C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 844Omdat het opbergen van radio-actieve afvalvaten in diepgelegenondoorlatendeaardlagenalsmeestgeschikte optie wordt beschouwdom ongecontroleerde versprei-ding van radionucliden in de bio-sfeer te voorkomen, is vanaf 1974bij het StudieCentrum voor Kern-energie (SCK) te Mol een onder-zoeksprogrammaontwikkeldvoorde opslag van langlevend hoog-radioactief afval.Dit researchprogramma leidde in1984 tot de ingebruikname vanhet ondergronds HADES-labora-torium, bestaande uit de eersteschacht,eenonderzoeksgalerijeneen in latere fase gebouwde zoge-noemde `test drift' (fig. 1).In 1995 werd onder impuls vanesv PRACLAY, het economischesamenwerkingsverband tussenNIRAS (de Belgische NationaleInstelling voor Radioactief Afvalen verrijkte Splijtstoffen) en hetSCK, besloten de ondergrondseactiviteiten uit te breiden met hetPRACLAY(`PReliminArydemon-stration test for CLAY disposal')-demonstratie-experiment.De Belgische mijnautoriteitenstonden evenwel een verlengingvan de bestaande test drift-galerijniet toe zonder de bouw van eentweede toegangsschacht en bij-horende verbindingsgalerij.Na analyse van vijf geselecteerdeoffertes werd het werk gegundaan SCM (Schacht CombinatieMol), een tijdelijke verenigingvandeaannemingsmaatschappijenDeilmann-Haniel(D),Smet-Boring(B) en Wayss & Freytag Benelux.Het concept van de tweedeschacht werd uitgewerkt doorBELGATOM. De controle over destudie en de uitvoering van dewerken in het kader van de tien-jarige aansprakelijkheidsverzeke-ring werd waargenomen door hettechnisch controlebureau SECO.B o d e m p r o f i e lTot op een diepte van 187 mbevindt de schacht zich inkwartaire doorlatende zandlagen,namelijk achtereenvolgens dezandformaties van Mol, Kaster-lee, Diest, Dessel, Berchem enEigenbilzen (fig. 2).Hieronder bevindt zich een over-gangszone van 23 m dik, diebovenaanuitfijnzandbestaatmeteen doorlatendheid kleiner dan10-8 m/s en onderaan een kleiach-tig karakter vertoont met door-latendheden kleiner dan 10-9 m/s.Onderdezeovergangszonebevindtzich de Boomse klei. Hier be-draagt de doorlatendheid minderdan 10-11 m/s.Volgende fase uitbreiding ondergronds HADES-onderzoekslaboratorium te MolOndergrondse schachtgebouwd in bevroren grondir. J. Van Schepdael, SECO - technisch controlebureau voor het bouwwezen *)*) met medewerking van :dr.ir.D. De Bruyn, esv PRACLAYir.F.Bernier, SCK?CENir.D.Brosemer, NIRASir.Th.Oellers en ir.J-P.Moniquet,Deilmann-HanielVoor een grootschalig demonstratie-experiment om op een diepte van 223 min de Boomse-kleiformatie de mogelijkheid tot berging van radioactieve afval-stoffen aan te tonen, moeten de bestaande ondergrondse laboratorium-ruimten worden uitgebreid met een tweede toegangsschacht en galerijen.Dit artikel belicht de opgedane kennis en ervaring bij het bouwen van de twee-de schacht.1 | Layout van hetondergronds onderzoeks-laboratorium2 | Geologische opbouwC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 8 45G e o m e t r i eVanaf het maaiveld tot op eendiepte van 213,6 m heeft deschacht een binnendiameter van3 m. Tussen 213,6 en 214,6 mbevindt zich een conisch over-gangsgedeelte, waaronder deschacht is uitgevoerd met eenconstante binnendiameter van5 m (fig. 3).Het bovenste, smalle schachtge-deelte wordt gesteund door een3,5 m hoog ringvormig funde-ringsmassief, aangezet op eendiepte van 199,7 m en onder-steund door twee steunringen.Hetverbredeschachtgedeeltehier-onder