C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD uur zaamh eidcement 2005 6 43Een tunnel moet tijdens de tech-nische levensduur aan een zekeretechnische betrouwbaarheid blij-ven voldoen. Gebruikelijk is dezevereiste betrouwbaarheid vast teleggen in een ge?iste beschikbaar-heid. Elke tunnel moet hiertoeregelmatig worden ge?nspecteerden zonodig onderhouden.Vanzelfsprekend be?nvloeden dezeactiviteiten de beschikbaarheid.Dat beschikbaarheid belangrijk is,blijkt wel uit sommige exploitatie-contracten waarin boeteclausulesactief worden als de afgesprokenbeschikbaarheid niet wordtgehaald. In het belang van deeigenaar is daarom een zo be-trouwbaar mogelijke voorspellingvan de technische levensduur ende beschikbaarheid essentieel.Een tunnel wordt ontworpen opbasis van een mechanicamodeldat een vereenvoudigde weergaveis van de werkelijkheid. Hetmodel wordt gebruikt om de vei-ligheid van de tunnel tegen falente bepalen. Het model heeft daar-door drie fysieke onzekerheden:de belasting, de sterkte (materiaal-gedrag) en de modelonzekerheid(onzekerheid waarmee de relatietussen belasting en sterkte goedwordt benaderd). Voor het bepalenvan de technische levensduur ishet van belang de belastingen ende sterkte gedurende de levens-duur zo goed mogelijk in te schat-ten. Bovendien is het essentieelinzicht te hebben in de model-onzekerheid.B e l a s t i n g e nAan de belastingszijde van hetmechanicamodel is lange tijd hetuitgangspunt geweest dat de span-ningen in het beton van de tunnelniet worden verhoogd door span-ningen ten gevolge van het bou-wen van de tunnel. Voor bijvoor-beeld boortunnels is gebleken datdit uitgangspunt in veel gevallenonterecht is, waardoor het totaleoptredende spanningsniveauhoger is dan voorspeld [1].Bovendien kunnen deze spannin-gen in de tijd veranderen doorbijvoorbeeld krimp, kruip enrelaxatie. Aan de belastingszijdekunnen ook extra belastingenontstaan door bijvoorbeeld extramaaiveldbelastingen, zetting vande grond, wijziging van de grond-waterstand enzovoorts. Hierdoorzal de constructieve veiligheid ookvanuit de belastingszijde wordenbe?nvloed.S t e r k t eAan de sterktezijde van hetmechanicamodel wordt tegen-woordig veel aandacht besteed aande sterkteontwikkeling. De sterktevan een tunnel wordt in essentiebepaald door de sterkte van hetbeton, in samenwerking met dekracht die het betonstaal kan leve-ren. Als een van de twee compo-nenten een verval vertoont, zal detotale constructieve sterkte afne-men. Van het beton is bekend datde sterkte in de tijd nog lang toe-neemt, maar het betonstaal wordtveelal bedreigd door agressievestoffen. De huidige meest gesteldevraag is wanneer het betonstaalzal worden aangetast.Mechanismen die de sterkteaantastenEen voorbeeld van een agressievestof is chloride dat in de loop dertijd in het beton dringt. Dit chlo-ride vindt zijn oorsprong in strooi-zout of zeezout. Het strooizout,weliswaar niet toegepast in eentunnel, wordt door voertuigen totin de tunnel meegevoerd. De bui-tenzijde van tunnels kan wordenblootgesteld aan chloriden die vannature aanwezig zijn in brakgrondwater. Indien voldoendechloride en zuurstof bij de wape-ning aanwezig zijn, wordt dezeaangetast door corrosie. De grens-waarde van chloride bij de wape-ning waarop de corrosie wordtge?nitieerd, wordt het kritischeTechnische levensduurvan tunnelsdr.ir. C.B.M. Blom, Gemeentewerken Rotterdam / TU Delft, faculteit CiTGdr.ir. G.C.M. Gaal, Lloyd's Register Transport & InfrastructuurHet afwegen van en beslissen over ontwerpalternatieven voor tunnels gebeurtsteeds vaker niet alleen op basis van stichtingskosten, maar omvat ook kostenen opbrengsten (exploitatie) gedurende de gehele levensduur. De levensduurvan een tunnel kan vanuit drie invalshoeken worden benaderd: de functionele,de economische en de technische levensduur. Zolang de tunnel de voorzienefunctie (bijvoorbeeld weg- of treintunnel) kan blijven vervullen, is de functio-nele levensduur niet verstreken. Zolang geen alternatief goedkoper is dan hetblijven gebruiken van de tunnel, is de economische levensduur niet verstreken.Zolang de tunnel technisch voldoet aan