thema Wapeningscorrosie in de Maastunnel4?2013 2 thema Wapenings- corrosie in de Maastunnel In de tijd dat de Maastunnel in Rotterdam in gebruik werd genomen, bevatten uitlaatgassen nog veel lood. Een gedegen ventilatiesysteem was nodig om ervoor te zorgen, dat mensen de tunnel zonder gezond- heidsrisico's konden gebruiken. In dit ventilatiesysteem is asbest gebruikt dat in 2011 en 2012 is gesaneerd. Bij een visuele inspectie werd duidelijk dat grote delen van de wapening niet meer waren voorzien van een betondekking en dat de wapening zelf aanzienlijke corrosie vertoonde. Er ontstond zorg over de construc- tieve veiligheid. Dat terwijl de intentie bestaat de tunnel nog ten minste vijftig jaar operationeel te houden. 1 Aanpak voor de lange termijn noodzakelijk Wapeningscorrosie in de Maastunnel 4?2013 3 3 Waargenomen corrosie in de ventilatie­ kanalen van de Maastunnel 4 Een gecorrodeerde wapeningsstaaf uit de Maastunnel De Maastunnel ligt onder de Maas in Rotterdam en is een van de drie oeververbindingen in het stadscentrum. De bouw duurde van 1937 tot 1942. Toen de tunnel werd gebouwd, was het nog de vraag of beton voldoende waterdicht was. Daarom is rondom de tunnelconstructie een stalen vlies aangebracht. De Maastunnel is de eerste afgezonken betonnen tunnel ter wereld. Het afgezonken deel bestaat uit negen elementen. De voegen tussen deze zinkelementen zijn niet voorzien van bijvoorbeeld Gina-profielen zoals bij moderne zinktunnels, maar zijn star verbonden. Dit is gedaan door onder water het stalen vlies door te lassen, de wapening van de tunnelelemen- ten met elkaar te verbinden en de voegen aan te storten. De zinkelementen hebben een totale lengte van 9 ?61 m. De hoogte varieert van 8,4 tot 9,5 m en de breedte is 25 m. De constructieve betondikte van de ondervloer is ongeveer 1,1 m. De tunnel bestaat uit twee hoofdbuizen voor wegverkeer en twee boven elkaar liggende buizen voor voetgangers en fietsers (fig. 2). Onder de rijdekken voor de voertuigen zijn ventilatie- kanalen aanwezig die op regelmatige afstand ventilatiepijpen hebben naar de hoofdbuizen. Deze pijpen bevatten asbest en moesten worden gesaneerd. Omdat tevens de ventilatiekanalen waren bevuild, zijn deze ook gelijk gereinigd. Corrosie Gedurende de visuele inspectie na de sanering van de ventila- tiekanalen werd duidelijk, dat behoorlijke aantasting van de wapening was opgetreden (foto 3 en 4). Over grote delen van de onderkant van de ventilatiekanalen bleek de betondekking te zijn verdwenen en de wapening bloot te liggen. Bovendien bleek de wapening te zijn gecorrodeerd. Ook het rijdek vertoonde in iets mindere mate aantasting. Uit de metingen bleek dat er behoorlijke chlorideconcentraties rondom de wapening aanwezig waren. Deze chloriden zijn afkomstig uit dooizouten die door het ventilatieregime en door scheuren in het rijdek in de ventilatiebuizen zijn terechtgekomen. Tijdens regenachtige en sneeuwdagen wordt het beton blootgesteld aan vochtige lucht, terwijl tijdens droge dagen juist droge lucht aanwezig is. Hierdoor kunnen chloriden zeer snel het beton indringen, wordt de wapening gedepassiveerd en start de corrosie door de overvloedige aanwezigheid van vocht en zuur- stof. dr.ir. Kees Blom, ir. Diederik van Zanten Gemeentewerken Rotterdam 1 Noordzijde Maastunnel, Rotterdam 1966 foto: Olav ten Broek 2 Dwarsdoorsnede van de Maastunnel met de verkeerstunnel en de ventilatiekanalen IABSE-congres 2013 Dit artikel is gebaseerd op de paper 'Impact of corrosion on the first immersed concrete tunnel, the Maastunnel' van het IABSE-congres 2013 dat in mei in Rotterdam plaatsvond. ventilatiekanalen 2 4 3b 3a thema Wapeningscorrosie in de Maastunnel4?2013 4 juli 2011   dieptemetingen Maas sedimentenanalyse   wapeningsschouw materiaalonderzoek NL EEM-analyse probabilistiek herstel