is de schachtkamer.K u n s t m a t i g eg r o n d b e v r i e z i n gDe watervoerende lagen zijn ge-stabiliseerddoorgrondbevriezing.Hiertoe werden 16 bevriezings-pijpen tot op een diepte van circa192 m geboord, regelmatig ver-deeld over de omtrek van eencirkel met 7 m diameter, vol-doende verankerd in de ondoor-latende grondlagen (fig. 3).Deze vriespijpen werden in deactieve bevriezingsfase (tijdenshet opbouwen en sluiten van deijswand) gevoed door twee vries-aggregaten met een capaciteitvan 2 x 250 kW (440 000 kcal/h).Bij het instandhouden van deijswand (de passieve- of onder-houdsbevriezing) was slechts ??nvan deze aggregaten in werkingen stond de andere reserve.Alvorens de CaCl2-pekeloplos-sing op een temperatuur van-27 ?C in de vriespijpen te latencirculeren, werd de verticaliteitnagegaan met een inclinometeren de waterdichtheid getest metwater op een druk van 4 MPa.Omdat de verticaliteit bij ??n vande vriesbuizen te grote afwijkin-gen vertoonde, werd een zeven-tiende pijp bijgeboord.Om de progressie van het vries-front te kunnen waarnemen,werden twee temperatuurmeet-buizen tot op de volledige diepte(192 m) buiten de ijswand en ??nmeetbuis tot op een diepte van30 m binnen de ijswand aange-bracht.In de schachtas werd ten slottenog een pi?zometer geboord,zodat het tijdstip van het sluitenvan de ijswand exact kon wordenvastgesteld: na het sluiten van deijswand is er door de ijsdruk voorhetingeslotenwaterimmersgeenandere ontsnappingsroute meerdan langs deze centrale drai-nagebuis naar boven. Na circa 6weken bevriezing was de ijswandgesloten.3 | Doorsnede van de tweede schacht.De betonnotatie C is conform Eurocode 2 en de Belgische voorschriften, de notatie B is conform DIN 1045C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 846D e l v i n g s p r o c e sDe schacht werd op semi-mecha-nische wijze uitgegraven met eenpneumatische beitelhamer in hetbevroren zand en met een laad-schop in de onbevroren klei,bevestigd aan een hydraulischearm onderaan de onderste vandrie werkplatforms.Voor het grondtransport werdgebruik gemaakt van een laad-emmer met een inhoud van 1 m3(foto 4).P r i m a i r e l i n i n g i n d ew a t e r v o e r e n d e l a g e nHoewel de ijswand op zichzelfstabiel was, werd als veiligheids-maatregel tegen vallende brok-stukkeneenlaagspuitbetontegende bevroren grond aangebracht,de zogenaamde `primaire lining'.Het spuitbeton werd aangebrachtin massieve ringen van 2 m hoog.De dikte van deze lining bedroeg200 mm tot -166 m en 360 mmtussen -166 m en -187 m.Een andere werkwijze was nood-zakelijk in de reeds genoemdeovergangszone, waar verwachtwerd dat de grond door een hogergehalte aan klei bij bevriezingsterker in volume zou toenemenen een groter kruipgedrag zouvertonen dan de meer uitgespro-ken zandlagen.Om de dikte van de primairelining hier te beperken, werd eenconcept uitgewerkt met tweedoelen:- het ondersteunen van de uit-gegraven grond;- het toelaten van een geringebinnenwaartse beweging (con-vergentie), met als gevolg eenafname van de grondspanningdoor de kruipdruk van debevroren grond.Het concept bestond uit het con-strueren van een soepele bekle-ding, bestaande uit onafhanke-lijke ringen van 1 m hoog en dezeringen op te delen in twaalf vier-kantige`bouwstenen'van1x1m2,van elkaar gescheiden door twaalfsamendrukbare verticale voegenvan 100 mm dikte, bestaande uiteen pakket op elkaar gestapeldehoutwolcementplaten (foto 5).De dikte van deze soepele