C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funderingcement 2001 124Naast snelwegverkeer zal detunnel plaats bieden aan fietsersen de metro van de Beneluxlijn(fig.1). De tunnel bestaat uit eenzestal tunnelelementen van elk140 x 45,25 x 8,485 m3.Traditioneel worden in Neder-land tunnelelementen van eenafgezonken tunnel tijdens hetafzinken geplaatst op een neus/kinconstructieentweevijzelpennen(driepuntsoplegging). De tunnel-elementen worden uiteindelijkgefundeerd op een zandbed datna het afzinken, door middel vanonderstroming onder de tunnel-elementen wordt aangebracht.Bij de Tweede Beneluxtunnel zijnvier van de zes tunnelelementen(nummers 2, 3, 4 en 6) echter ge-fundeerd op een grindbed (fig. 2).Opdrachtgever voor deze tunnelis Rijkswaterstaat Directie Zuid-Holland, het ontwerp is gemaaktdoor de afdeling Tunnelbouw vande Bouwdienst Rijkswaterstaat.Deuitvoeringisterhandgenomendoor de aannemerscombinatieHollandse Combinatie Benelux,bestaande uit Van Hattum enBlankevoort, HBW en NBM.W a a r o m e e n g r i n d b e d ?Het bestek dat ten grondslag ligtaan de Tweede Beneluxtunnel, isgeschreven op basis van een tra-ditionele fundering op onder-stroomzand. Het haalbaarheids-ontwerp uit de besteksfase heeftaangetoond dat deze traditionelewijze van funderen van een tun-nelelement zowel in de bouwfase(met een driepuntsoplegging) alsin de eindfase (op zand) mogelijkwas. De fundering moet zowelworden gedimensioneerd op deoptredende verticale krachten(eigen gewicht, ballastwater engrondbelasting), als op de optre-dende horizontale krachten (alsgevolg van stroming en passe-rende scheepvaart). Deze laatstebelastingen spelen alleen een rolindebouwfaseenkunnenwordenvertaald naar een eis betreffen-de voldoende gewicht van eentunnelelement.Een aantal aannames die de aan-nemer en opdrachtgever tijdensde start van de uitvoeringsfasehadden gedaan, resulteerden uit-eindelijk in onvoldoende gewichtom de betreffende horizontalebelastingen op te kunnen nemen.Omhetprobleemvanhetopnemenvan de horizontale belastingen opte lossen zijn een aantal alterna-tieven de revue gepasseerd. Uit-eindelijk is gekozen voor toe-passing van een grindbed. HetGrindbed Tweede BeneluxtunnelDe Tweede Beneluxtunnel is onderdeel van de A4 en ligt tussen de knooppuntenKethelplein en Beneluxster. De afgezonken tunnel wordt momenteelgebouwd, direct naast de bestaande Beneluxtunnel en is bestemd voorcapaciteitsuitbreiding van de A4 en voor een nieuwe metrolijn. Opvallend aande nieuwe tunnel is de innovatieve oplossing voor de fundering van de tunnel-elementen.ir. A.J.C. van Aart, Bouwdienst Rijkswaterstaatfoto: Henk van der VeenC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funder ingcement 2001 1 25grindbed zou, v??r het afzinken,op de bodem van de zinksleufworden gelegd.Door de grotere wrijvingsco?ffi-ci?nt van grind-beton kon eenzo grote wrijvingskracht wordengemobiliseerd, dat de voorspeldehorizontale kracht door passe-rende scheepvaart kon wordenopgenomen. Daarnaast bood hetgrindbed de mogelijkheid omeventueel extra ballast in hetelement te kunnen toevoegen,zonder dat dit nadelige conse-quenties zou hebben voor devoorspanning in de elementen.O n t w e r p g r i n d b e dBij het ontwerp van het grindbedspeelden onder meer de tunnel-constructie en de lay-out van hetgrindbed een rol.TunnelconstructieOmdat pas in een laat stadiumwas gekozen voor een grindbeden de tunnelelementen reeds wa-ren gebouwd, was aanpassing vande wapening niet meer mogelijk.Dit heeft geleid tot de bijzonderesituatie dat voor de eisen ten aan-zien van de ligging van het grind-bed is gekeken naar hetgeen toe-laatbaar was voor de tunnelcon-structie.Om te controleren of een tunnel-element bestand was tegen een`oneffenheid' in het grindbed zijneen aantal 2D- en 3D-doorsnede-berekeningen uitgevoerd. Hierbijis een `oneffenheid' in het grind-bedvertaaldnaareenlokaalstijverof slapper reagerende bedding,verdeeldoverdetunneldoorsnede.Het hieruit volgende momenten-verloop