High Performance Microtunnelling

Heden ten dage zijn de twee belangrijkste methoden om een tunnel te construeren als volgt te definiëren :

1. Tunnelboringen met segmental lining: bij deze methode komt het erop neer dat een tunnel ondergronds door middel van samen te bouwen segmentstenen wordt samengesteld. De tunnelboormachine (TBM) baant zich een weg door de ondergrond en telkens wanneer een bepaalde lengte is geboord (meestal ca. 1 à 1,5m), wordt net achter de TBM door middel van segmentstenen de tunnelwand opgebouwd. Het geheel van zo’n set segmentstenen wordt een tunnelring genoemd. Na opbouw van een tunnelring gaat de TBM een eind verder boren tot weer een volgende tunnelring kan worden opgebouwd. Deze handelingen gaan door tot de TBM op haar eindpositie is gekomen en via een zogenaamde aankomstschacht uit de grond kan worden verwijderd.

2. Microtunnelling met doorpersbuizen: bij deze methode wordt de tunnelwand niet opgebouwd in de ruimte net achter de TBM, maar wordt de TBM, samen met de doorpersbuizen die zich erachter bevinden, vooruit geperst. Dit vindt plaats door middel van een zogenaamde persinstallatie die zich in de startput (persput) bevindt. De ronde prefab doorpersbuizen, met meestal een lengte van 3 à 4m, worden telkens bijgeplaatst in de persput en het geheel van tunnel én TBM wordt in de grond geperst door middel van deze persinstallatie.

Beide methoden hebben in het verleden een quasi van elkaar onafhankelijke ontwikkeling gekend, waarbij vandaag duidelijk merkbaar is dat ze in zekere zin naar elkaar zijn toe gegroeid.  Methode 1 was oorspronkelijk bedoeld voor grotere diameters en grotere tunnellengten (diameter groter dan 5m, lengten groter dan 1000m), maar door de jaren heen is het diameterbereik naar beneden uitgebreid.  Methode 2 was oorspronkelijk bedoeld voor kleinere diameters en kleinere tunnellengten (vandaar de benaming ‘Microtunnelling’), echter is door de jaren heen, zowel qua diameter als lengte, naar boven toe uitgebreid.  Momenteel komen beide methoden elkaar tegen bij lengten van ongeveer 1,2 km en ongeveer 3 m inwendige diameter.

Ondanks deze evolutie, kampt methode 1 vandaag toch met een flink aantal nadelen:

• Deze methode gaat gepaard met een grotere eenmalige kost, namelijk de installatiekost op de werf.  Het duurt immers aanzienlijk langer vooraleer er met boren kan gestart worden en vooraleer de werf en tunnel ontruimd zijn na het boren.
• Er is tevens een grotere voorbereidingstijd nodig.  De nodige betonnen tunnelsegmenten zijn allerminst standaard te noemen en moeten telkens ontworpen worden. Ze hebben tevens een langere productietijd en zijn tamelijk kwetsbaar bij transport en manipulatie.
• Het boorrendement ligt lager doordat veel hulpmaterieel in de tunnel moet worden ingebouwd (en nadien weer uitgebouwd). De bediening van de TBM bevindt zich namelijk volledig ondergronds in de tunnel.
• Deze methode is ook veel arbeidsintensiever.  Eén complete boorploeg bestaat al snel uit 10 tot 15 medewerkers.  Een groter deel van deze ploeg bevindt zich overigens langere tijd onder de grond tijdens het tunnelen, hetgeen vanuit veiligheidstechnisch standpunt minder optimaal is (evacuatie, verlichting, verluchting, communicatie,…)
• Deze methode is logistiek complexer en vraagt een groter werfterrein.
• Deze methode is veel minder gestandaardiseerd: de tunnelboorschilden zijn minder universeel en moeten telkens customized herbouwd worden.

Zoals te lezen is, zijn er heel wat nadelen verbonden aan methode 1, doch tot op vandaag is/was het wel de enige goed aanwendbare methode om tunnels van meer dan 1,5 km te construeren, waarbij de gewenste inwendige diameter tussen 3,5 en 4,5 m ligt.

