Gewapende onderwaterbetonvloer overkluist waterleiding Nabij aquaduct Veenwatering in de verdiepte ligging van de RijnlandRoute 1 Eindresultaat betonconstructie aquaduct en waterkelder 1 14? CEMENT 4 2020 De RijnlandRoute is een nieuwe wegverbinding tussen Katwijk en de A4 ten zuiden van Leiden. De weg zorgt voor een betere doorstroming in de regio Holland Rijnland, met name rond - om Leiden en Katwijk. Het eerste deel van dit omvangrijke project bestaat onder andere uit de bouw van de N434, met circa 2,5 km geboorde tunnel en 2,0 km verdiepte ligging (VDL), waarvan de uitvoering in volle gang is. Een groot deel van de verdiepte ligging is gerealiseerd, waaronder het aquaduct, de bijhorende waterkelder en de toekomstige aansluitingen op de A44. De eerste boortun - nel is klaar, de tweede boor is begonnen en de fly-overs van de aansluiting op de A4 zijn duidelijk zichtbaar. Aquaduct en waterkelder Ten zuidwesten van Leiden kruist het tracé van de verdiepte ligging de Veenwatering, een boezemwater. Om deze kruising moge- lijk te maken is het Aquaduct Veenwatering voorzien, met een totale lengte van 90 m en een maximale breedte van 42 m. Het diepste punt van de rijbaan ligt op ongeveer 7,5 m onder het maaiveld niveau. Het kunstwerk bestaat uit twee moten: een moot bevat het aquaduct en de andere moot bestaat uit de waterkelder, het techniekgebouw en de vluchtuitgangen (fig. 2). De aquaductmoot is 60 m lang en wordt over een lengte van 36 m uitgevoerd als gesloten moot, met een krui - singshoek van 30 o en heeft een diepte van 8,5 m. De waterkeldermoot is 30 m lang en is 11,5 m diep. Hierin zijn de functies van de techniekruimtes voor de tunnel, de waterkel -der en de noodtrappenhuizen gecombineerd. De betonconstructie van het aquaduct en de waterkelder worden gebouwd in één gesloten bouwkuip met tijdelijke damwan - den, stempels, ankerpalen en een (gedeelte- lijk gewapende) onderwaterbetonvloer met tijdelijke functie. De bouwkuipwanden van het aquaduct hebben een kerende hoogte van ± 8,5 m (het maaiveld ligt op NAP +0,0 m en de bovenkant van de onderwaterbeton - vloer op NAP -8,5 m). Bij de waterkelder is de kerende hoogte ± 11,5 m, omdat deze 3 m dieper ligt (bovenkant onderwaterbeton - vloer NAP -11,5 m) dan de aquaductmoot. Om die reden is een compartimenterings- scherm toegepast tussen de twee moten. De ankerpalen, voorzien van dubbelle schotels, dienen als verticale verankering voor zowel de tijdelijke onderwaterbetonvloer als de definitieve constructieve vloer. Drinkwatertransportleiding Bij de waterkelder kruist het tracé een be- staande drinkwatertransportleiding. De leiding is een belangrijk onderdeel van de drinkwatervoorziening van Leiden. De lei - ding is aangelegd doormiddel van een ge- stuurde boring van 500 m (Ø1200 mm PE100) en bevindt zich ter plaatse van de waterkelder op ongeveer NAP -31,5 m. Dit is ± 19 m onder de onderkant van de onder- waterbetonvloer (fig. 2 en 3). Voor het ankersysteem van de ver- diepte ligging is gekozen voor GEWI-palen, omdat deze trillings-en geluidsarm kunnen worden aangebracht en daarmee voldoen aan de EMVI-eisen. Dit paalsysteem is PROJECTGEGEVENS project Aquaduct Veenwatering en waterkelder, onderdeel van de verdiepte ligging van de RijnlandRoute opdrachtgever Provincie Zuid-Holland opdrachtnemer COMOL5, bestaande uit Mobilis B.V., Croonwolter&dros B.V., VINCI Construction Grands Projets S.A.S. en DEME Infra Marine Contractors B.V. Onderdeel van de RijnlandRoute is de aanleg van de N434, een nieuwe provinciale weg tussen de A44 en de A4 ten zuiden van Leiden. Een uitdaging van het project is de kruising van een bestaande drinkwaterleiding ter plaatse van een waterkelder nabij een nieuw aan te leggen aquaduct. CEMENT 4 2020 ?15 bovendien goed in staat zowel