in de tunnelconstructie isvergeleken met de opneembaremomenten. Hieruit is afgeleidwelke grindbedniveaus toelaat-baar waren en welke niet.Door een beschouwing van deconstructie en de resultaten vande berekeningen waren de vol-gende conclusies te trekken:? De twee buitenste kokers(C en G/H) (zie figuur 1)vormen, door hun relatiefkleine afmetingen, elk eenstijf geheel ten opzichte van debinnenste koker (E). Een extramoment in koker C is nauwe-lijks meer merkbaar in hetmomenten-, dwarskrachten- ofverplaatsingsverloop in kokerG/H. Een verandering vanmoment in koker E leidt even-eens nauwelijks tot een veran-dering in krachtenverloop inde overige kokers.? Een stijvere bedding onder devloervelden in de kokers C enG/H betekent een forse toe-name van het moment en dedwarskracht in deze vloer-velden.? Een stijvere bedding ondervloerveld E betekent een rela-tief kleine toename van hetmoment in deze koker. Hetverplaatsingsverschil met dewanden 3 en 4/5 neemt toe.Koker E reageert dus relatiefslap.? Een stijvere bedding ondereen wand betekent een beperk-te toename van de momentenen de dwarskrachten. De be-lastingafdracht vindt hoofd-zakelijk plaats in de langsrich-ting van de moot, dus in delengterichting van de kokers.Door de beperkte afmetingen vande kokers C en G/H is er naarverhouding weinig wapeninggelegd in de betreffende doorsne-den. Door de forse toename vanmomenten en dwarskrachten bijeenrelatiefstijvebedding,worden2 | Langsdoorsnede vande tunnel: de zeselementen hebben eenlengte van 6 x 140 m1 | Dwarsdoorsnede TweedeBeneluxtunneltoerit noord toerit zuidwaterkelderelement opzandelement opzandgrondaanvullingelementen op grind1 C 2 D 3A 3B E 4 F 5 G 6 H 7C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funderingcement 2001 126strenge eisen gesteld aan het aan-legniveau van het grindbed terplaatse van de betreffende kokers.Voor alle vloerdelen geldt dat hetgrindbed bij het plaatsen van detunnelelementen niet als eersteonderdeel van de tunnel belastingmogen dragen.Lay-out grindbedHet grind is gelegd met behulpvan een Multi Purpose Pontoon(MPP) (fig. 3) waaraan een stort-pijp was bevestigd. Tijdens hetstorten is er voor gezorgd dat eraltijd een overhoogte van grind indestortpijpaanwezigwas.Opdezewijzekoneenconstantedichtheidwordenbereikt.Hetniveauvandeonderzijde van de stortpijp wasvariabel, zodat het mogelijk wasverschillen in aanlegniveaus tecre?ren. Het bereikte niveau werdgemeten door middel van echo-sounders. Voor het leggen van hetgrind werd de plaats van hetponton zelf met behulp van laser-technologie ingemeten aan dehand van een vast punt op een vanbeide oevers. Na het leggen vaneengrindrugwashetmogelijkomhet aangelegde niveau enigszinste corrigeren. Hiertoe was er aande onderzijde van de stortpijp eenplaat gemonteerd, die een even-tueel overschot aan grind konverschuiven in de richting van degoot tussen de grindruggen.Het grind wordt gelegd in banenloodrecht op de tunnelas. Debovenzijde van een grindrug is1,65 m breed. Nadat een rug isgelegd, wordt het ponton ver-plaatst, waarna weer een volgen-dewordtgelegd.Deruimtetussende bovenzijden van twee grind-ruggen bedraagt een meter.Tussen de grindruggen wordt zode goot gevormd. Per moot zijn erzeven grindruggen.Aangezien het grind rug na rugwerd gelegd, met een zekere tole-rantie voor wat betreft de liggingvan de bovenzijde van het grind,was het van het grootste belangom vanuit het ontwerp aan tegeven waar de `bergen' in degrindrug zich mochten/moestenbevinden en waar absoluut niet.Met behulp van eerder genoemderekenkundige analyses van detunnelmoten zijn een aantalcriteria opgesteld. Hierin is vast-gelegd op welk niveau de boven-zijden van de grindruggen moes-ten komen.Verder was het van belang om nade aanleg van een grindrug, vastte stellen welk niveau daadwer-kelijk was gerealiseerd. Aan dehand van metingen en het vast-leggenvantoelaatbareverhoudin-gen tussen de gemeten waarden,is men gekomen tot een geaccep-teerde ligging van