de eisen, is de technische levensduurniet verstreken. In dit artikel staat dit laatste aspect centraal.Inspectie MaastunnelOnderhoud MaastunnelC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD uur zaamheidcement 2005 644chloridengehalte genoemd. Metbetrekking tot dit aantastingme-chanisme is een tweetal vragen opte lossen:? hoe lang duurt het voordat vol-doende chloride de wapeningvan de tunnel bereikt?? in welke mate neemt de sterktevan de tunnel af als door chlo-ride ge?nitieerde corrosie dewapening aantast?Voor de eerste vraag kan bijvoor-beeld een diffusiemodel wordengehanteerd (voor een uitgebreidebeschrijving van modellen voorindringing van chloriden in betonin praktijksituaties wordt verwe-zen naar [2]). Het diffusiemodelis, evenals het constructievemodel, gebaseerd op een aantaluitgangspunten. Bijvoorbeeld dathet beton van de tunnel verzadigdis op het moment dat chloriden inhet beton dringen. Op basis vanhet diffusiemodel en het kritischchloridengehalte wordt vervolgensde betrouwbaarheid van de con-structie bepaald na een levens-duur van 100 jaar. Wat betreft detweede vraag bestaat nog eenenorme kennisleemte. Zeker inrelatie tot de technische levens-duurbeschouwing. Daarom wordtover het algemeen aangenomendat op het moment dat bij hetwapeningsstaal het kritische chlo-ridengehalte wordt bereikt, dewapening niet meer meedoet inde sterkte van de tunnel.Het beschouwen van aantasting-mechanismen is relatief nieuw inhet ontwerpproces. Lange tijd isslechts de normatieve dekkingseisin combinatie met de betonkwali-teit gehanteerd als prestatie-eis.Vanuit het oogpunt van levens-duurvoorspellingen wordt hetechter belangrijk geacht niet eendeterministische waarde, maar opprobabilistiek ge?nte modellen tehanteren. Hiervan wordt verwachtdat ze de werkelijkheid beterbeschrijven. Deze modellen hante-ren van invloed zijnde parametersals stochasten (kansverdelingen),waarbij het resultaat is: het aantaljaren met een zekere betrouw-baarheid totdat verval intreedt.K r i t i s c h e o n d e r d e l e nBekende kritische punten voor detechnische levensduur van hetbetonnen deel van tunnels (dusniet het interieur als wegdek,spoorbaan, elektrificatie en ver-lichting) zijn aantastingmechanis-men waardoor uiteindelijk desterkte van de constructie vermin-dert. Daarnaast zijn altijd zorgelijkvoegprofielen, die voor waterdicht-heid zorgen, maar ook zettingver-schillen in constructieonderdelen,waardoor de waterdichtheid enconstructieve integriteit kunnenworden bedreigd.C o n t r o l e o n t w e r p -u i t g a n g s p u n t e n b i jo p l e v e r i n gVoor de berekeningen wordendiverse uitgangspunten gehan-teerd, voor zowel de belastingenals de sterkte. Het is van belang teverifi?ren of de uitgangspuntencorrect zijn geweest. Een belang-rijk ijkpunt is bijvoorbeeld deoplevering van een tunnel. Als opdat moment veel meer spannin-gen in de constructie aanwezigzijn dan tijdens het ontwerp alsuitgangspunt was aangenomen,zal dat aanzienlijke invloed heb-ben op de veiligheid tegen falen.Als daarnaast blijkt dat op hetmoment van oplevering reedsagressieve stoffen in veel groteremate in het beton zijn gedrongendan in het ontwerp als uitgangs-punt was aangenomen, zal dateveneens een aanzienlijke invloedop de veiligheid tegen falen heb-ben. Op het moment van opleve-ring kan bovendien een goedoverzicht worden gemaakt van degerealiseerde materiaalkwaliteit(bijvoorbeeld dichtheid en sterktevan het beton). Verder is hetessentieel vast te stellen of dekrachtswerking van de constructieovereenkomt met het gehanteerdemechanicamodel. Omdat de ople-vering een goed ijkpunt blijkt tezijn, wordt door veel partijengepleit voor invoering van hetzogenoemde `geboortecertificaat'.Hierin wordt de gerealiseerdekwaliteit vastgelegd, waardoor inde verdere levensduur de noodza-kelijke kennis van het project isterug te vinden om de technischelevensduurontwikkeling te kun-nen beoordelen.O n t w i k k e l i n g e n n ao p l e v e r i n gEr is ook de bewustwording dattijdens de oplevering van bouw-werken niet alleen de huidigetoestand wordt afgenomen, maareveneens de vraag wordt