C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gV r i es te ch n i ekcement 2001 140De tunnel wordt als design &built contract gebouwd door deKombinatie Middelplaat Wester-schelde vof (KMW). Het ontwerpvan de dwarsverbindingen is doorde combinatie uitbesteed aanhet Ingenieursburo Westerschel-detunnel (IBW), waarin PhilippHolzmann en Wayss& Freitagdeelnemen. De opdrachtgever,NV Westerscheldetunnel, heefthet toetsen van het ontwerp uit-besteed aan de afdeling Tunnel-bouw van de Bouwdienst Rijks-waterstaat.Van de 26 aan te leggen dwars-verbindingen (fig. 1) zijn er 9 ge-legen in matig-vast tot vast zand,11 in de Boomse klei en 6 in eengemengde grondslag. De water-doorlatendheid bedraagt circa 0,7? 2,2 x 10-4m/s voor het zand en0,01 ? 0,23 x 10-9m/s voor de klei.De te keren waterdruk varieertvan 2 tot 6 bar.O n t w e r p d w a r s v e r b i n d i n gDe normaaldoorsnede van dedwarsverbinding bestaat uit eenovaalvormige ring van gewapendbeton met een dikte van 0,4 m.De inwendige afmetingen, 2,5 mbreed en 2,75 m hoog, wordenbepaald door het vereiste profielvan vrije ruimte van 1,5 x 2,1 m2.De aansluiting van de normaal-doorsnede van de dwarsverbin-ding met de geboorde tunnel-buizen bestaat uit een betonnenkraagstuk. Een stortnaadplaat incombinatiemeteenrubberprofielen aangevuld met injectievoor-zieningen moet zorgen voor eenwaterdichte verbinding tussentunnelbuis en kraagstuk. Met hetkraagstukwordtvoldoenderuimtegecre?erd voor deze aansluiting.Een andere functie is het ver-zorgen van de krachtsoverdrachtvoor de oplegkrachten tussentunnelbuis en dwarsverbinding,terwijlhetopvangenvandebouw-toleranties van zowel de tunnel-buis als de dwarsverbindingmogelijk is. De overgang van hetkraagstuk naar de normaaldoor-snede is uitgevoerd als een door-gaande betonconstructie.In het oorspronkelijke ontwerpwas tussen de normaaldoorsnedeen de beide kraagstukken eendilatatievoeg voorzien waarin eenwaterkerend omegaprofiel wasaangebracht. Uit berekeningenbleekdatdedilatatievoegenkondenvervallen omdat in de eindsituatienagenoeg geen zettingsverschillentussen de beide hoofdbuizen zijnte verwachten. Tevens is de aan-sluiting onderhevig aan eennormaaldrukkracht, doordat detwee tunnelbuizen naar elkaarwordengedruktdoordeheersendewater- en gronddruk over de dia-meter van de dwarsverbinding,waardoorgeenidealedilatatiekanworden aangebracht.De doorgang van de tunnelbuisnaar de dwarsverbinding is ge-situeerd binnen ??n tunnelringmet een standaardbreedte van2 m. In deze tunnelring zijn tweebetonnen segmenten vervangendoor twee stalen segmenten, diegezamenlijk dezelfde lengte heb-ben als de twee vervangen seg-menten. De doorgang wordtgemaakt in het bovenste stalensegment, dat daartoe is verlengd.Het onderste stalen segmentis dienovereenkomstig ingekort.Inverbandmetdegeringeafstandvan de sparing tot de langsvoegwordthetverkortesegmentookinstaal uitgevoerd. De sparing is 1,5m breed en 2,9 m hoog. Door deoverhoogte ten opzichte van hetprofiel van vrije ruimte kunnenverschillentengevolgevandwars-verkanting, boortolerantie en ver-rolling worden opgenomen.Door het aanbrengen van desparing in slechts ??n segmentworden ter plaatse van de aan-sluiting tussen de tunnelbuis ende dwarsverbinding problemenmet waterdichting van ring- enlangsvoegen vermeden.Dwarsverbindingen in deWesterscheldetunneling. G. Kooijman en ir. N.M. Naaktgeboren, Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Tunnelbouwir. R.J. van Beek, Tunnel Engineering ConsultantsDe momenteel in aanbouw zijnde Westerscheldetunnel bestaat uit tweeparallel geboorde tunnelbuizen met een inwendige diameter van 10,10 m eneen onderlinge afstand van circa 12 m. Opdat bij een calamiteit, bijvoorbeeldeen tunnelbrand, automobilisten een veilig heenkomen kunnen zoeken en dehulpverlening de brandhaard veilig kan naderen, wordt tussen de beidehoofdtunnelbuizen elke 248 m een dwarsverbinding aangelegd.1 | Dwarsdoorsnede tunnelmet dwarsverbinding betonsegment d = 450 mmdwarsverb. h.o.h. 248 mstalen segmentdoorvoer kabelselectrakelderkabelkanaalca. 