? tunnelbouw ? onderzoek ? schadeColin 1. Kirkland, OBE F. EngDe Kanaaltunnel, die Engeland metFrankrijkverbindt, bestaat uitdriegeboorde tunnels:twee tunnels voor treinverkeer en een servicetunnel daartussenin. De servicetunneldient voor onderhoud en, in noodsituaties, voor de evacuatie van passagiers.Op 18 november 1996 was sprake van zo'n noodsituatie, toen er brand ontstond in eengoederentrein. Dit artikel gaat in op de gebeurtenissen tijdens de brand, het onderzoeknaar de schade en de resterende betonkwaliteit. Ten slotte wordt een globale omschrij-ving gegeven van de herstelwerkzaamheden.DE BRAND INDE KANAALTUNNELVrachtwagen rijdt een shuttlewagon binnen26Een paar minuten voortien uur op maandag-avond 18 november 1996 vertrok van hetlaadperron in Frankrijk een goederentreinmet 29 vrachtwagens aan boord op wegnaar Engeland. Ooggetuigen in de Fransevertrekhal waarschuwden het Spoorweg-controlecentrum dat er mogelijk brand aanboord was; tegelijkertijd werd deze meldingbevestigd door de activering van rookmel-ders in de tunnel. In overeenstemming metde normale procedures in een spoortunnelvervolgde de trein zijn reis naar zijn bestem-ming. Echter, een tweede waarschuwings-signaal, datin de bok bij de machinist werdgeactiveerd, attendeerde op een mogelijkdefect aan ??n van de wagons, waardoor demachinist zich genoodzaakt zag de trein inde tunnel tot stilstand te brengen.De trein was inmiddels achttien kilometervan de Franse vertrekhal verwijderd en deevacuatieprocedures werden geactiveerd.Dat resulteerde in de veilige evacuatie vanalle 31 passagiers en van de drie beman-ningsleden van de trein. Via de servicetun"nel werden zij naar een passagierstrein ge-bracht, die in de andere tunnel speciaal voordatdoel totstilstand was gebracht. De brandwerd vervolgens door brandweerteams be-streden en om vijf uur de volgende morgenwerd het sein brand meester gegeven.Op de plaats van de brand is de tunnel uitge-voerd met geprefabriceerde betonnen ring-segmenten; de ruimte tussen segmentenen de achterliggende grijze kalk is opgevuldmet een cementgrout.Het ontwerp van de tunnelwandHet originele tunnelwandontwerp is geba-seerd op de gangbare ontwerpmethodenvoor het toepassen van tunnelwandseg-menten. Tevens is rekening gehouden metvollediggeladen en te zwaarbeladen treinenen met de mogelijkheid van kleine aardbe-vingsschokken.De duurzaamheid van de tunnelwand, metname metbetrekkingtotdewapening, is uit-voerig onderzocht, waarbij rekening is ge-houden met het feit dat de tunnels zich ineen agressieve, zoute omgeving bevinden.Na veel discussie over de voor- en nadelenvan hetcoaten van wapening is besloten omniet te coaten, maar om een extrabetonnendeklaag aan te brengen, en om voorzienin-gen te treffen voor kathodische bescher-ming ingeval van chloride-aantasting.Het ontwerp schreef hogesterktebeton voor,met een druksterkte van 55 MPa na 28 da-gen en 60 MPa na 90 dagen. Voor de ver-vaardiging van de segmenten is gebruik ge-maakt van vermalen kalksteen en Boulon-nais zand. Uiteindelijk werd 70 tot 90 MPabereikt. Dit gegeven kwam later, bij het ont-wikkelen van een reparatieplan voor de be-schadigde tunnelwand, goed van pas.Bij het ontwerp werd niet speciaal rekeninggehouden met de bescherming van de tun-nelwand tegen brandrisico's; de kans op eenaanzienlijke brand werd onwaarschijnlijk ge"achtvanwege hetontwerp van de wagons ende bedrijfsprocedures.De beheersing van de brand en hetbluswerkDe ontwerpers van het treinsysteem warenzich zeer bewust van het gevaar van mogelij-ke branden in de tunnel; sterker nog, datwas??n van hun voornaamste zorgen. Een stu-die naar de beschikbare statistieken overhet spontaan ontstaan van brand bij motor"voertuigen had uitgewezen dat personen-auto's een groot risico vormen, en vrachtau-to's slechts een klein.De passagierstreinen en personenwagonszijn zo ontworpen, dat ze een eventuelebrand gedurende een halfuurkunnen tegen-houden; dat is de geplande reistijd door detunnel. De wagons zijn tevens uitgerustmetCEMENT1997/11brandblusapparaten en andere brandbe-heersingsmiddelen, die tot doel hebben er-voorte zorgen datde trein veilig naar de aan-komstterminal kan rijden.trein noordzijdeL..