trek- als druk- belasting op te nemen. De GEWI-palen heb- ben een grote lengte (paalpuntniveau circa NAP -35 m) nodig om voldoende draagkracht te kunnen mobiliseren. Dit zorgt voor een conflict met de waterleiding. Rondom deze leiding geldt contractueel een vrije zone van 9 m. Derhalve kon over een zone van 18 m een paalfundatie met een lengte van slechts 10 m worden gerealiseerd. Dit is onvoldoende voor het afdragen van de waterdruk (hier circa 120 kPa) naar de ondergrond, waardoor een alternatief moest worden bedacht. Alternatieven Als alternatief voor een oplossing met tradi - tioneel onderwaterbeton en een regelmatig paalstramien zijn verschillende opties be- schouwd: Herverdelen in de onderwaterbetonvloer Door ter plaatse van de drinkwaterleiding uit te gaan van minder draagkracht van de palen, kon worden uitgegaan van krachts- herverdeling in het ongewapende onderwa - terbeton. Dit bleek theoretisch mogelijk, maar wel met grote vervormingen en scheu - ren. Deze optie was te risicovol, mede omdat de vloer waterkerend moet zijn. Tijdelijke ballast toepassen op de onderwa - terbetonvloer Het tekort aan geotechnische draagcapaci - teit kan worden gecompenseerd door het lokaal toepassen van ballast. Dit was uitvoe- ringstechnisch echter niet gewenst omdat de ballast moest worden geplaatst op de positie van de definitieve constructieve vloer. Ander paalsysteem In de beperkte ruimte boven de leiding kon ook een ander, korter paalsysteem worden toegepast. Echter in de fase van het project is ervoor gekozen om één paalsysteem te gebruiken voor de gehele VDL (indien moge- lijk), om geen ander materieel te hoeven gebruiken. Gedeeltelijk gewapende onderwaterbetonvloer Met het toepassen van wapening in het onder- waterbeton is het mogelijk om het tekort aan capaciteit van de korte palen te herverdelen naar de palen naast de leiding. Uiteindelijke is de optie gekozen met gedeel - telijk gewapend onderwaterbeton, omdat de risico's beperkt zijn en er geen wijzigingen aan het paaltype nodig zijn. Deze wapening is alleen benut voor de tijdelijke functie van de onderwaterbetonvloer. Het ontwerp van de vloer De gekozen oplossing bestaat uit een onder- waterbetonvloer, die ter plaatse van de krui - sing met de waterleiding gedeeltelijk is ge- wapend. Bij de (schuine) kruising met de drinkwaterleiding zijn boven de leiding kor- tere palen gebruikt met beperkte capaciteit en naast de leiding langere (schoor)palen (1:8 tot 1:16) met hogere capaciteit om het tekort aan geotechnisch draagvermogen op te vangen. Om de krachten te herverdelen van de korte naar de lange palen, is lokaal wapening toegepast in de onderwaterbeton - vloer. Figuur 3 laat een 3D-visualisatie zien van de schoorpalen, leiding, bouwkuip en de definitieve constructie. Bij het ontwerp van deze speciale vloer zijn verschillende aspecten beschouwd. Er is gekeken naar de te hanteren veilig - heidszone rondom de leiding, de benodigde constructieve berekeningen en de uitvoe- ringsaspecten. Veiligheidszone rondom de leiding In goed overleg tussen Comol5 en de be- heerder van de waterleiding zijn verschillen - de alternatieven voor een paalfundatie rondom de drinkwaterleiding onderzocht. Op basis van kennis uit inmetingen van voorgaande projecten zijn de toleranties van de ankerpalen, zowel trillend als borend, in kaart gebracht en is gekeken naar de maxi - male scheefstand die kan worden gereali - seerd. In combinatie met een voorgestelde werkmethodiek zijn de volgende randvoor- waarden voor het geotechnische ontwerp bepaald (fig. 4): De tolerantie op de gyroscopische inme- ting van de gestuurde boring is 400 mm. De veiligheidszone in verticale richting (boven de waterleiding) mag worden terug - gebracht naar 3 m. De veiligheidszone in horizontale richting mag