themaMeer zekerheid dankzij Observational Method6 201516themaMeer zekerheiddankzij Observa-tional Method1Monitoring speelt belangrijke rol bij bouwkuip tunnel A2 MaastrichtMeer zekerheid dankzij Observational Method 6 2015 171 Bouwkuip tunnel ter hoogte van de Nassaulaan, Maastrichtfoto's: Peter Wijnands, A2 MaastrichtCut-and-cover-methodeDe A2-tunnel in Maastricht is gebouwd op de locatie waar zichvroeger de N2 bevond, direct naast de bebouwing van Maas-tricht Oost. In de ontwerpfase is bedacht dat de beste oplossingeen dubbellaagse tunnel is met vier aparte tunnelbuizen, elkmet twee rijstroken. De onderste twee buizen zijn voor door-gaand verkeer, de bovenste twee voor regionaal en bestem-mingsverkeer. Het idee is ontstaan uit een integrale beschou-wing van de opgave in Maastricht. Het ruimtebeslag van eendubbellaagse tunnel is beperkter dan een tunnel met alle rijba-nen naast elkaar. Hierdoor is meer ruimte beschikbaar voor destadsontwikkeling na realisatie van de tunnel. Verder is bepaalddat tijdens de bouw de tijdelijke N2 met 2?2-rijstrokenbeschikbaar moest blijven. De dubbellaagse tunnel heeft alsvoordeel dat het aantal wegfaseringen tijdens de bouw beperktkan blijven en het verkeer gedurende langere tijd `ongestoord'kan doorgaan. Gekozen is de weg te verschuiven naar hetwesten en daar te laten liggen totdat de tunnel zou opengaanvoor verkeer. Hierdoor kon ook de bouwlogistiek binnen hetbouwterrein worden afgewikkeld, waardoor het verkeer op deN2 minimaal is belast en files zijn beperkt. Meer over de tunnelstaat in het artikel `Dubbeldekstunnel van 2,3 km' elders in ditnummer.Door op deze manier ruimte vrij te maken voor de bouw vande tunnel, kon worden gekozen voor de cut-and-cover-methode. Hierbij wordt een gat gegraven tussen tijdelijkewanden, waarna de constructie wordt gebouwd. Vervolgenswordt het gat weer aangevuld, waarna de tijdelijke bouwkuipwordt verwijderd. Een bouwkuip van in cementbentonietsleuven afgehangen damwanden met stempels en deepwell-bemaling, was integraal beschouwd de meest economischeoplossing.Geotechnische situatieVoor het project is ? tijdens de tenderfase en ontwerpfase ?uitgebreid grondonderzoek uitgevoerd. Dit bestond uit borin-gen, laboratoriumproeven en sonderingen (CPT's en SPT's).Tevens is geofysisch onderzoek uitgevoerd om informatie teverkrijgen over laagscheidingen en de aanwezigheid van afwij-kingen zoals breuken en zogeheten karstverschijnselen in dekalksteen ? al dan niet met bovenliggend materiaal opgevuldeholle ruimten. Vanwege de aanwezigheid van een relatief dikkegrindlaag, hardgrounds (harde kalksteen) en vuursteenlagengelegen in de kalksteen, liepen de CPT-sonderingen in veelgevallen vroegtijdig vast. De opbouw van de kalksteen isdaarmee voornamelijk bepaald op basis van boringen enlaboratoriumproeven.Het ontwerpen van een tunnel is ??n, maar dezevervolgens kunnen bouwen is een tweede. Daar-voor is een veilige bouwkuip nodig. Maar wat alsde grondparameters die nodig zijn om die bouw-kuip te ontwerpen niet eenduidig uit onderzoe-ken zijn te halen? Dat was het geval bij de bouwvan de tunnel in de A2 bij Maastricht. Daarom ishier gekozen voor het toepassen van de zoge-noemde Observational Method tijdens hetontgraven van de bouwkuip.Bart Grote, Rens ServaisAvenue2themaMeer zekerheid dankzij Observational Method6 2015182 Doorsnede van de bouwput met tijdelijke stempels en de definitieve tunnel (instippellijnen); de freatische grondwaterstand is circa 3 m onder maaiveld3 Gedurende de werkzaamheden werd, volgens de Observational Method, metbehulp van