Eurotunnel
...tere mergellaag, die geschikt was voor de graafwerken. Het probleem met deze laag is dat deze niet erg diep is (tussen 25 en 35 meter). Als je daarbij nog de hellingen van de laag (soms een aantal graden) en de wijde bochten van de spoortunnel rekent, krijg je een ingewikkeld vraagstuk voor de ingenieurs. Onder de mergellaag bevindt zich dan nog een laag met klei en mergel, waar men niet door geboord heeft. 4. Bouwwijze 4.1. Tunnel Boring Machines De kanaaltunnel bestaat uit drie parallelle tunnels: twee primaire spoortunnels (diameter 7.6 m), en een kleinere dienstentunnel of servicetunnel (diameter 4.8 m). De onderlinge afstand tussen de twee buitenste tunnels bedraagt 30 meter. Beiden zijn op niet minder dan 8 meter van de middelste uitgegraven. Zij zijn om de 375 meter onderling verbonden met de servicetunnel. Er zijn ook 2 cross-overs waar de treinen van spoor kunnen veranderen. De 3 tunnels worden drooggehouden door 5 pompstations (3 onder zee, 1 op elke oever). Zij kunnen tot 153 liter per seconde verpompen. FIGUUR De drie tunnels moeten door een laag van mergel (kalkhoudende klei) gaan. Dat is een zacht en vrij ondoordringbare natuursteen. Het feit dat dit de langste onderzeese tunnel is zónder tussentijdse schachten, maakte van de eurotunnel een uniek project. De vooraf door middel van satellieten uitgestippelde route werd constant vergeleken met data die verzameld werd door de lasertechnologie die gebruikt werd aan het einde van de TBM. Een laserstraal die vertrekt van op een welbepaalde plaats in de tunnel wordt gericht op een lichtgevoelig scherm aan het uiteinde van de TBM. FIGUUR Zo kan de blinde mol op ieder moment bijgestuurd worden. Op die manier was het mogelijk om 22 km onder de grond te boren én op slechts enkele centimeters na, aan te sluiten aan de tunnel van de andere kant. TBM of Tunnel Boring Machines. Tunnelgraafmachines boren, dmv een boorkop, een gat in het gesteente. Afzonderlijke schijfvormige en vervangbare boren met keramische tanden worden in de voorkant van een krachtige, draaiende kop geplaatst, waarvan de diameter tussen 5.36 m en 8.72 m varieert. Wanneer de machine door het gesteente boort, worden stukken steen en ander afval via een transportband vanuit de kop afgevoerd. In totaal werd ruim 8 miljoen kubieke meter afval verwijderd. Dat komt neer op een gemiddelde van 2400 ton per uur. Aan Franse zijde werd het vaste afval in een enorm groot bassin gemengd met water. Deze smurrie werd naar boven gebracht en in een artificieel meer gedumpt. Het water werd eruit gepompt en gezuiverd. Op het gewezen meer werd uiteindelijk gras gezaaid. Maar in Engeland, waar er veel minder open plaats voorhanden was, besloot men om vanop Shakespeare Cliff een nieuw uitbreidend landplatform in zee op te richten. Men ommuurde er zo een 45 hectare oppervlak en vulde de put met afval. FIGUUR Te Sangatte werd er een toegangsschacht gegraven met diameter 55 meter en diepte 75 meter. 4 liften en 4 kranen waren constant actief arbeiders, machines en wandsegmenten naar de tunnelopeningen te brengen. In Engeland werd er géén zo een toegangsschacht gebouwd. Na uitvoerige testen en geologisch onderzoek had men een relatief gedetailleerd beeld van de bodemsamenstelling in iedere plaats van de te volgen graafroute. Maar om verrassingen te vermijden werd er bij het graven van de servicetunnel, die eigenlijk ook als proeftunnel diende, eerst met proefboren (met kleine diameter) 150 meter voorgegaan. Elke scheur werd opgevuld met ofwel een mengsel van water en cement ofwel andere speciale chemicaliën. De bouw van deze service tunnel moest ruim voor de twee primaire tunnels beginnen, zodat zij die niet zouden inhalen. In de realiteit was er een periode van 18 maanden tussen het begin van de service tunnel en de twee andere. De afstand tussen het hoofd van service tunnel en de eerstvolgende