de uitvoering zijn verzorgd door "shield tunnel technology department" vanKumagai-Gumi Co. Ltd. Kumagai-Gumi is onderdeel van "The rheological foam shieldtunneling method association", zie hoofdstuk 4.2.4. Het project is gelegen in de wijk Nerima-ku van Tokyo en loopt van het station Toshimaen tot station Nerima. In het traject van detunnel bevindt zich een grote bocht met een radius van 165 m De bocht vormt 44 % van hettunneltraject.

I::E

Eindpunt

Nerima station

Figuur: 5.5 Locatie kaartje. Kawaeda (1992).

55

Tosimean station

vertre:unt 11


De metro loopt door zeer dicht bebouwd gebied, kruist een tweetal spoorwegen en looptgedeehelijk onder wegen en gebouwen, zie figuur 5.5. Er wordt geboord vanuit een vertrek-put naar een aankomstput, de vertrekput is 48 m lang. De tunneltop ligt op een diepte van 10tot 14 m onder het maaiveld en heeft derhalve een geringe dekking van 1,15 D.

5.3.2 Geologie en geotechnische gegevens

Het gebied ligt 40 m boven zeeniveau en wordt gekenmerkt door sedimentaire afzettingen vanKwartaire ouderdom De ondergrond is zeer complex en is opgebouwd uit klei-, zand- engrindlagen van verschillende oorsprong. Het 1Teatischevlak bevindt zich op 5 a 10m bene denhet maaiveld.Op een diepte van 10 m bevindt zich een 5 m dikke vulkanische tu:ffkleilaag. AIle andereafzettingen in het gebied hebben een fluviatiele of marine oorsprong. De ontgraven grond indit project behoort voomamelijk tot de Musashino- en Tokyo-formatie en in mindere mate totde Edo-gawa formatie. De Edo-gawa-formatie is een cohesive grondsoort. Zowel deMusashino- en Tokyo-formatie zijn grindlagen, met een grindftactie van 60-70 %. De fijnekorrelftactie (in Japan is <litkorrels < 0,075 mm) bedraagt tussen de 2 en 9 %. Deze materia-len hebben nauwlijks tot geen cohesie. In de onderste lagen van de Tokyo-formatie bevindenzich grote stenen met een maximale diameter van 200 tot 450 mm De permeabiliteit is hoogen ligt in de orde van 10-4m/s. De waterdrnkken op het niveau van de tunnelas liggen rond de2 bar.


5.3.3.1 Keuze van de TBM.

In Japan wordt op basis van de diepte van het traject, de diameter van de TBM en geologieeen keuze gemaakt tussen een vloeistofschild of een gronddrukbalansschild. Als deze factorengeen beperkingen opleggen dan kiest men altijd voor een gronddrukbalansschild. De EPB-schilden hebben namelijk het grote voordeel dat er weinig bentoniet hoeft te worden gebruikt,en geen scheidingsinstallatie nodig is. Japan kent strenge regels voor het gebruik en de afvoervan bentoniet. Het materiaal mag niet worden gestort maar moet worden opgeslagen in dureafval depots.Ondanks het feit dat deze tunnel een grote diameter heeft en het materiaal dat ontgravenwordt grof is, is toch gekozen voor een gronddrukbalansschid. Omdat de grond niet de juisteeigenschappen bezit om als ondersteuningsmedium te dienen, moet er gebruik gemaaktworden van conditioneermiddelen. In dit project zijn schuim hoge dichtheid suspensie tegelijkgebruikt.

56

...


5.3.3.2 TBM-specificaties

In figuur 5.6 is de TBM weergegeven. Opvallend is de dubbele schroefvijzel. Deze is aan-gebracht om de waterafsluitende werking te verbeteren en in het bijzonder om wateruitbar-stingen en instabiliteit van het boomont te voorkomen.De openingen in het graafwiel zijn zo gekozen dat alleen stenen met een diameter kleiner dan450 mm worden doorgelaten. 35 % van het graafwiel is open.Het graafwiel van de TBM is voorzien van 8 rijen "cutter bits", zie figuur 5.6. Omdat deze"cutter bits" snel breken door de aanwezigheid van zware stenen met hoge sterkte zijn ook 16"disc cutters" in het graafwiel opgenomen.De schroefvijzel heeft een diameter van 850 mm en is ontworpen om stenen met een maximumdiameter van 450 mm afte kunnen voeren. De lengte van de schroefvijzel is 17.5 mIn de TBM zijn zeven gronddrukmeters geplaatst, twee in het graafwiel en vijf op verschillen-de plaatsen in de werkkamer. Hieronder zijn enkele technische gegevens van de tunnelboor-machine weergegeven.

12 15

,<1::::'~v. , \

23

:id

~

§ ~...:.. ISlot U~ :... lot

...- -0 a:I~

_.~~I

5

24

1-4) snijtanden5-7) snijcutters8) sIurryinjectiepunt9) drukopnemer10) schuiminjectie 1eiding11) snijcutter12) zettingsmeter

19) egalisator20) schroefvijze1221) sIuis22) erector23) schroefvijze1 124) afsIuiting

13) sIuis14) snijcutter15) overcut injectie16) e1ectromotor17) hydrualische vijzel18) Schild

Figuur: 5.6 TBM. Kawaeda (1992).

Buiten diameter schildBinnen diameter schild staartSchild lengte

8,66m8,56m7,71 m

Lengte schroefvijzelDiameter schroefvijzelSchroefvijzel momentAfvoer snelheid

17,5 m850 mm80 kNm3,12 m3/min

57

Voortstuwing (ton) 12.280 12.520 I 2.480 12.550 13.860 13.090

Snijmoment (kNm) 16.278 17.063 17.161 17.745 17.358 17.745

SneJheid (mm/min) 19 118 I 18 I 17 I 15 I 15

gronddruk ~1107,9 I 98,1 I 78,5 I 88,3 168,7 168,7(kPa) I midden 157,0 157,0 147,2 147,2 137,3 127,5

bodem 176,6 176,6 166,8 166,8 176,6 176,6

Conditioneer-I

lIDS 18 16,7 16,3 16,8 13,6 12,4stof(% vanhoeveeJheid

ISchuim 115,4 115,8 116,5 115,1 120,6 121,5

afgegraven

I

Totaal 133,4 132,5 132,8 I 31,9 134,2 133,9grond)

Slurry viscositeit (Pa s)I

1,5 11,75 11,75 I1,5 11,85 ~1

Tabel5.1 Technische gegevens en conditioneerstofinjectie tijdens voortgang.


Max:imale voortstuwingGraaVwielvennogenGraaVwiel momentRotatiesneJheid van graaVwiel

7800 t855 kW15290 kNm0,9-8,5 omvv/min

De TBM is voorzien van tvvee aparte injectiesystemen voor schuim en "high density slurry"zodat de tvvee conditioneermiddelen gelijktijdig kunnen vvorden geii:1jecteerd.In het graaVwielzitten vijf injectiepunten. In de vverkkamer bevinden zich extra injectiepunten.

5.3.4 Conditioneermiddelen

In dit project zijn schuim en hoge dichtheid suspensie tegelijkertijd toegepast. Vit vooronder-zoek is gebleken dat met gebnrik van een van beide conditioneermiddelen niet het gevvensteeffect bereikt zou kunnen vvorden. Omdat de ponen tussen de korrels erg groot zijn kan hetschuim snel naar de omgeving ontsnappen. Bovendien kan het schuim niet zorgen voor eengoede samenhang, omdat de ruimte tussen de korrels daar te groot voor is.-~.lYU..

Ring llI. 1-50 51-162 163-337 338-438 439-608 609-680

58

Standaard schuimer (OK1) 10 1Samenstelling

stabilisator (OK2) 20 kg

water 970 1

Foaming Ratio (schuim volume /schuim- 6vloeistof)

Eigenschappen schuimvloeistof pH 7.3

viscositeit 0.2 Pa s

volumegewicht 1 kg/l

Samenstelling DDS (1,4 m3)

standaard samenstelling zand ca. 1.310 kg

bentoniet ca. 100 kg

water 1000 1

Eigenschappen volumegewicht 1,42 kg/l

viscositeit 1 it 2 Pa s


Het is moeilijk om met behulp van lIDS een homogene grondbrij te krijgen. Tevens zal hetaandrijfinoment van het graafwiel te hoog worden als alleen lIDS wordt toegevoegd. Tijdenseerdere projecten is geexperimenteerd met een combinatie van conditioneermiddelen. Bij dezeprojecten lag de nadruk echter op de schuimtoevoeging.In deze projecten is twee tot vier keer zoveel schuim als lIDS toegevoegd. In Tokyo is ditomgedraaid. Gemiddeld genomen ligt de totale injectie ratio (volume conditioneerstoffen/volume grond) rond de 35 %, hiervan is ongeveer 55 % lIDS en 45 % schuim, zie ook tabel5.1.In tabel5.2 valt vooral het hoge percentage vaste stofin de lIDS spoeling op. De vastestoflvloeistof ratio ( D ) ligt op 140 %. De viscositeit is laag omdat relatief veel zand en heelweinig zwellend bentoniet is gebruikt. Het hoge percentage zand is nodig omdat de porien inde grond zeer groot zijn. De permeabiliteit zal door toevoeging van alleen schuim nietvoldoende afuemen en de stenen zullen uit de grondbrij zakken. Als alleen lIDS wordt gefujec-teerd zal de HDS met het aanwezige grondwater worden verdund. Het gevaar bestaat dat devloeistof wordt uitgeperst en dat wateruitbarstingen in de tunnel plaats vinden. Bovendien kanonvoldoende fijn materiaal aan het boomont worden gebracht om de permeabiliteit afdoendete verlagen.

Tabel 5.2 Samenstelling en eigenschappen van conditioneerstoffen.

59


5.3.5 Ervaringen en vorderingen tij dens constructie.

De tunnel is aangelegd zonder noemenswaardige problemen. De combinatie van tweeconditioneermiddelen heeft goed gewerkt. Omdat de voortgang in het begin laag is, eengemiddelde snelheid van 9 mm/min, is besloten om de steundruk te verlagen. De voorafvastgestelde gronddruk is bepaald door de actieve gronddruk + grondwaterdruk + 0.2 kg perm2.De gronddruk in de werkkamer is tot 90 % van de vooraf vastgestelde druk verlaagd.Deze verlaging zorgt voor een verhoging van de voortgangssnelheid. De vervormingen in degrond nemen niet toe. De aangebrachte druk door de hydraulische stempels die de TBMvoortdrijven is echter hoger dan de steundruk in de werkkamer. Men veronderstelt dat dit hetgevolg is van de steunende werking van het graafwiel.

~ '1200

1

:;' 1000Q..=Q Q)

~e 800:§' QV) e

600 J

~ 3200

~S j :800

~ i ~400

f'COJ

~l :: ]t\S~

I

i ~ 14 ~Q

Q)

;> Ii! 10 J

--'~u schuimefIect~1 -A --~-~-_.-

m_-- =--\,:,=--h---,~..._-

schuimefIect... ~

" :-:::U.-t ~~ ~--

...\_--~ v' '.

-- -------~

..

. ~..~--- ~ ~

-- ~.. ~~._-_._--

i' - \,? =' schuimeffect

. lIDS injectie0 Schuiminjectie

:.0 ~

~ ,-.. I ------------~ rj 1.6""; /' . ;"'. -c:::: ------

:g ~ i / \ '\\ A

;:,u_--

U , i.----

s:I c:;;:. ,~, "" "

/ \ .c._:= ~ A ~

Q ~ . m -,.

,r:::::: ---~u:::lu-'r:JC.

Q ,:.G J

. w__uu ji schuimefIectu

'-' o.s~ :z

40

1...- 3D

1Q)~

.jj 20

1

;a:g 108 's:I

U 1:1 C

7-;:

~ ~-x-",_x...;t

Yo

~'\..

. '~ x If,""-x 'r-X,

, '\.. "~"""'" ~->e:

,/I.-X

~,~~.

% rn '

, r

:'39 RiD. gDO.

Figuur: 5.7 Schuim HDS injectie effect. Kawaeda (1992).

60


ConditioneermiddelenIn het interval tussen ring Dr. 70 en 100 is alleen lIDS geinjecteerd. In het resterende trajectzijn zowel schuim als lIDS geinjecteerd. Tijdens boring worden het graafwielmoment, deontgravingssnelheid, gronddruk, voorstuwingsdruk en de injectie hoeveelheden continugemeten. Dit maakt het mogelijk om het effect van schuim te achterhalen, zie figuur 5.8.Op basis van deze gegevens kan worden gesteld dat schuim de werking van het gronddrukba-lansschild verbetert. De benodigde mechanische voortgangskrachten nemen af Het aandrijf-moment van het graafwiel neemt af met 300 t m tot 700 t m en de voorstuwingskracht neemtafmet 300 ton tot 2600 ton. De ontgravingssnelheid neemt toe, en de variaties in de gemetengronddruk nemen af De gronddruk in de werkkamer kan op een hoger niveau wordengehouden. Problemen met de stabiliteit van het boomont doen zich tijdens schuimconditione-ring niet voor.Deze positieve effecten worden verklaard door de verbeterde homogeniteit; het schuim zorgtvoor een betere menging van grond met de conditioneermiddelen. Het schuim verhoogt devervormbaarheid.

Deformaties en zettingenIn het gebied langs het tunneltraject zijn eenmalig zettingsmetingen verricht. In figuur 5.8 zijnde geregistreerde deformaties weergegeven. Met het naderende boomont op 10m afstandworden de eerste deformaties waargenomen. Voordat het boomont is gepasseerd vindt 34 %van de totale zetting plaats. Met het passeren van de staart van het schild is 38 % van de tot alezetting voltooid. Na zeven dagen en het boomont op een afstand van 50m wordt geen zettingmeer waargenomen. De maximale totale zetting die aan het oppervlak is gemeten bedraagt, 6rom. De maximale deformatie vlak boven het schild bedraagt 9,2 mm. Deze waarden wordengezien de geringe diepte onder het maaiveld en de grote diameter van de tunnel als zeeracceptabelbeschouwd.

G.LI

6.Om , 6.Om ,.5.5111 15.5111 I 6.Om 1 6.tin I 6.1JrnI'

INo'S

I I I

NoI No2 NoJ No. No6 NoT No! No9 G.L

~ I 1-2.36 I~,81

I ~5.6rm -9. 06 ~I;':;

-11.11 r-Itin t '..

C'-"Idr-

-18. 1.N.

-21 56 I....

Figuur: 5.8 Defonnaties en zettingen en plaatsing van defonnatiemeet-instrumenten. Kawaeda (1992).

61


5.4 KRUISING VAN TRANSPORTLEIDING MET RINGV AART INZEVENHUIZEN, ZUID- HOLLAND


Deze praktijkstudie betreft een tunnelboorproject met een gronddrukbalansschild doorPleistoceen zand in Nederland. Het geboorde traject is onderdeel van de Bergambachtleiding.De gegevens voor deze praktijkstudie zijn verstrekt door de aannemer van dit project; Visser& Smit Hanab. Voor dit verslag zijn het boorplan, logboek van de boring, geotechnischonderzoek en technische gegevens van de TBM gebruikt. Aanvullende informatie is verstrektdoor de boormeester van dit project, de heer F. Verduyn.De Bergambachtleiding is een rivierwatertransportleiding van 55 km lang, die loopt vanBergambacht aan de Lek naar de duinen in Wassenaar. De leiding voorziet in water voordieptefufiltratie en is uitgevoerd in opdracht van DuinwaterbedrijfZuid Holland. De transport-leiding heeft een diameter van 1870 mm en wordt voor het grootste gedeelte met de "cut andcover methode" aangelegd.De kruising van de Bergambachtleiding met de ringvaart Hennipsloot in Zevenhuizen isgeconstrueerd met een doorpersing van 290 m De Hennipsloot vormt de scheiding tussen deEendrachtspolder aan de zuidzijde en de Tweemanspolder aan de noordzijde. Aan weerszijdenvan de Hennipsloot zijn bouwputten gegraven. Het schild is gestart in de vertrek- of persput inde Eendrachtspolder. In de persput staan hydraulische persen opgesteld die het schild samenmet de mantelelementen naar de ontvangstput duwen. De boring verloopt vanaf de persputonder een hoek van 7.4° met de horizontaal, tot een afstand van 95 m Daarna verloopt deboring langs een vertic ale bocht met als diepste punt -24 m NAP of21 m onder het maaiveldtot aan de ontvangstput en komt daar onder een hoek van 24.5° in uit, zie figuur 5.9. Hetschild zorgt voor de ondersteuning en ontgraving van het boomont.

5.4.2 Geologie en geotechnische gegevens.

5.4.2.1 Geologie

De opbouw van de ondergrond is typisch voor West Nederland, zie figuur 5.9. Het maaiveldbevindt zich iets onder NAP. De bovenste lagen bestaan uit een afwisseling van klei- enveenlagen uit het Holoceen. Onder het Holoceen ligt het Pleistoceen dat vooral bestaat uitzand en grind.Het maaiveld bevindt zich in de polder op een diepte van -4.5 m NAP. De kadevan de ringvaart bevindt zich -1. 5 m NAP. Tot een diepte van -9 m NAP wordt zandige kleiaangetroffen. Hieronder bevindt zich respectievelijk een ca. 0.4 m dikke veenlaag, een ca. 7 mdikke zandige en siltige kleilaag (lokaal ook uitsluitend zand) en tot slot een ca. 0.6 m dikkelaag basisveen.

62

~~.~!JI

'Cen(")

~~.tI'J(")::r

~C1>0n(")

[tI'J(")

::r"1:1"'10::n~

0\W

\ \. \

\.\

\,\

\

\~

=, 1+

U- ~

11

Persput

\\

\,~

290111 \\~ ---'~.

'\'\/,\,

/~\

\

\.

~rj

z

--

b:1

Ontvangstput

::r:

8~I/]f"""t-c::;0;-VI

'"t1'"1~0-.:;0;-I/]

20-n;VI

klei:volumieke massa 13 - 17.5 (kN/m3)uitrolgrens 25 - 45 (%)vloeigrens 100 - 160 (%)plasticitetsindex 60 - II 0 (%)Ie(op basis van geschat watergehalte) 0.35-0.65

veen:volumieke massa 11.5 - 12.5 (kN/m3)

zand:volumieke massa 18 - 20 (kN/m3) (tot -13m NAP)


De onderkant van het basisveen vormt de grens tussen Holoceen en Pleistoceen en bevindtzich op ca. 12.0 m onder NAP. De bovenste meter van het Pleistoceen bestaat soms uit zeerkleiig en siltig zand. De rest van het Pleistoceen bestaat uit licht siltig en grindig, middel totgrofkorrelig zand. Kleine lenzen met fijn- of grofkorreliger materiaal komen regelmatig voor.De Hennipsloot is een boezemkanaal dat water uit de polders afvoert. Het grondwater wordtin de Eendrachtspolder op ca. -6 m NAP gehouden (het illveau in de Tweemanspolder ligt ietslager). De stijghoogte in het Pleistoceen is -6 it -5.7 m NAP.De top van de leiding ligt ter plaatse van de persen ontvangstput op 1.8 m onder hetmaaiveld. De eerste 40 m van de tunnel is gegraven in het Holoceen. VeIVolgens komt deTBM langzaam in het Pleistocene zand. Van 50 m tot 250 m bevindt de TBM zich geheel inhet zand. De laatste 50 m wordt wederom in het Holoceen geboord.

