NL1040737B1

NL1040737B1 - Lightweight tunnel construction without pile foundation integrated in lightweight raising of EPS blocks.

Info

Publication number: NL1040737B1
Application number: NL1040737A
Authority: NL
Inventors: Ir Milan Duškov Dr
Original assignee: Ir Milan Duškov Dr
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-11-26
Also published as: NL1040737A

Description

Aanvrager: Milan Duskov, Vlaardingen, NederlandApplicant: Milan Duskov, Vlaardingen, the Netherlands

Korte aanduiding: Lichtgewicht tunnelconstructie zonder paalfundering gei'ntegreerd in lichtge-wicht ophoging van EPS-blokkenBrief indication: Lightweight tunnel construction without pile foundation integrated in a light weight increase of EPS blocks

Volgens de huidige stand van de techniek is het overgrote deel van alle trambaan- en (spoor)wegconstructies aangelegd op een aardebaan. Bij aanleg van nieuwe en bij uitbreiding van bestaande (spoor)wegen op een aardebaan kunnen relatief grote initiéle zettingen optreden, als gevolg van de extra belasting die door de constructie wordt toegevoegd, in de orde van tien-tallen centimeters. Derhalve worden in zettingsgevoelige gebieden regelmatig de EPS-blokken als lichtgewicht ophoogmateriaal toegepast. Het zijn met name de zettingverschillen, welke doorgaans proportioneel zijn met de absolute zettingen, die een directe invloed hebben op de verticale ophoginggeometrie. Deze geometrische afwijkingen dienen na 30 jaar beperkt te blij-ven. De initiéle zettingen kunnen in de praktijk tot een aanzienlijke verlenging van de aanlegtijd leiden en vereisen een substantieel hogere onderhoudsinspanning om de geometrische afwijkingen binnen de normen te houden. In nog sterkere mate spelen deze problemen bij de overgang van (zettingvrij)kunstwerk naar aardebaan.According to the current state of the art, the vast majority of all tramway and (rail) road constructions are laid on an earth track. With the construction of new and with the extension of existing (rail) roads on an earth track, relatively large initial settlements may occur, as a result of the extra load added by the construction, in the order of tens of centimeters. Therefore, the EPS blocks are regularly used as a lightweight raising material in settlement sensitive areas. It is in particular the settlement differences, which are usually proportional to the absolute settlements, that have a direct influence on the vertical elevation geometry. These geometric deviations must remain limited after 30 years. The initial settlements can in practice lead to a considerable extension of the installation time and require a substantially higher maintenance effort to keep the geometric deviations within the norms. These problems play an even greater role in the transition from (settlement-free) artwork to earth orbit.

Zeker bij ongelijkvloerse kruisingen liggen bovengenoemde lichtgewicht ophogingen vaak hoog omdat de EPS-blokken frequent onder de toeritten naar kunstwerken worden toegepast. Dientengevolge kruisen op het maaiveld liggende (parallelle/secundaire) wegen en/of fietspaden regelmatig zulke lichtgewicht ophogingen. Op die kruisingen kan de benodigde doorganghoogte en - breedte voor (parallelle) wegen en/of fietspaden door de ophogingen heen gecreéerd worden middels kunstwerken of (land)tunnelconstructies. Desbetreffende kunstwerken en (land)tun-nelconstructies worden in zettingsgevoelige gebieden praktisch altijd op palen gefundeerd wat de totale bouwkosten aanzienlijk verhoogt.Certainly in the case of uneven floors, the above-mentioned lightweight embankments are often high because the EPS blocks are frequently used during access to works of art. As a result, (parallel / secondary) roads and / or cycle paths lying on the ground level regularly cross such lightweight elevations. At those intersections, the required passage height and width for (parallel) roads and / or cycle paths can be created through the embankments through works of art or (land) tunnel constructions. Relevant structures and (land) tunnel structures are almost always founded on piles in settlement-sensitive areas, which considerably increases the total construction costs.