primaire tunnel mocht uit veiligheidsoverwegingen niet minder dan 1 km bedragen. De gewenste snelle vooruitgang van het project eiste dat de TBM in staat was om tegelijkertijd aan de voorkant te boren en aan de achterkant de wandbekleding te plaatsen. Er werden 6 TBMs gebruikt aan Britse kant en 5 aan Franse kant. Aangezien de bodemsamenstelling aan Franse kant op sommige plaatsen (meer bepaald tussen Sangatte en de terminalsite in Coquelles) slecht (i.e. natter) was (door aanwezigheid van spleten), was men genoodzaakt om tragere en complexere TBMs te gebruiken. Deze werkten in een zogenaamde ‘gesloten mode’ die ook onder hoge druk van het water (11kg/cm2) functioneerden. Een reusachtig schild beschermt dan de graafmachine. Het weggevreten gesteente werd aan de boorkop gemengd met water en vormde een vloeibare modder die vervolgens in vrachtwagens werd gepompt en via een conveyor-systeem (lopende band) tot buiten de tunnel werd gebracht. Eenmaal de gesloten TBM een veilige en betere grondlaag bereikt had, werd de machine omgeschakeld naar ‘open mode’. Aangezien werken in gesloten mode bijna tweemaal trager gaat dan werken in open mode, werd ook voorzien dat ontmoetingen van tunneleinden dichter bij Frankrijk zouden plaatsvinden dan bij Engeland. In ‘open mode’ wordt er immers geen gebruik gemaakt van een beschermend schild (i.e. een reusachtige cilindrische koker). Daarom is het voor de TBM in ‘open mode’ zowel een stuk minder complex om zich voort te bewegen als om de wandbekleding achter zich aan te brengen. De taak van een TBM blijft niet alleen bij het boren en het afvoeren van het afval. Deze machine, die soms 250 meter lang is, staat ook in voor de bekleding van de pas gegraven tunnel en het aanleggen van de treinsporen. Zij ontvangen de prefab tunnelringen, plaatsen die en werken de oneffenheden (20 mm) tussen onderkant van een tunnelring en de tunnelwand af met een mengsel van water en cement. Het is eigenlijk een automatische productie-eenheid. De TBMs werden ontworpen met een brandweersysteem, bestaande uit locale schuimsproeiers. De machine moest ook in staat zijn om een volledige overstroming te voorkomen indien men een oude boorholte tegenkwam die niet voldoende opgevuld was. Er is zelfs een EHBO-kamer aanwezig. De behaalde recordsnelheid was 428 meter per week, maar de gemiddelde boorsnelheid was 150m/week. De TBMs boorden 17 uur per dag en de rest werd besteed aan het onderhoud. Veel onderdelen moesten immers op regelmatige basis vervangen worden. De twee TBMs hielden halt op zo een 100 meter van elkaar. De kop van de Franse TBM stond toen exact op de toekomstige plaats van de doorbraak. Vervolgens werd er voorzichtig een gat van 4cm diameter geboord. In feite was dit het eerste onderzeese contact tussen Frankrijk en Groot Brittannië. FIGUUR De Britse TBM werd in een lichte bocht gegraven om uiteindelijk ingebetonneerd en achtergelaten te worden naast de toenmalige Franse TBM. Deze laatste werd ontmanteld en teruggebracht naar Sangatte. De ultieme link werd niet meer door een TBM gegraven, maar met de hand uitgegraven. Ondertussen werden de wanden ondersteund door gietijzeren segmenten die minder zwaar waren dan de normale betonnen platen. De andere gebruikte en dus versleten TBMs werden onlangs te koop aangeboden op E-bay. FIGUUR FIGUUR 4.2. Schildmethode Het schild wordt vooruitgedrukt door middel van hydraulische vijzels tussen schild en tunnelbekleding. Hierna worden de vijzels ingetrokken en wordt de bekleding in een vorm van gietijzeren of betonnen cirkelsegmenten aangebracht. De ruimte tussen bekleding en grond wordt met cementspecie volgeperst. Horizontale en verticale bochten waren hierbij mogelijk. De wateraandrang kan worden verminderd door de waterdoorlatendheid van de grond vóór het schild te reduceren, bijv. door injectie, zodat onder geringere luchtdruk kan