bekle-ding varieerde van 300 mm in debevroren kleizone tot 400 mm inde onbevroren kleizone.In tegenstelling tot de hogergelegen starre lining moest desoepele lining ook in de defini-tieve toestand bijdragen tot hetgaranderen van de stabiliteit vande schacht. De in deze zone heer-sende gronddrukken (circa 3,8MPa) waren hier immers aan-merkelijkhogerdandetegendrukgeleverd door het (nader te be-spreken) asfalt (circa 2,6 MPa).Om te beletten dat de primairelining door zijn eigen gewichtnaar beneden zou glijden, moesteen goede hechting aan deijswand worden verkregen. Eenruw delvingsoppervlak, op regel-matige afstanden in de ijswandgeklopte pinnen en een centraalgeplaatst licht wapeningsnetdroegen hieraan bij.F u n d e r i n g s m a s s i e fOm de gewichten van de secun-daire lining, het achterliggendgietasfalt en de primaire lining naontdooiing van de grond op dedieper gelegen grondlagen over tedragen, moest onder de primairelining een funderingsmassiefworden geconstrueerd.De eerste ringen onder het fun-dament, de zogenoemde `steun-ringen'moesteneveneensbijzon-der geconcipieerd worden, omdatzij een dubbele rol moesten ver-vullen:- in de tijdelijke fase het op-nemen van de verhoogde hori-zontale gronddruk die doorgewelfwerking in de grondontstaat tijdens de uitgravingvoor de fundering;- in de definitieve fase het op-nemen van de verhoogde hori-zontale gronddruk resulterenduit de verticale funderingsdruk.Door de grote uitgravingsdiame-ter (circa 8,2 m) was de faseringvan de werkzaamheden belang-rijk. Deze was als volgt:- gefaseerde uitgraving met eendiameter van 4,4 m tot op hetaanzetniveau van de steun-ringen op - 205,3 m (fig. 6);5 | Realisering van hetonderste, soepele gedeeltevan de primaire lining4 | Laademmer en laadschopvoor het delven in de kleiC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 8 47- tijdelijke beschoeiing over dehoogte van het funderings-massief met vervormbareringen, samengesteld uit voor-gebogen stalen U-vormige TH58-profielen, geplaatst om dehalve meter tegen lichte stalendamplanken;- bekleding van de 5,6 m hogezone van de steunringen metonvervormbare stalen GI 140-ringen, geplaatst om de halvemeter tegen een licht wape-ningsnet en ingebed in eenlaag spuitbeton;- bekisten en betonneren van detwee zwaar gewapende steun-ringen (beton C45/55);- van boven naar beneden ver-wijderen van de vervormbareTH-ringen en verdere gefa-seerde uitgraving van het pro-fiel van de fundering (fig. 7);- na elke uitgravingspas, tijde-lijke ondersteuning van hetkleimassief met behulp vanstarre stalen GI 140-ringentegen een licht wapeningsnet,geplaatst om de halve meteren ingebed in een laag spuit-beton;- plaatsen van drie niveaus mettwaalf injectiebuizen door hetfunderingsmassief;- wapenen, bekisten en beton-neren van het funderings-massief (beton C30/37).S e c u n d a i r e l i n i n g i n d ew a t e r v o e r e n d e l a g e nOm in de definitieve toestandde heersende gronddrukken hethoofd te bieden en de waterdicht-heid van de schacht te garan-deren, werd op de funderingeen `secundaire lining' aangezet.Deze bestond uit zeventig bovenelkaar gestapelde geprefabri-ceerde buizen, bestaande uit een2,85 m hoge stalen buitenmantelvan 8 mm dikte met een uitwen-dige diameter van 3,6 m, waarte-gen een ring was gebetonneerd(beton B45) van 2,5 m hoog, 292mm dik, met een inwendige dia-meter van 3,0 m (fig. 8).Aangezien de stalen buitenman-tel fungeert als waterdichtheids-membraan, werden