voorbereiding de?nitief herstelplan en contractfase        alternatieven herstelplan   impact tijd Een belangrijk onbekende parameter was het soortelijk gewicht van de dekking op de tunnel. Daarom zijn ook metingen gedaan naar de samenstelling van de dekking. Zonder deze metingen moest namelijk een conservatieve aanname worden gedaan voor het soortelijk gewicht van de grond. De metingen wezen op een samenstelling met een laag soortelijk gewicht. De berekeningen werden hierop aangepast en het plan om de dekking te verminderen, hoefde niet te worden uitgevoerd. Er ontstond echter wel een discussie waarom de dekking 9 m was in plaats van 2 tot 4 m. Het werd duidelijk dat tijdens de oorlog het ontwerpuitgangspunt niet in de onderhoudsplannen van de havenautoriteiten was terechtgekomen en na de oorlog was er geen aandacht meer voor. Acties Het toepassen van plasticiteitsberekeningen in plaats van elasti- sche berekeningen betekent impliciet, dat wordt ingeleverd op de totale constructieve veiligheid. Daarnaast zijn uitgangspunten gekozen voor de nog aanwezige effectieve wapening, de betons- terkte en het faalmechanisme. Dat het slechts om uitgangspunten ging, leidde tot belangrijke risico's. Er is een plan gemaakt om deze uitgangspunten te onderbouwen door nadere onderzoeken en metingen aan de wapening en het beton. Bovendien moest het bezwijkmechanisme worden bewezen met fysisch niet- lineaire eindige-elementenberekeningen. Een ander probleem was de constructieve veiligheid voor de lange duur. De plasticiteitsberekeningen waren op dat gebied niet overtuigend, aangezien het corrosieproces van de wape- ning doorgaat. Er worden op dit moment dan ook herstelplan- nen opgesteld die binnen een aantal jaren tot uitvoering kunnen komen. Daarbij wordt gebruikgemaakt van NEN 8700 en 8701, normen voor de beoordeling van de constructieve veiligheid van bestaande bouwwerken. Onmiddellijk rees de vraag of de constructieve veiligheid nog wel voldoende was om de waterdruk van meer dan 25  m te weer- staan. Om dat te bepalen is het essentieel de hoeveelheid wape- ning te weten die nog steeds effectief is. Statistische gegevens van de wapening, het beton en de belasting waren er echter niet. Op basis van observaties en in overleg met externe adviseurs is vast- gesteld, dat ten minste 25 tot 30% van de wapening effectief in rekening kon worden gebracht. Bovenal was geen scheurvor- ming waargenomen die kon duiden op een majeur falen. De originele ontwerpdocumenten bleken nog aanwezig te zijn. Opmerkelijk omdat tijdens de oorlog veel van dit soort docu- menten verloren zijn gegaan. Uit deze documenten was de oorspronkelijke wapening en de staalkwaliteit te achterhalen. Op basis van een elastische berekening en de aanname dat 25 à 30% van de wapening resteert, kon niet worden aangetoond dat de constructie voldoende veilig was. Omdat het een statisch onbepaalde constructie is, is hij echter in staat tot herverdeling van de krachten. Daarom is verdergegaan met een niet-lineaire analyse waarbij gebruik is gemaakt van de plasticiteitstheorie. Hiermee is aangetoond dat de constructieve veiligheid voldoende is bij de aanwezigheid van 25% effectieve wapening. Belasting uit dekking Een van de uitgangspunten die bepalend is bij deze berekening is de dekking op de tunnel. Deze dekking oefent immers door de oplegdruk ook een belasting uit op de ondervloer. In 2009 zijn door de havenautoriteiten metingen gedaan van de water- diepte boven de tunnel. Hieruit bleek dat er 9 m dekking aanwezig was. Uit het originele ontwerp bleek echter dat er is gerekend op 2 tot 4 m dekking bestaande uit zand. Dat bete- kent dat mogelijk een grotere belasting op de tunnel aangrijpt. Op basis van een risico-inventarisatie is een plan opgesteld om de overhoogte van de dekking te verwijderen voordat het stormseizoen zou beginnen. 