12 m11,33 m10,10 mC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gV r i es te ch n i ekcement 2001 1 41In de afbouwfase wordt de dwars-verbinding voorzien van brand-werende schuifdeuren aan dekopeinden en een betonnen loop-pad, waaronder ruimte is voorkabels en leidingen.B o u w m e t h o d eDe dwarsverbindingen wordenuitgevoerd met de N?T (Neue?sterreichische Tunnelmetho-de). Hierbij wordt het grondli-chaam zowel in dwarsdoorsnedeals in lengterichting gefaseerd ont-graven onder gelijktijdige verze-geling van de omtrek met een laaggewapend spuitbeton, dik 0,3 m,de zogenoemde buitenmantel.Om de ontgraving te kunnenrealiseren wordt eerst de om-ringende grond door middelvan bevriezing voldoende draag-krachtig, stabiel en waterdichtgemaakt. Na gereedkomen vande totale ontgraving wordt hierinde binnenmantel als definitieveconstructie aangebracht (fig. 2en 3).Ook in de Boomse klei wordt hetbevriezen toegepast, mede omdatde aanwezigheid van zandlenzenen `frissures', verticale water-voerende scheuren, niet is uit tesluiten.Vanuit ??n tunnelbuis wordenhorizontaal22vrieslansengeboordin een zodanige configuratie, dateen gesloten ringvormig vries-lichaam ontstaat waarbinnen dedwarsverbinding kan wordenontgraven. De ontgraving heeftplaats vanuit de andere buis,waarin een nooddeur is aange-bracht die kan worden gesloteningeval van een calamiteit tijdensde bouw. Het ringvormig vries-lichaam kan ontstaan doordatrondom elke vrieslans de grondbinnen een straal van circa 1 mbevriest en samengroeit tot ??ngeheel.Bij de boringen van de vries-lansenwordtgebruikgemaaktvanvooraf ingestorte doorvoeringen,voorzien van een waterdichteafsluiting (fig. 4). Met name doordevoorafingestortedoorvoeringenvoor de vrieslansen en de tole-rantie-eis voor de positie van dezelansen, dienen deze segmentenmetdegrootsteprecisietewordengeplaatst.Om de vervormingsverschillentussen de ringen aan weerszijdenvan de dwarsverbinding en dedaarbij gepaard gaande koppel-krachten als gevolg van deverschillende bouwfases (vries-lichaam, ontgraving) te beperken,worden tijdelijke verstijvings-balken aangebracht (fig. 5, foto 9).B e r e k e n i n g s m e t h o d eZowelvrieslichaam,buitenmantelals binnenmantel zijn als af-zonderlijke draagconstructies be-schouwd, waarbij geen samen-werking tussen deze onderdelenis aangenomen.De spanningen in het vries-lichaam zijn berekend met be-hulp van een driedimensionaaleindige-elementenmodel. Hierbijis rekening gehouden met detemperatuurafhankelijke eigen-schappen van de bevroren grondvoor zowel elasticiteit als maxi-male sterkte.De dwarsdoorsneden van zowelbuitenmantel als binnenmantelzijn berekend als monoliete 1-rings staafwerken volgens deprincipes van de ETL (Empfhe-lungen Tunnel im Lockergestein)1980, waarbij de door water- engronddrukken belaste ring doorgrondveren wordt ondersteund.In de sterkteberekening voor debuitenmantel van spuitbeton iseen reductie van 50 mm op dewanddikte aangehouden, terwijlook de elasticiteitsmodulus tot50% is gereduceerd. Door deligging tegen het vrieslichaamis aangenomen dat de eerste50 mm als gevolg van de lagetemperatuur niet of nauwelijkskanverharden.Dereductievandeelasticiteitsmodulus is nodig om-dat wordt aangenomen dat tengevolge van kruip van het vries-lichaam de volledige belasting opde buitenmantel binnen 28 dagenoptreedt. 