Smet-Tunnelling is historisch gezien hoofdzakelijk actief in het gebruik van methode 2, en ontwikkelt deze methode, zodat ze ook kan gebruikt worden om tunnels van meer dan 1,5 km te construeren, met daarbij horende grotere inwendige diameters van 3,5 m, 4 m tot mogelijk zelfs 4,5 m!  Het gaat daarbij om een unieke vernieuwing van een bestaand proces, waarbij de gekende nadelen van methode 1, hierboven beschreven, niet meer van tel zijn.  Er zal dan enkel van voordelen kunnen gesproken worden bij de doorperstechniek van methode 2 :

• Snellere installatie en afbouw nadien
• Kortere voorbereidingstijden
• Hogere boorrendementen
• Standaard buiselementen
• Standaard boorschilden, die relatief snel kunnen worden omgebouwd naar gewenste geologie
• Minder personeel ondergronds
• Compactere werfterreinen

Het vernieuwende proces bevindt zich nog in de aanvang van de ontwikkelfase.  Een haalbaarheidsstudie heeft aangetoond dat, via verdere ontwikkeling, het mogelijk moet zijn om methode 2 ook voor grotere lengten en diameters te gaan gebruiken.  Daarbij moeten wel volgende moeilijkheden overwonnen worden:

• Nog grotere vermogens in de microtunnelling-boorschilden krijgen.
• Betere automatisering (sturing, meting, monitoring boorparameters, …) om alles op afstand bovengronds te bewaken en te sturen, aangezien minder mensen ondergronds aanwezig zijn.
• Hogere boornauwkeurigheden realiseren (dit is bij methode 1 eenvoudiger, aangezien de tunnel onbeweegbaar blijft tijdens het boren).
• Ontwikkeling tussendrukstations (die heeft men bij methode 1 niet nodig).  Er zal heel veel persdruk moeten opgebracht worden om een tunnelbehuizing van meer dan 1,5 km door een tunnel te duwen, vandaar dat er met tussendrukstations zal moeten gewerkt worden.

Toepassingen van High Performance Microtunnelling

Ondergrondse ruimten worden op wereldschaal in de toekomst steeds belangrijker. Het recente AFTES-Congres in Parijs kreeg de titel ‘L’espace souterrain, notre richesse – The value is underground’. Hierbij werd het accent gelegd op de latente waarde van ondergrondse ruimte als middel om meer leefruimte te ontwikkelen. Dit kan onder de vorm van planning en ruimtelijke ordening van steden als een symbiose tussen het bovengrondse en ondergrondse. Er wordt daarbij gefocust op de overvloed en de noodzaak van het combineren van disciplines en know-how die cruciaal zijn in de voorziening van ondergrondse ruimte, daarbij rekening houdend met het aspect van duurzaamheid (bron : Congrès International de l’AFTES – www.aftes.asso.fr).

Meer concrete voorbeelden en ideeën zijn terug te vinden onder de vorm van :

• Het ‘Hyperloop’-concept (E. Musk)  : (snel) ondergronds logistiek transport in tunnels met een diameter van 3 à 4 m die onder vacuüm worden gebracht
• Utility-tunnels : pijpleidingsystemen en (hoog-)spanningskabels die in, voor onderhoud toegankelijke, tunnels worden ondergebracht. Zie in dit verband de door Smet-Tunnelling geboorde utiliteitstunnels nabij het Sportpaleis in Antwerpen in het kader van de aanleg van de nieuwe Oosterweel-verbinding. Deze tunnels (IJzerlaan en Groenendaallaan) hadden een inwendige diameter van 3,5m in werden doormiddel van microtunnelling aangelegd op een diepte van 25 à 28m onder het maaiveld.
• Stormstorage-tunnels : die, in stedelijke omgeving, een antwoord geven op de gevolgen van de klimaatverandering (meer en hevigere regenval afgewisseld met langere drogere perioden). Recent boorde Smet-Tunnelling twee van deze tunnels in Kopenhagen.
• Fiets- en voetgangertunnels die ondergrondse ruimten met elkaar verbinden
• Afvalwater transport van de vervuiler naar de RWZI’s
• Drinkwaterbevoorrading
• Etc…