5 Impact als functie van tijd met mitigerende maat- regelen voor de impact 6 Beïnvloedende factoren herstelplan 7 Impressie van de doorsne­ de van de tunnelbodem met het faalmechanisme door buiging; de belasting is de waterdruk rondom de tunnel en de bodem kan deze druk niet weerstaan 5 Wapeningscorrosie in de Maastunnel 4?2013 5 herstelplan voor nog vijftig jaar state of the art oplossingen technisch management gebruikers veiligheidsdiensten stadsverkeer politiek bevolking huidige conditie tunnelveiligheid vergunningen normen monument Mb Ma Mc EEM-analyse De maatgevende faalmechanismen voor de tunnelbodem zijn falen door buiging (fig. 7) en falen door dwarskracht. Uit de oorspronkelijke wapeningstekeningen blijkt dat de gecorro- deerde wapening van de onderste vloer niet alleen wordt toege- past ten behoeve van buiging, maar ook ten behoeve van dwarskracht (als opgebogen wapening). Voor het buigingsme- chanisme geeft herverdeling extra sterkte maar of herverdeling ook positief werkt voor het dwarskrachtmechanisme kan niet eenvoudig worden gesteld. Mogelijk heeft de reductie van de wapening hier wel een groot effect op. Hoewel de aanwezige wapening dus hoger bleek dan aanvanke- lijk werd aangenomen, is het de vraag of de hechting tussen het beton en deze wapening wel voldoende is. Belangrijkste reden van twijfel is de ontbrekende dekking. Deze aanhechting is onderzocht door TNO met behulp van de fysisch niet-lineaire berekeningen met de eindige-elementenmethode DIANA. Zeker het meenemen van de hechtingsproblematiek in EEM is innovatief. Figuur 8 illustreert enige resultaten van de fysisch niet-lineaire EEM-analyse. De belastingen op de buitenkant zijn gegeven als functie van de verticale deformatie van het midden van de tunnelvloer van een tunnelbuis (positie 'M b ' in fig. 7). Het blijkt duidelijk dat een wapeningsreductie tot nul de constructieve veiligheid laat afnemen. Er kan namelijk minder waterdruk worden weerstaan. In dit geval halveert de belasting die kan worden opgenomen ten opzichte van de ontwerpsituatie. Uit de analyse is bevestiging gekomen over het aangenomen bezwijkmechanisme in de plasticiteitsanalyse. Op basis van de uitgevoerde analyses, is komen vast te staan dat de construc- tieve veiligheid voldoet aan de eisen uit NEN 8700 en 8701. Op basis van het bovenstaande zijn drie parallelle acties uitge- zet (fig. 5): ? Het meten en analyseren van het wapeningstaal, het beton in de tunnel en de dekking op de tunnel, om de betrouw- baarheid van de uitgangspunten van de berekeningen te vergroten. ? Het maken van een fysisch niet-lineaire eindige-elementen- analyse om het faalmechanisme te onderbouwen. ? Het opstellen van een herstelplan dat binnen enkele jaren kan worden opgestart. Metingen Er zijn metingen verricht aan het beton en de wapening. Hieruit kon worden geconcludeerd dat de resterende hoeveel- heid wapening in de orde van 60% van de oorspronkelijke hoeveelheid lag, in plaats van de geschatte 25-30%. Wel is het de vraag of de hechting tussen het beton en de wapening voldoende is, omdat de dekking ontbreekt. Uit de materiaalanalyses is verder gebleken dat de chloridecon- centraties rondom de wapening de bekende grens van 0,5?1,0% overschrijden. Dit betekent dat het aannemelijk is dat depas- sivering van de wapening optreedt en daaropvolgend de corro- sie is gestart. Dit is duidelijk te zien in foto 3 en 4. Om deze chlorideconcentraties te mitigeren en de corrosie te stoppen of af te remmen, kunnen de volgende oplossingsrichtingen worden bepaald: 1 totale sanering van het beton waar deze concentraties optre- den; 2 kathodische bescherming; 3 gedeeltelijke reparaties met korte tijdsintervallen en inspec- ties. Elke oplossing heeft voor- en nadelen. Het is gebleken dat er geen optimale