worden gewerkt. De waterdruk kan ook gecompenseerd worden door de ruimte aan de voorkant van het schild geheel af te sluiten van de rest en te vullen met een vloeistof onder druk, bijv. betonietsuspensie. De schildmethode is in Japan tot ontwikkeling gebracht. Deze methode is vooral geschikt in samenhangende grond, die uit zichzelf blijft staan (stevige klei en dergelijke). Uit ervaring wist men dat de verse tunnel zou blijven rechtstaan in de korte periode tussen het effectieve uitgraven en het plaatsen van de segmenten. Daartussen lag er een afstand van 20 meter. FIGUUR De Britse gebogen schilden werden gemaakt uit gewapend beton en werden in positie gelift. De plaatsing van één cirkel van 9 segmenten duurde 22.5 minuten. De betonnen platen werden gemaakt uit zeer sterk beton (>50Mpa) zodat de dikte beperkt kon worden en de leefduur verlengd. FIGUUR De dikte varieerde naargelang de tunnel zich al dan niet onder zee bevond. De dikte ging van 270 mm voor de onderzeese servicetunnel tot 540 mm voor de ondergrondse primaire tunnel. De lengte van een tunnelsegment was gemiddeld 1.5m (soms 1.6m en 1.7m). Hoe trager het proces echter vooruitgaat, hoe meer tijd de omliggende grondlaag heeft om te relaxen en eventueel zijn stabiliteit te verliezen. De Franse tunnels werden op een licht verschillende wijze geconstrueerd. Elke cirkel heeft er zijn eigen neopreen laag die ervoor zorgt dat de wand 100% waterdicht is. De resulterende constructie is ongelooflijk sterk en eventuele druk van buitenaf zorgt er alleen maar voor dat de segmenten dichter en dus beter bij elkaar aanpassen. In gebieden van arme grond of in tunnelverbindingen of intersecties werd buigzame ijzeren wandbekleding gebruikt. FIGUUR FIGUUR Er was ook een bescherming tegen corrosie voorzien door een deklaag aan de oppervlakte en kathodische bescherming. Voor het ontwerp van de tunnelcirkels werden meer dan 18 studies uitgevoerd om er zeker van te zijn dat men geen enkel aspect over het hoofd had gezien. De bekleding werd ook zo ontworpen dat er de eerste 120 jaar geen significante verslechtering in prestaties zou optreden. Er werd gebruik gemaakt van de New Austrian Tunnelling Method (NATM). Een TBM-team bestond uit ongeveer 35 man. Dit aantal liep soms op tot 50 in periodes waar men meer arbeidsintensieve taken moest doen. 5. Ventilatiesysteem De drie tunnels samen houden om en bij de 6000 ton lucht in. Deze lucht moet noodzakelijk ververst en gekoeld worden om comfortabele en veilige omstandigheden voor z’n gebruikers te waarborgen. De kanaaltunnel heeft twee ventilatiesystemen. Het normale systeem dat voortdurend draait en een tweede noodsysteem. De tunnel werd zo ontworpen dat de maximum capaciteit aan personen op één ogenblik 20.000 is. Aan 26m3 per uur per persoon is er een luchtnoodzaak van 144m3 per seconde. Al de treinen die de tunnels gebruiken werken op elektriciteit. Er zijn bijgevolg geen vervuilende uitlaatgassen in de hoofdtunnels. De service tunnel voertuigen zijn uitgerust met dieselmotoren die een minimum aan emissie hebben. Lucht wordt toegevoegd aan de service tunnel door ventilatiegebouwen in Sangatte en Shakespeare Cliff. Aan de Britse kant zijn er twee ventilatoren die elk een 88 m3 per seconde toevoegen bij een druk van 2.9 kPa. Beiden hebben op zich voldoende kracht zodat er geen enkel probleem is als één van beiden faalt of als er onderhoud noodzakelijk is. Op de Franse zijde hebben ze een capaciteit van 73 m3 per seconde aan 2.5 kPa. Indien er zich een brand voordoet, waardoor de trein moet stoppen in de tunnel, treedt het supplementaire ventilatiesysteem in werking. De ventilatoren worden op dat moment in een welbepaalde richting in gang gezet zodat er een luchtstroom ontwikkeld wordt waardoor de rook in één richting wordt weggeblazen. De andere rookvrije richting vormt dan een veilige evacuatie doorgang voor de