4 | Doorvoer vrieslans door wand tunnelbuis3 | Dwarsdoorsnede dwarsverbinding met vrieslichaam2 | Verschillende bouwstadia dwarsverbindinguitgangssituatiebevriezenontgraven en aanbrengenspuitbetonaanbrengen binnenmantelontdooien12345vrieslichaamca. 2mvrieslichaamca. 2m300 mmspuitbeton400 mmbinnenmantelstalen segmentas bevriezing?180staartspleet-injectiebuitenkantsegmentoostel.tunnelC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gV r i es te ch n i ekcement 2001 142Voor zowel de bouw- als eindfasezijn de vervormingen en dekrachten (momenten en koppel-krachten) in de tunnelbuis terplaatse van de dwarsverbindingberekend met een uitbreiding vanhet model dat voor de normaletunneldoorsnede is gebruikt.Het model voor de normaletunneldoorsnede (2-rings staaf-werkmodel), met rotatievoegentussen de segmenten van eenring en translatieveren tussen deringen, is uitgebreid tot een 4-ringsmodel, waarin naast dedwarsverbindingsring aan weers-zijden nog 31/2 ring (= 7m ring) isgemodelleerd. In dit model istevens de afwijkende stijfheid vande stalen segmenten ingebracht.Uitgaande van de reeds aan-wezige spanningen en koppel-krachten ten gevolge van denormaal aanwezige belasting,de zogenaamde nul-situatie, isvervolgens een semi-gefaseerdeberekening uitgevoerd waarbijhet resultaat van de voorgaandefase de invoer vormde voor devolgende fase.Achtereenvolgenszijndevolgendefases na de nul-situatie berekend:? aanbrengen van de verstijvings-balken;? gewijzigde bedding als gevolgvan het bevriezen van degrond;? wegvallen van bedding enbelasting als gevolg van deontgraving van de dwars-verbinding;? fixatie van de vervorming terplaatse van de aangebrachtebinnen- en buitenmantel;? aanbrengen van een gewijzig-de bedding als gevolg van hetweer ontdooien van de grond.Indezeberekeningisaangenomendat er geen ijsdruk tegen detunnelbuisoptreedtalsgevolgvaneen eventuele uitzetting van hetvrieslichaam in axiale richting.Deze aanname is gestoeld opervaring van de ontwerpendepartij. Gelet op de risico's en on-zekerheden heeft deze aannamegeleid tot diepgaande discussiestussen ontwerpende en toetsendepartij.D i s c u s s i e p u n t e nEen belangrijk aspect bij hetontwerp van de dwarsverbindin-gen is het gedrag van de grond bijbevriezen. Bekend is dat water bijbevriezen uitzet, waardoor bijbelemmering van de vervorminghoge krachten kunnen optreden.Omdat de grond rondom detunnelbuizen is verzadigd metwater,isheteenre?leverwachtingdat ook dit water bij bevriezingzal uitzetten.Uit de literatuur bleek dat veelmetingen zijn verricht aan de uit-zettingvanbevrorengrond,echteraltijd metingen aan de uitzettingin de richting van de tempera-tuurgradi?nt (zgn. Frost Heaveproeven), dus loodrecht op dedwarsverbinding. De uitzettingvan de grond evenwijdig aan deisothermen werd hierbij nietgemeten. De uitzetting even-wijdig aan de vrieslansen (dusevenwijdig aan de isothermen)is echter maatgevend voor devervorming van de tunnelbuizen,en daarvoor zijn geen waardenbekend! Hierdoor kon de matevan uitzetting niet voldoendeworden onderbouwd, terwijl ditvooreenadequateberekeningwelnoodzakelijk is. Immers de uit-komst van een berekening wordtbepaald door de opgelegde belas-ting en het gekozen mechanischesysteem. Omdat bij de meestongunstige aanname voor de uit-zetting van het vrieslichaam hetbezwijkstadium van de hoofd-tunnelbuizen zou worden