5.4.2.2 Geotechnische gegevens.

Om de bodemgesteldheid nauwkeurig in kaart te brengen is terrein- en laboratoriumonderzoekverricht. In totaal zijn er vijf sonderingen, twee Ackermannboringen, drle Begemannboringen(1 met 0 29 mm en 2 met 0 66 mm) en twee terreinvinproeven uitgevoerd. In het laboratoriumzijn de verkregen monsters beschreven en gefotografeerd. Vande cohesieve monsters is deplasticiteitsindex, de volumieke massa en de schuifsterkte bepaald. Vande niet cohesievemonsters is enkele malen de volumieke massa bepaald en zijn verschillende zeefanalysesuitgevoerd. In figuur 5.10, 5.11 zijn twee zeetkrommen weergegeven.Enkele grondparameters van verschillende formaties zijn als voIgt:

64

i-"

IJ

-f-- 1-f--

./

I

IJ

JI


Zeefkromme van Monster nr.64, diepte 10.7m

100i 903! 80

[ 70... 60~~ 50

iG~40"CI

~ 30

~ 20

~ 10

~ 00.001 0.01 0.1 10 100

zeefdiam eter (m m)

Figuur: 5.10

Zeefkromme van monster nr. 63, diepte 9.7m

1001:: 90413! 80tit[ 70

~ 60

~~ 50~ - 40

~ 30

~ 204U

~ 1041Q. 0

0.001 0.01 0.1 10 100

zeefdiameter (mm)

Figuur: 5.11


Ondanks het feit dat het Pleistoceen plaatselijk zeer grof is, is toch gekozen voor het EPB-schild. Het gebruikte schild is namelijk voor een groot aantal uit te voeren boringen aange-schaft. De aannemer was dan ook voorbereid op de nodige problem en tijdens dit project.De TBM is gemaakt door Westfalia Becorit GmbH. onder licentie van Daiho. De standaardmachine is weergegeven in figuur 5.12. AI naar gelang de grondcondities, worden kleineveranderingen aangebracht in de opbouw van de TBM. Voor dit project is een diksto:q>ompgefustalleerd. De dikstofj;>ompvoert de grondbrij van de uitgang van de schroefvijzel naar hetoppervlak. Het apparaat is ontworpen voor de verpomping van beton. Enkele technischegegevens van de TBM worden hieronder gegeven:

65


Gewicht van TBMSchild lengteschild diameter

23600 kg (zwaarste uitvoering)6260 mm1880 mm

graa~eldiauaetervermogen graa~eldraaisnelheid graa~elGraa~e1uaouaent

1890 mm60kW4rpua146 kNua

Schroe~jzeldiametervermogen schroe~jzeldraaisnelheid schroetVijzelmaxlinale capaciteit

370 mm30kW2 tot 20 rpm20 ua3/h

Injectie overdrukaantal infectie punten

0.5 bar3

werkkamer Electromotor schild electromotor

/'

--r1$t:i:.,~.

snijtand rotor schroefvijzel afsluitkleptransportband

. lining

Figuur: 5.12 TBM standaard uivoering.

In de werkkauaer zitten twee grondrukm.eters, links en rechts boven het uaidden van de TBM.Deze zijn nodig voor de uaonitoring van de steundruk in de werkkauaer. De TBM heeft 3injectiepunten voor bentonietconditionering. Twee injectiepunten Jiggen achter in de werkka-uaer en een zit voorop het graa~el (op de fishtail- bit). AIleen het voorste punt wordtgebruikt. Vit ervaring is gebleken dat de injectievloeistof die via de achterste punten isgei"njecteerdslecht uaet de grond uaengt en vrijwel direct langs de wand via de schroe~jzelontsnapt.

66


5.4.4 Conditionering van de grond

Het Daiho systeem wordt ge1everd inc1usiefHDSinjectietechnologie. Volgens de formules vanDaiho moet men aan het Pleistoceen zand 480 11m3HDS met D van 80 % toegevoegd. (D isde verhouding tussen de aan water toegevoegde vaste stof en water {vast/water} *100 %).Het is echter niet mogelijk gebleken de concentratie van de vaste stoftot D80 % op te voeren.Bij een concentratie D van 40 % ontstonden problemen met de menging van bentoniet metwater en de verpomping van HDS naar de werkkamer. De HDS kan niet meer met centrifu-gaalpompen worden gemengd omdat er te veel bentoniet tegelijk aan het water moet wordentoegevoegd. In het verloop van het project ontstaan als gevolg van de stijve HDS ookproblemen met de injectie van de HDS en de menging van HDS met grond in de werkkamer.(HDS met een D van 80 % zal dan helemaal slecht met de grond mengen).Om het tekort aan vaste stof in de HDS op te vangen en de menging met de grond te verbete-ren voegt men polymeren toe. De polymeren hebben echter niet het gewenste resultaat. Degrondbrij die met de toegevoegde HDS in de werkkamer ontstaat blijft te dun, waardoor deondersteuning en het ontgravingsproces niet optimaal functioneerden. De problemen dieontstaan worden vooral veroorzaakt door de problematische afvoer van de te vloeibaregrondbrij.

5.4.5 Vorderingen en problemen tijdens constructie

Het project loopt gehee1 op schema totdat de TBM 10m in het Pleistoceen is gevorderd en delaatste resten fijn materiaal in de grondbrij zijn afgevoerd. De grondbrij wordt dan te vloeibaarwaardoor de grondbrij te snel via de schroefvijzel wordt afgevoerd. Hierdoor daalt degronddruk in de werkkamer en dreigt het boomont instabiel te worden. Om de dating van dedruk in de werkkamer tegen te gaan heeft men maar een optie; de afsluitklep van de schroef-vijze1gedeeltelijk dichtdraaien. Verhogen van de injectiedruk en het injectievolume om dedruk in de werkkamer op peil te houden, zal alleen de vloeibaarheid van de grondbrij vergro-ten waardoor de problemen verergeren.Doordat de afsluitklep van de schroefvijzel gedeeltelijk wordt dicht gedraaid loopt desteundruk in de werkkamer weer op. Door de oplopende druk in de werkkamer wordt deporienvloeistof uitgeperst. De druk in de werkkamer wordt nu gehee1 overgebracht op hetkorrelskelet dat hierdoor wordt samengeperst. De korrelspanning stijgt totdat de schroefvijzelvast loopt en het afvoer proces staakt.Om de schroefvijzel te ontstoppen moet deze aan weerskanten worden afgesloten. De drukwordt verlaagd en men kan de schroefvijzelleeg halen. Als de ontgraving wordt opgestartherhaalt het proces zich. De voortgangssneJheid is als gevolg erg laag.Een ander probleem wordt gevormd door de haperende afvoer van de dikstofj:>omp.Demenger waar de grondbrij inkomt en de afvoerleidingen raken regelmatig verstopt doordat hetvloeibare mengsel gemakkelijk ontmengd.Op een afstand van ca. 100 m komen tijdens het opstarten van de TBM de schroefvijzel en hetgraafwiel opnieuw vast te zitten. Ook de slang tussen de schroefvijze1 en de diksto:q>ompraaktditmaal verstopt.

67


Op het moment dat de slang van de schroe:fvijzelwordt losgekoppeld om schoon te maken,begillt de grondbij opnieuw te stromen. Ditmaal kan de afsluitklep van de schroe:fvijzelalsgevolg van storing niet verder dan 13 % worden gedieht. De inlaat van de schroe:fvijzelkanniet geheel gedicht worden door de continue stroom van vloeibare grondbrij. Om de boorkoptoch afte kunnen sluiten en waterdicht te krijgen wordt de TBM in snel tempo opgeperst. Dedruk loopt op en het materiaal wordt verdicht zodat de toevoer van vloeistof stopt. Vervol-gens kunnen de afsluitkleppen dicht gedraaid worden. Het gevolg van deze storing is dat detunnel gedeeltelijk blank is komen te staan.Na dit voorval is de TBM aangepast, de grondbrij wordt vanaf dit moment afgevoerd met eenvloeistofsysteem De druk in de werkkamer wordt op peil gehouden doordat de afvoerlei-dingen onder druk staan. Tijdens de verdere uitvoering van het project zijn de schroe:fvijzelengraafwiel nog enkele keren vast komen te zitten, echter zonder gevolgen.

ZettingenOm te achterhalen of de problemen tijdens de uitvoering ook tot uitdrukking zijn gekomen inzettingen, zijn langs het traject zettingsmetingen verrieht. Langs het trajeet zijn geen zettingenwaameembaar als gevolg van de vastgelopen schroe:fvijzelen graafwiel. Op het punt waar deTBM is ondergelopen zijn wel zakkingen opgetreden. Op 100 m van het vertrekpunt waar decalamiteit zich heeft voorgedaan was de maximaal gemeten zetting 16 em De weg die zich opdit punt bevind heeft daar schade door opgelopen.

68


5.5 BOTLEKSPOORTUNNEL, TOEKOMSTIG PROEFPROJECT VOOR GROTEDIAMETER TUNNEL CONSTRUCTIE.


De Botlekspoortunnel is een proefj)foject in voorbereiding. Het project is bedoeld om inNederland ervaring op te bouwen met het boren van grote diameter tunnels in zeer slappegrond. De informatie voor deze praktijkstudie is verkregen van de BTC (Botlek TunnelCombinatie, een van de aanbesteders voor dit project). In deze praktijkstudie zal eerstalgemene informatie worden gegeven over het project. Vervolgens wordt aandacht besteedaan de geologie en de geotechnische gegevens van de ondergrond. Hoewel de tunnel naar ailewaarschijnlijkheid met een vloeistofschild geboord zal gaan worden, is in deze praktijkstudiebestudeerd ofhet project met een gronddrukbalansschild uitgevoerd kan worden.De tunnel is onderdeel van de havenspoorlijn, het eerste gedeelte van de Betuwelijn. DeBetuwelijn wordt aangelegd om het transport van goederen uit de Rotterdamse haven naarDuitsland via spoor te verbeteren. De opdrachtgever voor dit project zijn de NederlandseSpoorwegen. Volgens planning moeten de werkzaamheden beginnen in zomer 1997 en moethet project in het jaar 2001 afgeleverd worden.De Botlekspoortunnel kruist de Oude Maas ten noorden van de bestaande enkelsporigespoorbrug, die gehandhaafd blijft. De kruising met de Oude Maas wordt uitgevoerd met tweeenkelsporige geboorde tunnels met een diameter van 9.8 m De diameter van de tunnel isontworpen zodat in de toekomst treinen kunnen rijden met dubbele beladingshoogte, dezogenaamde "double stack" treinen met gestapelde containers. De totale lengte van deBotlektunnel bedraagt 3.150 m. Het traject bestaat uit twee open toeritten aan weerskantenmet een totale lengte van 680 m twee gesloten niet geboorde secties van samen 730 men eengeboord deel van 1.740 m. Het traject van de tunnelloopt via een vertic ale bocht met alsdiepste punt -30 m NAP, onder de Oude Maas. In de nabijheid van het tunneltraject bevindenzich een groot aantal kabels en pijpleidingen die van groot belang zijn voor de omliggendeindustrie. Derhalve worden strenge eisen gesteld ten aanzien van de toelaatbare zettingen alsgevolg van tunnelconstructie.Onder de Oude Maas is de natuurlijke dekking van de tunnel gering, gemiddeld 7.5 m enplaatselijk zelfs 5 m respectievelijk 0.75 D en 0.5 D. De sedimenten op de bodem van de OudeMaas zijn jong en hebben een laag volumegewicht, waardoor het risico van opdrijven van detunnel hoog is. Tevens bestaat de kans dat de ondersteuningsvloeistofIen van het vloeistof-schild aan de bodem van de Oude Maas zullen ontsnappen. In de Oude Maas zal tijdelijk eendrempel worden gelegd om de dekking te vergroten.

69

-..J0

~~.

~U1;....~(I)()

g~~.CI'.:I()

t:r'<J<:i~

~()[CI'.:I()

t:r'

"'0.-;0::Ii

~

0 Ophoogmatcriaal code OA0 Klei met dunne zandlaagjes, siltige klei code 12 en 17~ lIumeuse klei 15 en 16

D Zand met dunne kleilaagjes, silt met kleilaagjes code 14 en 18- Basisveen, zandige klei code 9 en 31

C=: Pleistoceenzand code 32

,.. ,r/'// ./ , .,

."./

'. ,,'

~..'

. I

OostWest

~t:!P-o0t:!~......o't:!0""1s.Jt1s.::r0......t'I1

""CtoI00

0[P-


5.5.2 Geologie en geotechnische gegevens

5.5.2.1 Geologie

In figuur 5.13 is een profie1 weergegeven van het te boren trace van de Botlekspoortunnel.Het maaiveld bevindt zich ca. 5 m boven NAP. In het gebied zijn drie geologische eenheden teonderscheiden:

Kunstmatig aangebrachte grond voor de ophoging van het maaiveld ca. 5 m dik.Het Holoceen tot een diepte van -18 m NAP.Het Pleistoceen vanaf -18 m NAP.

De kunstmatige grondlaag is in de jaren vijftig aangebracht aan de oostzijde van de DudeMaas (Pernis). Het materiaal is opgespoten en bestaat voomamelijk uit sterk siltig zand. Somsbestaat het ophoogmateriaal uit klei. In de jaren zestig is ook het terrein aan de westkant vande Dude Maas (Maasvlakte) opgehoogd, met overeenkomstige materialen als aan de oostzijde.

De Holocene lagen bestaan uit een afwisseling van kle~ klei'igzand, zandige klei en veen enbehoren inclusiefBasisveen tot de Westlandformatie. Op veel plaatsen zijn de slappe lagengeerodeerd door getijdegeulen die later zijn opgevuld met een sterk gelaagd pakket van dunneklei- en zandlaagjes. Aan de westzijde van de Dude Maas bestaat het Holoceen hoofdzakelijkuit fijn zand afgewisseld met kleilaagjes. De onderkant van het Holoceen wordt gevormd doorhet Basisveen dat een dikte heeft van 0,3 tot 1,0 m De getijdegeulen hebben ook het Basis-veen op verschillende plaatsen geerodeerd. De diepste geulen lopen tot enke1emeters in hetPleistoceen.

Het Pleistoceen wordt gevormd door de Formatie van Kreftenheye aan de top en de Formatievan Kedichem en Tegelen daaronder. De top van de formatie van Kreftenheye bestaat uitzandige leem of zandige zware klei. Deze lagen zijn met het terrein onderzoek moeilijk teonderscheiden van het Basisveen en worden daarom op het profiel samen als een laagweergegeven. Op een diepte van -18.5 NAP bevindt zich een 6 tot 12 m dikke midde1 groftotgrofkorrelig, zwak tot matig grindig zand. Het zand is gesedimenteerd door vlechtenderivieren en is dientengevolge zeer inhomogeen.Lokaal komen grindige lagen voor met eendikte van 70 em Ten oosten van het te boren traject bevinden zich onder het trace op eendiepte van -24 m NAP de Formatie van Kedichem en Tegelen. Deze Formatie bestaat uitovergeconsolideerde klei en veenlagen met een dikte van 4 tot 6 m Deze lagen zijn onder hettunneltrace volledig geerodeerd en komen niet op het verkorte profiel voor.Onder de geconsolideerde klei komt licht siltig middel fijn- tot grofkorrelig zand voor. Hetzand van de Kedichem en de Kreftenheye formatie is in het profiel als een laag weergegevenomdat de lagen geotechnisch moeilijk te onderscheiden zijn.De grondwaterspiegel fluctueert als gevolg van de getijdenwerking, nabij de Dude Maas ligthet fTeatischevlak op een diepte van -0.5 tot +3 m NAP. Naarmate de afstand tot de DudeMaas groter wordt stijgt het fTeatischevlak. Op een afstand van 2.5 kIDbevindt het fTeatische-vlak zich op 0.2 m onder het maaiveld, of +4.8 m NAP. Fluctuaties zijn hier niet meeraanweZlg.

71

4 I Hollandveen - - - 100-400

15 I humueze klei 80-200 50-140 20-70 100-200

16 I klei 45-90 25-60 20-40 40-100

17 I zandige klei 25-55 20-30 5-25 30-65

~Basisveen/zandigekleiI

40-80I

20-45 I 20-35 I 40-150

Tabel 5. 3. Atterbergse grenzen en watergehalte van de verschillende kleilagen.


5.5.2.2 Geotechnische gegevens

Langs het trace is uitvoerig grondonderzoek verricht. Het grondonderzoek omvat 192sonderingen met registratie van conusweerstand en plaatselijke kleef, 18 boringen waarbijmonsters zijn gestoken. Op de Monsters is laboratoriumonderzoek verricht bestaande uit devolgende tests:

* zeefanalyse* bepaling korre1vorm

* bepaling van Atterbergse grenzen* permeabiliteitsbepalingen* triaxiaalproeven samendrukkingsproeven

* bepaling van consolidatiecoefficient* bepaling chloride gehalte* bepaling pH-waarde

Verder zijn een aantal in-situ pro even uitgevoerd:

54 vinproeven langs 6 verticalen,34 conuspressiometerproeven langs 4 verticalen,14 in-situ doorlatendheidsproeven langs 4 verticalen.

In tabel5.3 staan de Atterbergse grenzen van de verschillende kleilagen weergegeven. In tabe15.4 en staan enke1evan de grondparameters weergegeven.

72

12 I siltige klei met zandlaagjes I 17 I 27.5 I 5

14 I siltig zand met kleilaagjes I 19 I 30 I 0

4 Hollandveen I 11 I 17.5 I 7.5

15 humeuze klei I 13 I 20 I 2.5

16 klei I 17 I 25 I 7.5

17 zandige klei I 19 I 27.5 I 0

18A I kleiig zand I 19 I 27.5 I 0

18 Holoceen zand I 19 I 30 I 0

9/31 Basisveen/zandige klei I 15 I 25 I 10

~I PleistoceenzandI

20 I 32-35 I 0

Tabe15.4. Grondparameters van de verschillende grondsoorten.