onder meer geluidsmeters (a) en tachymeters (b) het gedrag vande ondergrond gemonitordDe sterkte van de kalksteen is afhankelijk van de cohesie en dehoek van inwendige wrijving. Het sterkteaandeel gebaseerd opde hoek van inwendige wrijving is daarbij tevens afhankelijkvan de korrelspanning. Voornamelijk tijdens het diepsteontgravingniveau wordt de stabiliteit van de bouwkuip bepaalddoor de sterkte van de kalksteen. Daarmee is de stabiliteit vande bouwkuip afhankelijk van de korrelspanning, die weerafhankelijk is van de waterspanningen in de kalksteen. Hogerewaterspanningen resulteren immers in lagere korrelspanningenen daarmee een lagere sterkte.2deklaaggrindkalksteen31,9 m4,5m7,0m5,0m16,5m+ 47 500+ 43 000+ 35 000+ 20 0003b3aEen kenmerkende doorsnede van de bouwput is weergegevenin figuur 2. In de figuur zijn tevens de belangrijkste grondlagenaangegeven. De grondopbouw bestaat voor een belangrijk deeluit kalksteen, een grondsoort die binnen Nederland alleen inLimburg relatief ondiep voorkomt. Met het bouwen in dezegrondsoort is in Nederland dan ook slechts beperkte ervaringopgedaan. Wat betreft grondopbouw is het tunneltraject teverdelen in een noordelijk en zuidelijk trajectdeel, waarbij descheidslijn ongeveer halverwege het tunneltrac? ligt. In hetnoordelijke deel zijn de bovenste meters van de kalksteen zeerzwak en ook de diepere lagen zijn minder sterk dan in hetzuidelijk deel van het traject. Dit heeft te maken met de klima-tologische omstandigheden in de periode waarin de kalksteenwerd gevormd. Dit betekent dat de door de ondergrond tebieden weerstand in het noordelijke deel van het traject minderis dan in het zuidelijke deel. Dit was vooral van belang voor hetdiepste ontgravingsniveau van de bouwkuip.Uit het grondonderzoek bleek dat de cohesie (verkitting) vande kalksteen, die sterk bepalend is voor de sterkte, niet eenduidigkon worden bepaald en bovendien per locatie erg verschilde.Echter zonder goede rekenparameters is het moeilijk ontwer-pen, zeker omdat de stabiliteit van de bouwkuip tijdens dediepste ontgravingsslag voornamelijk werd bepaald door desterkte van de kalksteenlaag.Meer zekerheid dankzij Observational Method 6 2015 19interventiewaardesignaleringswaarde4 De bouwkuipwanden ondervinden steun van twee vaste stempelramen eneen inklemming in de kalksteen5 Signaal- en interventiewaarden voor de stempelkrachten, per ontgravingsfaseontwerpen op de belastingen uit deze fase van het bouwproces.Eenzelfde situatie gold voor de tussenvloer die op een bepaaldmoment de stempelkracht van het onderste stempel moestovernemen.Monitoring bouwkuipOmdat de grootte van de passieve weerstand niet direct konworden gemeten, is besloten de indirecte parameters te moni-toren die de passieve weerstand zouden be?nvloeden: de water-spanningen, de stempelkrachten en de vervorming van dedamwandvoet.Het waterspanningsverloop in de kalksteen wordt bepaald doorde waterdoorlatendheid van de kalksteen en de uitvoering vande bemaling. De bemaling bestond uit deepwells die geplaatstzijn aan weerszijden binnen de bouwput. Uit pompproevenmet tracers werd een verhouding tussen verticale en horizon-tale waterdoorlatendheid in de kalksteen gevonden. Door metdeze verhouding berekeningen uit te voeren, werd duidelijk dater een vrijwel hydrostatisch waterdrukverloop in de passievezone van de damwand zou optreden. Een ongunstigere verhou-ding tussen de verticale en horizontale doorlatendheid zounadelige gevolgen hebben op het waterspanningsverloop. Dewaterspanning zou dan in de diepte meer dan hydrostatischtoenemen, met als