passagiers. De luchtstroom die vanuit de service tunnel naar de primaire tunnels vloeit moet steeds een minimumsnelheid van 2.5 m/s hebben. Dit om te voorkomen dat er rook in de servicetunnel zou komen. Deze snelheid is ook noodzakelijk opdat de ge-evacueerden de richting van de luchtstroom zouden waarnemen. De snelheid moet echter ook onder de 12 m/s gehouden worden. Boven dit niveau kan het voor sommige passagiers immers te moeilijk worden om er tegenin te wandelen. Het basisprincipe van beweging van een trein in een tunnel zorgt ervoor dat de druk vóór de trein hoger wordt en de druk achter de trein lager wordt. Dit creëert een luchtstroom over de lengte van de trein van voor naar achter en vergroot ook de aërodynamische sleep achter de trein. Een trein die aan 160 km per uur door de tunnel raast, creëert een drukverschil van 20 kPa over de lengte van de shuttle en een aërodynamische sleep van 35MW. FIGUUR Een luchtdruksysteem werd daarom geïnstalleerd. Lucht van het hoge druk gedeelte vóór de trein wordt door de dwarsverbindingen naar de andere hoofdtunnel geleid. Van daar stroomt de lucht in de tegenovergestelde richting naast de trein en via de dwarsverbindingen terug naar het lage druk gedeelte áchter de trein. Deze schachten brengen het drukverschil aanzienlijk terug tot 6 kPa. 6. Koelsysteem Het is niet gewoonlijk voor spoorwegtunnels om een mechanisch koelsysteem te hebben. In de kanaaltunnel is er weinig mogelijkheid tot luchttoevoer of –afvoer met de buitenwereld. De hoeveelheid lucht die de toegangen verlaat is klein en relatief weinig warmte kan dus op die manier verwijderd worden uit het systeem. Warmte kan ook verwijderd worden door de shuttles zelf. Gedurende het rijden warmen de treinen op en verwijderen zij zo een deel van de warmte. Maar dit proces wordt natuurlijk bij extreem warm weer omgekeerd en zo komt er meer warmte binnen in de tunnel. Vele systemen werden vergeleken en geevalueerd. De goedkoopste en beste manier is de installatie van luchtgaten op geregelde afstanden van elkaar. Maar deze constructie van ventilatieschoorstenen was praktisch onmogelijk door het bovenliggende en drukbevaren Kanaal. De impact van een schip tegen zo een schoorsteen zou het volledig onderlopen van de tunnel tot gevolg hebben. Het mechanische koelsysteem dat uiteindelijk gebruikt werd, heeft een capaciteit van 58MW. Koel water van 3°C wordt rondgepompt door koelpijpen zodat de tunneltemperatuur op een gemiddelde van 30°C blijft. De onderzeese pijpen hebben een diameter van 400 mm. De ondergrondse pijpen hebben een diameter van 300mm. De buitentemperatuur heeft weinig effect op de condities in de tunnel zelf. Dit betekent dat de temperatuur en het koelsysteem niet direct gerelateerd zijn met de seizoenen zodat de temperatuur in de tunnel ongeveer constant blijft. De luchtvochtigheidsgraad in de tunnel wordt steeds beneden de 50 à 60% gehouden. Wat brandveiligheid betreft, zijn er twee brandweerwagens aanwezig in de service tunnel die permanent patrouilleren. Dit zorgt ervoor dat zij nooit langer dan 10 minuten later de plaats van het incident bereiken. 7. Blik op de krachten 7.1. Inleiding De bekleding van de kanaaltunnel bestaat uit geprefabriceerde betonnen ringen, behalve in gebieden van arme grond of in tunnelverbindingen of intersecties. Daar werden gietijzeren segmenten gebruikt om de stijfheid van de geboorde tunnel te vergroten. Die ringen kunnen niet ter plaatse worden bekist of vervaardigd van spuitbeton, omdat er maar een tijdelijke instandhouding van het boorgat mogelijk is. Eén ring is samengesteld uit 8 betonnen stukken aan Engelse zijde (en 5 aan Franse zijde) en een sluitstuk, die kunnen worden samengevoegd tot een volmaakte cirkel. Aan Franse zijde werden er slechts 5 segmenten en een sluitstuk gebruikt omdat daar meer kans was op insijpelen van water door de voegen tussen de