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 gezondheidsrisico'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 constructieve veiligheid. Dat terwijl de intentie bestaat de tunnel nog ten minste vijftig jaar operationeel te houden.
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
Reacties