-_------"'ID c::==:J c::J r--l ,-'1'--'-----lID L,-I~~I c=:J c:=J ~------>serv???r?nnelL..-_----', 0 c::==:J CJ c:=J IF-~""'I 0 I I c=:J c:=J ~------>trein 2:uid2:ijde Frankrijk o:::t>Q) Overzicht van de schade aan de constructie210 m 2:eer 2:waar spatten _ binnen de wapeningskooi~m extreem ernstig spatten _ gehele segmentdikte1?? 2 km 2:ware rook schade I~~~--~~I )00 m significante spat schade-.I'-~_=..:...-"'-----+,r-,/'---~2.::..'90=-m:::.,....---,!' zwaar spatten _ wapening blootgesteldwapeningDe werkelijke schade die aan het beton vande tunnelwand was toegebracht varieerdeaanzienlijk en werd be?nvloed door zowel deaanwezigheid van wapeningsstaal als doorde voegen tussen de tunnelwandsegmen-ten (fig. 2). Twee koelwaterbuizen li1 400mm, die circulerend ijswater bevatten, wa-ren intactgebleven, ondanks de aanzienlijkeschade aan de tunnelwand waaraan ze wa-ren bevestigd. Het koelwater, dat normaalnaar de koelinstallatie teruggaat met eentemperatuur van 3 ?e, had nu een tempera-tuur van 38 ?e! Dekoelwaterbuizen moestenover een lengte van 500 m worden vervan-gen.Op de plaats van de brand bestaathet omlig-gende gesteente van de tunnel uit kalk, datnagenoeg ondoordringbaar is. Met uitzon-dering van de betonnen tunnelwand, die tij-dens de brand in hele kleine stukjes was ge-spat (maximale grootte 5 mm), isgeen enkelgedeelte van de constructie ingestort; daar-toe bestond ook geen enkele dreiging.Colin J. Kirkland werkte voor het eerst aan het Ka-naaltunnelproject in 1959, toen hij deel uitmaak-te van de Channel Tunnel Study Group. Ook was hijbetrokken bij een poging om de Kanaaltunnel teverwezenlijken in de periode 1973-1975. Hij wasTechnisch Directeur van Eurotunnel vanaf de of-fertevoorbereiding in 1985 tot aan de afrondingvan het boorproces in 1991. Sindsdien is hij werk-zaam bij Sir William Halcrow & Partners Ltd als Di-recteur Ontwikkeling.L segment voeg(3) Doorsnede over een beschadigd segmentGedetailleerde inspectie van de beschadig-de tunnel na de brand bracht enige interes-sante feiten aan het licht, waarvan een aan-tal momenteel nog nietvolledig is verklaard.De beweging van de brandende trein zorgdeervoor dat het vuur naar het achterste ge-deelte van de trein werd verspreid; een opzichzelf acceptabele situatie voor zover hetde constructie van detunnel betreft. Toen detrein echter tot stilstand was gebracht,kwam men tot de ontdekking dat er onge-veer zes branden waren die men het hoofdmoest bieden, als gevolg van branden die inde afzonderlijke voertuigen waren ontstaan.In de haard van de brand was de schade aande tunnelwand extreem. Over een afstandvan ongeveer46 m was het beton over meerdan de helftvan de oorspronkelijke dikte ge-spat. Op sommige plaatsen was de tunnel-wand zelfs geheel weg, waardoor de wape-ningskooien helemaal blootwaren komen teliggen. Over een lengte van 210 m was deschade zeer ernstig, waarbij de tunnelwandvoorde helft was verdwenen.Overeen lengte nog eens 80 m was ??n laagwapening blootkomen te liggen en over eenverdere lengte van 210 m was er sprake vanaanzienlijke spatschade, zodatvoorin totaal500 m tunnel aanzienlijke reparatiewerk-zaamheden noodzakelijk waren. Over eentotale afstand van 2 km vertoonde de tun-nelwand de duidelijke gevolgen van rook.De shuttlewagons die zware vrachtwagenszouden moeten vervoeren, leverden tijdensde ontwerpfase bijzondere problemen opals gevolgvan sommige eisen die doorbeideregeringen aan het verkrijgen van een ver-gunning werden gesteld. Ten eerste werd