/

~J

I...-

../


II_;: M_~-OA siltigzand(ophoogmateriaal)I 19 I 30 I 0

45-70

35-40

50-70

50-65

35-45

35-40

50-70

35-40

10-8 10-9

10-8 10-9

10-9 10-10

10-6 10-8

10-5 10-7

10-4 10-6

10-3 10-4

Grenzen van de zeefkrommen van Holoceen en Pleistoceen zand, figuur 5.14 en 5.15:

100

t::90

:c 80CII

~ 70c..

'Qj 60cu -N ~ 50

~-

40cu

~ 301: 20cu

~ 10c..

0

0.001

Figuur: 5.14

Grenzen van de zeefkrommen van het Holoceen

0.01 0.1

zeefdiam eter (m m )

10 100

73

,/ VI /

II

I


Grenzen van de zeefkrommen van het Pleistoceen

1001:: 90III

8:80

::! 70c..

~ 00I!!~ 500ra-"'C

40

~ 30I'GC 20III

~ 10IIIc.. 0

0.001 0.01 0.1 10 100

zeefdiam eter (mm)

Figuur: 5.15

5.5.4 Grondconditionering

In deze paragraafwordt besproken hoe de grond geconditioneerd moet worden indien detunnel geboord wordt met een EPB-schild. Hierbij is de grond zoals deze voorkomt langs hettrace, zoals dat is weergegeven in figuur 5.13 het uitgangspunt. Vande TBM worden geendetails gegeven, in dit rapport wordt gesteld dat geen technische belemmeringen bestaan voorde injectie van de verschillende conditione erstoffen.

5.5.3.1 Holoceen

Het tunneldeel dat door het Holoceen geboord wordt gaat voornamelijk door de geotechni-sche lagen 17, 18A, 9/31 en voor kleinere stukken in de lagen 16, 18 en 15, zie geotechnischprofiel figuur 5.14. Mgezien van de 100m trace die uitsluitend door laag 18A loopt, wordende verschillende lagen uit het Holoceen tegelijkertijd ontgraven. Dit heeft een gunstig effect opde korrelverdeling van de grondbrij. Die is namelijk samengesteld uit een optelsom van deverschillende lagen die tegelijkertijd door het graafwiel ontgraven worden. Algemeengesproken betekent dit, dat de afte graven grond is opgebouwd uit silt, zand en klei. Dit is eengoede uitgangspositie voor de vorming van grondbrij. De permeabiliteit van de lagen 16, 17,18A, 9/31 blijft onder de limiet van 5*10-5m/s . De permeabiliteit van laag 18 is te hoog,echter de laag wordt altijd tegelijkertijd met klei en silt ontgraven zodat de permeabiliteit vande grondbrij toch laag genoeg is. Een probleem bij ontgraving in het Holoceen is eventueel delage consistentie. Zoals vermeld in paragraaf3.3 is de optimale consistentie van grondbrijplastisch, Ie= 0,4-0,75. De consistentie-index wordt bepaald uit de Atterbergse grenzen en hetwatergehalte. In tabel 5.4 staan de Atterbergse grenzen en het watergehalte van de Holocenelagen weergegeven.

74


Het valt op dat de watergehalten hoog zijn en dicht bij de vloeigrens liggen. Dit betekent datde consistentie van de Holocene kleilagen laag is.De Atterbergse grenzen en met name de watergehalten moeten nauwkeuriger wordenvastgeste1d om conc1usies te kunnen trekken over de consistentie van de materialen. Mengingvan de verschillende soorten grond levert een nieuw materiaal met eigen watergehalte vloei-en uitrolgrens. Om te achterhalen of ook dit materiaal optimale consistentie heeft kan eenmonster worden samengesteld van de verschillende eenheden. In het Holoceen zal over eenlengte van 100m uitsluitend geboord worden in laag 18A. Volgens de beschrijving een kleiigzand met een sterk gelaagde structuur en een permeabiliteitvan 10-5 tot 10-7mls. In figuur5.16 staat de groep van zeefkrommen van de Holocene zanden. Laag 18 bezit minder fijnmateriaal en vormt de onderkant van de groep zeefkrommen, laag 18A bezit relatiefveel fijnmateriaal en vormt de bovenkant van de groep zeefkrommen. Laag 18A ligt op de grens vantenminste 30 % fijn materiaal. Als het gehalte aan fijne delen onverhoopt lager wordt dan30 % dan moet de grondbrij geconditioneerd worden om de permeabiliteit afte laten nemen.

Conditionering van Holocene lagenOp het eerste gezicht zijn de Holocene grondlagen geschikt voor de vorming van eenondersteuningsmedium De ervaring met kleine diameter boringen in Nederland is echter, datde Holocene zandige kleilagen eerder te kleverig en te stijf dan te vloeibaar zijn. Bentonietsus-pensies met lage concentratie kunnen dan worden gebruikt als smeermiddel.Conditionering van laag 18A zal gericht zijn op verhoging van het gehalte aan fijne de1en.HDS-suspensies met een hoog gehalte aan vaste stofliggen het meest voor de hand. Schuimconditionering waarbij het grondwater moet worden verdrongen opdat de permeabiliteitafueemt en de grondbrij toch een goede consistentie heeft is moeilijk vanwege de lagepermeabiliteit van de laag. Het schuim zal de formatie slechts ondiep penetreren waardoor heteffect gering is.

5.5.3.2 Pleistoceen

Het tunne1deel in het Pleistoceen gaat door grindhoudend middel- tot grofkorrelig zand (code32). Het Pleistocene zand is verzadigd en heeft een hoge grondwaterdruk oplopend tot 3 bar.De permeabiliteit is hoog 10-3-10-4mis, de fijne ftactie is lager dan 8 % en de vervormbaarheidis slecht. In het Pleistoceen bevinden zich 1 a 2 kleilaagjes die niet op het profiel staanweergegeven maar wel op de sonderingen zijn te herkennen. Deze kleilaagjes hebben eengunstig effect op de korrelverdeling van de afte graven grond. De bijdrage die zij leveren isafhankelijk van de dikte van de lagen, deze is waarschijn1ijkkleiner dan 1m. De kleilaagjes zijnsterk geconsolideerd en zullen afbrokkelen waardoor ze slecht met het zand mengen. Hetgunstige effect op de korrelverdeling is als gevolg gering.De grond is niet geschikt als grondbrij en moet worden geconditioneerd. Aan weerszijden vande Oude Maas zal over een afstand van 200 m tegelijkertijd Holoceen en Pleistoceen inongeveer gelijke verhouding ontgraven worden. Dit zorgt ervoor dat de fijne ftactie in degrondbrij toeneemt. Aan de oostkant is dit effect sterker dan aan de westkant van de Oude

75


Maas omdat de laag die boven op het Pleistoceen aan de oostkant een kleilaag is en aan dewestkant een kleiig zand.Direct onder de Dude Maas worden het Pleistoceen en Holoceen ook tegelijkertijd ontgraven.Het Holoceen word op deze plaats echter gevormd door een fijn zand zonder fijne delen.

Conditionering van PleistoceenLangs het trace waar Holoceen en Pleistoceen tegelijkertijd worden ontgraven kan indiennodig het gehalte aan fijne delen worden verhoogd door toevoeging van HDS. De resterende650m die in puur zand wordt ontgraven kan niet met HDS worden geconditioneerd. De fijneftactie kan niet hoog genoeg worden opgeschroefd zonder dat men problemen krijgt met deverpompbaarheid en aanmaak van de HDS en met menging van HDS met grond in dewerkkamer. Bovendien zijn grote hoeveelheden vaste stof nodig wat de conditioneringonnodig duur maakt.In dit deel zal schuimconditionering goed tot zijn recht komen. Vanwege de hoge permeabili-teit kan het schuim goed de formatie binnendringen waardoor het grondwater verdrongenwordt en een droge grondbrij ontstaat die goede vervormingseigenschappen heeft en slechtdoorlatend is. Eventueel kan naast schuim HDS worden gebnrikt om te voorkomen dat hetschuim te snel ontwijkt.

5.6 DISCUSSIE (vergelijking van de 4 praktijkstudies)

In Valencia wordt over grote lengte geboord in grindig zand met een permeabiliteit van 10-4mis, de laag bevindt zich onder het grondwater en de waterdruk loopt op tot 2bar.Het percentage fijne delen varieert tussen de 5 en 50 %. Het project in Tokyo wordt geken-merkt door nog ongunstiger omstandigheden. De tunnel wordt geboord in zandig grind waarinzich keien bevinden met een diameter van 45 cm De fijne fractie (korrels kleiner dan 0.06mm)is minder dan 5 %. De permeabiliteit is hoog 10-4mls en de waterdruk bedraagt 2bar. Dezeomstandigheden zijn zeer ongunstig voor EPB-tunnel constructie. Het succes van dezeprojecten is te danken aan het gebruik van schuimconditionering.Als we de gegevens van de 4 projecten vergelijken dan lijken de omstandigheden in hetPleistoceen iets ongunstiger. De permeabiliteit van het pleistoceen is gemiddeld 10 -4mls maaris lokaal hoger. De fijne fractie ligt rond de 5 % en het zand is uniform gegradeerd. Als gevolgvan marine kleilagen in het Pleistoceen kan de korrelverdeling lokaal wat gunstiger zijn. Dewaterdruk bij het laatste project loopt op tot 3 bar. De hoge waterdrukken in combinatie metlokaal hoge permeabiliteit kan voor problemen zorgen. Wat het effect is van deze omstandig-heden op het functioneren van de conditioneermiddelen en met name het samendrukbareschuim moet onderzocht worden.Interessant bij het Zevenhuizenproject is het uitpersen van porienvloeistof(mengsel van HDSen water) aan het uiteinde van de schroefvijzel. In dit geval word er geen weerstand gebodenaan de waterspanning in de formatie en moet de steundruk worden geleverd door de effectievespannmg.

76


De vijzeldruk wordt nu geheel via het korrelskelet omgezet of overgebracht in steundruk. Deeffectieve spanningen (korrelspanning) neemt hierdoor toe en er treedt boogwerking op in deschroefvijzel zodat deze kan vastlopen. Ondersteuning door middel van effectieve spanningheeft meer nadelen, Anagnostou (1995); hoge slijtage, ongelijkmatige overbrenging vansteundruk, hoog aandrijfinoment en trage voortgang. Schuim wordt niet tussen de korrelsuitgeperst.Maid!, U (1995); "door toevoeging van schuim ontstaat een drie fasesysteem waarvan ondereen begrensd drukbereik geen van de fasen kan worden uitgeperst". Uitpersing is niet volledigte kwantificeren met meting van de permeabiliteit. Om het fenomeen volledig te kunnenkwantificeren is een proefopstelling, waarin het proces wordt gesimuleerd, onmisbaar.

5.7 CONCLUSIES

Oorspronkelijk zijn gronddrukbalansschilden ontworpen voor tunnelconstructie in cohesievegrond. Door gebruik te maken van conditioneerstoffen kan het gronddrukbalansschild ookworden ingezet in niet cohesieve grofkorrelige bodems. De eerste twee praktijkstudiesillustreren dit.Het injectiesysteem van de TBM moet worden aangepast op de te gebruiken conditioneerstof-fen opdat de conditioneerstoffen optimaal functioneren. Een goede keuze van conditioneer-stoffen en toepassing van een goed doordacht injectiesysteem is essentieel voor het slagen vaneen boring in niet cohesieve grond.In het verleden zijn problemen opgetreden met de ontgraving van Pleistoceen zand met eengronddrukbalansschild. Met de recentelijk ontwikkelde schuiminjectietechnologie lijkt hetgoed mogelijk om Pleistoceen zand wel zonder problemen te ontgraven. Hiervoor is echtermeer onderzoek vereist.

77


78

Hoofdstuk 6 Testprogramma

HOOFDSTUK 6 TESTPROGRAMMA

6.1INLEIDING

Voor de processen die zich aan het boomont en in de mengkamer van een gronddrukba-lansschild afspelen zijn een groot aantal grondparameters van belang. Om de gesclriktheid vande grondbrij, een mengsel van grond, grondwater en conditioneermiddel, als ondersteu-ningsmedium te bepalen, zijn een aantal pro even uitgevoerd met de conditioneeringsmiddelenlIDS, schuim en polymeergel.Het doe1van dit testprogramma is te achterhalen wat het effect is van conditioneerstoffen opde eigenschappen van zand. In het testprogramma is met name gekeken naar de permeabiliteiten de vervormbaarheid of consistentie van de grondbrij. Het testprogramma kan wordengezien als een verkennend onderzoek naar het functioneren van verschillende conditioneerstof-fen. De ervaringen die zijn opgedaan met dit testprogramma hebben onder andere ge1eidtotaanbevelingen voor verder onderzoek en adviezen voor verbeteringen van de conditioneersys-temen.

6.2 GRONDMONSTERS

6.2.1 Selectie

Zand moet zodanig worden geconditioneerd dat de permeabiliteit afueemt, het deforma-tiegedrag verbetert, de e1asticiteit toeneemt en steundruk via korrels en porievloeistofkanworden overgebracht.Het beproefde zand, het zogenaamde Maaszand, is geselecteerd op basis van zijn korreldistri-butie. Maaszand is gekozen vanwege drie redenen:* het zand komt overeen met zand van het project in Zevenhuizen, zie paragraaf 5.4.2,* Maaszand ligt op de grens van het inzetbereik van het gronddrukbalansschild,* het zand is typisch voor zand uit het Pleistoceen.Het Pleistoceen komt in de Nederlandse ondergrond veel voor. Het is dan ook belangrijk omte weten of dit zand voor een gronddrukbalansschild kan worden geconditioneerd. Maaszandheeft vergelijkbare eigenschappen als zand uit Zevenhuizen. Het kan worden gebruikt om teachterhalen waardoor de problemen in het project in Zevenhuizen ontstonden en hoe dezevoorkomen hadden kunnen worden. In figuur 6.3 is te zien dat Maaszand op de rand ofzelfsbuiten het maximale inzetbereik (Maid!, U. 1995) van het gronddrukbalans ligt. Van te vorenstaat vast dat Maaszand erg moeilijk te conditioneren is.In het testprogramma is eveneensgebruik gemaakt van een cohesief materiaal. Met dit zelf samengeste1de materiaal is gepro-beerd een re1atie te vinden tussen geotechnische en betontechnische consistentie, zie paragraaf3.3.2. In tweede instantie zijn de gemeten parameters bij 6en bepaalde consistentie gebruikt alsreferentie voor de metingen op de zandige grondbrij.

79


6.2.2 Classificatie van het geteste zand.

Als richtlijn voor de classmcatie van het zand is de NEN-norm 5140 gebruikt. De korrelgroot-teanalyse en overige kenmerken die met het oog zijn waar te nemen, vormen de basis van dezeclassmcatie.De grondparameters die van belang zijn voor het functioneren als grondbrij, zoals de permea-biliteit, de wrijvingshoek en cohesie zijn gemeten met respectievelijk de "constant headpermeability test" en vrije prismaproe£ De theorie en uitvoering van de constant headpermeability test word behandeld in paragraaf6.4.3.1. De vrije prismaproefis een gebruike1-ijke test die ontworpen is om de wrijvingshoek en "cohesie" van zand te bepalen. Dezeopstelling is alleen gebruikt om te achterhalen of de eigenschappen van Maaszand en Zeven-huizenzand vergelijkbaar zijn. Voor een volledige beschrijving van de proef wordt verwezennaar, Allersma (1990).Het volumegewicht van het zand is een belangrijke parameter. Omdat het volumegewicht vanhet Zevenhuizenzand onbekend is, is van het zand het volumegewicht bij losse en dichtepakking bepaald. De volumegewichten zijn bepaald met een volume en gewichtsmeting, zieparagraaf6.4.3.2.

6.2.3 Resultaten

Cohesief referentie materiaal:Samenstelling:

Ca-bentoniet: 33.3 %Zilverzand (fijn zand): 33.3 %Midde1tot grofkorrelig gezeefd zand 33.3 %

"Grond"parameters:WI : 30%wp : 18 %

~ : 12p : variabelmet watergehalteWn

Naam:Zeer zandige klei met lage plasticiteit.

d= 0.06-0.2 romd= 0.2-2.0 rom

Zand monsters:Maaszand

Naam: Uniform gegradeerd, fijn grind houdend, middel tot grofkorrelig,gee1grijszand."Subrounded" en "rounded", matig bolvormig voornamelijk kwartsKorre1s:

ZevenhuizenzandNaam

Korrels:

Uniform gegradeerd, fijn tot grof grind houdend, middel totgrofkorrelig, lichtgrijs zand."Subangular" en "subrounded", matig bolvormig voornamelijkkwarts.

80

100

~90

1:: 80

~70In('IICo 60

""'"'IJ 50..,N... 40('II."GI 30'"S

20J:IJt).... 10IJQ,

-'~

I./

.-'"I

JJ

II

,.;'" /r /

1 /1-',/ V

4 2./ 1/,/ /

II 3

-- ./ J .--.-

V .-1~../

zeefkrommen:

Figuur: 6.1

~1::

~1/1caCo

3jN

1G

"IVD'ISc::GI~IIa..