gevolg lagere korrelspanningen en daarmeeeen lagere sterkte. De combinatie van hoge waterspanningen inde passieve zone van de damwand en een tegenvallende cohesiebleek rekentechnisch ontoelaatbaar. Om toch tot een technischverantwoord en economisch haalbaar ontwerp van de bouw-kuip te komen, is gekozen voor de toepassing van de Observa-tional Method.Ontwerp bouwkuipDe Observational Method is een ontwerpmethode waarbij deonzekerheid van de ondergrond niet wordt gecompenseerd metde traditionele veiligheidsfactoren, maar met het monitorenvan het gedrag gedurende de werkzaamheden. In combinatiemet scenario-denken, waarbij voor nagenoeg alle onzekeregebeurtenissen vooraf een reactiemaatregel is voorzien, kan bijtoepassing van de Observational Method het gewenstebetrouwbaarheidsniveau worden bereikt.Het moment van inzet van maatregelen wordt bepaald door devooraf vastgestelde signaal- en interventiewaarden. De Obser-vational Method heeft bij A2 Maastricht in hoofdzaak betrek-king op de sterkteparameters van de kalksteen in combinatiemet de effectiviteit van de bemaling. Daarnaast is de methodeingezet bij het tijdig detecteren van karstverschijnselen en dedeformaties van nabijgelegen bebouwing.In figuur 4 is te zien dat de bouwkuipwanden steun ondervin-den van twee vaste stempelramen en een inklemming in dekalksteen. De sterkte van de kalksteen in combinatie metwaterspanningen is bepalend voor de maximale waarde vandeze inklemming (de maximaal te mobiliseren passieve weer-stand). Als de sterkte van de kalksteen tegenvalt en de water-stand hoog is, neemt de maximaal te mobiliseren passieveweerstand af. Dat uit zich in een toename van de stempelkrachtvan het onderste stempelraam en een toename van de vervor-ming van de damwandvoet.Zodra de tunnelvloer is gestort en deze ook als stempelfungeert voor de damwand, is het risico geweken.Het is dus belangrijk geweest de onderste tunnelvloer teactief actief4ontgravingsbreedte t.o.v. midden bouw kuip [m]5stempelkrachten[kN/m1]1200100080060040020000 161412108542Meer zekerheid dankzij Observational Method6 201520themaWaterspanningenDe effectiviteit van de bemaling in combinatie met deverhouding tussen de horizontale en verticale doorlatendheidbepaalde in grote mate de hoogte van de waterspanningenin de kalksteen. Deze werd gemeten met peilbuizen, die aande damwand waren gemonteerd voordat deze werd afgehan-gen in de gegraven sleuf. Het monitoringsplan van de water-spanningen is uitgebreid met signaal- en interventiewaardenmet daaraan gekoppelde beheersmaatregelen. De signaal-waarde kwam overeen met de verwachtingswaarde gebaseerdop de doorlatendheid zoals teruggerekend uit de resultatenvan de tracerproeven. De interventiewaarde kwam overeenmet een conservatieve waterspanning waarop het ontwerpwas gebaseerd.StempelkrachtenAls de sterkte van de kalksteen zou tegenvallen, zou de stem-pelkracht van het onderste stempel hoger zijn dan verwacht.Om deze stempelkracht te monitoren, werden reksensorengeplaatst op een aantal stempels. Door deze vooraf te kalibrerenmet een vijzelstempel konden de stempelkrachten tijdens hetontgraven worden teruggerekend. Ook voor de stempelkrach-ten werden per ontgravingsfase signaal- en interventiewaardenbepaald (fig. 5). De signaalwaarden kwamen overeen met deverwachtingswaarden (ontwerpberekeningen). De interventie-waarden kwamen overeen met de stempelkrachten waarbij depassieve grondweerstand maximaal 90% is gemobiliseerd. Hetvoordeel hiervan was dat al in een vroegtijdig stadium ? als debouwkuip pas gedeeltelijk was ontgraven en de