De uitvinding voorziet in het toepassen van economische en zonder paalfundering snel uit-voerbare tunnelconstructies van dunne tunnelelementen dwars door de lichtgewicht ophogingen bestaande uit gestapelde EPS-blokken heen. De tunnelelementen van dunne gegolfde staalpla-ten vormen een schil die de stabiliteit ontleent aan het omhullende massief. Dat massief bestaat uit het schuimbeton omringt door het EPS in plaats van zand. Het totale tunnelconstructiegewicht wordt op deze manier significant gereduceerd en dankzij de lichtgewicht materialen (het schuimbeton en het EPS) kan het ongeveer gelijk zijn aan, of in elk geval niet veel groter dan het eigen gewicht van de uitgegraven grond afkomstig van de in de bodem gegraven cunet. Hierdoor blijft het bestaande evenwicht in de ondergrond (nagenoeg) behouden. Er treden derhalve geen we-zenlijke nieuwe zettingen op, waardoor initiéle zettingen en zettingsverschillen tussen het tunnel-constructiegedeelte en aan de weerzijden liggende lichtgewicht ophogingen van het EPS (5) beperkt kunnen blijven.The invention provides for the use of economical tunnel structures of thin tunnel elements that can be quickly carried out without pile foundation, straight through the lightweight embankments consisting of stacked EPS blocks. The tunnel elements of thin corrugated steel sheets form a shell that derives stability from the surrounding solid. The solid consists of the foamed concrete surrounded by the EPS instead of sand. The total tunnel construction weight is significantly reduced in this way and thanks to the lightweight materials (the foamed concrete and the EPS) it can be approximately equal to, or in any case not much greater than, the own weight of the excavated soil originating from the excavated soil cunet. As a result, the existing balance in the substrate is (almost) maintained. Therefore, no significant new settlements occur, whereby initial settlements and settling differences between the tunnel construction section and the light-weight elevations of the EPS (5) lying on either side can be limited.

In hoofdlijnen heeft de uitvinding betrekking op de tunnelconstructie volgens figuur 1: het tunnelsysteem bestaat uit dunne gegolfde staalplaatelementen. Het eivormige tunnelsysteem is gebaseerd op afdracht van belastingen door normaalkracht langs de “drukpunten” in de con-structie in de stalen schil, waarbij de stabiliteit van de vorm zich ontleent aan de steun van het omhullende massief. Het ontwerp voor de tunnelomhulling is nieuw. Vereiste constructieve zij-steun wordt in plaats van het gebruikelijke grondmassief (in de vorm van een trapezevormig zandlichaam) eromheen vervangen door een relatief sterk (oftewel draagkrachtiger dan verdicht zand) lichtgewicht shuimbetonmassief (3) en de EPS-blokken (1) lokaal desnoods van een zwaarder EPS-type (2). Het lichtgewicht geheel bestaande uit relatief sterk schuimbeton (3) en de EPS-blokken (1, 2) van desnoods verschillende types (1, 2) moet dus afdoende zijsteun waarborgen voor de dunne tunnelelementen van bijv. dunne gegolfde staalplaten (4).The invention relates in general to the tunnel construction according to figure 1: the tunnel system consists of thin corrugated steel sheet elements. The egg-shaped tunnel system is based on the transfer of loads by normal force along the "pressure points" in the structure in the steel shell, whereby the stability of the shape is derived from the support of the enveloping massif. The design for the tunnel envelope is new. Required structural side support is replaced in place of the usual ground mass (in the form of a trapezoidal sand body) around it with a relatively strong (or more load-bearing than compacted sand) lightweight foam concrete mass (3) and the EPS blocks (1) locally if necessary a heavier EPS type (2). The lightweight unit consisting of relatively strong foamed concrete (3) and the EPS blocks (1, 2) of possibly different types (1, 2) must therefore ensure adequate side support for the thin tunnel elements of, for example, thin corrugated steel sheets (4).

