Construction Sequence Optimization for Diaphragm Wall Obstruction Removal Using a Horizontal Full-Rotation Drilling Rig

Technische Samenvatting: Optimalisatie van de Constructiesequentie voor het Verwijderen van Obstakels in Diaphragm Walls

Probleemstelling
Naarmate metronetwerken dichter worden, zijn er steeds vaker nieuwe tunnels vereist die bestaande stations moeten kruisen. Een aanzienlijke uitdaging ontstaat wanneer bestaande ondersteunende structuren, met name gewapend beton diaphragm walls (diepwanden) met H-sectie stalen verbindingen, het pad van de schildboor obstructeren. Traditionele verwijderingsmethoden vertonen duidelijke beperkingen:

• Grondbevriezing gecombineerd met mijnbouwextractie: Hoewel effectief in waterrijke strata, vereist deze methode lange constructieperioden, hoge kosten en strikte kwaliteitscontrole van de bevroren gordijnwand. Het omvat diep handmatig breken, wat aanzienlijke veiligheidsrisico's met zich meebrengt.
• Direct Schild Snijden: Hoewel technisch haalbaar, houdt deze methode geconcentreerd breken van gewapend beton en stalen obstakels tijdens de tunnelvoortgang in. Dit leidt vaak tot slijtage van de snijkop, plotselinge belastingsfluctuaties en aanzienlijke grondverstoring, wat potentieel overmatige vervorming in het bestaande station en de omliggende grond kan induceren.

Als gevolg hiervan is er behoefte aan een constructiemethode die een balans vindt tussen veiligheid, efficiëntie en lage verstoring voor de verwijdering van diaphragm walls onder operationele stations.

Methodologie
De studie richt zich op een specifiek kruisingsproject van de Hangzhou Metro Lijn 18 onder een bestaand Lijn 6 station. De auteurs stellen een nieuwe constructiemethode voor en analyseren deze, gebruikmakend van een Horizontale Volledig Roterende Boorinstallatie. Het proces bestaat uit drie fasen:

1. Inbrengen van de Stalen Mantel: Een grote diameter manteloscillator drukt stalen mantels naar de doeldiepte om een werkzone te creëren.
2. Horizontale Obstakelverwijdering: De boorinstallatie snijdt de diaphragm wall horizontaal in een "meerdere kleine gaten"-patroon, waarbij beton- en staalfragmenten worden verwijderd.
3. Extractie van de Mantel en Achtervulling: De mantel wordt geëxtraheerd terwijl gelijktijdig achtervullingsmateriaal (bijv. cement-gestabiliseerde grond) wordt geïnjecteerd.

Om deze methode te evalueren, is een driedimensionaal eindig element model opgesteld met behulp van Midas GTS NX. Het model omvatte het bestaande station, de diaphragm walls, secant palen en grondlagen (gesimuleerd met het Modified Mohr-Coulomb model). De studie voerde een vergelijkende analyse uit tussen:

• Schema A: Direct schild snijden van de diaphragm wall.
• Schema B: Obstakelverwijdering met de horizontale volledig roterende boorinstallatie.

Verder optimaliseerde de studie de constructiesequentie door verschillende scenario's te simuleren:

• Intra-rij sequenties: Top-down versus Bottom-up boren binnen een enkele rij.
• Inter-rij sequenties: Left-to-right, Right-to-left en Interval-constructie (sprongsgewijs) over meerdere rijen.

Het numerieke model werd gevalideerd aan de hand van veldmonitoringsgegevens (grondzetting bij punten DBC1–DBC5), waarbij een goede overeenstemming werd gevonden in de zettingspatronen tijdens de fasen van mantelinbrenging, boren en extractie.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Superieuriteit van de Horizontale Boormethode:
   Vergeleken met direct schild snijden, vermindert de horizontale volledig roterende boorinstallatie de grondverstoring aanzienlijk.

• Vervormingscontrole: De maximale vervorming van het bestaande station werd verminderd van 3,6 mm (schild snijden) naar 2,1 mm (boorinstallatie). De vervorming van de diaphragm wall nam af van 3,9 mm naar 2,7 mm.
• Verstoringszone: Schild snijden veroorzaakte een cumulatief zettingspatroon langs de tunnelrichting met een maximum van ~17 mm en een gemiddelde zetting van -11,7 mm. In tegen respect de boormethode een geconcentreerde vervormingszone met een maximale zetting van slechts ~1 mm en een gemiddelde van -0,2 mm. De vervorming werd primair gekenmerkt door lokale opstuwing (heave) tijdens de extractiefase, wat eerdere zetting compenseerde.

2. Optimalisatie van Constructiesequenties:

• Binnen een Enkele Rij: Bottom-up constructie (eerst lagere gaten boren) bleek licht superieur aan top-down constructie. Dit resulteerde in kleinere zetting van de ondersteunende palen (2,4 mm vs. 2,6 mm) en horizontale verplaatsing (0,8 mm vs. 1,1 mm). Deze sequentie minimaliseert herhaalde verstoring van de bovenliggende grondlagen.
• Tussen Meerdere Rijen: Interval-constructie (bijv. A→C→E→G→I→B→D→F→H) leverde de beste algemene resultaten op voor de ondersteunende structuren en de grond.
  • Ondersteunende Palen: Interval-constructie minimaliseerde de zetting (1,38 mm) en horizontale verplaatsing (1,53 mm) vergeleken met unidirectionele sequenties (Left-to-Right of Right-to-Left).
  • Diaphragm Wall: Interval-constructie minimaliseerde de wandvervorming (2,47 mm) door het continu verzwakken van aangrenzende gebieden te voorkomen, waardoor niet-verwijderde secties als tijdelijke ondersteuning kunnen dienen.
  • Grondzetting: Interval-constructie bereikte de laagste maximale grondzetting (2,68 mm) en de smalste zettingstrog.

Noot: Hoewel interval-constructie optimaal was voor de ondersteunende structuren en de grond, merkte de studie op dat unidirectionele sequenties (specifiek Left-to-Right) resulteerden in iets minder vervorming voor de bestaande stationstructuur zelf. Echter, de intervalmethode werd beschouwd als het beste algemene compromis voor de stabiliteit.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de voorgestelde methode de geconcentreerde, hoog-risico verstoring van direct schild snijden transformeert in een gefaseerd, gelokaliseerd en controleerbaar proces. Door een modus van "meerdere kleine gaten boren, rij-voor-rij voortgang en mantel-extractie met achtervulling" te hanteren, balanceert de techniek effectief tussen constructieve veiligheid en vervormingscontrole.

De bevindingen bieden een referentie voor:

• Het selecteren van geschikte schema's voor het verwijderen van diaphragm walls onder operationele metrostations.
• Het optimaliseren van constructiesequenties om cumulatieve vervormingseffecten te beperken.
• Het implementeren van specifieke maatregelen (zoals interval-constructie en bottom-up boren) om ondersteunende structuren en de omliggende grond te beschermen, waarbij erkend wordt dat lokale versterking voor zwakke structurele delen van het bestaande station nog steeds noodzakelijk kan zijn.

De studie concludeert dat hoewel de horizontale boorinstallatie methode aanzienlijke voordelen biedt bij het verminderen van grondverstoring en structurele vervorming, de specifieke constructiesequentie zorgvuldig moet worden afgestemd op de specifieke structurele en geotechnische beperkingen van het project.