deconcessiehouder verplicht voertuigen tekunnen transporteren met het maximumtoelaatbare gewicht binnen de EuropeseUnie (44 ton). Ten tweede moest het ont-werp 'robuust' zijn, waarmee werd bedoeld'niet buiten de huidige praktijk (1985)'. Mo-menteel is over heel de wereld de zwaarstelast per treinas 22 ton; het probleem is dusduidelijk. Rekening houdend metenige over-belading per voertuig, en daaraan toege-voegd het gewicht van de wagon zelf, washet zelfs met de lichtste materialen die be-schikbaar zijn, niet mogelijk om een dichtewagon te ontwerpen die een brand een halfuur kon tegenhouden.De enige manier om uit dit dilemma te gera-ken, overeengekomen metde veiligheidsau-toriteiten, was om een halfgesloten wagonte ontwerpen waarin de vrachtwagens zou-den worden vervoerd. De bestuurders zou-den dan in een speciale personenwagonworden vervoerd, die w?l gedurende een halfuur bescherming tegen brand zou bieden.Voorts werden er door degeheletunnelrook-detectoren geplaatst die met een centralemeldkamer werden verbonden en werd hetgebruikelijke spoorwegprotocol gevolgd, na-melijk dat een brandende, rijdende treinnooit in een tunnel mag stoppen.De brandDe brand brak uit in ??n van de vrachtwa-gens op de trein, v??rdat de trein de tunnelbinnenreed. De oorzaak van de brand wordtnog steeds door de Franse autoriteiten on-derzocht. De brandende trein reed doorachttien kilometer tunnel zonder enigeschade aan te richten, vooraleer hij dooreentweede waarschuwingssignaal tot stoppenwerd gebracht; een signaal dattrouwens na-dien verkeerd bleek te zijn.Gedurende de zeven uur die verstreken tus-sen het tijdstip waarop de trein tot stilstandkwam en hettijdstip waarop de brand uitein-delijkwerd gedoofd, liepen de betonnen tun-nelwand en de meeste installaties in de tun-nel aanzienlijke schade op, ook al gold dit inhetalgemeen slechts de bovenkant(fig. 1).CEMENT1997jll 27??__-=-tu;:;;nc:,;nc:,;e::..:l.:::.b.=.O.=.UW,,"-_~__--O --,o,-,n--,d--,e:-:.r;:;;zo;:..e::..;k-,-_~__--'_ reparatieDoor de druksterkte en de E-modulus vanbetonmonsters van boorkernen uit het ge-bied van de brandhaard te vergelijken metdeze grafieken, concludeerde hijdatdetem?peratuur van de tunnelwand niet significanthoog was geweest, met uitzondering van deeerste 20 tot 30 mm. Voorts suggereerde hijdat het effect in de tunnel nog minder wasgeweest dan door zijn experimenten werdaangegeven, aangezien het beton in de tun-nel onder druk staat en dat was bij de test-monsters niet het geval geweest.In Lille CETE werden grafieken bepaald diehet gedrag van de I-modulus van beton bijstijgende temperatuur weergeven. Vervol-gens werden boorkernen van de beschadig-de tunnelwand in plakken van 8 mm dik ge-sneden, waarna de E-modulus voor elkeplak werd bepaald met behulp van mechani-sche resonantieproeven. Deze proeven leid-den tot dezelfde conclusie, namelijk datslechts de eerste 20 tot 30 mm van het be-ton nadelig door het vuur was be?nvloed.Dr.Sanderson van de Scottish Universitiesprobeerde de verandering in thermolumi-nescentie van beton vastte stellen door hetbeton aan verhitting bloot te stellen. Hij ge~bruikte hiervoor boorkernen van monstersdie niet door het vuur waren aangetast, envergeleek de resultaten daarna met de ge-meten thermoluminescentie van de doorvuur aangetaste monsters. Ook deze aan-pak leidde tot dezelfde conclusie.De originele betonnen tunnelwandsegmen-ten waren 40 cm dik, met een dikte van deomringende groutlaag van 18 tot 20 cm. Degemeten druksterkte van het betonnen seg?mentwas hogerdande ontwerpspecificatie.Herberekeningen stelden een E~modulusvast van 43 000 MPa voor het segment en5000 MPa voor het groutmengsel. N? debrand werden deze cijfers vastgesteld oprespectievelijk 14 300 MPa en 1670 MPa.stalen fotsanker40 mm diam. x 2.5 m? Dwarsdoorsnede over betonreparatieHerstelwerkzaamhedenZodra de brand