Figuur: 6.2

"EGI51

~ 70c..'t 60~ ~ 5010-." 40GI

E 30

i 20u

~ 10

0

0.001

Figuur: 6.3

zeefkromme Maaszand

00.001 0.1 1

zeefdiam eter (m m)100.01

Zeefkromme Zevenhuizenzand

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

00.001 0.1 1

zeef diam eter (m m)100.01


100

100

Zeefkromme maaszand in gronddrukbalansinzetbereik figuurMaidl, U. (1995)

100

90

80

0.01 10 1000.1

zeefdiameter (m m)

81

-1 cond~ioneerrriddelen water,bentoniet- enpolyrreersuspens ies,

tensidschuim-2 cond~ioneerrriddelen

bentoniet- enpolyrreersuspens ies ,polyrreer

schuim- 3 cond~ioneerrriddelen

polyrreerschuimen hoge

concentratie I-[JS enpolyrreersuspensies

-4 maaszand


,',',",':j'I"III:

j'" 1:11I, ~,:I,'II

~~~~i~':I:,

~~:....,'~

::":"""'1

volumegewicht (kN/m3)losgepaktvastgevakt

1816

1816

Porositeit (volume%)vastgepaktlosgeuakt

3138.5

20.8

3039

20.3

ermeabiliteit (m/S 3.14* 10-04 3.13*10-04

wn 34.75

0

34.5

0cohesieTabel 6.1. Relevante grondparameters van Maaszand en Zevenhuizenzand, weergegeven waarden zijn gemiddel-den van drie of meer metingen.

6.2.4 Discussie en conc1usie

Op basis van de resultaten kan geconcludeerd worden dat eigenschappen van Maaszand enZevenhuizenzand overeenkomen. De testresultaten van de grondbrij waar Maaszand alsuitgangspunt dient gelden ook voor Zevenhuizenzand.Maaszand ligt op de grens van het inzetbereik van het gronddrukbalansschild en eigenlijk ietsdaarbuiten. Maaszand heeft namelijk geen fijne ftactie en deze is juist van belang voor devorming van een goede grondbrij, zie paragraaf3.2. Maaszand zal derhalve moeilijk teconditioneren zijn.

6.3 CONDITIONEERMIDDELEN

6.3.1 InIeiding

In het testprogramma zijn proeven uitgevoerd met hoge dichtheid suspensie, schuim en poly-meergel. De samenstellingen en de dosering van schuim en hoge dichtheid suspensie zijnatkomstig uit literatuur en praktijk en worden hieronder weergegeven. De samenstelling en detoe te voegen hoeveelheid polymeergel is naar eigen inzicht vastgesteld. In dit hoofdstukworden naast samenstelling en toegevoegde hoeveelheden ook de eigenschappen van deconditioneerstoffen en de indringdiepte in verzadigd zand beschreven.

82

Hoofdstuk 6 Testorogramma

Figuur: 6.4 Schuim, HDS c::npolymc::c::rgd.

6.3.2 Hoge dichtheid suspensie

6.3.2. I Samenstelling en dosering

Hoge dichtheid suspensie ('11ighdensity sluny"ofHDS) is een suspensie van zwellende kleiwaaraan eA1:razand en niet zwellende klei is toegevoegd. De hoofdbestanddelen van HDS zijnwater (aIs drager van vaste stof), natliumbentoniet (als zwellende klei), calciumbentoniet (alsniet zwellende klei) en zilverzand. De samenstelling van de HDS is afhallkelijk van de teconditioneren grond. Machinebouwer Daiho, leverallcier van het EPB-schild van Visser &Smit Hanab, stelt de samenstelling en de hoeveelheid toe te voegen hoge dichtheid suspensievast aan de hand van de zeefkronune van de te conditioneren grond. Ais eerste wordt de vastestof7vloeistof verhouding D bepaald, met de volgende formule:

D(%) =a(30 - X)2 +(40 - Y)0.5 +(60 - Z)0.2 (6.3)

waarbij: . xYZ

: het gewichtspercentage dat de 0.074 mm zeefpassee11: het gewichtspercentage dat de 0.25 mm zeefpasseert: het gewichtspercentage dat de 2 mm zeefpasseert

Ais (30 - X) < 0(40 - Y) < 0(60 - Z) < 0

dan is deze term 0dan is deze term 0dan is deze term 0

Uniformiteit:

wanlleer I < Uc < 3 dan is a = 1.2

83

Grondconditionerinf1: in het EPB-schild

Als we deze formule toepassen op de zeefkromme van Maaszand, zie figuur 6.1 met X = 1 %,Y=15 % en Z=95 %, vinden we voor D = 80 % (naar beneden afgerond). Vervolgens kan metD ook de samenstelling van de HDS worden bepaald en de dosering met respectievelijk tabel6.3 en formule 6.4.

Dosering(l/m 3)=D*6 (6.4)

101520253035404550556065707580

4.87.19.311.49.010.211.512.714.015.016.117.218.219.220.2

4.87.19.311.49.010.211.512.714.015.016.117.218.219.220.2

9.010.211.512.714.015.016.117.218.219.220.2

96.294.392.690.989.287.786.284.783.382.080.679.478.176.975.8

Tabel 6.3. Samenstelling met bijbehorende D-ratio, afkomstig uit Daiho manual.

Volgens het voorgaande moet aan maaszand HDS met een vaste stof/vloeistof ratio D van 80% worden toegevoegd, in de praktijk is echter gebleken dat HDS met D groter dan 50 % nietmeer verpompbaar is. Hierbij horen doseringen van respectivelijk 480 en 300 11m3grond. Ineerste instantie zijn de proeven uitgevoerd met 320 11m3HDS met D = 50 %, Deze samenstel-ling is gebruikt in het project in Zevenhuizen. HDS met D=50% is nog net verpompbaar.Vervolgens is de D verhoogd om te achterhalen of er dan een verbetering optreedt in deconsistentie van de grondbrij. De hoeveelheid toe te voegen materiaal is hierbij constant op320 11m3gehouden. Dit omhet effect van de concentratieverhoging beter te kunnen waame-men. Later zijn ook experimenten uitgevoerd waarbij de toe te voegen hoeveelheid isgevarieerd. Formule 6.4 is daarbij niet gehanteerd.

84

Hoofdstuk 6 Test;programma

6.3.2.2 Bereiding

De drie HDS bestanddelen worden in vaste vorm met elkaar gemengd en vervolgens aan watertoegevoegd. Het materiaal wordt gemengd met een spatel aangedreven door een boormachine.De klonten die zich in het begin vormen verdwijnen door intensieve menging.

6.3.2.3 Kwaliteitscontrole

De chemische samenstelling en mineraalinhoud van de verschillende bestanddelen van de HDSzijn van belang voor de eigenschappen van de suspensie, zie paragraaf 4.3.1.De belangrijkste parameters die de eigenschappen van de HDS het beste weergeven zijn hetvolumegewicht, de viscositeit en zwichtspanning. De productie van HDS is eenvoudig en alsde hoeveelheden vaste stof nauwkeurig worden afgewogen dan is de variatie van de bovengenoemde grootheden verwaarloosbaar. Het volumegewicht, de viscositeit en zwichtspanningzijn dan ook maar enkele keren bepaald, en werden vervolgens voor constant en aangenomen.

6.3.3 Schuim

6.3.3.1 Samenstelling en dosering

Schuim is een suspensie van lucht in vloeisto£ Er zijn verschillende schuimprodukten op demarkt voor de conditionering van grond in gronddrukbalansschilden. De gebruikte schuimpro-dukten zijn beschikbaar gesteld door het Italiaanse bedrijfLamberti spa. (chemical specialties).De produkten zijn speciaal geproduceerd voor de conditionering van zandgrond. De hoofdbe-standdelen van het schuim zijn water, schuimstof en schuimstabilisator. De schuimstof is eentensid, de stabilisator is een polymeer. Beide stoffen hebben een anionisch karakter. Lambertispa. geeft dezelfde aanbevelingen voor de schuimsamenstelling als Obayashi, het bedrijf dathet schuimsysteem ontwikkelt. De mengverhoudingen en dosering van het schuim wordenbepaald aan de hand van de zeefkrommen van het te conditioneren zand.De injectie ratio, het volume van de gedoseerde hoeveelheid schuim ten opzichte van hetvolume ontgraven grond, wordt bepaald aan de hand van de volgende formule, Obayashi(1993) en Lamberti (1995):

Q(O/O)=a

(60-4 *XO.8) +(80-3.3 *yO.8) +(90-2.7*ZO.8)

2(6.5)

waarbij X: het gewichtspercentage dat de O.074mm zeefpasseertY : het gewichtspercentage dat de O.42mm zeefpasseertZ : het gewichtspercentage dat de 2.0 mm zeef passeert

85


Als: 4.0 *Xo.s> 60 neem dan 60

3.3 *yo.s > 80 neem dan 80

2.7 *Zo.s> 90 neem dan 90

DJriformiteit: wanneer Dc < 44 :SDc.2: 1515 :SDc

dan is a = 1. 6

dan is a = 1.2dan is a = 1.0

Als dezeformule wordt toegepastop dezeefkrommevan Maaszand,zie figuur 6.1 met X = 1%, Y=52 % en Z=95 %, vinden we voor Q=47 %V oor niet cohesieve grond wordt de volgende samenstelling aanbevolen: tensid 10% stabilisa-tor 12 %. De foaming ratio, de hoeveelheid lucht ten opzichte van de hoeveelheid vloeistofmoet voor niet cohesive grond 6 zijn. Dit komt overeen met een volumegewicht van 140 grit

Maid!, D (1995) heeft in zijn dissertatie geexperimenteerd met verschillende schuimsamenstel-lingen en conc1udeert dat de beste resultaten worden behaald met een tensid concentratie van1.6 % en een polymeerconcentratievan 7 grll, het bijbehorendevolumegewicht is 88 gritDeze samenstelling is in dit onderzoek gebruikt als uitgangspunt voor de schuimconditione-ring. In de dissertatie worden ook richtlijnen gegeven voor de ideale hoeveelheid toe tevoegen schuim. Het schuim volume moet in theorie gelijk zijn aan de porositeit bij de meestlosse pakking van het zand, verminderd met de hoeveelheid fijne delen en de hoeveelheidwater, zie formule 6.6. Maid! gaat uit van volledige verdringing van grondwater als gevolg vanschuiminjectie.Dit betekent dat Vw = o.

V =n *V-V-Vsch Max f w (6.6)

VV h( % ) =

sch

*100sc

V-V sch

(6.7)

V : totaal volume: volume schuim: volume van fijne delen: volume van water: maximale porositeit

Vsch

Vf

Vw

~ax

Met een maximale porositeit van 43 %, 100 % verdringing van grondwater en een percentagefijne delen van 1% vinden we voor Vsch 42 %. Als we aannemen dat het grondwater nietverdrongen wordt door schuim dan is Vsch23 %. In eerste instantie zijn experimentenuitgevoerd met Vsch=45 % en is gekeken wat het effect is van grondwater dat niet door hetschuim wordt verdrongen. Vervolgens zijn de toegevoegde schuimhoeveelheid en de samen-stelling van de schuimvloeistof veranderd om te achterhalen of dan een betere grondbrij kanworden verkregen. Als laatste is onderzocht ofverschillende mengprocedures effect hebben opschuimconditionering.

86

Hoofdstuk 6 Testproln"amma

6.3.3.2 Bereiding

De productie van schuim is ingewikkeld. Als eerste wordt een polymeeroplossing gemaakt. Detensidvloeistofword in de juiste hoeveelheid aan de polymeeroplossing toegevoegd envoorzichtig gemengd.De verkregen oplossing kan met behulp van een schuimgenerator en perslucht worden opge-schuimd. Het schuim wordt gevormd in de schuimlans die gevuld is met kleine glasknikkers.De schuimvloeistof en perslucht worden onder druk door de schuimlans geperst waarbijturbulentie ontstaat en schuim geproduceerd wordt.De gebruikte schuimgenerator heeft een aantal beperkingen. De schuimvloeistofkan niet te dikworden gemaakt omdat de schuimgenerator dan verst opt raakt. Hierbij is een polymeerconcentratie van 11.5 grll het maximum. De "foamingratio" (de verhouding tussenschuimvloeistof- en lucht) kan niet nauwkeurig worden afgesteld en wisselt sterk. Hierdoorvarieren alle eigenschappen van het schuim

6.3.3.3 Kwaliteitscontrole

De eigenschappen van schuim worden bepaald door de chemische eigenschappen van deschuimprodukten, de concentraties waarin zij aan water worden toegevoegd en deschuimgenerator. De chemische samenstelling van de schuimprodukten is behandeld inparagraaf 4.4.2.1. De schuimgenerator voegt de vloeistof en lucht samen en maakt er schuimvan. Het apparaat is in hoge mate bepalend voor de schuimfactor, volumegewicht en belleng-rootte van het schuim De gemeten eigenschappen van schuim zijn: volumegewicht (als maatvoor de schuimfactor), stabiliteit, viscositeit en schuifsterkte. Omdat de eigenschappen van hetschuim niet constant zijn is continu gecontroleerd ofhet volumegewicht en de schuifsterktevan het schuim binnen bepaalde grenzen blijven. Deze parameters zijn namelijk suel te bepalenin tegenstelling tot de viscositeit, bellengrootte en stabiliteit.

SchuimstabiliteitSchuimstabiliteit is een belangrijke parameter die vooral bepaald wordt door de gebruiktechemicalien. Hoe langer het schuim stabiel is hoe langer het functioneert. Als het schuimontmengt krijgt de grond zijn oorspronkelijke eigenschappen weer terug. De permeabiliteit vande grondbrij neemt toe en de vervormbaarheid en compressibiliteitseigenschappen verslechte-ren. Ter vergelijking zijn de stabiliteit van een aantal schuimsoorten bepaald. De schuimstabili-teit is te achterhalen door de ontmenging (hoeveelheid ontmengde schuimvloeistof) van deschuimvloeistofin de tijd te meten, zie figuur 6.5. Omdat ook polymeerschuimen ontmengen,moeten alle proeven binnen 45 minuten worden uitgevoerd. Dan is ongeveer 5 % van hetpolymeerschuim ontmengd, zie figuur 6.5. Bij de permeabiliteitsmetingen is deze grensoverschreden om het effect van schuimdegradatie op de permeabiliteit te achterhalen. Schuimdat met zand is gemengd lijkt langer stabiel te zijn dan schuim op zich zelf

87


Schuimslabiliteit voor diverse soorten schuim

100

00

80

~70

C) 60c.~ 50QI

S 40

c0 30

20

10

proteine

tensid T=1.6%

~ polymeer T=1.6"k,P=7grll

0

0 50 100 150

tijd (m inuten)

Figuur: 6.5

Schuifsterkte (of zwichtspanning)De schuifsterkte is bepaald met de shear-o-meter. Dit meetinstrument is afkomstig uit deboorindustrie. Waar het wordt gebruikt om de schuifsterkte van dunne bentonietsuspensie tebepalen. Het apparaat bestaat uit 2 delen; een beker met een diameter van 9 cm met in hetcentrumeenverticale staafwaarop een schaalverdelingin Ibs/l00ft 2 (wordt omgerekendinPa) is aangebracht en een cilinder met een dikte van 0.3 mm, een diameter van 36 mm, eenhoogte van 89 mIDen een gewicht van 4.95 gr die omhet T-profiel past.

6.3.4 Polymeergel

6.3.4.1 Samenstelling en dosering

De polymeren die als schuimstabilisator dienen zijn gebruikt als basismateriaal voor depolymeergel. De werking van polymeergel berust, evenals bij lIDS, op waterabsorptie van dezwellende deeltjes. Polymeren zijn sterker waterabsorberend dan Na-bentoniet, er hoeft danook veel minder vaste stof gebruikt te worden.Naar eigen inzicht zijn een aantal gels met verschillende concentraties toegepast. De toege-voegde hoeveelheid polymeergel is gelijkgesteld aan die van lIDS, 320 11m3.In eerste instantiewerd een concentratie van 15 grll gebruikt. De gel is dan nog vloeibaar. Vervolgens is deconcentratie verhoogd om te achterhalen of een grondbrij met een betere consistentieverkregen kan worden.

88

lIDSI

1.25 I 0.1D= 50%

lIDSI

1.40 I 13D= 80%

Polymeergel I 1.0 I 115.5 grll

I Ipolymeergel 1.0 15*120 grll

Schuim 50- 70I

0.2T=1.6% P=7 Il Il

Schuim 140-155T=1.6% P=15.5grll (grll)


6.3.4.2 Bereiding en kwaliteitscontrole

De polymeergel wordt net als de lIDS gemengd met een boonnixer. Het is daarbij belangrijkde polymeren gelijkmatig en in kleine hoeveelheden aan het water toe te voegen, zodat geenklonten worden gevormd.De eigenschappen van polymeergel worden bepaald door de chemische eigenschappen van degebruikte stoffen en de concentratie waarin zij aan water worden toegevoegd.De belangrijkste eigenschappen van de polymeergel zijn het volumegewicht, de viscositeit enzwichtspanning. Net als bij de lIDS geldt dat als de concentraties nauwkeurig wordenopgelegd dat de eigenschappen van de polymeergel constant zijn. De viscositeit en zwicht-spanning van de polymeergel met hoge concentratie zijn geschat.

6.3.5 Resultaten--75

330

7

300*

12

Tabel 6.4, Stofeigenschappen van de gebruikte conditioneerstoffen. Viscositeit en zwichtspanning zijn gemetenmet BML-vicocorder. *= geschatte waarde.

89

- - .. -

schuim 50-70 3.6 - 4.6 45T=1.6% P= 7gr/1

schuim 140-155 5.3 45T=1.6% P=7gr/1

Grondconditionering in bet EPB-schild

TabeI6.5, Parameters die alleen voor scbuim bepaald zijn van scbuim

6.3.6 Waterverdringing of waterbinding

6.3.6.1 Algemeen

Voor de conditionering van zand is het belangrijk om te weten ofhet gebruikte conditioneer-middel de porienruimte penetreert tijdens injectie. Bij indringing van de conditioneerstof in deformatie wordt namelijk het grondwater verdrongen. Het grondwater wordt dan niet opgeno-men in de grondbrij en dit resulteert in een drogere grondbrij. De diepte tot waar de conditio-neerstof indringt (de indringdiepte) of de indringsnelheid is een maat voor de verdringing vangrondwater. Wordt door de conditione erstof geen water verdrongen dan moet het water doorde conditioneerstofworden gebonden opdat een goed vervormende en ondoorlatende grondbijontstaat.

Boorfront

PrlP.2

Vloelstof inWerkkamer

I:

Figuur: 6.6 Indringdiepte van vloeistoffen, Jancsecz (1994), figuur 14.

90

Hoofdstuk 6 Testpro~amma

6.3.6.2 Theoretische indringdiepte

De indringdiepte wordt bepaald door de zwichtspanning van de conditioneerstof de groottevan de porien en de druk waarmee de v1oeistof gefujecteerd wordt. De penetratie van v1oeistofin de formatie stagneert als de wrijvingskrachten tussen de korre1s en v1oeistof groter wordtdan de kracht die wordt ge1everd door de overdruk bij injectie. Het evenwicht bij de uiteinde-lijke indringdiepte is weergegeven in figuur 6.6.

Het evenwicht is voor een geidealiseerd porienkanaa1 als voIgt uit te drukken, Krause (1987):

2rr.r*i:/*Ie =rr.r2*D..p (6.8)

De indringdiepte van v1oeistofkan hieruit worden berekend met:

1=D..p*r

e-2*i:/

(6.9)

met: r

i:fD..p

Ie

: straalvan porienkanaa1 (m): zwichtspanning (Pa): overdruk (Pa): indringdiepte in (m)

Aan de hand van deze theoretische benadering zijn empirische formules opgeste1d die in delieratuur vee1 gebruikt worden, Anagnostou (1996) en Jancsecz (1994). De empirischeformules zien er a1svoIgt uit:

D..p*d1O1=e

a *i:/(6.10)

Met dlOa

: diameter van de zeef waar 10 gewichtsprocent van de grond doorheen va1t,: factor (2 of3,5).

In formule 6.10 is de straal van het porienkanaal vervangen door de dlOkorre1groote ftactievan de grond. Voor het geteste Maaszand is de dlO0.21 mm. De constante a wordt vaakverschillend gekozen, Jancsecz gebruikt 3.5, Anagnostou gebruikt 2. In dit rapport za1overeenkomstig met het theoretische model van Krause (1987) 2 worden gebruikt voor a.In tabe16.6 zijn de theoretische indringdiepten voor de gebruikte conditioneerstoffen bere-kend. De zwichtspanningen zijn gemeten met de BML-viscometer, zie paragraaf6.4.3.6. Dezwichtspanning van de po1ymeerge1met hoge concentratie is geschat.

91

water I 0

lIDS (D=50%) I 75 I 7

lIDS (D= 80%) I 327 I 1.6

Polymeergel (15.5grll)

I

7 I 75

Polymeergel (120 grll) 300 * I 1.7


De overdruk die voor de berekeningen is gebruikt bedraagt 0.5 bar, dit is een redelijke waardewaar in praktijk mee gewerkt wordt. Overdrukken van 1 bar komen in praktijk ook voor.Bij oplopende zwichtspanning neemt de indringdiepte af Voor lIDS geldt zowel voor lage alshoge concentratie dat de conditioneerstof nauwlijks in de formatie penetreert. Bovendien geldtdat als de diameter van de aan het lIDS toegevoegde zilverzand groter is dan de dlOvan degrond in het geheel geen indringing mogelijk is. De gemiddelde diameter van het zilverzandligt tussen de 0.15 en 0.3 mm en heeft ongeveer dezelfde grote als de dlOvan de grond. lIDSpenetreert niet in de formatie en zal dus ook geen grondwater verdringen. AI het grondwaterwordt opgenomen in de grondbrij.

Schuim (ten sid =1.6%)(polymeer 7 grll)

Tabel 6.6. Indringdiepte voor de verschillende conditioneerstoffen van zand. De zwichtspanning van polymeergel

met hoge concentratie is geschat. * = geschatte waarde.

12 44

Het principe van schuimconditionering is gebaseerd op de verdringing van grondwater doorschuim. Doordat het gefujecteerde schuim het grondwater verdringd ontstaat een drogegrondbrij die plastisch vervormt. De bepaling van de stromingseigenschappen van schuim ismoeilijk. Doordat sprake is van een compressibel twee fasesysteem, zijn het volumegewicht debellen-grootte, viscositeit en zwichtspanning niet constant. Schuim zal zich onder druk inleidingen of in wisselwerking met grond anders gedragen dan in de meetopstelling. Dezwichtspanning van schuim kan het best worden bepaald met een fannviscosimeter waarbij eenschuifcilinder wordt gevormd, Maid!, U (1995). Ook dan zijn de gemeten zwichtspaning enviscositeit niet meer dan een indicatie van de stromingseigenschappen van schuim in zand.Maid! stelt dat penetratie van schuim in zand beter kan worden bestudeerd met modelexperi-menten, zie paragraaf6.3.6.3.Op basis van van de gemeten zwichtspanning kan worden geconcludeerd dat het schuim in hetzand penetreert en daarbij grondwater verdringt. Polymeergel met lage concentratie penetreertbijna een meter in de formatie. Het lijkt zeer goed mogelijk om op deze manier grondwater teverdringen. Na toevoeging van extra polymeergel met lage concentratie in de werkkamer (omde gevormde porienruimte op te vullen) ontstaat bij lage concentraties polymeergel eenvloeibare grondbrij. Door concentratieverhoging van de toe te voegen polymeergel neemt deconsistentie toe maar neemt de indringing af door de toegenomen zwichtspanning van de gel

92

Hoofdstuk 6 Testprowamma

Polymeerconditionering vereist een nauwkeurige afstelling van de samenstelling van depolymeergel. In praktijk is dit moeilijk. (eventueel zou met toevoeging van polymeergel in 2verschillende concentraties wel een plastisch vervormende grondbrij leveren). Het nadeel tenopzichte van schuim is dat veel meer chemicalien nodig zijn, de grondbrij niet compressibel isen nat moet worden afgevoerd. In het testprogramma is verder geen aandacht besteed aan deconditionering van zand door middel van polymeergels met lage zwichtspanning.

overstromingsventiel

overstromings

Perslucht ventiel

. Afs\uiting \Schuim

Manometer~ Schuim

<:=Luchtwater

Afs\uiting 2

Pers\ucht

Cylinder 1 n,

~~\~I !i!t::: ll i=---==--,;

,It=-: =ii.,.~I-- -==- -=i

.

Cylinder 2

Water

Figuur: 6.7 Proef opstelling voor de indringing van vloeistoffen in zand. Maidl, U. (1995), figuur 6-27.

6.3.6.3 Gemeten indringing met de proefopstelling van Krause en Maidl

De indringing van conditioneerstof in de formatie kost tijd. De indringdiepte zal in praktijkook afhangen van de snelheid waarmee de TBM grond ontgraaft. De indringsnelheid moet inieder geval groter zijn dan de voortgangssnelheid van de TBM om water uit de grondbrij tehouden.Krause en Maid! hebben een proefopstelling gebruikt waarmee de injectie van conditioneerstofin de formatie kan worden gemodelleerd, zie figuur 6.7. De proefopstelling is ontwikkeld omde vorming van de filterkoek in een vloeistofschild te kunnen simuleren, Krause (1987).

93


De opstelling is door Maidl, U (1995) gebruikt om de penetratie van conditioneermiddelen inzand bij het gronddrukbalansschild na te bootsen. In de opstelling wordt conditioneermiddelvan boven af in een met water verzadigd zand gefujecteerd. Het conditioneermiddel penetreertin het zand als gevolg van het drukverschil dat wordt opgelegd. De doorzichtbare perspexcilinders maakt observatie van de penetratie mogelijk.

In figuur 6.8 is de indringing voor verschillende conditioneerstoffen gegeven. De proeven metschuim- en polymeerinjectie zijn uitgevoerd door Maidl, de proeven met bentonietinjectie doorKrause. Het opgelegde drukverschil is 0.5 bar. Het gebruikte zand dat bij de schuim- enpolymeerinjectie hoort heeft een dlOvan 0.19 mm, k=3.74*10-4 mis, ~=37 % en een uniformi-teitscoefficient van 2.1. De eigenschappen komen overeen met het geteste Maaszand. VoorBentoniet injectie (geen HDS!) is zand gebruikt met een dlOvan 0.48 mm, k=1.9*10-3 mis, ~=44 % en een uniformiteitscoefficient is 1.95. Dit zand is grover dan Maaszand. Bentoniet zalals gevolg van kleinere porien veellangzamer en minder diep penetreren als in figuur 6.8 staat

Indringing voor de verschillende conditioneerstoffen

400

100

-+- Fblyrreer 7 grll lVIaidl

_schuimten=1.6%, pol=7grlllVlaidli

bentoniet 60 grll Krause

~ voortgangssnelheid 30rrm'rrin

350

300

- 2501:! 200II.1:1GIC8. 150

50

00 10 20 30 40 50 60 70 80

tijd (min)

Figuur: 6.8

weergegeven. De zwichtspanning van schuim is gemeten in het testprogramma en is 12 Pa.Voor polymeergel met een concentratie van 7 grll is een zwichtspanning van 6 Pa eenaannemelijke waarde. In het testprogramma werd een zwichtspanning van 7 Pa gemeten vooreen concentratie van 15.5 grit De zwichtspanning van de gebruikte bentoniet is 30 Pa (metingKrause). Ter vergelijking; HDS met d=80 % heeft een zwichtspanning van 327 Pa.HDS zal ten gevolge van zijn veel hogere zwichtspanning nauwlijks penetreren. Schuim envooral polymeergel penetreren gemakkelijk in het zand. .Voor de drie krommen geldt dat de indringing de eerste seconden zeer snel verloopt envervolgens afueemt.

94

Hoofdstuk 6 Test.prowamma

In het geval van schuimen polymeerinjectie wordt geen stabiele situatie verkregen. Demaximale indringdiepte is niet bereikt aan het einde van de test. Voor schuim penetratie is depenetratiesnelheid 38 mm in de eerste minuut en loopt terug tot onder de 1 mm/min na 10minuten. Polymeergel penetreert 70 mm in de eerste minuut en loopt terug tot onder de 10mm/min na 10 minuten. Ontgravingssnelheden van gronddrukbalansschilden liggen tussen de25 tot 40 mm/min.De indringing van schuim is klein en kan nooit meer dan enkele centimeters zijn. De indring-diepte is groot genoeg om de ontgravingssnelheid bij te houden. Desnoods kan door deinjectiedruk te verhogen de indringsnelheid in de eerste minuut worden verhoogd. Hetinjectiesysteem lijkt kwetsbaar vanwege de kleine indringdiepte. De indringdiepte zal varierenmet de variaties in de korreldistibutie van de verschillende grondlagen aan het boornont. Hetkan dan voorkomen dat in de lagen met fijnere korrels niet al het water verdrongen wordt.Tijdens een gesprek met de heer Maidl werd de waterverdringing door schuim besproken. Hijstelt dat water voor 100% zal worden verdrongen door schuim. Maidl:" AIs de druk in dewerkkamer en voor het graafwiel als gevolg van schuiminjectie groter is dan de poriendruk inde formatie, dan zal het schuim als een ftont het water voor zich uit duwen". AIs onverhoopteen punt met lagere druk voor het graafwiel ontstaat dan zal het schuim daar naartoe stromen,en het grondwater als gevolg van zijn veel hogere viscositeit volledig verdringen. Het schuimwordt hierbij niet verdund met water. Heel belangrijk is dat de gehele werkkamer eenoverdruk heeft ten opzichte van de formatie anders stroomt het schuim direct de werkkamerin. Waardoor de verdringing van water niet volledig is en de grondbrij als gevolg van hetopgenomen water te vloeibaar wordt.De verschillende conditioneermiddelen stellen eisen aan het gebruikte injectiesysteem VoorHDS-conditionering is menging met de grond belanrijk, hoe groter het aantal injectiepuntenhoe beter. Schuim en polymeergel moeten de grond indringen. De conditioneerstoffen moetendan zo dicht als mogelijk aan het boornont gefujecteerd worden, liefst op verschillende puntenaan het boornont. De druk in de werkkamer moet op peil gehouden worden met behulp vanconditioneermiddelinjectiepunten. Eventueel als de verblijftijd van de grondbrij in de werkka-mer en schroefvijzellanger is dan de tijd dat het schuim stabiel is moeten ook injectiepunten inde schroefvijzel worden geplaatst.

6.3.7 Conclusies

HDS dringt niet in de formatie en verdringt geen grondwater. AI het grondwater in deontgraven grond moet worden gebonden door de in de HDS aanwezige waterabsorberendestoffen.Schuim penetreert in de formatie en verdringt grondwater. De penetratiediepte en snelheidhangen afvan de poriengrootte en permeabiliteit.Polymeergel dringt in de porienruimte. Bij conditionering met polymeergel moet een optimumworden gevonden tussen lage zwichtspanning voor diepe indringing en hoge viscositeit om degrondbrij plastisch te laten vervormen.

95


6.4 GRONDBRIJ (mengsels van zand water en conditioneerstof)

6.4.1 InIeiding

Het testprogramma is gericht op het effect van de verschillende conditioneermiddelen op zand.Doordat de werking van de verschillende conditioneermidde1en, naarmate de experimentenvorderen, duidelijk werd, zijn de doelstellingen van de pro even gaandeweg veranderd.Het testprogramma op grondbrijmengsels valt uiteen in vier onderdelen:1) permeabiliteits metingen,2) meting van het effect van grondwater op de grondbrij,3) samenstellingsverbetering van de conditioneermidde1en zodat een plastisch vervormende

grondbrij verkregen wordt,4) meting van de eigenschappen van de onder 3 gevonden grondbrijmengse1s.

Tijdens het gehele testprogramma zijn een beperkt aantal tests gebruikt, deze zulen afzonder-lijk besproken worden. De toegepaste meetprocedures worden niet in dit rapport besproken.Voor meer informatie omtrendt de verschillende test- en meetopstellingen kan wordenverwezen naar van der Woude (1996). In de onderstaande paragraaf zal eerst de mengmetho-de van grond met conditioneermiddel worden besproken. Vervolgens worden de gebruiktetest- en meetopstellingen behandeld.

6.4.2 Menging van de grondbrij

Basismateriaal van de grondbrij is Maaszand. De grondbrij is verkregen door toevoeging vanwater en conditione erstof en is vervolgens getest. Het verzadigde zand wordt verondersteldeen oorspronkelijk volumegewicht van 20 kN/m3 en een natuurlijk watergehalte van 17.5gewichts procent te hebben.Zand en conditioneermiddel zijn in de open lucht gemengd met de boormixer. Dit proceswordt "open menging" genoemd. Deze situatie is niet overeenkomstig met de praktijk. In eengronddrukbalansschild wordt de grondbrij onder druk gemengd. Hierbij wordt veel mindermengenergie aan de grondbrij toegevoegd dan bij de experimenten het geval is. In de werkka-mer en de schroefvijze1 zal derhalve een veel inhomogener mengse1worden gevormd. Tevenskan bij open menging extra lucht worden ingesloten. Schuimstoffen nemen lucht op. Bij openmenging wordt naast de hoeveelheid lucht in het toegevoegde schuim extra lucht vanuit deomgeving in de grondbrij opgenomen als gevolgvan het mengproces. Hierdoor worden deeigenschappen van de grondbrij veranderd, de grondbrij is te vloeibaar in vergelijking met degrondbrij in de werkkamer van het EPB-schild.Het effect van de mengtijd op de metingen van de grondbrij is getest, zie paragraaf 6.4.6.3.Het feit dat lucht uit de omgeving in de grondbrij wordt opgenomen is pas laat in het testpro-gramma onderkend. Dit betekent dat de meting en op schuim geconditioneerde gronbrij inparagraaf6.4.4 en 6.4.5 en niet geheel representatiefzijn. Tijdens de viscositeitsmetingen inparagraaf 6.4.6 is de schuim geconditioneerde grond anders bereid. De schuimvloeistofwordtaan het zand toegevoegd en vervolgens met de boormachine gemengd.

96


Het schuim wordt :inhet zand gevormd. De gemeten parameters zijn sterk afhankelijk van demengtijd en varieren sterker dan die van polymeergel ofHDS geconditioneerde grondbrij.

6.4.3 Gebruikte tests en verrichte metingen

6.4.3.1 Permeabiliteits met:ingen

De permeabiliteit van grondbrij moet laag zijn (k < 5*10-05m/s) zie paragraaf3.2. Om teachterhalen of de verkregen grondbrijmengsels aan deze eis voldoen is de permeabiliteit vandeze materialen bepaald. De verlag:ingvan de permeabiliteit van het zand als gevolg vantoevoeg:ing van conditioneermiddel kan eenvoudig worden gemeten met simpele apparatuur.In het laboratorium voor geotechniek is een opstell:ingbeschikbaar die de permeabiliteit meetonder een constant verschil :inwaterhoogte. Het apparaat bestaat uit een perspex cil:inderwaar:inzowel een opwaartse als benedenwaartse stroom aangebracht kan worden. Opverschillende hoogten van de buis wordt de stijghoogte met manometerbuisjes gemeten,waarmee de hydraulische gradient i bepaald kan worden. De opstell:ingis ook wel bekend alsde "constant head permeability test". Het zand dat als uitgangspunt diende heeft een opgelegdwatergehalte van 17.5 gewichts %. Voor ieder conditioneermiddel zijn drie mengsels gemaaktwaarop voor elk mengsel drie permeabiliteitsmetingen zijn verricht.

DiscussieDe waterdruk die is toegepast bij de permeabiliteitsmet:ingen is laag; een waterkolom van 0.2m kan maximaal:in deze proefworden opgelegd. In praktijk zal de waterdruk veel hogerliggen, de hydrostatische druk loopt op met de diepte onder het fteatische vlak. Mogelijkeeffecten van verhoogde waterdrukken op de permeabiliteit zijn niet onderzocht. Het is dan ookonbekend of de grondbrij ondoorlatend is onder hogere waterdrukken. Bij hoge druk dreigt deporienvloeistoftussen de korrels vandaan geperst te worden waardoor de permeabiliteittoeneemt en de consistentie verslechtert. De permeabiliteit zou dan zelfs hoger kunnen wordendan oorspronkelijk het geval is omdat het volumegewicht van de grondbrij lager is dan die vande oorspronkelijke grond. In de literatuur zijn pro even bekend die de permeabiliteit van degrondbrij onder hogere druk kunnen meten. Deze pro even tonen aan dat schuim en bentonietdat zich tussen de korrels bev:indtwaterdrukken van 3 bar en een drukverschil van 0.4 barkunnen weerstaan, zonder dat de permeabiliteit boven de 1*10-05m/s komt, Maid!, U. (1995)en Krause (1987).

6.4.3.2 Volumegewichtsmet:ingen

Volumegewicht is een belangrijke parameter van zowel grond, grondbrij als conditioneermid-delen. Het volumegewicht van de grondbrij wordt bepaald door het olumegewicht van deconditioneerstof en het volumegewicht en het watergehalte van het oorspronkelijke zand. Inde praktijk zal het volumegewicht van de grondbrij worden gebruikt om het evenwicht tussenvoortgangssnelheid en hoeveelheid afgevoerd materiaal te controleren.

97


Voor controle op dit evenwicht dient men de voorgangssnelheid, hoeveelheid afgevoerdmateriaal, en volumegewichten van de grond, conditioneerstof en grondbrij te weten. Hetvolumegewicht van een materiaal is eenvoudig bepaald met behulp van een weegschaal envolumebepaling. Het volume van het gemeten monster is constant op 3.3 liter gehouden.

DiscussieHet volume bij de volumegewichtsbepaling is groot genomen om aftondmgsfouten klein tehouden. Insluiting van lucht veroorzaakt een meetfout, zie ook paragraaf 6.4.3.2.

6.4.3.3 Consistentie