Als ophoog-/funderingsmateriaal heeft het EPS-hardschuim een aanzienlijk lagere elastici-teitsmodulus en wateropname dan traditionele ophoog-/funderingsmaterialen. De invloed van genoemde materiaaleigenschappen van EPS-blokken op het structureel gedrag van het desbe-treffende tunnelsysteem is ook de reden voor implementatie binnen dit ontwerpconcept van nog een relatief sterk lichtgewicht schuimbetonmassief (3). Onder “relatief sterk” wordt “draagkrachtiger dan verdicht zand” met kleinere resulterende deformaties onder dezelfde (verkeers)belasting verstaan.As a raising / foundation material, the EPS rigid foam has a considerably lower elasticity modulus and water absorption than traditional raising / foundation materials. The influence of said material properties of EPS blocks on the structural behavior of the relevant tunnel system is also the reason for implementing within this design concept another relatively strong lightweight foam concrete mass (3). "Relatively strong" means "more load-bearing than compacted sand" with smaller resulting deformations under the same (traffic) load.

Lichtgewicht materialen (1, 2 en 3) moeten naast voldoende zijsteun aan de dunne tunnelelementen (4) er voor zorgen dat onder het tunnenlgedeelte de voorgeschreven maximaal toe-laatbare zettingen niet worden overschreden. De thans bewezen lichtgewicht materialen zijn zo-wel EPS als schuimbeton. De volumieke massa van EPS-hardschuim (=geéxpandeerd polysty-reen hardschuim), of het hier nu gaat om relatief licht EPS60 (p=15 kg/m3) of het relatief zware EPS250 (p=35 kg/m3), is slechts een fractie van de volumieke massa van samendrukbare grond-soorten. De volumieke massa van het adequate schuimbeton varieert tussen 400 en 700 kg/m3. Daarom is het technisch bijna altijd mogelijk om een voldoende gewichtsreductie te realiseren.Lightweight materials (1, 2 and 3) must, in addition to sufficient side support on the thin tunnel elements (4), ensure that the prescribed maximum allowable settlements are not exceeded under the tuning section. The currently proven lightweight materials are both EPS and foamed concrete. The volumic mass of EPS hard foam (= expanded polystyrene hard foam), whether it is relatively light EPS60 (p = 15 kg / m3) or the relatively heavy EPS250 (p = 35 kg / m3), is only a fraction of the volumic mass of compressible soil types. The volumic mass of the adequate foamed concrete varies between 400 and 700 kg / m3. That is why it is almost always technically possible to achieve a sufficient weight reduction.

Als onderdeel van een lichtgewicht ophoging (5) biedt de conventionele zand-/grondmassief zonder paalfundering geen alternatief want het zou tot te grote zettingen leiden. Het conventionele zand is immers enkele keren zwaarder dan adequaat schuimbetontype en bijna 100 keer zwaarder dan het EPS. De zettingvergrotende effecten van zo’n zandmassief zouden duidelijk op tientallen meters afstand van de tunnel merkbaar zijn.As part of a lightweight embankment (5), the conventional sand / ground massif without pile foundations offers no alternative because it would lead to excessive settlements. After all, conventional sand is several times heavier than adequate foamed concrete type and almost 100 times heavier than EPS. The settlement-enhancing effects of such a sand massif would clearly be noticeable at tens of meters from the tunnel.

Verhardingopbouw (6, 7) bovenop het schuimbetonmassief hoeft in principe niet wezenlijk te verschillen ten opzichte van een soortgelijke tunnelconstructie met het trapezevormige zandmassief in plaats van lichtgewicht materialen (1,2 en 3). Vanzelfsprekend dient het toe te passen ontwerpproces een inzicht te verschaffen in relevante spanning- en rekwaarden in alle tunnelconstructie-, ophoog- en verhardingsmaterialen. De resulterende spanningen en rekken onder representatieve (verkeers)belasting zijn doorslaggevend voor de uiteindelijke keuze van lichtgewicht materialen (1, 2 en 3). Direct naast het schuimbeton (3) dient in principe een zwaarder type EPS (2) bijv. EPS200 te worden toegepast vanwege betere ondersteuning van het schuimbetonmassief (3).Pavement construction (6, 7) on top of the foamed concrete massif does not, in principle, have to differ substantially from a similar tunnel construction with the trapezoidal sand massif instead of lightweight materials (1,2 and 3). It goes without saying that the design process to be applied must provide an insight into relevant stress and strain values in all tunnel construction, ascent and surfacing materials. The resulting stresses and racks under representative (traffic) load are decisive for the final choice of lightweight materials (1, 2 and 3). Immediately next to the foamed concrete (3), a heavier type of EPS (2), for example EPS200, should be used because of better support of the foamed concrete mass (3).