segmenten. Hoe minder voegen en hoe sterker deze tegen elkaar aan worden gedrukt, hoe beter dus. De sterkteberekening van de segmenten hangt in grote mate af van hun onderlinge verbinding, van de grondsoort en van de wijze van aanbrengen. De massieve segmenten worden koud (=zonder voegsel) tegen elkaar geplaatst. De convergerende gronddruk veroorzaakt het aanpassen van de segmenten tegen elkaar en zo het sluiten van de voegen. De maatvoering van de segmenten moet zeer nauwkeurig zijn, want kleine maatafwijkingen kunnen zorgen voor grote locale spanningsspitsen in het beton en verbrijzelingen. De toleranties in grootteorde was dan ook zeer klein (0,5mm) Het plaatsen van de segmenten gebeurt makkelijker als de ring is voorzien van een sluitsteen met een trapezium als ontvouwde vorm. Dit trapeziumvormige stuk, dat eigenlijk in de ring ingeklopt wordt, laat toe om de ring onder spanning te brengen. De segmenten die naast het sluitstuk liggen dienen dus ook een half-trapeziumvorm te hebben. Men kan de plaats van het sleutelsegment laten draaien rond de tunnel-as, zodat een geschrankte opbouw van de opeenvolgende ringen mogelijk is. De mechanische verbinding tussen de segmenten gebeurde met bouten. Deze bouten hebben als doel: 1. Ze worden gebruikt om de segmenten nauwkeurig te kunnen plaatsen en te vermijden dat de ringen een afwijking vertonen ten opzichte van de gewenste boor-as. 2. Ze dienen om de dichtingen aan een eerste drukkracht te onderwerpen, zodat men verzekerd is van de waterdichtheid. 3. Ze dienen ook om de stabiliteit van de segmenten te waarborgen bij het opbouwen van de ring, voordat deze gesloten is. De waterafdichting tussen de segmenten gebeurde met tijdbestendige soepele ringen en neopreenafdichtingen. 7.2. Gegevens over de kanaaltunnel We beschouwen de bekleding als stijve constructies, zodat gebruik kan worden gemaakt van deze veronderstellingen: • De bekleding is een elastische structuur. • De omringende grond is eveneens een elastisch lichaam. • De belastingen op de bekleding zijn symmetrisch ten opzichte van het verticale symmetrievlak. 0,4m 7,6m 8,4m 50.4km (38 km onder water) Dit zijn de te beschouwen belastingen: 1. De verticale druk te wijten aan de bovenliggende grond en water en de gelijkmatig veronderstelde bodemreactie: Stel dat alle bovenliggende grond bestond uit krijt mergel: Krijt mergel heeft een dichtheid van 2243kg/m³ Zeewater ongeveer 1026kg/m³ De kanaaltunnel ligt gemiddeld 45m onder de zeebodem en de zeebodem ligt gemiddeld zo’n 40m onder het wateroppervlak. Verticale druk= gronddruk + waterdruk =45m* (2243kg/m³ + 1026kg/m³) + 40m * 1026kg/m³ =147 105 kg/m² + 41 040kg/m² =188 145 kg/m² =1 881 kN/m² Dan is de verticale druk die op de tunnel inwerkt gelijk aan 1 881 kN/m² 2. Het gewicht van de bekleding en de gelijkmatig veronderstelde bodemreactie De gemiddelde dikte van het beton is 400mm= 0.4 m De diameter van de tunnel is 8,4m en de binnendiameter is 7,6m Formule volume van cilinder= π*d²/4= opp cirkel * h Volume kanaaltunnel= π * (8,4m)²/4 * 50400m = 2 793 052m³ Voor een schijfje van 1m breedte wordt dit: π*(8,4m)²/4*1m = 55m³ De oppervlakte van de volledige dwarsdoorsnede is: π*(8,4m)²/4=55m² De oppervlakte van de binnencirkel is dan : π*(7,6m)²/4= 45m² Het verschil van deze beide oppervlaktes geeft de oppervlakte van het beton: 55m² - 45m² = 10m² De volumemassa van het gewapende beton is 25 kN/m³ Het gewicht per tunnelschijfje van 1 meter breed bedraagt dus: 10m² * 25 kN/m³ =250kN/m 3. De horizontale gronddrukken, te wijten aan de verticale grondspanning en de elastische reactie bij vervorming van de tunneldoorsnede Op de tekening worden de horizontale krachten op een tunnel overal even groot aangeduid (zwarte pijlen). In werkelijkheid wordt deze horizontale druk groter van boven naar beneden, maar omdat de tunnel zich al op grote diepte bevindt, is dit dr...