Het begrip consistentie is een kwalitatiefbegrip dat een beeld geeft van de vervormbaarheidvan een materiaal. In de grondmechanica is het begrip gedefinieerd voor cohesieve materialen.In de betontechnologie is het begrip een maat voor de vervormbaarheid van natte betonmortel.De mengsels van zand en conditioneerstofhebben een zeer beperkt cohesiefkarakter en lijkenmeer op nat beton dan op klei zie paragraaf3.2.1.De "geotechnische consistentie" I.,wordt bepaald door het watergehalte en de Atterbergsegrenzen met behulp van formule 3.1. De waarde Ie is gerelateerd aan kwantitatieve uitsprakenover de consistentie, zie tabel3.1. De "geotechnische consistentie" is bepaald voor hetcohesieve referentiemateriaal.De ''betontechnische'' consistentie wordt bepaald met behulp vande kegel van Abrams. De zetmaat in centimeter zoals bepaald met de kegel van Abrams isgerelateerd aan een kwalitatieve uitspraken over de consistentie, zie tabel3.2.

DiscussieHet is niet mogelijk de consistentie van de grondbrij te bepalen met behulp van de plasticiteits-grenzen omdat de uitrolgrens van de mengsels niet bepaald kan worden. In een kort testpro-gramma is getracht de betontechnische en geotechnische consistentie termen aan elkaar tekoppelen via een tussenstap. Van het cohesieve referentiemateriaal zijn de plasticiteitsgrenzenbepaald en is met behulp van het watergehalte de consistentie opgelegd. Vervolgens is dezetmaat van dit mengsel bepaald. De kegel van Abrams is echter niet ontworpen voorcohesieve materialen. De klei blijft in de kegel hangen als deze van de grond word opgetild.Als de wanden zijn geolied is wel een zetmaat te bepalen. De zetmaat van een klei met Ie

tussen 0,4 en 0,75 is nul. De zetmaat wordt verwacht tussen de 2.5 en 12.5 te liggen omdatdeze waarden in de literatuur worden gezien als zetmaat voor een materiaal met een goedeconsistentie. Het gedrag van cohesieve en niet cohesieve grondbrij is duidelijk anders en nietdirect met elkaar te vergelijken.

6.4.3.4 Vinproef

Met de vinproefkan men eenvoudig de schuifsterkte van cohesieve grond bepalen. Ondankshet feit dat de proef uitsluitend is te gebruiken voor cohesive grond is de test in dit onderzoekgebruikt om de schuifsterkte van de zandige grondbrij te bepalen.

98

Hoofdstuk 6 TestproJ;P"amma

Handmatig wordt een draaimoment via een veer op een vinvorm in de grond aangebracht. Hetdraaimoment neemt toe totdat de grond volgens een cilindervorm bezwijkt. De maximalevervorming van de veer geeft het maximale draaimoment weer. Het draaimoment is terelateren aan de schuifsterkte van de grond met de volgende formule, Verwaal (1988):

TC =

2u1t *D *(L+D/3)

2

(6.2)

Waarin: CuTDL

: ongedraineerde schuifsterkte (kPa): het draaimoment (N m): diameter van de vane (m): hoogte van de vane (m)

In de reeks proeven is gebruik gemaakt van de laboratoriumvin, en een handvin. De handvin isontworpen voor gebruik in het veld zodat aan het oppervlak en in de bodem van een boorgatde schuifsterkte gemeten kan worden. De handvin meet direct de schuifsterkte in ton/m2.Deze waarde moet gecorrigeerd worden voor de grootte van de vin. In het testprogramma istevens gebruik gemaakt van een zelfgemaakte grote vin, om ook zeer lage schuifsterkten tekunnen meten

DiscusssieDe vinproef is bedoeld voor de cohesieve materialen. De aanname dat het gevormde schuif-vlak cirkelvormig is, is waar voor fijnkorrelige cohesieve materialen. De vinproef wordt niettoegepast op niet cohesieve materialen omdat het gevormde schuifvlak niet cirkelvormig is. Eris dan sprake van een bezwijkzone.In dit afstudeerwerk is de meting wel toegepast op zandige grondbrij met zeer lage cohesie.De meetwaarde van de vinproef mag dan ook niet worden gezien als ongedraineerde schuif-sterkte maar als een indicatie voor deze grondparameter. Voor de handvinproef geldt dat alswordt overgestapt op een een grotere vin er een sprong in de gemeten schuifsterkte optreedt.De overstap naar een grot ere vin levert in alle gevallen een hoger gemeten schuifsterkte. Dit ishet gevolg van de groter wordende schuifzone. De veer in de handvin is gecalibreerd voor eenbezwijk cirkel. Als wordt overgestapt op een grotere vin dan wordt de afgelezen waardegecorrigeerd voor de grot ere schuifcirkel. Het monster bezwijkt echter langs een grot ereschuifzone en de berekende schuifsterkte is daardoor te groot.

6.4.3.5 "Trekliniaaltest"

Om een idee te krijgen van de kleverigheid van het materiaal is de "trekliniaal test" bedacht insamenwerking met ir. W. Broere. In deze test wordt de wrijvings- ofklee:fkracht tussen staalen grondbrij gemeten. Een roestvrij stalen lineaal wordt in de grondbrij geduwd en langzaamlos getrokken. De maximaIe kracht die nodig is wordt afgelezen met een unster.

99


De proeflevert een maat voor de kleverigheid, m N/mm2. De kleverigheid is van belang voorhet functioneren van de grondbrij. Een lage kleverigheid is gewenst omdat de aandrijvendemoment en van de TBM dan laag bIijven, zie paragraaf3.6.

DiscussieDe gemeten schuifspannmg met de treklIDiaaltest staat op zichzelf en mag niet worden gezienals cohesie of andere parameter die m de grondmechanica wordt gebruikt om cohesiefkarakter van grond uit te drukken. Het is een mdicatieve test die alleen een onderlingevergeIijkIDgvan de kleverigheid van grondbrij geeft. De test is heel eenvoudig en kangemakkeIijk op de werkvloer worden uitgevoerd.Uit correlatie onderzoek is gebleken dat maximale klevrng optreedt bij plastisch vervormendegrondbrij. De kleeflineaa test geeft een maat voor de kleverigheid van zandige grondbrij en istevens te gebruiken om de consistentie van een grondbrijmengsel te bepalen, zie van derWoude (1996).

6.4.3.6 Viscositeitsmetmgen

Viscositeitsmetmgen worden uitgevoerd om de strommgseigenschappen van materialen tebepalen.Voor de conditioneerstoffen is het van belang de zwichtspannmg te weten. Dit is destofeigenschap die bepalend is voor de mdringdiepte m het grondmassief

Van grondbrij is het be-langrijk om destrommgseigenschappente weten. De viscositeiten zwichtspannmg zijn deenige twee parameters diebepalen ofhet materiaalgoed door werkkamer enschroefvijzel stroomt. Deviscositeit en zwichtspan-nmg kunnen worden ge-bruikt om de vervorm-baarheid van grondbrij tekarakteriseren, zodat hetbegrip consistentie ver-

F ' 6 9 S h.

h k.

B.

11 'vangen kan worden.

Iguur: . c ematlsc e te emng van de ML-vlscometer, Wa evikIn d Ii d(1995),figuur1 e te~atuur wor engeen optnnaleviscositeits- en zwicht-

spannmgswaarde voor grondbrij gegeven. De viscosteitsmetmgen zijn uitgevoerd met eenBML-Viscometer, zie figuur 6.9. Dit apparaat is ontworpen om de viscositeit van verse mortelen beton te meten en dient als vervangffig van de kegel van Abrams. Metmg van de zetmaatgeeft alleen een idee van de zwichtspannmg en niet van de viscositeit, Wallevik (1995).

DrukcelHydraulischelift---,...

"

binncn cylinder

ruw oppervlak

7buitencylinder

fJ

100

Hoofdstuk 6 Testprograrnma

Normale viscositeitsmeters kunnen niet worden gebruikt om de viscositeit van grondbrij tebepalen omdat deze zijn ontworpen voor vloeistofIen. De grinden zandkorre1s die zich in degrondbrij bevinden verstoren de metingen met traditionelen viscositeitsmeters en maken eennauwkeurige meting van zwichtspanning en viscositeit onmogelijk, Ammerlaan (1994). DeBML-viscometer staat opgesteld in het Betonlaboratorium van faculteit Civiele Techniek vande Technische Universiteit Delft.

DiscussieDe BML-viscometer is nieuw in Nederland. Het apparaat staat sinds juni 1996 opgeste1d en eris tot nu toe nog maar weinig ervaring mee opgedaan.Een probleem bij de metingen op grondbrij is de uiteen10pende consistentie. Met zeervloeibare mengsels verloopt de meting probleemloos. Met stijvere mengse1s ontstaan proble-men. Hoewel de leverancier van het apparaat stelt dat de viscositeit en zwichtspanning vanbeton met een zetmaat van groter dan 8 cm gemeten kunnen worden met het apparaat, blijktdit voor grondbrij niet te kunnen. Aile grondbrijmengsels met een zetmaat van rond de 8 cmen ook daarboven bezwijken via een schuifcirke1en stromen niet. De grondbrijmengse1shebben een hoge zwichtspanning in vergelijking tot de resterende schuifspanning (viscosi-teit\zwichtspanning's ratio is laag). De grondbij gedraagt zich als vaste massa en stroomt niet.Tijdens de meting wordt dan niet de viscositeit gemeten. Aanpassing van de viscometer zodatook de viscositeit van stijvere mengsels gemeten kunnen worden is mogelijk door installatievan een ander type binnencilinder. De benodigde onderde1en zijn nog niet in het betonlaborato-. .

num aanweZlg.

"Geotechnische-" en "betontechnische consistentie" kunnen niet met elkaar gere1ateerdworden. Een kleiig materiaal dat plastisch vervormt heeft een zetmaat die karakteristiek isvoor een aardvochtig (stijf) materiaal. Dit komt omdat de zwichtspanning van een kleiigmateriaal hoog is. Als het materiaal eenmaal vervormt dan wordt nog maar weinig weerstandge1everd tegen deze vervorming en gedraagt het materiaal zich wel plastisch. Dit plastischegedrag wordt aangeduid met de waarde van de consistentie index 1.:.Beschrijving van devervormbaarheid door de parameters viscositeit en zwichtspanning is vollediger dan karakteri-sering met de term consistentie.Het vervormingsgedrag van kleiig materiaal en geconditioneerd zand kan in viscositeit enzwichtspanning worden uitgedrukt. De rheologische parameters worden kwantitatiefbepaalden verdienen de voorkeur boven de kwalitatieve term consistentie.

6.4.3.7 Conc1usies

De experimenten op de mengsels van zand en conditioneermiddel zijn verricht onder atmosfe-rische druk. Dit komt niet overeen met de omstandigheden in de werkkamer van het grond-drukbalansschild. Vooral voor het samendrukbare schuim zal dit grote verschillen veroorzakentussen de gemeten en werkelijke eigenschappen in de werkkamer van het gronddrukbalans-schild. De vervormbaarheidseigenschappen van grondbrij zijn gemeten met de zetmaat,vinproet: treklineaahest en BML-viscometer.

101

Geen (Maaszand) 3.2 *10-04 I 3.4 *10-04 I 2.8 *10-04

HDS (50%) 3.4 *10-06 1. I * 10-06 I < 1 *10-08

Schuim (T=1.6%, P=7grll) 2.1 *10-06 1.3 *10-05 I 1.4 *10-06


De laatste opstelling geeft de zwichtspanning en viscositeit van grondbrij. Met deze parame-ters kan de vervormbaarheid van grondbrij voiledige beschreven worden. De test is relatiefnieuw en er is weinig ervaring met de uitvoering. Het apparaat moet worden uitgebreid omook de viscositeit van stijvere grondbrijmengsels te kunnen meten. Het kwalitatieve begripconsistentie wordt moment eel veel gebruilct in de praktijk. Het beschrijft de vervormbaarheids-eigenschappen van grondbrij slechts gedeeltelijk.

6.4.4 Permeabiliteit grondbrij

Resultaten

Polymeergel (15.5 grll)I

3.4 *10-06I

1.4 *10-06I

5.4 *10-06

TabeI6.7. Gemiddelde, minimum en maximum permeabiliteits waarden in m/s van de grondbrij gevormd metverschillende conditioneerstoffen.

DiscussieUit tabel 6.7 is af te leiden dat zand waaraan HDS, schuim of polymeergel is toegevoegd, inaile gevailen sterk in doorlatendheid afueemt. De streefwaarde van k :S5*

10.05m/s wordt doortoevoeging van de drie conditioneermiddelen in aile gevailen gehaald.De variaties tussen de afzonderlijke metingen op een monster of tussen twee monsters zijngroot, zo is voor HDS enkele malen geen debiet gemeten, de permeabiliteit is dan theoretischnul, terwijl op ditzelfde monster in eerste instantie een permeabiliteit van 9.0*10-07m/s isgemeten.Voor schuim geconditioneerde grondbrij is een interessant fenomeen gesignaleerd. Het schuimis slechts beperkt stabiel en verliest na verloop van tijd zijn functie. Uit het verloop van destijghoogte is te zien dat de weerstand in de onderkant van het monster daalt, de hydraulischegradient stijgt. Dit is het gevolg van de drainage van porienvloeistofvan het monster, ziefiguur 6.10. Omdat de grondbrij met de boormachine is gemengd zijn luchtbeilen in hetmonster opgenomen. De luchtbeilen hebben invloed op de gemeten permeabiliteit. Omdatgrondbrij niet zonder luchtinsluitsels gemengd kan worden is het effect van deze luchtbeilen opde grondbrij niet te kwantificeren. Een controle meting op Maaszand gaf aan dat een monsterwaar erg veellucht in zit, een iets hogere permeabiliteit heeft dan een monster zonder lucht.Het effect is gering, de permeabiliteit blijft onder het maximum van de meting en van verzadigdzand. Als hetzelfde geldt voor de geteste grondbrij betekent dit dat nog steeds is voldaan aande permeabiliteitseis.

102


be paling van de hydraulische stijghoogte meting 4 schuimlmaaszand

-10

-1510 20 30 40

-20

-+- rneting1 tijd 1- rneting2 tijd 2

--IJr- rneting3 tijd 3

E -25~~ -30C>0

~ -35

-40

-45

-50

stijghoogte (em)

Figuur: 6.10 Hydraulische gradienten in de tijd.

ConclusiesOp basis van de uitgevoerde pro even kan worden geconcludeerd dat de permeabiliteit nietcruciaal is voor het functioneren van de grondbrij. De permeabiliteit blijkt door aile conditio-neermiddelen afdoende te worden verlaagd.

6.4.5 Effect van het watergehalte.

Het volumegewicht, de consistentie, schuifsterkte, kleverigheid, en viscositeit zijn metoplopend watergehalte van de grondbrij gemeten. De resultaten van de verschillende metingenworden per test behandeld. Het watergehalte is uitgedrukt in gewichtsprocenten van het zand.Er is aangenomen dat een gewichtspercentage van 17.5 % representatief is voor het project inZevenhuizen en de Nederlandse ondergrond. De porositeit is 35 % en het volumegewicht 20kN/m3. In de werkkamer bevindt zich grondbrij met een veellossere pakking. De porositeitwordt verhoogd naar 45 % en het volumegewicht daalt tot 19 kN/m3.De toegevoegde conditioneerstoffen hebben de volgende samenstelling:

HDS: D-waarde:samenstelling vaste stof

50%Na-bentoniet, 33 %Ca-bentoniet, 33 %Zilverzand, 33 %320 11m350-70 grll1.6% tensiden7 grll polymeren450 11m3

Schuim:hoeveelheid:schuimvolumegewicht:samenstelling schuimvloeistof

hoeveelheid:

103


Polymeren: concentratie:hoeveellieid:

15.5 grll320 11m3

6.4.5.1 Volumegewicht

Bij HDS-conditionering is een stijgende trend zichtbaar bij oplopend watergehalte. Hetvolumegewicht bij een laag watergehalte is ongeveer 17 kN/m3 en loopt op tot ca. 19 kN/m3voor een watergehalte van de grond van 17.5 gewichtsprocent. Voor polymeerconditioneringis eveneens een stijgende trend te achterhalen maar deze is minder groot. Voor schuimconditi-onering geldt het omgekeerde. Het volumegewicht daalt met toenemend watergehalte.Voor bentoniet en polymeerconditionering geldt dat bij lage watergehalten de porienruimteniet gehee1 gevuld is met vloeistof Het volumegewicht stijgt naarmate er meer water wordttoegevoegd dat de open porienruimte tussen de korrels opvult. Bij schuimconditionering is hetvolumegewicht van het materiaal vee1lager omdat de porien gevuld zijn met luchtbellen.De dalende trend in volumegewicht is te verklaren uit de grotere hoeveellieid schuim die ineerste instantie aan het zand wordt toegevoegd. De pakkllg is los en alle porien zijn gevuld.Extra water dat aan de grondbrij wordt toegevoegd verlaagt alleen de pakking en hetvolumegewicht van de grondbrij.

6.4.5.2 Consistentie

Ze1maat versuswatergehalte voor verschillendegrondbrijme ngse Is

30

25

20E~

1G 15CII

.5QJN 10

-+-zand

---ll-I-DS

---I's- schuim

-+- polyrreergel

5

5

+'+-+-+-+---110 15 20 25

00

.

watergehalte (gewichts %)

Figuur: 6.11

104


Uit de resultaten in figuur 6.11 is afte 1eidendat de eonsistentie van de drie grondbrijmengse1ssterk afhankelijk is van het watergeha1te.De optima1e eonsistentie voor een grondbrij is het p1astisehe gebied, dat overeenkomt met eenzetmaat tussen 2.5 en 12.5 em Als geen grondwater wordt verdrongen, ge1dt voor alleeonditioneermidde1en dat indien zij aan zand met een natuurlijk watergehalte van 17.5gewiehtsproeent worden toegevoegd een v10eibaar mengse1 ontstaat.Voor bentonietinjeetie za1een goede grondbrij worden gevormd wanneer meer dan 30 % vanhet grondwater wordt verdrongen. Voor de gebruikte po1ymeerge1is dit 60 % en voor sehuimmoet meer dan 90 % van het grondwater worden verdrongen om een p1astisehe grondbrij teverkrijgen. Het watergehalte van het zand kan bij sehuimtoevoeging niet verder wordenverlaagd dan 2.5 % omdat de sehuimbellen klappen a1sze aan droogzand worden toegevoegd.

6.4.5.3 sehuifsterkte

- 7

"IL~ 6.s~ 5.s~ 4::I.J::.

~ 3

Figuur: 6.12

Schu Ifsterkte versus watergehalte voor versch mendegrondbrQmengae'a

10

9

+

8

-+- zand

HDS

&- schulm

- polymeerge

2

00 5 10 15 20 25

watergehalte (gewlchts %)

In figuur 6.12 is de sehuifsterkte van de versehillende soorten grondbrij uitgezet tegen hetwatergeha1te. De sehuifsterkte voor nat zand is sterk afhankelijk van het vo1umegewieht en depakking van het zand. Op een zandmonster met gelijk watergeha1te lopen de gemeten waardensterk uiteen a1sgevo1g van versehillen in pakking en vo1umegewieht. Met het toenemendwatergeha1te worden de versehillen kleiner. De sehuifsterkte neemt sterk af met toenemendev10eibaarheidvan de drie typen grondbrij. Een 1age sehuifsterkte is wenselijk, maar degrondbrij mag niet v10eibaar zijn, zie ook paragraaf3.2 .