het grindbed.Er werd vanuit gegaan dat de aan-gelegde niveaus at random warenverdeeld. Dit vormde de basis vande acceptatie van het grindbed.Alle toetscriteria die zijn op-gesteld ten behoeve van hetvastleggen van de toelaatbareverhoudingen zijn slechts op-gesteld ter controle en voor-koming van het optreden van eensystematische fout. Voorkomenmoest worden dat een bepaaldeplaats onder een moot beduidendeerder als oplegging zou gaanfungeren dan de overige delen.AandachtspuntenBij het eerste ontwerp van hetgrindbed is een groot aantal as-pecten in overweging genomen.De belangrijkste zijn:De migratie van zand uit de onder-grond in het grind.De ondergrond waarop het grind-bed is gelegd bestaat uit zand.De mogelijkheid bestaat dat hetzand uit de ondergrond migreertin het grindpakket. Overmatigezettingen kunnen dan het gevolgzijn.De verwachting was echter datde drijvende kracht voor eendynamisch verhang in de vormvan verkeerstrillingen beperkt isen dat de omvang van de maxi-male zettingen wordt beperktdoor de geringe dikte van de laaggrind en daarmee de beperktebeschikbare hoeveelheid holleruimte in het grind.Bovendienzullenergeenverschil-zettingen optreden tussen tweemoten, maar zullen de zettingeneen gelijkmatig verloop hebben.Ten slotte zal een eventueel optre-dend migratieproces na korte tijdstoppen, omdat een eenmaalgemigreerde steen niet verderzakt, maar vlak onder de opper-vlakte blijft liggen. Daarom zijngeen maatregelen voorzien tegenmigratie.De invloed van de drukke scheep-vaart op de Nieuwe Maas.Tijdens het leggen van hetgrindbed moet de scheepvaartworden omgeleid via een corri-dor. Ter plaatse van het pontonzelf was geen scheepvaart moge-lijk. Het was ook niet mogelijk hetponton tijdens het leggen van eengrindbed tijdelijk weg te halen,omdat dan het referentieniveauopnieuwmoestwordeningesteld.Hetprobleemisdatniettweekeerexact hetzelfde referentieniveaukon worden verkregen.Het korte tijdsbestek waarin eengrindbed moet worden gelegd.Een grindbed voor een tunnel-elementzouinongeveervier?vijfdagen kunnen worden gelegd.Aansluitend zou het tunnelele-ment afzinken; volgens planning??n element per week. Dit hieldin dat ook een grindbed per weekmoest worden gelegd. Grote af-wijkingen in de ligging van hetgrindbed zouden vrijwel meteenleiden tot uitstel van de afzink-operatie.Het optreden van sedimentatie.Het was mogelijk het MPP uitte rusten met een opschoon-voorziening.U i t v o e r i n gHet leggen van het grindbedvormde in de praktijk geen pro-bleem. Gemiddeld werd eengrindrug gelegd in anderhalf uur.Dit was inclusief controle op deC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funder ingcement 2001 1 27ligging van de grindrug. De oor-spronkelijke verwachting was dateen grindbed in vier ? vijf dagenzou worden gelegd, in de praktijkbleken drie dagen voldoende.De zettingsgegevens hebben ge-leerd dat het grindbed ten op-zichte van de traditionele funde-ringsmethode ongeveer evenveelzetting vertoont (op Nederlandsebodem). Een deel van de zettingvalt te verklaren door het com-pacter worden van het grind-pakket. Een ander deel is waar-schijnlijk veroorzaakt door hetoptreden van enige migratie.Door stabilisatie van de zettingenis het migratieproces eindig.Er zijn geen problemen opge-tredenbijhetleggenvanhetgrindals gevolg van passerende scheep-vaart. Op een enkele storing navan het ponton en een zware buiis het proces van het grindleggenniet verstoord geweest.Al eerder is aangegeven dat hetMPP kon worden uitgerustmet een opschoonvoorziening.Deze voorziening was in staatgeringe sedimentatie tot circaachttien uur voor het plaatsen vaneen tunnelelement te verwijderen.Eventuele sedimentatie op deruggenzoudanwordenverwijderd,sedimentatie in de geulen tussende ruggen zou blijven zitten.Het grindbed voor het eersteelement dat op grind zou wordenafgezonken (element 2) was ge-reed circa twee etmalen voor degeplandeplaatsingvanhetelement.Toetsing aan de criteria leerde dathet grindbed zeer nauwkeurigwas