bereiktenbijdemeestgunstigeaannamegeen vervorming zou optreden, isdoor de opdrachtgever beslotentot nader onderzoek.Dit onderzoek bestond uit tweeparallelle sporen: een laborato-riumonderzoek naar de mate vanuitzetting evenwijdig aan dedwarsverbinding en een drie-dimensionale analyse, met eeneindige-elementenmodel metDIANA, van de spanningsont-wikkeling in de tunnelbuis terplaatse van de dwarsverbinding,waarbij de mate van uitzettingwerd gevarieerd. In deze 3D-analyse is de tunnel aan weerszij-den van de dwarsverbinding over14 ringen (= 28 m) gemodelleerdom ook de effecten in langs-richting te beschouwen.Het laboratoriumonderzoek gafaan dat rekening moet wordengehouden met uitzettingen vanminimaal 16 mm evenwijdig aanhetvrieslichaamterplaatsevandetunnelbuis bij bevriezen in deBoomse klei, terwijl nauwelijksvervormingenindezandigelagenzijn te verwachten.De driedimensionale analyse gafaan dat bij vervormingen van dedwarsverbindingvan10mmgeenproblemen zijn te verwachten,terwijl bij 30 mm vervorminggedeelten in de tunnelbuis tezwaar worden belast (fig. 6).IBW heeft met een aanvullendebeschouwing aangetoond dat, ge-let op de bezwijkveiligheid van de5 | Aansluiting vrieslichaamop tunnelbuis6 | Berekende vervormingentunnelbuis als gevolgvan vriezenlutte? 2200nooddeurtreinkabelkanaalas bevriezingas bevriezingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gV r i es te ch n i ekcement 2001 1 43segmenten, een vervorming vancirca 20-25 mm mag optreden.Vanwege de onbekendheid metde te verwachten vervormingenvan de tunnelbuis en bijbeho-rende risico's, is besloten hetmeetprogramma uit te breidenen te intensiveren. Als waakpuntis de door IBW berekende toege-stane vervorming vastgesteld.M o n i t o r i n g u i t v o e r i n gDoor de aannemer is een uit-gebreid monitoringsprogrammaopgezet. Naast de metingen aandevervormingenvanbeidehoofd-tunnelbuizen wordt ook de water-druk in het hart van de dwars-verbinding gemeten. Een sneltoenemende waterdruk geeft hetsluiten van het vrieslichaam aan.Tevens dient deze meting alsmaatregel om te hoge water-drukken te voorkomen die kun-nen ontstaan na het `sluiten'van het vrieslichaam. Hiervoor isin het hart van het vrieslichaameen drainagebuis aangebracht.Natuurlijkistijdenshetbevriezenook de temperatuurontwikkelingin de grond en in de segmententer plaatse van de aansluitinggevolgd. Dit laatste was nood-zakelijk om vast te kunnen stellenof het vrieslichaam voldoendedikte had om te kunnen startenmet het ontgraven van de dwars-verbinding (foto 7).De ontwikkeling van het vries-lichaam en de aansluiting op debeide tunnelbuizen wordt ge-volgd door temperatuursensorendie zijn aangebracht in het vries-lichaam (door middel van tem-peratuurmeetlansen) en in deaansluitende tunnelsegmenten.Omdat het op deze schaal inNederlandeennieuwtoepassings-gebied betreft, heeft het COBbesloten door een commissie`Grondbevriezen bij de Wester-schelde (F100)' nader onderzoekte laten doen naar het gedrag vande bevriezende grond nabij dedwarsverbindingen [3, 4].Bij de beoordeling van de ont-wikkeling van het vrieslichaamvan de eerste twee dwars-verbindingen is van deze extrameetgegevens dankbaar gebruik-gemaakt.E r v a r i n g e nMomenteel zijn de eerste en detweede dwarsverbinding gereed.Zoals verwacht blijken de op-tredende vervormingen van detunnelbuis bij de in het zandgesitueerde eerste dwarsverbin-ding klein (maximaal 4 mm). Bijde tweede, in de Boomse klei ge-situeerde dwarsverbinding blij-ken de vervormingen aanzienlijkgroter. Een maximale vervor-ming van de tunnelbuis van18 mm is hierbij waargenomen.Ondanks dat de mate