De optimale dikte(s) van de EPS-lagen (1, 2 en 5) wordt bepaald op grond van de even-wichtsberekeningen en de berekening van de veiligheid tegen opdrijven. De evenwichtsbereke-ning dient om de dikte van de EPS-lagen vast te stellen die resulteert in voldoende reductie of desgewenst zelfs eliminatie van zettingen. Hierbij moet in ogenschouw worden genomen dat opdrijven niet mag voorkomen bij welke grondwaterstand dan ook. In de berekeningen van de veiligheid tegen opdrijven wordt de volumieke massa van EPS in droge toestand als inputwaarde gebruikt. Daarbij heeft de veiligheidscoéfficiént bij voorkeur een minimale waarde van 1.1. De dikte van de EPS-Iaag is alleen van belang voor het totale gewicht van de ophoging-/tunnelconstructie maar heeft verder een marginale invloed op het structureel gedrag van de wegophoging: de spanningen en rekken in de bovenbouwconstructie zijn nagenoeg onafhanke-lijk van de dikte van de EPS-Iaag.The optimum thickness (s) of the EPS layers (1, 2 and 5) is determined on the basis of the equilibrium calculations and the calculation of the safety against float. The equilibrium calculation serves to determine the thickness of the EPS layers that results in sufficient reduction or, if desired, even elimination of settlements. It must be taken into account here that float-up must not occur at any groundwater level. In the calculations against floatation the volumic mass of EPS in the dry state is used as input value. The safety coefficient preferably has a minimum value of 1.1. The thickness of the EPS layer is only important for the total weight of the elevation / tunnel construction, but it also has a marginal influence on the structural behavior of the road elevation: the stresses and racks in the superstructure construction are virtually independent of the thickness of the EPS layer.

De tunnelconstructie conform dit octrooi betekent aanzienlijk verbeterde kostenefficiéntie van de verkeerdoorgangen in het kader van lichtgewicht (spoor)wegophogingen van EPS-hardschuim. Er is immers geen kostbare paafundering meer nodig. Daarmee wordt het prijsver-schil tussen het zandmassief en lichtgewicht materialen (1,2 en 3) ruimschoots gecompenseerd. Een zwaarder type EPS (2) is wel duurder dan gebruikelijk type EPS (1 en 5) maar dat is een overwogen constructieve keuze omdat de bijbehorende spanninggrens hoger is voordat permanente plastische deformaties daarin optreden.The tunnel construction in accordance with this patent means considerably improved cost efficiency of the wrong passages in the context of lightweight (rail) road embankments made of EPS rigid foam. After all, there is no longer any need for expensive paaf foundation. This more than compensates for the price difference between the sand massif and lightweight materials (1,2 and 3). A heavier type EPS (2) is more expensive than conventional type EPS (1 and 5), but that is an considered structural choice because the associated stress limit is higher before permanent plastic deformations occur therein.

Als een neveneffect draagt de implementatie van in dit octrooi beschreven tunnelconstructie tot betere en sneliere uitvoerbaarheid. Het schuimbeton - in de rol van relatief sterk cementge-bonden lichtgewicht materiaal (3) - wordt gestort en hoeft (ten verschil van het zand) niet verdicht te worden. Het EPS (2) is namelijk een slechte klankbodem. Verder hecht het schuimbeton (3) uitstekend aan zowel de gegolfde staalplaten (4) als de EPS-blokken (2). De impact (bijv. ge-luidsoverlast door het inslaan van palen) op de omgeving tijdens de bouw wordt eveneens gemi-nimaliseerd mede omdat de bouwtijd op deze manier wordt ingekort.As a side effect, the implementation of the tunnel construction described in this patent contributes to better and faster feasibility. The foamed concrete - in the role of relatively strong cement-bound lightweight material (3) - is poured and does not have to be compacted (in contrast to the sand). The EPS (2) is in fact a poor soundboard. Furthermore, the foamed concrete (3) adheres excellently to both the corrugated steel sheets (4) and the EPS blocks (2). The impact (eg noise pollution caused by the impact of piles) on the environment during construction is also minimized, partly because construction time is shortened in this way.