gesteldof het zal gaan en blijven functio-neren zoals in het ontwerp isverwacht. Ondersteunend aan hetantwoord op deze vraag wordtsteeds meer meting, inspectie enmonitoring ingezet. Zodoende zalook na oplevering een constantestroom informatie leiden tot eennauwkeuriger beeld van aanko-mend onderhoud en daarmee vanverminderde beschikbaarheid. Hetis daarbij van belang dat de juisteinformatie wordt verkregen, datdeze op de juiste wijze wordt ge?n-Renovatie IJ-tunnel:Over volle breedte van afge-sloten buis wordt gewerktRenovatie IJ-tunnel:Aanbrengen hittewerendespuitbekledingC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD uur zaamh eidcement 2005 6 45terpreteerd, dat de juiste interven-tiewaarden zijn opgesteld en datop basis hiervan de onderhouds-strategie en kostenplanning kun-nen worden aangepast. Onderdeelhiervan zal altijd zijn: wanneerleidt een investering in onderhoudtot de meest optimale situatie. Devraag die dan vaak moet wordenbeantwoord is: `is investeren inonderhoud vandaag effectieverdan wachten tot later?'P r a k t i j kIn theorie klinkt de werkwijze vanlife cycle costs voor tunnels alseen bijna triviale aanpak, maar depraktijk is aanzienlijk complexer.Het mechanicamodel dat bijvoor-beeld voor boortunnels wordtgehanteerd om de constructieveveiligheid te bepalen, gaat uit vaneen faalmechanisme. In de prak-tijk wordt verondersteld dat, alshet eerste plastische buigendemoment optreedt, de tunnel alsbezweken wordt beschouwd.Praktisch gezien zal een boortun-nel dan nog steeds stabiel zijn. Inde literatuur wordt gediscussi-eerd over het feitelijke faalmecha-nisme waaraan de boortunnel zalbezwijken (bijv. [1]). In essentieblijkt vaak geheel geen wapeningnodig om de boortunnel tijdensde exploitatie stabiel te houden.Het is daarom ter discussie ofaantasting van wapening eenesthetisch probleem is, daadwer-kelijk de constructieve veiligheidvan de tunnel in gevaar kan bren-gen of de waterdichtheid van detunnel zal bedreigen als voegpro-fielen beschadigen door afdruk-ken van beton ten gevolge vancorroderende wapening. Verder isgebleken dat in het ontwerpsta-dium het verloop van het aantas-tingmechanisme moeilijk is vastte stellen. Wel is kennis van deomstandigheden waarin de tun-nel wordt aangelegd essentieelom een goede levensduurvoor-spelling te kunnen maken. Dit isnoodzakelijk om de invoerpara-meters van de aantastingmodel-len vast te stellen zoals aanwezigchloridengehalte, vervaardigingvan de tunnelsegmenten bij boor-tunnels (verzadiging, dekkingsva-riaties), toestand van het betonbij blootstelling aan de omgeving,materiaalparameters van hetbeton enzovoort.Een opmerkelijke discussie bestaatverder over de interpretatie vanbetrouwbaarheidsgetallen. Deuitkomst van modellen is bijvoor-beeld dat met een betrouwbaarheidvan 1 ? 10-6het honderd jaar duurtvoordat het mechanisme zal optre-den. Wat betekent 1 ? 10-6? Kanaan dit getal een fysieke betekenisworden gegeven? De vertaling naarfysieke kosten, zodat een weging inhet kader van de Life Cycle Costskan worden gemaakt, is nog nietondubbelzinnig vastgesteld.P r a k t i s c h e v o o r d e l e nDe modellen zijn uiterst bruik-baar voor vergelijking van ont-werpscenario's. Een open deurhierbij is dat bijvoorbeeld groteredekking leidt tot een langerelevensduurverwachting. Een min-der voor de hand liggend begrip isdat de verzadiging met water vanhet beton bij het inbouwen vanbetonnen elementen bij boortun-nels, enorme invloed kan hebbenop het initieel indringen vanomgevingsstoffen die uiteindelijkleiden tot aantasting van de con-structieve sterkte. Als het betonuitgedroogd is, zal water metagressieve stoffen relatief snel hetbeton indringen. Het besef dat deverzadiging van betonnen elemen-ten bij het inbouwen belangrijk is,levert waardevolle optimalisatie inhet bouwproces.Het analyseren van de levensduurmet probabilistische modellenbiedt ook een aantal praktisch-potenti?le voordelen. Een spre-kend voorbeeld is dat wapening ineen bekisting altijd een wisse-lende afstand heeft tot de bekis-ting en daarmee een variabeledekking. Het komt nogal eensvoor dat, meestal niet op tijd,wordt