van de ver-vormingen moeilijk was te voor-7 | Ontgraven dwarsverbin-ding8 | Aanbrengen spuitbetonin dwarsverbindingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gV r i es te ch n i ekcement 2001 144spellen, komt de orde van groottevan de gemeten vervormingengoed overeen met de verwach-tingen voor de uitzetting van hetvrieslichaam. Opgemerkt wordtdat de onzekerheid over de ver-vormingenvanbevriezendegronddermate groot is, dat dit aspectbinnen COB-commissie F100nader zal worden beschouwd.Zowel het bevriezen van de grondvan de eerste als de tweede dwars-verbinding heeft veel langergeduurd dan de geplande tijd.De oorzaak was dat het bevriezenter plaate van de aansluiting vandedwarsverbindingaandetunnel-buis lastiger was dan verwacht.Het grotere warmtetransportnaar de bevriezende grond terplaatse van de stalen segmententen opzichte van de betonnensegmenten was daar debet aan.Als oplossing zal bij de volgendedwarsverbindingen extra isolatieof actieve koeling aan de binnen-kant van de tunnelbuis ter plaatsevan de stalen segmenten wordentoegepast.Hetaanbrengenvanhetgewapendespuitbetontegendebevrorengrondbleek geen probleem (foto 8).Een aandachtspunt is het aan-brengen van de binnenmantel(foto9).Hiervooriseengoedvloei-barebetonnoodzakelijk,omdat ver-dichten lastig is bij een dergelijkeconstructie. Het gebruik van eentrilbekisting bleek tegen te vallendoordat de meeste tril-energiewerd opgenomen door de bekis-ting van het kraagstuk. Een aan-passing van het betonmengselwordt momenteel onderzocht.C o n c l u s i e sOndanks allerlei geavanceerderekenmodellen zal het altijdnoodzakelijk blijven de juistebelastingen te kennen die op eenconstructie werken. Indien dezeniet bekend zijn, is het nietmogelijk een adequate bereke-ning uit te voeren. Indien debelastingen onvoldoende bekendzijn, kunnen met metingen deeerder gedane aannamen wordengecontroleerd en kan op eenveilige manier een constructieworden gerealiseerd. sL i t e r a t u u r1. Kooijman, G., Westerschelde-tunnel. Cement 1996, nr. 10.2. Rijkers, R.H.B., C?t?, H.,Naaktgeboren, N.M.,Thimus, J.-F., Experimentalanalysis of 3D-deformationbehavior of frozen soil.Abstracts of Sixth Interna-tional Symposium on ThermalEnginering and Sciences forCold Regions, August 22-25,1999, Darmstadt, Germany.3. Van Beek, R., Naaktgeboren,N.M., Rijkers, R., Praktijk-onderzoek bij de Wester-scheldetunnel, F100, vriezenvan dwarsverbindingen.COB-Nieuws 2000, nr. 2.4. Peters, A.J.M., Naaktgeboren,N.M., Rijkers, R.H.B.,Techniek van de koude grond.Land en Water 2000, nr. 7/8.5. C?t?, H., Thimus, J.-F., Rijkers,R.H.B., Naaktgeboren, N.M.,Soil behavior during artificialfreezing ? Part 1: Frostheaving 3D tests. Proceedingsof the international symposiumon Ground freezing and frostaction in soils, J.-F. Thimus,A.A.Balkema, 2000,Page 237-242.6. Rijkers, R.H.B., Naaktgeboren,N.M., C?t?, H., Thimus, J.-F.,Visschedijk, M., Soil behaviorduring artificial freezing -Part 2: Application in boredtunnels. Proceedings of theinternational symposium onGround freezing and frostaction in soils, J.-F. Thimus,A.A.Balkema, 2000, Page69-74.7. Van Beek, R., Heijboer, J.,Worm, E., The Westerschelde-tunnel; Connection function,financing and safety aspects.Tunneling and UndergroundSpace Technology Vol. 14, No. 2,pp 161-169, 1999.8. Van der Linde, W., Sonke, E.,The Westerscheldetunnel;mastering design and con-struction challenges, AITES-ITA 2000 World TunnelCongres.9. Naaktgeboren, N.M., Dwars-verbindingen. PAO-cursusBoortunnels; ontwerp-methoden en praktijkonder-zoek, september 2000.9 | Wapening indwarsverbinding