stabiliteit vande bouwkuip nog was gewaarborgd ? inzicht verkregen werd ofde stempelkracht verderop in het proces nog binnen de grens-Meer zekerheid dankzij Observational Method 6 2015 216 Bouwkuip van de A2-tunnel en de tijdelijke N2foto: A2 MaastrichtResultaatTijdens het schrijven van dit artikel is de ruwbouw van detunnel gereed en zijn de damwanden en daarmee de bouwkuipverwijderd. Tijdens het graafproces is het maar beperkt nodiggebleken maatregelen te nemen. Zo werden in het begin designaal- en interventiewaarden van de waterspanningenverschillende keren overschreden maar de krachten in de stem-pels en vervormingen van de damwand bleven daarbij ruimbinnen de marges. Deze combinatie bleek een nieuw opgetre-den scenario dat niet in het ontwerp was onderkend. Als uitge-gaan werd van drie tot vijf keer hogere sterkten van de kalk-steen, die door terugrekenen van de stempelkrachten werdenverkregen, leidde dat tot het inzicht dat de bouwkuip veiligerwas dan gedacht.Doordat de veiligheidsmarges, na circa 25% van de bouwkuipte hebben ontgraven, ruim waren, is overwogen het aantalstempels te reduceren. Dit bleek echter ingrijpender dangedacht, bovendien moest het meest risicovolle gebied nogworden ontgraven. Daarom is besloten op dezelfde weg door tegaan met een aantal aanpassingen. Zo werden er grotere slagenin ??n keer ontgraven, zonder dat er elke keer moest wordengewacht op vrijgave van de bouwput.Verantwoord en economischBij de A2-tunnel in Maastricht is een veilige bouwkuip gereali-seerd. In eerste instantie bleek uit het grondonderzoek dat nietalle onzekerheden over de sterkte van de kalksteen kondenworden weggenomen. Ook was er onzekerheid over de doorla-tendheid van de kalksteen en daarmee de waterdrukken binnende bouwkuip. Met behulp van de Observational Method konechter een verantwoord en economisch haalbaar ontwerp vande bouwkuip worden gerealiseerd bij een gunstig risicoprofiel.Belangrijk daarbij is dat niet alleen parameters worden gemoni-tord, maar vooraf ook de signaal- en interventiewaarden voordie parameters worden bepaald. Bovendien is het nodig voorafscenario's en beheersmaatregelen uit te werken voor het gevalsignaal- en interventiewaarden worden overschreden. Door ditproces van analyse en evaluatie ook tijdens de monitoring doorte zetten, ontstond meer inzicht over de veiligheid van debouwkuip tijdens het bouwproces. Hierdoor kon de uitvoeringvan het werk eenvoudiger doorgaan zonder dat er vertragingoptrad.Uiteindelijk bleek dat de kalksteen sterker was dan uit hetgrondonderzoek kon worden geconcludeerd. De mogelijkeoorzaak van de grote verschillen in kalksteensterkten is dat dekalksteen lastig blijkt te bemonsteren en te beproeven. waarde zou blijven. Hierdoor zou tijdig kunnen worden ingegre-pen met maatregelen als in het schema van figuur 5. De hoogstekrachten ontstonden tijdens het ontgraven van de kalksteen directnaast de damwand. In de praktijk bleken deze niet hoger dancirca 40% van de verwachtingswaarden (ontwerpberekeningen).Uitbuiging damwandDoor de uitbuiging van de damwand te monitoren (van ontgra-vingsniveau tot onderkant damwand), werd een indicatie gekre-gen of passief bezwijken zou optreden. Bij te weinig passieveweerstand zou namelijk de damwandvoet een verplaatsing naarbinnen ondergaan. De monitoring werd uitgevoerd met helling-meetbuizen die vooraf aan de damwand waren gemonteerd. Designaal- en interventiewaarden werden op een vergelijkbaremanier afgeleid als die voor de stempelkrachten. Ook deze metin-gen bleken uiteindelijk in de praktijk veel lager dan gedacht.6