de horizon-tale voegen tussen de stalenbuitenmantels systematisch nahet op elkaar stapelen van telkensdrie buizen in situ over hun heleomtrek afgelast en aansluitendover hun hele lengte visueel enmagnetisch onderzocht op onvol-komenheden. Vervolgens werdter hoogte van elke voeg de over-gebleven ruimte van 350 mmvanaf de werkvloer bekist en metterplaatsegestortbetonopgevuld.Van de aldus gevormde circa 196m hoge inwendige toren is deknikstabiliteit onder eigen ge-wicht gecontroleerd.6 | Realisering van fundament en steunringen - fase 1 7 | Realisering van fundament en steunringen - fase 2C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 848M u l t i f u n c t i o n e e l g i e t a s f a l tNa montage van de buizen werdde opening tussen secundaire enprimaire lining vanaf het maai-veld opgevuld met gietasfalt opeen temperatuur van 180 ?C enmet een densiteit van 1,3 ton/m3.Het gietasfalt, samengesteld uitbitumen en kalksteenmeel, heefteen vierledige werking :- de hydrostatische druk van hetviskeus blijvend gietasfaltmaakt evenwicht met deactieve gronddruk en zorgtvoor een perfect uniformedrukverdeling op de secundai-re lining, zodat deze enkel opdruk wordt belast (geen para-sitaire buigende momenten);- door de secundaire lining opdeze manier onafhankelijk temaken van de primaire lining,wordt de secundaire liningniet rechtstreeks belast (nega-tieve kleef) indien na ontdooi-ing verzakking van het naast-liggend terrein zou optreden(ook gunstig in gebieden waarmijnverzakkingen te vrezenzijn);- het gietasfalt vult en dicht allescheuren in de primairelining, in de grond erachter enin het funderingsmassief;- het gietasfalt beschermt destalen buitenmantel tegencorrosie.W a t e r d i c h t h e i dDe materiaalkeuze van het water-dichtheidsmembraan (staal) ende uitvoerige onafhankelijke con-troles van de lassen verminderenin belangrijke mate het risico vaneenlekindesecundairebekleding.Mocht zich door de lassen van debuizen alsnog een lek manifeste-ren, dan zal het achterliggendgietasfalt, inmiddels reeds afge-koeld tot 10 ? 15 ?C en derhalveveel viskeuzer geworden, lang-zaamdoorditlekmigrerenenaanhetbinnenoppervlakverschijnen.Het voordeel hiervan is enerzijdsdat een lek in het staal zich naaralle waarschijnlijkheid in de on-middellijke omgeving zal bevin-den van de plaats waar een bitu-menvlekaanhetbinnenoppervlakzichtbaar wordt en anderzijds datdoor de viscositeit van het giet-asfalt het debiet relatief gering zalzijn, zelfs bij hoge druk.Het grootste risico van waterinfil-tratie wordt veroorzaakt doordathet onder druk staande grondwa-ter in de zandlagen zijn weg zoukunnen zoeken door het spuitbe-ton, dat absoluut niet waterdichtis. Doch doordat de densiteit vanhet gietasfalt groter is dan vanwater,zalhetgrondwaterdoorhetasfalt worden teruggedrongen.Tevens is op het moment van aan-brengen van het gietasfalt degrond nog bevroren, zodat hetgietasfalt eerder de kans heeft omin de openingen en scheurenbinnen te dringen dan het water.Bij een temperatuur boven de100?C is het gietasfalt immersbijna zo vloeibaar als water en,wegens de thermische inertie vanhet gietasfalt, daalt deze tempera-tuur door het contact met debevroren grond de eerste dagenniet beneden 30 ?C.Als extra voorzorgsmaatregel wer-den in de primaire lining op vierniveaus horizontale openstaandevoegen van circa 20 mm dik aan-gebracht, namelijk op -187, -192,-195 en -196 m. Hierdoor kon hetgietasfalt