worden teruggebracht naar 5 m. De maximale scheefstand van de anker- palen mag niet groter zijn dan 1:8. In het ontwerp moet voor de eindfase Over een zone van 18 m kon een paalfundatie met een lengte van slechts 10 m worden gerealiseerd IR. MARTIJN VAN DEN HOOGEN Ontwerpleider / Constructeur COMOL5 / Royal HaskoningDHV IR. JOOST VAN BALLEGOOIE Constructeur COMOL5 / Royal HaskoningDHV IR. JESPER VAN ES Geotechnisch Adviseur COMOL5 / Royal HaskoningDHV auteurs 16? CEMENT 4 2020 rekening worden gehouden met het wegval- len van draagkracht van de grond door het eventueel lek raken van de waterleiding. Bij deze randvoorwaarden zijn aspecten als plaatsingstoleranties, toleranties op scheef - stand van de palen, invloedzone van de paal - punt en paalschacht, vervormingscapaciteit van de leiding en geëiste veiligheidsmarges meegenomen. Een extra aandachtspunt is dat het regelmatige stramien van de palen geldt voor het niveau van de schotels in het onderwaterbeton (NAP -12 m), maar de an - kerpalen vanaf maaiveld (NAP +0 m) worden aangebracht, voorafgaand aan de ontgraving. Hierdoor kunnen afwijkingen door scheef - stand hard oplopen en dat betekent dat het uitzetten en 'richten' van de schoorpalen uiterst zorgvuldig moet plaatsvinden. Daar- om zijn de uitzetpunten op maaiveldniveau op de uitvoeringstekeningen aangegeven. Paalstramien Met de vaststelling van de randvoorwaarden (en veiligheidszone) kon het palenstramien en -plan worden bepaald. Bij het ontwerp van het palenplan komen diverse tegen - 2 Overzicht aquaduct en waterkelder 3 3D-visualisatie palenplan rondom de drinkwaterleiding, met links de waterkledermoot en rechts de aquaductmoot 2 3 CEMENT 4 2020 ?17 Met het toepassen van wapening in het onderwater­ beton is het mogelijk het tekort aan capaciteit van de korte palen te herverdelen naar de palen naast de leiding 4 Veiligheidszone rondom de drinkwaterleiding 5 Palenplan bouwkuip waterkelder op de hoogte van de schotels in de onderwaterbetonvloer met de pijlen die de schoorstand aangeven strijdige aspecten kijken. Zo is voor het ongewapende deel een regelmatig paalstra - mien in de lengterichting van de bouwkuip gewenst, maar voor het gedeelte waar de leiding kruist een palenplan die de richting van de leiding volgt. Daarnaast zijn ener- zijds zo veel mogelijk palen boven de leiding gewenst om de maximale geotechnische draagcapaciteit (het kluitgewicht) te kun - nen mobiliseren, maar anderzijds juist zo min mogelijk palen om ruimte te bieden aan de wapening in de onderwaterbeton - vloer die nodig is om de krachten te kunnen herverdelen. Na het beschouwen van verschillende configuraties is ervoor gekozen een regelma - tig paalstramien in de lengterichting van de bouwkuip toe te passen, met h.o.h.-afstanden van circa 2,3 m (t.p.v. het niveau van de schotels in de onderwaterbetonvloer, fig. 5). Constructieve berekening onderwaterbetonvloer De onderwaterbetonvloer bestaat dus uit een gewapend deel en een ongewapend deel (fig. 6). Ook de constructieve berekening van de vloer is opgesplitst in twee delen. Krachtswerking ongewapende onderwater- betonvloer? Voor de berekening van de on - gewapende onderwaterbetonvloer is CUR- Aanbeveling 77 ([1], CUR77) gebruikt. Con - form deze aanbeveling is rekening gehouden met variatie van paalstijfheden, wel of niet schuiven langs de damwand en het effect van uitvoeringstoleranties op de doorsnede van de vloer. De paalveerstijfheden zijn lineair inge- voerd alsof het gewapende deel boven de lei - ding niet aanwezig is. Omdat de maatgevende situatie in de berekening uitgaat van boog - werking onder een normaaldruk bij een vol - ledige gescheurde vloer, heeft het gewapende deel geen invloed op de momenten in het ongewapende deel. Het optredende moment wordt volgens bezwijkmechanisme B uit CUR77 immers bepaald als een statisch be- paalde ligger tussen het paalstramien: 1/8q L ². Het moment is dus volledig onafhankelijk van paalveerstijfheden en naastgelegen velden. 