ontdekt dat de gerealiseerdedekking in de tunnel te klein is.Dit wordt in de regel als proble-matisch gezien, maar het feit datnu bekend is wat de dekking is,biedt kansen. Met de modellenkan namelijk een inschattingworden gemaakt van de restle-vensduur bij de feitelijk vastge-stelde verdeling (standaarddevi-atie) van de gemiddelde waardevan de dekking. De verdeling vande dekking is nauwkeuriger vast-gesteld, waardoor de voorspellingzelf betrouwbaarder wordt. In veelgevallen zal dan blijken dat doorhet wegvallen van de onzekerheidover de dekking, de restlevens-duur met voldoende betrouwbaar-heid standhoudt.O n d e r z o e k e nHet is de verwachting dat, met hetoog op de Life Cycle Costs, detechnische levensduurbeschou-wing van tunnels een heel belang-rijke rol gaat spelen. Veel energiewordt gestoken in het betermaken van de te hanteren model-len, het interpreteren van de uit-komsten ervan, inspectie enmonitoringstrategie?n en onder-houdsaspecten. Zowel opEuropees niveau als in Nederlandworden onderzoeken uitgevoerddie bijdragen aan de kennisont-wikkeling omtrent de technischelevensduur van tunnels.In het kader van het constructievefaalmechanisme van tunnels is ernog steeds het beroemde wereld-wijde vraagstuk wanneer een tun-nel als bezweken moet wordenbeschouwd. Om hierop naderantwoord te kunnen geven wor-den in 2005 aan de TU Delft opware grootte proeven uitgevoerdIn de ontwerppraktijk blijken ooktegenstrijdigheden te bestaantussen bijvoorbeeld brandveilig-Kalkafzettingen in tunnels,lekkageC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gD uur zaa mh eidcement 2005 646heid en duurzaamheid. Een ten-dens treedt op dat beschermendebekleding wordt aangebracht intunnels, zoals spuitmortels. Dezemaatregel betekent een enormeimpact op de inspecteerbaarheidvan de achterliggende construc-ties. In het kader van aantasting-mechanismen is het bovendiengewenst dat het toegepaste betonheel dicht is. Immers, hierdoorkunnen schadelijke stoffen veelmoeilijker het beton intreden.Aan de andere kant vormt eendicht beton een heel moeilijkhechtingsoppervlak voor de aan tebrengen mortels. Bovendien leidtdicht beton ertoe dat bij sterkeverhitting, zoals bij een brand, deontstane stoom niet uit het betonkan treden. Hierdoor ontstaanaanzienlijke gasspanningen in hetbeton, waardoor het kan afspatten.In het ontwerp moet blijkbaar eenafweging of optimalisatie gaanplaatshebben waarbij duurzaam-heid concurreert met eigenschap-pen tegen afspatting. Door hetinvesteren in kennis op verschil-lende aspecten van brandveilig-heid, kan in de toekomst meeroverwogen een beslissing wordengenomen over de te nemen maat-regelen hiervoor. De TU Delftinitieert op dit vlak, in samenwer-king met de TU Eindhoven, TNOen een aantal marktpartijen waar-onder GemeentewerkenRotterdam, een uitgebreid onder-zoeksprogramma op het gebiedvan het constructieve betongedragonder extreme verhitting.T e n s l o t t eHet is duidelijk geworden dat detotale kosten van een tunnel nietalleen worden veroorzaakt doorde stichtingskosten, maar ookdoor de kosten en opbrengstentijdens de exploitatie.Beschikbaarheid voor exploitatiespeelt daarbij een belangrijke rol.Een betrouwbare voorspellingvan de technische levensduur vaneen tunnel, waardoor inzichtontstaat in benodigd onderhoud,herstel, beschikbaarheid en kos-ten, draagt bij aan betere afwe-gingen en beslissingen over ont-werpalternatieven. Het blijkt datnog een aanzienlijke kennisont-wikkeling nodig is om de voor-spellingen van de technischelevensduur betrouwbaar temaken. De in het ontwerp gestel-de uitgangspunten moeten gedu-rende de levensduur zoveelmogelijk worden getoetst, doorbijvoorbeeld inspectie en monito-ring. Sturing in beheer, onder-houd en onderhoudskosten wordtdan mogelijk. L i t e r a t u u r1. Blom, C.B.M., Design philo-sophy of concrete linings fortunnels in soft soils.Dissertatie TU Delft, 2002.2. Gaal, G.C.M., Prediction ofDeterioration of ConcreteBridges. Dissertatie TU Delft,2004.IJ-tunnel na renovatie klaarvoor hergebruikFoto's renovatie IJ-tunnel:Klaas LaanRenovatie IJ-tunnel:Aanbrengen spuitbetononder het wegdek