De toepassing van lichtgewicht tunnelconstructies volgens de onderhavige uitvinding in ge-bieden met samendrukbare ondergrond betekent eveneens lagere onderhoudskosten op lange termijn. Door bij de aanleg het oorspronkelijke evenwicht zo min mogelijk te verstoren, en dus geen wezenlijke toenamen van de korrelspanningen te veroorzaken, worden restzettingen zo goed als uitgesloten of in elk geval geminimaliseerd, waardoor toekomstig onderhoud beperkter blijft dan voor de soortgelijke tunnelconstructies met conventionele grondmassieven aangelegd met gebruik van voorbelasting of versnelde zettingsmethoden. Bij de laatste twee genoemde me-thoden treden restzettingen in enige mate praktisch altijd op.The use of lightweight tunnel structures according to the present invention in areas with compressible surfaces also means lower maintenance costs in the long term. By disturbing the original equilibrium as little as possible during construction, and thus not causing a substantial increase in grain stresses, residual settlements are virtually excluded or at least minimized, so that future maintenance remains more limited than for similar tunnel constructions with conventional ground massifs. with use of input tax or accelerated settlement methods. With the latter two methods, residual settlements practically always occur to some extent.

De duurzaamheid van zowel het EPS-hardschuim als het schuimbeton op lange termijn maakt deze lichtgewicht materialen geschikt als een ophoog-/funderingsmateriaal. Lage temperaturen, wateropname en blootstelling aan vries/dooi cycli, afzonderlijk of gecombineerd, hebben geen negatieve invloed van betekenis op hun mechanisch gedrag. Met andere woorden worden de mechanische eigenschappen van zowel EPS als schuimbeton niet bemvloed door onder- grondse condities. Wel is het hier van essentieel belang dat de EPS-blokken, zeker in de bouw-fase, niet worden overbelast. Overbelasting van de EPS-blokken voorbij de elasticiteitsgrens heeft als consequentie een afname van de elasticiteitsmodulus van dit materiaal. Als (gesloten) celstructuur van het EPS-hardschuim eens is beschadigd neemt de maximale wateropname in sterke mate toe.The durability of both the EPS rigid foam and the foam concrete in the long term makes these lightweight materials suitable as an up / foundation material. Low temperatures, water absorption and exposure to freeze / thaw cycles, individually or in combination, do not have a significant negative influence on their mechanical behavior. In other words, the mechanical properties of both EPS and foamed concrete are not affected by underground conditions. However, it is essential here that the EPS blocks, especially in the construction phase, not be overloaded. Overloading the EPS blocks beyond the elasticity limit has as a consequence a decrease in the modulus of elasticity of this material. If (closed) cell structure of the EPS rigid foam has once been damaged, the maximum water uptake greatly increases.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van een voorbeeld verder verduidelijkt worden. Voorbeeld 1The invention will be further elucidated below with reference to an example. Example 1