gelegd. De laatste grove me-ting voor het afzinken, ter contro-le of er geen grote voorwerpen ophet grindbed waren terechtgeko-men, gaven geen verontrustenderesultaten te zien.Het afzinkproces zelf verliep zon-der noemenswaardige problemen.Na plaatsing van het elementbleek deze aan de primaire zijde(de zijde die aansluit tegen hetlandhoofd of een voorgaandelement) 0,08 m en aan desecundaire zijde 0,20 m bovenhet theoretisch niveau te liggen.De toegestane marges bedroegen0,025 m. Omdat niet preciesbekend was wat er aan de handwas, is besloten het afzinkproceste onderbreken en het elementterug naar de oppervlakte te halenen af te meren aan een kade.Uit onderzoek uitgevoerd in dedagen na de mislukte afzink-pogingbleekdatersprakewasvansedimentatie, in de vorm van eenyoghurt-achtige substantie meteen dichtheid van naar schatting1200 kg/m3.(Bij deze dichtheid ishet niet mogelijk een tunnel-element af te zinken.)Verder bleek dat de substantiehoogstwaarschijnlijk is ontstaanter plaatse van de scheidingslaagzoet/zout water door uitvlokkingvan gesuspendeerd materiaal inde met zout water gevulde zink-sleuf. De sedimentatie vond zeersnel plaats; circa 0,10 m peretmaal. Het materiaal had zoweinig structuur dat het doorstroming zo weer kon wordenweggespoeld. De meeste sedi-mentatie werd overigens gemetenin het midden van het element.Aanpassing ontwerp grindbedOm het probleem van de over-matige sedimentatie het hoofd tebieden, zijn diverse oplossingenbekeken waarbij uiteindelijk ge-kozen is om:? in het grindbed bergings-capaciteit voor het sediment tecre?ren;? de funderingsdruk op hetgrindbed te verhogen;? het grindbed zo kort mogelijkvoor de start van het afzinkenaan te leggen;? de zinksleuf continu op teschonen naast de plaats waarhet grindbed werd gelegd.Opschonen van het grindbedzelf werd verzorgd door hetMPP.Door het aantal grindruggen teverminderen van zeven naar vierper moot kon de funderingsdrukop het grindbed worden verhoogden werd extra bergingscapaciteitgecre?erd in het grindbed (ziefiguur 4 in vergelijking met fi-guur 3).Een vermindering van het aantalruggen is van invloed op dekrachtsverdeling in het tunnel-element. Het ontwerp van detunneldoorsnede is daarom op-nieuw onder de loep genomen.Conclusie was dat qua sterkte enstijfheid voldoende marge aan-wezig was.Gegevendekortetijdwaarinover-matigesedimentatiekonoptreden,was het van belang het gehele3 | Eerste lay-out van hetgrindbed140 m (7 moten van 20 m)grindrugdoorsnede A-AAAdetaildetail1.00 m 1.65 mC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funderingcement 2001 128proces in zo kort mogelijke tijdte laten plaatsvinden. Daarnaastis besloten de volgorde voor hetleggen van de grindruggen om tekeren. Het meest kritisch in hethele proces is de aansluiting methet voorgaande element. Omsedimentatie bij deze aansluitingzoveel mogelijk te beperken, isgestart met het leggen van degrindruggen aan de secundairezijde van het af te zinken elementen vervolgens naar de primairezijde toe.De overgang van zeven naar viergrindruggen per moot is te be-schouwen als een optimalisatie-slag. Omdat er in het begin werduitgegaan van een traditionelefundering met een min of meergelijkmatige ondersteuning, isdit ook als uitgangspunt geno-men voor een grindbed.Ervaringen met aangepasteontwerp grindbedMet de hernieuwde layout vanhet grindbed is het afzinkprocesopnieuw opgestart. Het oudegrindbedvoorelement2werdver-wijderd en het nieuwe grindbedwerdaangelegd.Hiernawordtperelement in het kort aangegevenwat de ervaringen waren op hetgebied van sedimentatie en plaat-singsnauwkeurigheid en of dezinksleuf was gevuld met zout ofzoet water.Element 2: De volgorde van hetleggen van de ruggen is bij ditelement verder toegespitst op deverwachte optredende situatie.Dit houdt in dat de grindruggenbijditelementnietgelegdzijnvansecundair naar primair, maareerst aan de secundaire zijde, ver-volgens aan de primaire zijde enals laatste in het midden van hetelement. Het