oplossing bestaat voor het probleem, omdat de beoordelingscriteria niet alleen puur technisch zijn. Figuur 6 laat een scala aan beïnvloedende factoren op de criteria zien. 6 7 thema Wapeningscorrosie in de Maastunnel4?2013 6 belasting door waterdruk vervorming van het midden van de tunnelbuis 100% hechting eerste scheurvorming 100% slip 0% corrosie afname wapening afname constructieve veiligheid afsluiten tunnel tunnelherstel tijdelijke afsluiting grote impact gemiddelde impact beperkte impact Conclusies ? Het is duidelijk geworden dat belangrijke betonnen kunst- werken onderhevig kunnen zijn aan zware corrosie. De onmiddellijke vraag is of de constructieve veiligheid nog is gewaarborgd. Een tekort aan gegevens zorgt ervoor, dat op basis van conservatieve uitgangspunten een uitspraak moet worden gedaan. Metingen zorgen ervoor dat de betrouwbaar- heid van de uitgangspunten groter wordt, maar metingen kosten tijd. ? Statisch onbepaalde constructies hebben de mogelijkheid tot herverdeling, waardoor alsnog kan worden aangetoond dat de constructieve veiligheid voldoet. ? Rondom corrosie bestaat veel kennis, maar vooral over het voorkomen ervan. In dit geval is corrosie al aanwezig en is kennis nodig hoe alsnog vijftig jaar functionaliteit kan worden gerealiseerd. De oplossingsruimte om corrosie te stoppen, is nog beperkt. ? Het repareren van een tunnelconstructie met corrosie kan grote impact hebben. Deze is niet alleen technisch, maar ook sociaal, economisch en politiek van aard. ? In dat daglicht moet een plan worden vastgesteld waarbij recht wordt gedaan aan de belangen van de constructieve veiligheid, de tunnel als verkeersader, de overlast die wordt veroorzaakt door herstel enzovoort. Het moge duidelijk zijn dat dit geen eenvoudige afweging is en dat weinig referentie- projecten bestaan. Momenteel wordt volop gewerkt aan het opstellen voor het plan voor de Maastunnel. Resteert nog de noodzaak tot bewustwording rondom andere, grote tunnels. De Maastunnel is immers de eerste afgezonken, betonnen tunnel. ? Herstelplan Herstelactiviteiten kunnen grote invloed hebben op de functie van de tunnel, zeker gezien het belang ervan als oeververbin- ding in de binnenstad van Rotterdam. Bovendien is de beschik- bare werkruimte in de ventilatiekanalen beperkt. Het is daarom maar de vraag of herstel mogelijk is zonder beïnvloeding van de verkeersstromen in de stad. Het afsluiten van een enkele buis heeft direct invloed op het veiligheidsconcept. Als bijvoorbeeld in de ene buis een brand uitbreekt, ontbreekt in dat geval een vluchtbuis of de mogelijk- heid voor hulpverleners in actie te komen. Om dit probleem op te lossen, kan ervoor worden gekozen de totale tunnel af te sluiten en het herstel in beide buizen tegelij- kertijd uit te voeren. De herstelwerkzaamheden nemen maanden in beslag en de oeververbinding is gedurende al die tijd niet beschikbaar voor het wegverkeer. Dit heeft grote impact op de maatschappij, de publieke evenementen in de stad en het onderhoud aan de andere oeververbindingen en primaire infrastructuur. De keuze voor het herstel is dus afhankelijk van de totale impact van de corrosie (fig. 9). Als de corrosie leidt tot een te lage constructieve veiligheid, dan moet de tunnel buiten dienst worden genomen. Hierbij speelt ook een rol hoe in de toekomst wordt omgegaan met de constructieve veiligheid. Het ongelimi- teerd laten doorgaan van de corrosie is vanuit het perspectief van goed huisvaderschap geen wenselijke optie. Tot op heden is nog geen definitief herstelplan vastgesteld. De afwegingen zullen zorgvuldig moeten plaatsvinden, omdat de impact zeer groot kan zijn (fig. 5). 8 Resultaten van de EEM-analyse: belasting als functie van de verticale verplaatsing voor een aan­ tal wapeningsconfiguraties 9 Flowchart van de impact van de corrosie 8 9