4 5 18? CEMENT 4 2020 Het ongewapende onderwaterbeton is ont- worpen op basis van vier stroken die maat- gevend werden geacht in de kuip (fig. 7), bepaald op basis van ingenieursinzicht, variërend in richting, lengte en aanwezige normaaldrukkracht. Dit omdat er geen dui- delijk overheersende afdrachtsrichting is, zoals in een langwerpige bouwkuip de korte richting als overheersende afdrachtsrichting wordt beschouwd. Krachtswerking gewapende onderwater- betonvloer? Het gewapende deel van de vloer is gemodelleerd als een 2D-plaatmo- del in SCIA Engineer. Door de diagonale ligging van de leiding zijn 1D-berekeningen niet toereikend. Geen stramien is hetzelfde en herverdeling zal in beide stramienrich - tingen optreden. Voor de werkwijze, uitgangs- punten en toetsingen is CUR77 gebruikt als leidraad. De stijfheidsinteractie tussen de palen en de buigstijfheid van de onderwaterbeton - vloer is belangrijk voor de optredende mo- menten in de gewapende vloer. Een deel van de korte palen heeft onvoldoende capaciteit en wordt belast tot in de plastische tak. Fy - sisch gezien betekent dit dat de palen gaan slibben. Om de effecten van de herverdeling op de buigende momenten in de vloer en de optredende paalbelastingen juist te modelle- ren, zijn de palen bi-lineair in SCIA Engineer ingevoerd, met een aftopping van de lineaire tak op de rekenwaarde van de geotechnische draagcapaciteit van de palen. Conform CUR77 is onderscheid gemaakt tussen lage stijfheid van de palen en hoge stijfheid van de damwanden en andersom, omdat beide kunnen resulteren in een maatgevende krachtswerking. Daarbinnen wordt weer onderscheid gemaakt tussen het wel en niet schuiven van de vloer langs de damwand. De effecten hiervan zijn zichtbaar in figuur 8. Het moment kan zich slechts herver- delen in het gewapende deel van de vloer. Met een lijnscharnier in het 2D-element is de overgang van het gewapende naar het ongewapende deel gemodelleerd, om de momentherverdeling te beperken tot het gewapende deel. Hiermee wordt een goede 6 Verdeling gewapend ? ongewapend onderwaterbeton 7  Berekende stroken ongewapende onderwaterbetonvloer 6 7 CEMENT 4 2020 ?19 indicatie verkregen van de optredende krachten in de vloer. Toetsen? Het ongewapende deel van de vloer is getoetst conform CUR77. Het ging hierbij om onder meer ponstoetsing en moment- en dwarskrachttoetsingen bij verschillende stijfheidsverhoudingen. Voor het gewapende deel zijn de maat- gevende optredende belastingen, die zijn be- rekend met behulp van de 2D-modellen, op UGT-capaciteit getoetst. Voor het bepalen van deze capaciteit zijn de beschikbare ruimte voor de wapening tussen de palen en de uitvoeringstoleranties van het beton- en wapeningsplaatsing van belang. Vanwege de aanwezige schotels op de palen en de bijko- mende uitvoeringstoleranties, is het deel van de doorsnede waarin kan worden gewa - pend beperkt. Hiermee is ook de hoeveel - heid wapening en daarmee de capaciteit beperkt. Voor de bepaling van de buigend momentcapaciteit per stramienbreedte is de gereduceerde breedte van de wapenings- banen in rekening gebracht (fig. 9). 