105


6.4.5.4 Kleverigheid

0.5

0.45

0.4

N 0.35E.e 0.3z:!2 0.25cu.s:..2' 0.2...cu~ 0.15::s;:

0.1

0.05

Figuur: 6.13

Kleving versuswatergehalte voor diverse grondbrijmengsels

polyrreergel

--lir- schuim

-+-I-DS

00 15 205 10

watergehalte (gewichts %)

De kleverigheid is gerelateerd aan de consistentie, zie paragraaf 6.4.3.5. Met toenemendevloeibaarheid neemt de kleverigheid af Als gevolg van deze relatie is de kleving van de metschuim gekregen grondbrij dan ook veellager. In figuur 6.13 is te zien dat HDS en polymeer-geconditioneerde grondbij een piek in kleverigheid vertonen bij een watergehalte van 7.5gewichtsprocent. In figuur 6.11 is te zien dat dit overeenkomt met een plastische grondbrij. Dekleverigheid is het hoogst voor een grondbrijmengsel met een optimale consistentie.

6.4.5.5 Discussie en conclusie

Kleine veranderingen in watergehalte hebben een groot effect op de gemeten eigenschappenvan de grondbrij. Zo verandert de consistentie van HDS- en polymeergeconditioneerdegrondbrij van plastisch in vloeibaar door een toevoeging van 5 gewichtsprocent water. HDS-conditionering werkt op basis van ''waterbinding'': hierbij wordt geen grondwater verdrongen.Alhet grondwater dat in de grond zit wordt opgenomen in de grondbrij, zie paragraaf6.3.6.3.Toevoeging van HDS met een concentratie van D=50 % resulteert in een vloeibare grondbrij.Schuim geconditioneerde grondbrij is ook gevoelig voor grondwater. Schuimconditioneringwerkt echter op basis van verdringing van het grondwater. De gevoeligheid voor het waterge-halte is met relevant als het water met wordt verdrongen; dan voldoet het conditioneersysteemmet.Bij volledige verdringing is de met schuim geconditioneerde grondbrij te vloeibaar.Polymeergel toevoeging van 15.5 grll geeft vloeibare grondbrij als het grondwater in de

106


grondbrij wordt opgenomen. Als we de porienruimte van de grondbrij (porositeit is 40 %)vullen met polymeergel met een concentratie van 15.5 grll dan is de grondbrij ook te vloei-baar.De gebruikte conditioneermiddelen voldoen niet. In de volgende paragraafwordt onderzochtwat hiervoor de oorzaken zijn en hoe de grondbrij tot een plastisch vervormend materiaal kanworden geconditioneerd.

6.4.6 Samenstelling van beter conditioneermiddel

De conditioneermidde1en uit paragraaf6.4.5 voldoen niet. In het volgende testprogramma isgetracht de samenstelling van conditioneermiddelen te verbeteren opdat een grondbrij ontstaatdie plastisch vervormt. Leidraad bij deze proeven is de consistentie van de grondbrij zoalsdeze is bepaald met de kegel van Abrams. De grondbrij moet, om goed te kunnen functione-ren, een zetmaat hebben die ligt tussen de 2.5 en 12.5 em, zie paragraaf3.2.3.Voor de lIDS en polymeerconditionering is het uitgangspunt dat geen grondwater wordtverdrongen. In aile proeven is dan ook gewerkt met zand dat een watergehalte heeft van 17.5gewichtsprocent. Voor schuimconditionering geldt dat grondwater wel kan worden verdrong-en. Omdat moeilijk is te bepalen hoeveel grondwater wordt vervangen door schuim is hetwatergehalte van het zand opnieuw gevarieerd. Door de samenstelling van de schuimvloeistofen de hoeveelheid toe te voegen schuim te veranderen is getracht de juiste zetmaat teverkrijgen.De lage consistentie van de schuimgeconditioneerde grondbrij blijkt echter het resultaat te zijnvan de mengmethode, zie paragraaf 6.4.2. Tenslotte wordt dan ook gekeken naar het effectvan menging op de eigenschappen van grondbrij.

6.4.6.1 Hoge dichtheid suspensie

De consistentie van de grondbrij kan worden verbeterd door minder lIDS aan de zandgrondtoe te voegen. Hierbij dreigt het gevaar dat de permeabiliteit niet voldoende verlaagd wordt en

de vloeistof tussen de zandkorrels een-voudig kan worden uitgeperst.Een andere optie is concentratieverho-ging van de waterbindende deeltjes. Ditkan door meer lIDS toe te voegen, hierd-oor neemt het vloeistofgehalte in de

l-+-zetl11lat(CniII grondbrij opnieuw toe waardoor het ef-fect minimaal of zelfs negatief is. Eentweede mogelijkheid is de concentratievan vaste stof in de lIDS te verhogen.Voor de laatste optie is gekozen.

Zetmaat bij oplopende bentoniet concentratie

30

25

E 20~

'i 15

E

~ 10

5

0

40 50 60 70 80 90 100

Concentratie D (%)

Figuur: 6.14

107


In figuur 6.14 staat de zetmaat weergegeven als functie van de concentratie van de hoeveel-heid vaste stofin de lIDS. Het watergehalte van het zand ligt vast op 17.5 gewichts %. Vit defiguur is op te maken dat verzadigd zand wel tot een plastich mengsel kan worden gemaaktdoor concentratieverhoging van de lIDS. Bij een vaste stof/waterverhouding van 70 tot 80 %is de grondbrij goed vervormbaar.

DiscussieDoor concentratie verhoging neemt de viscositeit van de porienvloeistof en daarmee deconsistentie toe. Het systeem blijft echter heel gevoelig voor variaties in het watergehalte. Eenkleine verhoging ofverlaging van het watergehalte heeft opnieuw een grote verandering in deconsistentie tot gevolg. Begrenzing aan deze aanpak is de verpompbaarheid en menging vande lIDS. Ten eerste is het materiaal moeilijk te mengen. De mengmethoden die in praktijkgebruikelijk zijn lopen vast. Het materiaal wordt zo stijf dat het niet meer te verpompen is metnormale pompinstallaties. Dit blijkt uit de praktijkstudie van het project in Zevenhuizen.Eventueel kunnen pompsystemen worden aangepast of ontwikkeld die wel geschikt zijn voorde verpomping van deze dikke vloeistofIn praktijk zal het watergehalte van de doorboorde grond en de bijbehorende grondbrijveranderen als gevolg van grondwaterstromingen van en naar de werkkamer en variaties inporositeit. De consistentie van de grondbrij zal sterk wisselen als gevolg van het veranderendegrondwatergehalte. Met de consistentie veranderen de transporteigenschappen, waardoor hetgecombineerde afgravings- en afvoerproces moeilijk te besturen is. De steundruk zal sterkwisselen wat de stabiliteit van het boorfront verslechtert.

6.4.6.2 Polymeergel

0

0 40 80 120

Voor polymeergel is dezelfde aanpakgekozen als voor lIDS. De juiste con-sistentie is verkregen door de concen-tratie van waterbindende vaste sto£ indit geval de polymeren, te verhogen, zieook paragraaf6.3.6.2.Figuur 6.15 geeft de zetmaat als functievan oplopende concentratie van polyme-ren weer. Als uitgangspunt voor degrondbrij is zand met een Wn= 17.5gewichts % genomen. Er is telkens 1.851polymeervloeistoftoegevoegd aan 10kg zand en 1.75 1water. Bij een concen-tratie van 120 grll is een goede consis-tentie verkregen.

Zetmaat versus watergehalte voor oplopendepolymeer concentratie

30

25

E 20~

m15

~ 10hi

5

concentratie (gr/l)

Figuur: 6.15

108


DiscussieOok bier ge1dt a1sbegrenzing de verpompbaarheid en menging van het materiaal. Conditione-ring met behulp van sterk geconcentreerde po1ymeerge1sis zeer onvoordelig omdat depo1ymeren duur zijn.De bestandde1en van HDS kosten ca.fl350,-/ton en die van po1ymeerge1ca. fl 7000,-/ton.Conditionering met po1ymeerge1kan beter worden gericht op waterverdringing dan opwaterbindllg. De benodigde concentratie is dan vee11ager, zie paragraaf6.3.6. Prob1eembierbij is de nauwkeurige afstelling en de snelle veranderingen in de concentratie van depo1ymeerge1die biervoor noodzakelijk zijn.

6.4.6.3 Schuim

ill eerste instantie is getracht de consistentie van de met schuim verkregen grondbrij teverbeteren door de concentratie van schuimstabilisator te verhogen van 7 tot 11.5 gr/l. Hogerepo1ymeerconcentraties kunnen met worden verkregen zonder dat schuimgenerator verst opt

raakt. Het effect is marginaa1; er treedtnauwlijks verbetering op. Vervo1gens isde hoeveelheid schuim gecorrigeerdvoor de hoeveelheid met verdrongenwater. Dit 1everde we1 een consistentieverhoging.Figuur 6.16 geeft de zetmaat a1sfunctievan de samenstelling van de pori-env10eistof ill deze reeks proeven is detoegevoegde hoeveelheid schuim gecor-rigeerd voor het percentage water datniet door het schuim wordt verdrongen.Het schuim en water vormen samen 100% van het volume van deporienv10eistofOndanks de geringe verbetering is deconsistentie van de grondbrij nog steedste 1aag. Dit is het gevo1g van de manierwaarop zand en schuim gemengd zijn.Doordat schuim en zand open zijn ge-mengd wordt extra 1ucht door degrondbrij opgenomen. Hierdoor daa1tde consistentie aanzienlijk. ill figuur6.17 is aangegeven wat het effect is vande mengtijd op de consistentie van degrondbrij. De schuimv10eistof is aan hetzand toegevoegd zonder dat het opge-schuimd is.

Zetmaat van s:huim/zand mengsel waarbijs:huim + water =100%

25

20

E~ 15

mm.s 10

~5

0

0 20 40 60 80 100

watergei1ate (% van porienruimte)

Figuur: 6.16

Zetmaat versus mengtijd

25

20

E.!:. 151;I'llE 10

1>N5

0

0 5 10

mengtijd (min)

Figuur: 6.17

109


Vervolgens is er een aantal seconden gemengd en wordt het schuim in het zand gecreeerd. Demengtijd heeft geen invloed op de consistentie van de lIDS-geconditioneerde grondbrij. In delIDS geconditioneerde grondbrij wordt geen extra lucht opgenomen.

DiscussieNadat is gebleken dat de methode van menging effect heeft op de eigenschappen van grondbrijis de mengmethode aangepast. Schuimvloeistofwordt aan zand toegevoegd en vervolgensogeschuimd tijdens menging met de boormachine. Deze methode is ook niet optimaal omdatmoeilijk is vast te stellen wanneer de juiste hoeveelheid lucht door de grondbrij is opgenomenZoals al eerder is genoemd is het ook mogelijk om met een polymeergel te werken dievloeibaar genoeg is om het zand te penetreren en stijf genoeg om de grondbrij plastischvervormbaar te laten worden. Dit principe van polymeergel conditionering vraagt een zeernauwkeurige afstelling van de samenstelling van de polymeergel en is hier buiten beschouwinggelaten.

6.4.6.4 Conc1usies

Door concentratie verhoging van de waterbindende stoffen bij vloeistofconditionering kan degrondbrij een consistentie worden opge1egd. De verkregen grondbrij blijft gevoelig voorvariaties in watergehalte. Schuimconditionering is minder kwetsbaar voor variaties in hetwatergehalte. AI is voor een goede functionering van het schuiminjectiesysteem wel vereist dathet grondwater verdrongen wordt. De lage consistentie van de schuimgeconditioneerdegrondbrij is veroorzaakt door insluiting van lucht tijdens menging.

6.4.7 Eigenschappen van de plastisch vervormende grondbrij.

6.4.7.1 Samenstelling van conditioneermiddelen die plastisch vervormende grondbrij leveren

Met de in paragraaf 6.4.6 samengestelde conditioneerstoffen en de nieuwe mengmethode vanschuim zijn grondbrij mengsels gemaakt die volgens consistentie bepalingen wel plastischvervormen. De samenstelling van de gebruikte conditioneerstoffen is:

HDS: D-waarde:samenstelling vaste stof

80%Na-bentoniet, 33 %Ca-bentoniet, 33 %Zilverzand, 33 %320 11m3hoeveelheid:

Schuim: ca. 60 grll1.6 % tensiden7 grll polymeren

(hoeveelheid gecorrigeerd voor achtergebleven hoeveelheid water)

schuimvolumegewicht:samenstelling schuimvloeistof

110

zand 17.5 0 20 3.3 0.14

cohesief 23 of 20 0 (Ic=O.4) - 5.4 (Ic=O.4) 1.8 (Ic=0.56)

HDS/zand 17.5 7 19 1.3 I 0.2

schuimlzand

I

2.5

I

8

I

15

I

1.0 I 0.24

po1ymeer- 17.5 8 17 1.96 I 1.07ge1lzand .

TabeI6.8. Volumegewicht,de schuifsterkteen kleverigheidvoor diversesoortengrondbrijmet optimaleconsistentie.


Polymeren: concentratie:hoeveelheid:

120 grll320 11m3

Vande verkregen grondbrij zijn het vo1umegewicht, de schuifsterkte, kleverigheid enviscositeit gemeten. De resultaten van de met:ingen worden per parameter besproken. Dewaarden worden verge1eken met het uitgangsmateriaa1 zand en het cohesieve referentiemateri-aa1,zie paragraaf 6.2.

6.4.7.2 Resultaten

--zand/HDS D=50%

D=80%

6 schuif

0.1 schuif

~120 I 24.5

zandlpo1ymeerge116.5 grll 7

950

160

8

26.5

110.0 grll 41 schuif

5 schuif

1610

485

7.5

22Schuim extra 1ucht

genoegI

8 schullI

700

Tabel 6.9 Viscositeitsmetingen van optimaal en slecht geconditioneerde grondbrij mengsels.

11

111


6.4.7.3 I>iscllssie

Volumegewicht plastische grondbrijAls gevo1gvan vergroting van het porienvo1llille daa1thet vo1llillegewicht van het materiaal.I>eze extra ruimte wordt opgeV11ldmet conditioneermiddel. I>everschillen in vo1llillegewichtworden veroorzaakt door de vo1llillegewichtsverschillen van de conditioneerstoffen. lIDSheeft het hoogste vo1llillegewicht, schllim de 1aagste.

Schuifsterkte plastische grondbrijI>e schWfsterkte van zand is zoa1s eerder verme1d zeer sterk afhankelijk van het vo1llillege-wicht en de pakking. Voor de verschillende soorten grondbrij is dit niet het geval. I>eschWfsterkte neemt af a1sgevo1g van toevoeging van conditioneermiddel. In vergelijking metbentonict-enschllimconditioneringisdeschWfsterktevoorpo1ymeerconditioneringveclhoger. I>it is het gevo1gvan de cohesieve werking van po1ymeren, zie paragraaf 4.5.3.In vergelijking met het cohesieve referentiemateriaa1 is de schWfsterkte voor de drie verschil-lend geconditioneerde grondbrijmengsels lager.

Kleverigheid plastische grondbrijHet wtgangs materiaa1 zand heeft een 1agekleverigheid. I>oor bentoniet en schllim injecteringwordt de kleverigheid in geringe mate verhoogd. Po1ymeertoevoeging 1evert een kleverigegrondbrij. I>it is ongewenst omdat het aandrij:finomentvan het graafwie1 en schroefwie1daardoor een stllk hoger wordt. Het cohesiefreferentiemateriaa1 met opge1egde consistentie Ievan 0.56 heeft een kleverigheid van 1.8 kPa. I>it is a1tijdnog ruim 1.5 keer zo hoog a1sdat vanpo1ymeer geconditioneerde grond.

Viscositeit en zwichtspanning plastische grondbrijIn tabcl 6.9 zijn aIleen de zwichtspanningswaarden van be1ang. Bijna aIle viscositeitsmetingenop grondbrij zijn onjwst omdat het te meten mengscl niet stroomt maar afschllift vo1gens eenschWfcirkel, zie paragraaf6.4.3.4. I>e zwichtspanningsmetingen zijn we1 correct. Voorgrondbrijmengse1s met zetmaat tussen 2.5 en 12.5 is te zien dat de gemeten zwichtspanningvan schllim geconditioneerde grondbrij het kleinst is en die van po1ymeer geconditioneerdegrondbij het grootst. I>e verschillen zijn groot. I>e zwichtspanning voor po1ymeergeconditio-neerde grondbrij is twee maa1zo hoog a1sdie van schllim geconditioneerde grondbrij. I>epo1ymeergeconditioneerde grondbrij is kleverig en za1moeizaam door de werkkamer enschroefvijza1stromen.

6.4.7.4 Conc111siep1astische grondbrij mengse1s

I>e drie conditioneermidde1en 1everenmteen10pende soorten grondbrij, met verschillendeeigenschappen. Po1ymeer conditionering 1evert een grondbrij met een cohesiefkarakter. I>it wtzich in een hoge zwichtspanning, schWfsterkte en kleverigheid. Deze eigenschappen zijnongllstig voor het functioneren van het EPB-schild. Kenmerkend voor de schllimgeconditio-neerde grondbrij is het 1agevo1llillegewicht.

112

Hoofdstuk 6 Testpro~amma

6.5 CONCLUSIES

De testresultaten laten zien waar de zwakke punten van de verschillende conditioneersystemenliggen. lIDS verdringt geen grondwater. lIDS-conditionering is erg gevoelig voor variaties inhet watergehalte van de grond. Om de consistentie van de grondbrij in het plastische bereik tehouden moet men de concentratie van de waterbindende delen in de conditioneerstof aanpas-sen. In praktijk is het moeilijk om de samenstelling van de toe te voegen conditioneervloeistof-fen snel te veranderen. Waardoor de consistentie van de grondbrij telkens verandert en desteundruk aan het boomont sterk varieert. Voor lIDS-conditionering van verzadigdezandgrond is een hoge concentratie van vaste stof no 0dzakelijk waardoor problemen ontstaantijdens menging en verpomping.Schuimconditionering werkt op basis van verdringing van grondwater. Schuimconditioneringis gevoelig voor wisselingen in de poriengrootte en de permeabiliteit van de te ontgravengrond. Te kleine porien kunnen een onvolledige verdringing veroorzaken waardoor niet al hetwater buiten de grondbrij wordt gehouden en de grondbrij te vloeibaar kan worden.Polymeergelconditionering vergt hoge concentratie polymeren als al het grondwater in degrondbrij wordt opgenomen. Conditionering met lage concentratie polymeergel vraagtnauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie van polymeren.Voor optimaal functioneren moeten de conditioneermiddelen gefujecteerd worden met eengoed doordacht injectiesysteem Het schuim moet zo dicht als mogelijk is aan het boomontworden gefujecteerd, bij voorkeur op verschillende plaatsen op het graafwiel. In de werkkamerzijn injectiepunten nodig om de druk in de werkkamer op peil te houden.AIs de grondbrij lang in de werkkamer verblijft moeten ook injectiepunten in de schroefvijzelworden geplaatst om te voorkomen dat het schuim onstabiel wordt..