zonodig gemakkelijkachter de primaire lining vloeienen waterdicht tegen de grond aan-sluiten.Niettegenstaande dit alles werdtijdens de uitgraving in de kleionder de steunringen toch noginsijpelend vocht geconstateerd.Blijkbaar hadden kleine grond-waterkanalentochnogergenseenweg gevonden om het funde-ringsmassief. Om deze lekken tedichten, werd via drie lagen vantwaalf injectiebuizen, die voorafals laatste maatregel radiaal doorhet funderingsmassief in debekisting waren geplaatst, hetgebied achter de constructie twee-maal ge?njecteerd met ultrafijnemicrocement.O n d e r s t e u n i n g e nc o n v e r g e n t i e v a n d eu i t g e g r a v e n k l e iNa het be?indigen van het vries-schachtgedeelte in november1998 begon de delving in de over-geconsolideerde Boomse klei.Hoewel in de bieding voorzien9 | Zicht op de werkvloer en op de soepele TH-ondersteuningsringen.Zichtbaar is de aanzet van het conische gedeelte8 | Doorsnede en detail vande secundaire liningC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 8 49was de schacht in de onbevrorenkleilaag uit te graven en te beton-neren in stappen van 1 m werd,op basis van de gunstige erva-ringen met de soepele stalenondersteuningsringen bij het ver-vaardigen van het fundament, be-sloten een analoge uitvoerings-methode te kiezen.Het gedeelte onder de steunrin-genwerdaldusover zijnvolle27,5mdiepteuitgegravenengesteunddoor 44 diafragmaringen, samen-gesteld uit vijf ? zeven segmentenvan gebogen TH 44-profielen(foto 9 en fig. 10). De segmentenwerden onderling aan elkaargekoppeld via een kort verbin-dingsprofiel. Bij iedere overlap-ping werden verbindingsprofielen segmentprofiel tegen elkaargeklemd door middel van tweespeciale geschroefde spansloten.Een verkorting van de ring tengevolge van de druk van de kleiwas enkel mogelijk indien dewrijvingsweerstand in de schuif-verbinding tussen de segmentenwerd overwonnen. Bij een aan-draaimoment in de bouten vanten minste 600 Nm trad een ver-10 | Ondersteuning en bekisting van de schachtkamerrv is de radiale verplaatsing waarmee rekening is gehoudenschuiving in de verbinding op bijeen ringkracht van 450 kN (fig. 11).Korte termijnberekeningen enparameterstudies met het eindi-ge-elementenprogrammaPLAXIShadden aangetoond dat met degegeventijdelijkeenvervormbarebekleding binnen het voorzienetijdsbestek geen convergentiesgroter dan 200 mm te verwachtenwaren. In praktijk bedroeg degrootst opgetekende diameter-verkleining 145 mm (fig. 12).De uitgravingsdiameter nam inhet conische gedeelte van deschacht toe van 4,5 m naar 7,3 m.De spanningsconcentraties terplaatse van de openingen voor degalerij-aanzetten noodzaakten eenbetonwand van 1,5 m dikte, waar-door de uitgegraven diameter indeze zone 8,7 m bedroeg.11 | Interactiediagram tussen de uitgegraven grond en de soepele bekledinga. karakteristieke curve van de uitgegraven grond: de radiaalspanning aande rand van het uitgegraven gat neemt parabolisch af naar een spannings-loze toestand bij toenemende diameterverkleining (convergentie,= tweemaal de radiale verplaatsing)b. karakteristieke curve van het soepele bekledingssysteem van TH-ringen:eerst een elastisch stijgend gedeelte met daarna een schommelend ver-loop tussen 1(overeenstemmend met een ringkracht van circa 450 kN)en 2(overeenstemmend met circa 150 kN). Na 200 mm convergentie isde schuifcapaciteit in de voegverbindingen verbruikt en resteert het- diagram van staalois de convergentie die het