8 Moment bovenzijde vloer bij verschillende stijfheden en randvoorwaarden 9 Breedtes voor momentcontrole wapening10 Toleranties wapening onderwaterbeton 11 Schematische weergave opbouw wapening onderwater 8 9 10 11 20? CEMENT 4 2020 Voor het bepalen van de minimale dikte van de vloer en de effectieve hoogte van de wa- pening zijn de uitvoeringstoleranties voor het plaatsen van de wapeningsnetten en het storten van het beton in acht genomen. Ook deze zijn bepaald op basis van CUR77 en nauwkeurig afgestemd met de onderaan- nemer die de wapening aanbrengt (fig. 10). Voor de UGT-capaciteit zijn de minimale hoogtes gehanteerd en is voor de opwaartse en neerwaartse momenten de nadelige ligging van de wapening beschouwd. De dwarskrachtcontrole van de gehele vloer is opgedeeld in drie delen: pons van de GEWI-ankers, de dwarskrachtcapaciteit langs de rand van de vloer (t.p.v damwand) en de dwarskrachtcapaciteit naast de water- leiding. De eerste twee spreken voor zich en zijn standaardtoetsen in CUR77. De derde is uitgevoerd om de extra dwarskracht door de herverdeling boven de korte palen te toetsen. Met diverse sneden in het 2D-plaat- model evenwijdig aan de leiding ter plaatse van de maximale dwarskracht (overgang korte palen - lange palen), is de maximaal optredende dwarskracht bepaald. Deze is getoetst aan de ongewapende capaciteit op basis van de doorsnede met een minimale hoogte. Voor het bepalen van de normaal - spanning uit de stempeldruk is de nominale hoogte gebruikt. Uitvoering en realisatie Bij het wapenen van het onderwaterbeton komen meer aspecten kijken dan een normale gewapende betonvloer, omdat de wapening onderwater moet worden aan - Bij het ontwerp van het palenplan komen diverse tegenstrijdige aspecten kijken MEER LEZEN Eerder verschenen in Cement twee artikelen over de RijnlandRoute: - De eyecatchers van de Rijnland- Route; - Boren tussen de A4 en de A44. 12 Wapeningsnet rand (twee gestapeld) 13 Onderwaterbetonvloer aquaductmoot CEMENT 4 2020 ?21 12 13 LITERATUUR 1?CUR-Aanbeveling 77:2001 Rekenregels voor ongewapende onderwaterbetonvloeren. De betoncon­ structie van het aquaduct en de waterkelder worden gebouwd in één gesloten bouwkuip gebracht door duikers. Om de hoeveelheid hijsbewegingen en daarmee de benodigde tijd van de duikers te beperken, is de wape- ning in zo groot mogelijke netten en/of korven aangebracht (foto 12). Deze korven moesten tussen of om de aanwezige palen passen, waarbij rekening moest worden ge- houden met uitvoeringstoleranties. De af - metingen van de korven moesten ook wor- den afgestemd op de beschikbare ruimte in het stempelraam, de hanteerbaarheid voor de duikers en de benodigde constructieve lengte voor de overlappingslassen. Een basisopbouw van de toegepast wapeningsconfiguratie is te zien in figuur 11. Bij hoeken en randen zijn speciale wape- ningsconfiguraties toegepast. Daar was extra aandacht nodig voor de juiste verankering van de wapening. Dit heeft geresulteerd in wapeningskorven met een boven- en onder- net in één korf. Het wapeningsontwerp van de korven is tot stand gekomen door goede afstemming tussen de constructeur en de uitvoerder van de gewapende onderwaterbetonvloer. Tijdens de uitvoering zijn enkele extra aandachtpunten naar voren gekomen die bij een volgend ontwerp kunnen worden mee- genomen: Het beton vloeide niet goed in de damwand - kassen, waarschijnlijk door de aanwezige wapening. Hierdoor was de vloer hier lokaal minder dik en waren er lekkages die moesten worden gedicht. Door het grote oppervlak van de vloeren is de continuïteit van de aanlevering van belang. Door problemen bij de betoncentrale en in het verkeer was de regelmatigheid van de aanvoer van het beton niet ideaal. Dit heeft geen impact gehad op de uiteindelijke kwali - teit van de vloer. Maakbaar Het ontwerp van de gewapende onderwater- betonvloer heeft zich bewezen en er is een droge bouwkuip gecreëerd (foto 13). Wel was het ontwerp een flinke technische uitdaging. Door een goede samenwerking tussen de geotechnisch adviseur, constructeurs, werk - voorbereiding en uitvoerder van het onder- waterbeton is een veilig en maakbaar ontwerp gerealiseerd (foto 1 en 14). 14 Luchtfoto betonconstructie aquaduct en waterkelder 22? CEMENT 4 2020 14