afzinken leverdegeen problemen op. De zinksleufwas, zoals verwacht, gevuld metzout water.Element 3: Het afzinken leverdegeen problemen aan de primairezijde. Aan de secundaire zijdestond het element na afzinken0,10 m te hoog. Deze overhoogtebleek een dag na het afzinken tezijn verdwenen. Het afballastenvan het tunnelelement (vullenvan het element met water terverkrijgingvanvoldoendegewicht)veroorzaakte voldoende funde-ringsdruk om de yoghurt-achtigesubstantiewegtepersen.Dezink-sleuf was, zoals verwacht, gevuldmet zout water.Element 4: Het afzinken leverdevoorwatbetreftverticaleplaatsinggeen problemen op aan deprimaire zijde. Aan de secundairezijde stond het element na af-zinken 0,25 m te hoog. Net zoalsbij element 3 bleek deze over-hoogte een dag na het afzinken tezijn verdwenen. De zinksleuf wastegen de verwachting in gevuldmet zoet water. De rivierafvoerten tijde van het afzinken was driekeer zo hoog als de gebruikelijkeafvoer en daarmee hoog genoegom de zinksleuf `schoon' tespoelen.Element 6: Het afzinken leverdevoorwatbetreftverticaleplaatsinggeen problemen op aan deprimaire zijde. Aan de secundairezijde stond het element na af-zinken 0,16 m te hoog. Evenalsbij element 4 bleek deze over-hoogte een dag na het afzinken tezijn verdwenen. Zoals verwachtwas de zinksleuf gevuld met zoutwater.C o n c l u s i e s e na a n b e v e l i n g e nHet toepassen van een grindbedals fundering van een zinktunnelonder de omstandigheden zoalsbijdeTweedeBeneluxtunnel(zout-zoet-water-wisselingen, drukkescheepvaart, `zachte' ondergrond)is een succesvolle optie.De enigszins negatieve beeld-vorming die het grindbed bij deTweede Beneluxtunnel heeftopgeroepen, mag niet zondermeer leiden tot het niet meertoepassen van een grindbed alsfundering van een zinktunnel.Dit ontworpen grindbed is opti-maal,gezienderandvoorwaardenvan het zeer korte tijdsbestekvoor het ontwerp en de gekozenwapeningsverdeling in de reedsgebouwde tunnelelementen.Een grindbed is niet zaligmakendin relatie tot het traditioneleonderstroomzand. Bij de TweedeBeneluxtunnelisnoodgedwongengekozen voor een grindbed. Er isechter geen enkele reden aan tevoeren waarom bij een volgendetunnel zonder meer een grindbedzou moeten worden toegepast.Het traditionele onderstromenis nog steeds een succesvollemethode.Er zijn zaken waaraan bij eenvolgende tunnel speciale aan-dacht moet worden besteed.4 | Nieuwe lay-out van hetgrindbed140 m (7 moten van 20 m)grindrugdoorsnede A-AAAdetaildetail3.80 m 1.65 mC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gTunnelbouw -Funder ingcement 2001 1 29Het is verstandig om bij hetontwerp van de tunneldoorsnedeniet uit te gaan van de nauwkeu-righeid van leggen van het grindzoals dat bij de Tweede Benelux-tunnel is gedaan. Op zich is hethanteren van deze nauwkeurig-heden niet verkeerd, maar doorhet versoepelen van de prestatie-eisen kan een robuuster ontwerpworden verkregen.Alswordtgekozenvooreengrind-bed is een vergroting van hetafzinkgewicht noodzakelijk. BijdeTweedeBeneluxtunnelwashetmaximale afzinkgewicht 4000 kN.Voor grindbedelementen wordtzeker 8000 kN geadviseerd.Door een vergroting van hetafzinkgewicht zullen eventuelesedimentatieverschijnselen eenkleinere rol spelen.Optimalisatie van het aantalgrindruggen, in relatie tot hetontwerp van de tunneldoorsnedeen de stabiliteit in de eindfase isnodig. Er moet een nauwkeurigeafstemming plaatsvinden van delay-out van het grindbed en hetontwerp van de tunneldoorsnede.Een speciale (grotere) vangcon-structie is gewenst. Een af tezinken element dient eerder ge-vangen te zijn en daarmee ge-stuurd te worden naar het reedsafgezonken element. Hiermeewordt bereikt dat het element nietbehoeft te `schuren' over hetgeprepareerde grindbed.Het opschonen van het grinddient met zekerheid en zondertijdverlies te kunnen worden toe-gepast. Een lange ombouwtijdvangrindleggernaaropschonerisniet gewenst. sPonton voor aanbrengengrindbedInterieur fietstunnel;op de wand komt eengedicht van Jules Deelder