was geblust, moestallereerstvoor de stabiliteit van de tunnel worden ge~zorgd, zodat er veilig met de herstelwerk-zaamheden kon worden begonnen. Nadathet eerste puin van gespat beton, kabels enophangmateriaal was opgeruimd, kreeg eenaannemer de opdracht om een licht stalennet over het ergst getroffen gebied te span-nen. Er werden stalen rotsankers van 2,5 mlang door de beschadigde segmenten ge-boord in hetbovenste gedeeltevan detunnel,zodat de segmenten niet konden verschui-ven, alhoewel dit niet was voorzien in het oor-spronkelijke reparatieontwerp. In het omrin-gende kalksteen werden drainagegaten ge-boord om de mogelijkheid te verkleinen daterhydrostatische druk zou worden opgebouwd,maar de kalk bevatte geen water.Daarna kwam de vraag wat men met de be-schadigde tunnelwand moest doen. Was derestvan hetbeton ook doorde brand aange-tast? En hoe groot was de bruikbarereststerkte in de rest van het beton? Afge-zien van observaties die ter plaatse werdenverricht en sterkteschattingen die met be-hulp van een terugslaghamer werden uitge-voerd, werd opdracht gegeven om drie onaf-hankelijke studies te laten uitvoeren. Hier-voor werd gebruik gemaakt van betonnenboorkernen zowel uit beschadigde segmen?ten als uit onbeschadigde segmenten, diever van de brandhaard waren verwijderd. De-ze moesten controlewaarden verschaffen.Op het Imperial College in Londen bepaaldeDr.Khoury grafieken die de normaaldruk-sterkte onder temperatuurswisselingenaangeven, door onbeschadigde monsters ineen oven te verhitten en vervolgens te be-proeven. Dit experiment toonde een reduc-tie aan in beton, dat aan een temperatuurvan 300?C is blootgesteld, van 25% in druk-sterkte en 65% in elasticiteitsmodulus.28kalk---?IReparatiesDe aangetaste segmenten werden gezand-straald, zodat alle losse betonnen deeltjeswerdenverwijderd; daarwaar nog beton aande binnenzijde zat, werd deze eveneens ver-wijderd. Het beschadigde beton werd vervol-gens vervangen door met staalvezels ver-sterkt spuitbeton aangebracht met de drymix methode, gevolgd door een enkele cen-timeters dikke toplaag van ongewapendspuitbeton, dat daarna met een troffel werdglad gestreken. Ter plaatse van de voegenwerd extra wapening aangebracht om deoorspronkelijkewapeningskooienvan indivi-duele segmenten met elkaar te verbinden(fig. 3).Daar waar de brand het hevigst was ge-weest, had de tunnelwand veel van zijndraagkracht verloren; de inbreng van het ge-deeltedat was overgebleven werd verwaar-loosd. De nieuwe, met vezels versterktespuitbetonlaag, met een dikte van tussende 20 en 30 cm, wordt geacht de hele belas-ting te kunnen dragen. Buiten deze zone,waar de tunnelwand en de achterliggendegrout minder dan 50% van hun sterkte heb-ben verloren, bestaat de vervangende tun-nelwand uit drie onderdelen: grout, tunnel-wandsegment metgereduceerde sterkte envezelversterkt spuitbeton.Het reparatiecontract werd reeds zes wekenna de brand aanbesteed en de datum voorde heropening van de tunnel, 15 mei 1997,werd in december 1996 vastgesteld. Hetwerk werd volgens planning voltooid en na~genoeg binnen het budget.ConclusieDe brand was zeer ernstig en veroorzaakteernstige schade aan ??n tunnel, maar erwa-ren geen doden te betreuren, en evenminernstiggewonden; 34 mensen werden dank-zij de servicetunnel snel ge?vacueerd. Al-hoewel de betonnen tunnelwand ernstig be?schadigd was, bestond er nooit een dreigingvan instorting, als gevolg van overdimensio-nering en de beter dan vereiste uitvoering.Het wordt niet noodzakelijk geacht om debrandveiligheid van het bij de reparaties ge-bruikte beton te vergroten. Eurotunnel heeftw?l een paar wijzigingen in de bedrijfsproce-dures aangebrachtom de risico's van herha-ling te verminderen; tevens zijn er plannenom brandblus- en brandonderdrukkingsap-paratuur op geselecteerde plaatsen in detunnel te installeren.?CEMENT1997/11