Tunnelconstructie met geprefabriceerde dunne gegolfde staalplaten (4) en een lichtgewicht mas-sief bestaande uit schuimbeton (3) en twee types EPS-blokken (1,2) is ge'illustreerd in Figuur 1. De horizontale dikte van de EPS-Iaag (2) ligt in de orde van 1 m en de dikte van het schuimbeton (3) in orde van 0,8 m. De gegolfde staalplaatdikte (4) ligt in de orde van 7 mm. De tunnelconstructie bestaande uit dunne tunnelelementen (4) van bijv. dunne gegolfde staalplaten met de ondersteuning van lichtgewicht materialen (1, 2 en 3) heeft tot doel de belasting te spreiden en de spanningen in het lichtgewicht materiaal (5) zodanig te reduceren dat er onder de gebruiksbe-lasting geen blijvende rekken ontstaan. Een geschikt schuimbetontype (3) heeft volumieke massa van in de orde van 500 kg/m3 en laagdikte van bijv. 0,8 m.Tunnel construction with prefabricated thin corrugated steel sheets (4) and a lightweight solid consisting of foamed concrete (3) and two types of EPS blocks (1,2) is illustrated in Figure 1. The horizontal thickness of the EPS layer (2) ) is in the order of 1 m and the thickness of the foamed concrete (3) is in the order of 0.8 m. The corrugated steel sheet thickness (4) is in the order of 7 mm. The tunnel construction consisting of thin tunnel elements (4) of, for example, thin corrugated steel sheets with the support of lightweight materials (1, 2 and 3) aims to spread the load and to reduce the stresses in the lightweight material (5) such that no permanent racks arise under the user tax. A suitable foamed concrete type (3) has a volumic mass of the order of 500 kg / m3 and a layer thickness of e.g. 0.8 m.

Figuur 1 geeft een helft van het tunneldwarsprofiel plus aansluitende lichtgewicht wegopho-ging met EPS-blokken (5) weer.Figure 1 shows one half of the tunnel cross section plus subsequent lightweight road suspension with EPS blocks (5).

Claims

Tunnel construction within a lightweight road block with EPS blocks comprising: A lightweight solid consisting of the EPS blocks of adequate EPS types (1, 2), relatively strong lightweight foamed concrete (3) randomly prefabricated tunnel elements of thin corrugated steel sheets (4) ) and superstructure consisting of road pavement (6, 7); characterized in that the tunnel structure (1, 2, 3, 4) comprising an egg-shaped shell of thin corrugated steel sheets (4) wherein the stability of the shape is derived from the support of the enclosing solid of relatively strong lightweight foamed concrete (3 ) and the EPS blocks (2, 1), the specific gravity of which is significantly lower than that of the soil, and on top of the lightweight, solidly applied load-spreading hardening layers (6, 7).

Tunnel construction as claimed in claim 1, wherein the lightweight solid (1, 2, 3) is arranged at least in part in a cunet dug into the ground, and wherein the weight of the bottom material removed from the cunet is approximately equal to the weight of the combination of the thin tunnel shell (4), the lightweight foam concrete mass and the load-spreading hardening layers (6,7), on the condition that the most unfavorable groundwater level does not allow for float-up and the grain tension on the interface between light-weight foundation layer and substrate is practically the same to the grain tension in the original situation before excavation.

Tunnel construction according to claim 1 or 2, wherein the lightweight comprises solid foam materials (1, 2, 3) with a specific mass in the range of 15 to 45 kg / m3 (1.2) and 400 to 900 kg / kg respectively m3 (3), preferably in the range of 15 to 500 kg / m3.

Tunnel construction according to claim 3, wherein the foam material is an EPS hard foam of different types (1,2) and the foam material (3) is a cement-bonded foam concrete.

Tunnel construction according to claim 3 or 4, wherein the foam material (1, 2) is arranged in the form of blocks placed next to each other and the foam concrete (3) is poured.

Tunnel construction as claimed in claims 1-5, wherein the lightweight mass comprises the EPS (1, 2) with a specific mass in the range of 15 to 45, preferably in the range of 15 to 35 kg / m3.

Tunnel construction according to one of claims 1 to 6, wherein the load-spreading hardening layers (6, 7) have thicknesses such that a permanent deformation of the lightweight solid (1,2,3) is avoided.

Tunnel construction as claimed in any of the claims 1-7, wherein optionally an extra load-spreading layer is formed by a bending-rigid plate, for example of concrete under the load-spreading (unbound) bonded foundation (6) and asphalt layers (7). The top layer (7) can also consist of concrete paving stones or concrete elements.