ZevenhuizenMet de resultaten kan worden aangegeven waarom de lIDS conditionering in Zevenhuizenslecht heeft gewerkt. De gebruikte lIDS is niet in staat grondwater te verdringen. AI hetaanwezige grondwater word in de grondbrij opgenomen. De concentratie van waterbindendmateriaal is te laag gebleken om het aanwezige water te binden. Hierdoor onstaat een tevloeibare grondbrij. Conditionering met lIDS, totdat de grondbrij plastisch vervormt, kan doormiddel van concentratie verhoging van de vaste stof in de lIDS. Dit vereist aanpassing van de

mengen pompinstallatie van de lIDS.

113


114

Hoofdstuk 7 Conclusies

HOOFDSTUK 7 CONCLUSIES

In het gronddrukbalansschild wordt het boomont ondersteund door de afgegraven grond. HetgraafjJfoces wordt gestuurd door een evenwicht te beheersen tussen ge1everde steundruk viade hydraulische vijzels en de aNoer via de schroefVijzel. Ontgraving en ondersteuningbefuvloeden elkaar sterk en kunnen niet afzonderlijk worden gestuurd, wat een nadeel is vandit systeem In het vloeistofschild wordt de steundruk door een vloeistof geleverd. In dit schildzijn ontgraving en overbrenging van steundruk wel afzonderlijk te sturen. Het gronddruk-balansschild heeft ter compensatie van het bovengenoemde nadee~ voorde1en ten opzichte vanhet vloeistofschild. Bij een gronddrukbalansschild hoeft geen scheidingsinstallatie gebruikt teworden en zijn de af te voeren hoeveelheden materiaal kleiner. Het schild kan op kleinerediepte worden ingezet en de volumebalans tussen voortgang en afgraving kan beter wordengecontroleerd.

De grond die wordt ontgraven door een gronddrukbalansschild moet aan een aantal eisenvoldoen om goed te kunnen functioneren als ondersteuningsmedium De grond moet laagpermeabe~ elastisch, plastisch vervormbaar, samendrukbaar en niet abrasief zijn. Kleiige grondvoldoet als ondersteuningsmedium, zandgrond niet.Gronddrukbalansschilden kunnen alleen zandgrond ontgraven als de eigenschappen van hetzand zodanig kunnen worden veranderd dat deze voldoen aan de eisen van een ondersteu-ningsmedium Zandgrond moet worden geconditioneerd zodanig dat de permeabiliteitafueemt, de vervormbaarheid verbeterd en de samendrukbaarheid en elasticiteit wordenverhoogd. Zandgrond wordt in de praktijk geconditioneerd met hoge dichtheid suspensies,schuim en/ofpolymeergel.

Door toevoeging van hoge dichtheid suspensies (lIDS), schuim ofpolymeergel wordt depermeabiliteit van zand afdoende verlaagd. De vervormbaarheid of consistentie van degrondbrij is maatgevend. Conditionering met lIDS werkt op basis van waterbinding. lIDSpenetreert niet in de formatie als gevolg van de hoge zwichtspanning. Grondwater wordt nietdoor dit conditioneermiddel verdrongen en wordt opgenomen in het ondersteuningsmediumDe zwellende kleimineralen in de lIDS moeten het water binden zodat de permeabiliteitafueemt en de grondbrij plastisch vervormt. Bij conditionering met lIDS is het belangrijk datde concentratie van waterbindende (zwellende) kleimineralen hoog genoeg is opdat eenplastische grondbrij ontstaat. Hierbij moet men rekening houden met de verpompbaarheid vanhet materiaal en de benodigde energie om de lIDS met de grond tot een homo gene pasta temengen. lIDS is steeds moeilijker mengbaar en verpompbaar met oplopende concentratie aanvaste stof omdat de viscositeit en zwichtspanning toenemen. Bij te lage concentratie wordt hetgrondwater niet gebonden en is de resulterende grondbrij te vloeibaar. De vervormbaarheidvan de lIDS geconditioneerde grondbrij is gevoelig voor variaties in het watergehalte van deoorspronkelijke grond.

115


Schuim heeft een lage zwichtspamring en penetreert diep in het zand voor het graaftont, hierbijverdringt het grondwater. In de werkkamer ontstaat een droge grondbrij die samendrukbaar is.De samendrukbaarheid die veroorzaakt wordt door de schuimbellen in de grondbrij zorgt ervoor dat fluctuaties in de aangebrachte steundruk worden gedempt. Nadat de grondbrij deschroefvijzel heeft verlaten ontsnappen de luchtbellen en krijgt het zand zijn oorspronkelijkeeigenschappen terug. Schuimconditionering is gevoelig voor variaties in de poriengrootte enpermeabiliteit van de oorspronkelijke grond.Polymeergel met lage concentratie heeft een lage zwichtspamring en penetreert diep in deformatie. De viscositeit van de gel is echter te laag om een plastisch vervormende grondbrij tevormen. Bij hogere concentraties loopt de zwichtspamring op en dringt de gel niet in deformatie. Het grondwater wordt opgenomen in de grondbrij waardoor de polymeergel wordtverdund. De concentratie moet opnieuw verhoogd, in vergelijking met HDS is polymeergelmet hoge concentratie te duur. Bij conditionering met polymeergel moet een optimum wordengevonden tussen lage zwichtspamring, voor optimale penetratie in de formatie, en hogeviscositeit van de polymeergel voor de vorming van een plastisch vervormende grondbrij. Ditvereist een nauwkeurige afstelling en voortdurende aanpassing van de concentratie vanpolymeren. Dit conditioneersysteem is gevoelig voor variaties in het watergehalte, pori-engrootte en permeabilteit van de oorspronkelijke grond.

Met behulp van conditioneermiddelen is het mogelijk zandgrond onder het fteatische vlak meteen gronddrukbalansschild te ontgraven. Het gronddrukbalansschild is als gevolg van deuitbreiding van het inzetbereik in heterogene ondergrond inzetbaar. Verscheidene projectenwaarbij afwisselend cohesieve en niet cohesieve grondsoorten ontgraven zijn, zijn met behulpvan schuimconditionering met succes uitgevoerd.

116

Hoofdstuk 8 Aanbevelingen

HOOFDSTUK 8 AANBEVELINGEN

Nauwkeurige besturing van het gronddrukbalansschild vereist een precieze definiering van deoptimale eigenschappen van het ondersteuningsmedium. Deze ontbreken gedeeltelijk. V0oralde eisen die aan de vervormbaarheid worden gesteld zijn slecht gedefinieerd. De kwalitatieveterm consistentie die moment eel gebruikt wordt om de vervormbaarheid van grondbrij tekarakteriseren voldoet niet. Vervormbaarheid van plastische materialen kan beter wordenuitgedrukt in viscositeit en zwichtspanning. Voor deze parameters zijn echter geen streefwaar-den voor grondbrij bekend. Deze moeten worden opgesteld door gegevens uit de praktijk teverzamelen en experimenten in het laboratorium uit te voeren. Hierbij kan de ervaring die in debetontechnologie bestaat met het bepalen van de vervormbaarheid van plastische materialenworden gebruikt.

Verder onderzoek naar de conditionering van zandgrond is gewenst. Hierbij is het belangrijkom de condities in de werkkamer van het gronddrukbalansschild te simuleren. Permeabiliteit,vervormbaarheid, samendrukbaarheid en verdringing van grondwater moeten onder drukworden gemeten. Voor permeabiliteits- en penetratiemetingen zijn proefopstellingen bekend.Voor de meting van de vervormbaarheid en samendrukbaarheid moeten proefopstellingenworden ontwikkeld. Uitpersing van porienvloeistof zoals dat is opgetreden tijdens het projectin Zevenhuizen moet worden gekwantificeerd.

Bij conditionering van zandgrond in het gronddrukbalansschild is het belangrijk dat deoorsponkelijke grondparameters bekend zijn. Voor zandgrond moeten de wrijvingshoek,cohesie, zeefkromme, volumegewicht, porositeit, poriengrootte en permeabiliteit nauwkeurigworden bepaald. De werking van de conditioneermiddelen is gevoelig voor variaties van dezegrondparameters. De eigenschappen van de grondbrij moeten voortdurend worden gecontro-leerd. Fluctuaties van de grondparameters moeten op voorhand bekend zijn om het conditio-neersysteem tijdig te kunnen aanpassen. Hierbij kunnen meetinstrumenten die vanuit detunnelboormachine opereren uitkomst bieden.

Nieuw te ontwikkelen conditioneerstoffen kunnen bijdragen aan betere besturing van hetgronddrukbalansschild. De waterbindende stoffen in lIDS en polymeergel worden naar hetgraafwiel gepompt waarbij water als drager wordt gebruikt, hierdoor gaat de waterbindendecapaciteit van de vaste stofverloren. Ontwikkeling van nieuwe pompsystemen ofvloeistoffendie waterbindende stoffen kunnen transporteren zonder dat hun effectiviteit verloren gaatkunnen de conditionering van grond verbeteren. Milieuvriendelijkheid en biologische afbreek-baarheid moeten het uitgangspunt zijn bij ontwikkeling van nieuwe produkten.

Voordat grote diameter tunnels in Pleistoceen zand kunnen worden geboord met een grond-drukbalansschild, is het aan te raden eerst een proe:fiJIojectuit te voeren met een kleinediameter boring (of doorpersing) om het injectiesysteem te toetsen.

117


118

Referentielii st

REFERENTIELIJST

* Allersma, HGB. (1990): Soil properties. Technical University Delft.Ammerlaan, P.J.M. (1994): An investigation to optimise the control of the D.Kearth pressure balance machine. Memoire of the centre of engineering geology in theNetherlands, no. 118. Delft Univerity of technology.Anagnostou, G. En Kovari, K (1996): Face stability conditions with earth pressurebalanced shields. Tunneling and underground space technology, Vol. ll, No.2, pp.165-173, Elsevier Great BritainAnagnostou, G en Kovari, K (1996): Face stability in slurry an EPB-shieldtunnelling. Preprints of symposium: Geotechnical aspects of underground construetion in soft soil, London 1996,p .p379-384.Babendererde, S. (1991): Tunnelling machines in soft ground: a comparison ofslurry and EPB shield systems, Tunnelling and Underground space technology, Vol.6,No.2, pp. 169-174.Babendererde, S. (1993): Vorteile der Erddruckstiitzung maschineller Vortriebe beiverwendung yon Po1ymeren, Stuva- Tagung, Innovationen im unterirdischen bauen,1993 in Hamburg, pp. 114-119.Babendererde, S. (1995): Advanced techniques for EPB- TBM operation, Tunnels etouvrages souterrains, no. 128, mars-avril, pp. 79-82.Bailey, S.W. (1980): Structures oflayer silicates. In Brindley, GW. and Brown, G,crystal structures of clay minerals and their X-ray diffraction (1980). MineralogicalSociety, London, pp. 1-124.

Becker, C. (1993): The choise between EPB- and slurry shields; selection of criteriaby practical examples, Options for tunnelling 1993 edited by Burger, H ElsevierScience publischers, pp. 781-794.Bisschop, F. en Mastbergen, D.R (1995): Eigenschappen boorv10eistofathankelijkvan functie & Gedrag boorv10eistofbepa1end voor effectiviteit. Land en Water no.7, pp. 35-42.Condat, (1995): Company brochures.Deketh, HJ.R (1995): Wear of rock cutting tools, laboratory experiments on theabrasivity of rock. Balkema A.A., Rotterdam, pp.144.Goodman, RE. (1989): Introduction to rock mechanics, second edition. Wiley andsons, New York, pp.562.Gray, RG. (1980): Composition and properties of oil well drilling fluids, 4thedition. Gulfpublishing company, pp.630.Heerema, RH (1989): Inleiding Flotatie en Floculatie, Technische Universiteit Delft,mp3200.

Herrenknecht, M. (1995): Einsatz yon Schaum bei einem Erddruckschild inValencia. Tunnel, no. 5, 1995, pp.1O-19.IPO (1994): Werken met secundaire grondstoffen, Interprovinciaa1 Over1eg.Jancsecz (1994): Face support of a large mix shield in heterogenous ground condi-tions. Tunnelling '94 London, pp.531-550.

*

*

*

*

*

*

*

*

*

**

*

*

*

*

**

119


* Janssen L.P.B.M. en Warmoeskerken, M.M.C.G. (1991): Transport phenomena datacompanion. Delftse Uitgevers Maatschapij.Kanayasu, S. Yamamoto, Y. en Kitahara, Y. (1995): Stability of excavation face inearth pressure balanced shield. Underground construction in soft ground, Fujita enKusakabe (eds), Balkema, Rotterdam 1995, pp.265-268.Kawaeda, M. (1992): The control of tunnel face with compressive minute foam andhigh density slurry. Towards New Worlds in Tunnelling, Vieitez-Utesa &Montafiez-Cartaxo ed., Balkema Rotterdam, pp.533-540.Kootstra,1. en Verwaal, W. (1988): Site Investigation field manual. TechnischeUniversiteit Delft en lTC-Delft.Krause, T. (1987): Schildvortrieb mit fliissigkeits- und erdgestiitzter Orstbrust.Dissertation Technische Universitat Braunschweig.Kunii, H. (1992): Bubble shield tunnelling method on Nagoya subway line 6,Japanese railway engineering no. 121, October 1992, pp.10-12.Kuribashi, Y, (1993): The PMF super shield tunnelling process, expandingapplications for earth pressure balance shield tunnelling. Options for Tunnelling,developments in geotechnical engineering, edited by Burger, H. 1993, Elsevier Sciencepublishers, ppAl1-420.Lamberti, spa. (1995): Drilling fluids for shield tunnelling, earthpressure balanceshield and hydro shield. Technical information, Lamberti spa, a1bizzate, Italie.Maid!, B. und Herrenknecht, M. (1995): Maschineller Tunne1bau im Schildvortrieb.Ernst & Sohn Verlag GmbH Berlin.Maid!, U. (1995): Erweiterung der Einsatzbereiche der Erddruckschilde durchBodenkonditionierung mit Schaum. Dissertation, Ruhr Universitat Bochum,Mitteilung 95-4.Maid!, U. (1995b): Einsatz von Schaum bei einem Erddruckschild in Valencia.Tunnel, no.5 1995, pp.10-19.Mastenberg, D.R. en Bisschop, F. (1995): Eigenschappen boorv10eistof afhankelijkvan functie en Gedrag boorvloeistofbepaald door effectiviteit, BTL-onderzoek. Landen Water, nr. 7/8 (1995).Mcdermott, 1. (1973): Drilling mud and fluid additives. Noyes data corporation,Parkridge, New Jersey 1973.Mizuno, K. (1993): Large cross section tunnel excavation by foam injection EPB-shield. Options for Tunnelling, developments in geotechnical engineering, edited byBurger, H. 1993, Elsevier Science publishers, ppAOl-41O.Mori, A. (1995): A study on face stability during slurry-type shield tunnelling.Underground construction in soft ground Fujita & Kusakabe (eds), BalkemaRotterdam, pp.261264.Nishitake, S. (1990): Advanced Technology realize high-performance earth pressurebalanced shield. Kongress Franchissement souterrains pour l'Europe, Litle 1990,Balkema Rotterdam, pp.291-302.Obayashi corporation (1993): The rheological foam shield tunnelling association,(1993), Rheological foam shield tunnelling method, company brochure.OJphen, H. (1963): An introduction to clay colloid chemistry. John Wiley & Sons,

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

120

Referentielii st

*

New York, pp.301.Permien, T. (1995): Kolloidchemische Aspekte zur Bodenmechanik. MulllIDdAbfall, no.5, pp. 333-337.Peron, IY. (1994): Construction of the 'Passante Ferroviario'link in Milan, Italy, lots3P, 5P and 6P: excavation by large earth pressure balanced shield withchemical foam injection. TlIDllelling1994, Chapman and Hall, pp. 678-707.Porter, M.R (1991). Handbook of Surfactants. B1ackie, London, pp.227.Potyondy, IG. (1961): Skinfiiction between various soilsReynders, II (1985): Kleimineralogie, determinatie technieken. Instituut vanaardwetenschappen, Rijks Universiteit Utrecht.RippllIDd Krautschum, H (1987): Isoschaum beim Rohrvortrieb im Festgestein.TlIDllelno. 3, pp. 137-139.Rooij, de C. (1996): Soft soil tunnelling projects in Kyoto, Engineerging GeologyJapan study tour 1995, Mooiman, O. en Deketh, IR ed., Balkerna Rotterdam,pp.35-39.Tarnai, T. and Chiba, Y. (1995): The soil plasticizing shield driving methode usinga super absorbent polymer, pp. 431-438.Sandwijk, A (1991): Mijnbouwchemie II, Technische Universiteit Delft, mp2200.Schalkwijk, IC. en Woldringh, RF. (1993): Boren van tunnels voor rail- enwegverbindingen, eindrapportage. DHV in opdracht van KIVI afdeling voor tunneltechniek en ondergronds bouwen, pp.223.Shaw, ID. (1980): Introduction to Colloid and Surface chemistry 3th edition.Butterworths London, pp.272.Sika, (1995): Company brochures.Steiner, W. (1996): Criteria for selecting mechanised tunnelling in soft grolIDd.NorthAmerica TlIDllelling1996, Ozdemir ed., Balkerna Rotterdam, pp.483-491.Souwerbren, C. (1995): Betontechnologie. Elsevier Scientific publishers, pp.235Tol, van AF. (1996): FlIDdering en constructie. Technische Universiteit Delft, sectiegeotechniek, faculteit civile techniek, Delft.Verhoef: P.N.W. (1992): The methylene blue absorption test applied to geornateri alsoTechnische Universiteit Delft, sectie ingenieurs geologie, faculteit mijnbouwklIDde enpetroleumwinning, Delft. Delft University press.Wallevik, O.H en G01V,O.E. (1990): Development of a coaxial cylindersviscometer for ftesh concrete, pp.212-224. Properties offteshconcrete, Wierig HI(eds), Chapman and Hall London.Wallis, S. (1992): Soft grolIDd TBMs set a cracking pace in Caracas, TlIDllelsandTlIDllelling,latin american issue, summer 1992, pp.51-54.Wallis, S. (1995): Foaming success at Valencia, World tunnelling, october 1995,pp.311-3l6.Wilson (1989): Foams: physics, chemistry and structure. Springer Verlag, BerlinWoude, van der, S. (1996) Conditionering van zandgrond voor uitbreiding van deinzetbaarheid van het gronddrukbalansschild, deel 1. Rapport ill. 403 (I), sectiegeotechniek, faculteit Civile Techniek, Technische Universiteit Delft, p 130.

*

***

*

*

*

**

*

**

**

*

*

*

*

**

121


122

CONDITIONERING VANZAND ......Hoofdstuk6, Hoofdstuk7, Hoofdstuk8, 3 Grondconditionering...

Documents

Transcript of CONDITIONERING VANZAND ......Hoofdstuk6, Hoofdstuk7, Hoofdstuk8, 3 Grondconditionering...