niet-beklede kleifront al heeft ondergaanv??r het aanbrengen van de bekleding (niet-opgemeten)E is het evenwichtspunt: bij het bereiken van de convergentie overeen-stemmend met dit punt stopt theoretisch elke verdere beweging. Dit puntwerd in Mol nooit bereikt, omdat na een maximale convergentie van145 mm gebetonneerd werd. Aangezien dan nog sprake was van `levend'gebied, was het nodig de ringen te blokkeren alvorens te betonneren.C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD i ep b o u wcement 1999 850Om rekening te houden met deconvergentie werd een spelingvan 200 mm gehanteerd tussende binnendiameter van de TH-ringen en de buitendiameter vande uiteindelijke betonnen bekle-ding.Nadat was uitgegraven tot op-232,8 m kon het betonneren star-ten. Begonnen werd met de 1,8m dikke bodemplaat. Om ervoorte zorgen dat deze enkel doorde korrelspanningen belast zouworden, werd eerst een drainage-pakket bestaande uit een geotex-tiel, filtergrind, filterzand en eendrainagebuis onder de plaat aan-gebracht.In de tweede fase werd van -231m tot -227,4 m een 800 mm dikkewand gestort, voorzien van mini-mumwapeningvolgensEurocode2.Daarna werd het 1,5 m dikke enzwaargewapende galerijgedeelteaangepakt in twee stortfasen. Dewandopeningen van 4,5 m dia-meter werden bekist met strek-metaal.Ten slotte volgde het conischgedeelte tussen -217,6 en -205,3.In deze zone, voorzien van mini-mumwapening, verliep het be-tonneren in drie fasen.De grotere diepte van het schacht-kamergedeelte enerzijds en degrote horizontale gronddrukco?f-fici?nt als gevolg van de overcon-solidatie van de klei anderzijds,maakten toepassing van beton C45/55 noodzakelijk.Om te verhinderen dat het pasgestorte beton tijdens het verhar-dingsproces onder spanning zoukomen door vervorming van dediafragmaringen,werdendering-segmenten voorafgaand aan elkebetonneringsfase geblokkeerd.G a l e r i j - a a n z e t t e nBeide galerij-aanzetten werdeneveneensvolgenshetprincipevande flexibele bekleding uitgevoerd(fig. 13).De zuidelijke galerij-aanzet werdafgesloten met een 1,5 m dikkebetonplaat. Om de druk op degalerijwand te reduceren, werdenerzijdsachterdebetonplaateendrainage geplaatst bestaande uithoutwolcementplaten en werdanderzijds tussen de galerijwanden de eindplaat een 50 mm dikkesamendrukbare laag voorzien.De eindplaat is eveneens bestandtegen de vijzelkrachten van depersinstallatie voor de later tebouwen verbindingsgalerij.De noordelijke galerij-aanzet werdafgesloten met een voorlopigebekleding bestaande uit stalenHEA 160-profielen en tussenlig-gende stalen platen. Wanneerwordt begonnen met de verbin-dingsgalerij zullen deze wordendoorgebrand.T e n s l o t t eErvaringen opgedaan tijdens hetpionierswerk bij de eerste schachten bijbehorende galerijen hebbengeleid tot een economisch verant-woorde bouw van de tweedeschacht.De keuze om de bevriezing nietmeer door te zetten tot in deBoomsekleibleekeengoedekeuze.Het roteren van een bekendeondersteuningstechniek uit detunnelbouw van horizontale naarverticale richting was een unicumin Europa.Een betere locatie om deze vrijexperimentele uitvoeringswijzevoor het eerst uit te proberen dandie van het SCK te MOL, datsteeds ten dienste staat van dewetenschap wanneer het degedragingen van de Boomse kleibetreft, was dan ook nauwelijksdenkbaar. s12 | Tijdsevolutie van dediameterverkleining(convergentie) van deondersteuningsringen13 | Ondersteuning enbekisting van de galerij-aanzetten