10 Boortunnel onder het Suezkanaal Inspectieschachten aangelegd voor inspectie en onderhoud 1 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 11 De Ismaïlia-wegtunnel is een dubbelstrooks tunnel (twee stroken per rijbaan) die het Suezkanaal ten noorden van de stad Ismaïlia kruist. Op deze plek lopen twee kanalen parallel aan elkaar: het oudere kanaal en een nieuw kanaal dat in 2015 is gebouwd. Het project maakt deel uit van een ontwikkelingsproject in de Suezkanaalzone. De voltooiing van dit project, met inbegrip van de tunnel, heeft vanwege het economische belang voor de regio, zeer hoge prioriteit in Egypte. Daarom is de beschikbare bouwtijd bijzonder kort, waardoor het ontwerp en de bouw parallel verliepen.     Scope Het project bestaat uit een ingraving, een U-vormige open bak, een cut-and-covertunnel, onder andere voor de start- en eind - schacht, waterkelders en een geboorde tunnel, bestaande uit twee parallelle tunnelbuizen (fig. 2). Twee dienstgebouwen zijn los van de tunnel geplaatst. De boortunnel ligt grotendeels onder het woestijnlandschap. Over een lengte van ruim 400 m kruist hij een woonwijk die onder meer bestaat uit apparte - mentsgebouwen met vier tot vijf verdiepingen. En de tunnel kruist beide scheepvaartkanalen van het Suezkanaal. De tunnel is gebouwd tot een maximale diepte van bijna 70 m onder maaiveldniveau. De totale lengte van de geboorde tunnels bedraagt ongeveer 4,8 km. In het tracé van de boortunnels zijn vier diepe schachten gebouwd, twee vlak vóór en twee vlak na de kruising van het Suezkanaal. Deze maakten tijdens de bouw inspecties en onderhoud onder atmosferische omstandigheden van beide tunnelboormachines mogelijk. In de boortunnel bevinden zich op elke 1000 m dwarsverbin - dingen tussen de verkeerstunnels. Deze maken evacuatie mogelijk in het geval van een calamiteit in één van de twee buizen en bieden een snelle toegang tot de ongevalsbuis voor hulpdiensten. In de zones tussen de dwarsverbindingen zorgen Het 193 km lange Suezkanaal in Egypte kan slechts op twee plaatsen via een vaste verbinding, een brug en een tunnel, door wegverkeer worden gekruist. Om de Sinaï aan de oostzijde van het kanaal beter te ontslui - ten, worden drie nieuw tunnels aangelegd. De geologische omstandigheden langs het kanaal variëren sterk waardoor voor elke tunnel een ander ontwerpconcept is gekozen. Voor de tunnel bij Ismaïlia, halverwege het Suezkanaal, is gekozen voor een combinatie van een open bak, een cut-and-covertunnel, een geboorde tunnel en vier inspectieschachten.   ir. Ronald Heijmans, ir. Evert Sonke Arcadis 1 Zicht op de volgtrein van de tunnelboormachine2 Overzicht van het project3 Geologisch lengteprofiel waterkelder westwaterkelder oost toerit west toerit oost dienstgebouw west schacht tunnel in oostelijke richting ?E1? schacht tunnel in oostelijke richting ?E2? schacht tunnel en westelijke richting ?W1? schacht tunnel en westelijke richting ?W2? ventilatie schacht gebouw west ventilatie schacht gebouw oost Suezkanaal oud Suezkanaal nieuw dienstgebouw oost woongebouwen Suezkanaal oud Suezkanaal nieuw boortunnel 4830,000 2 3 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 12 4 Startschacht5 Overzicht van de westelijke toerit met de startschacht en de volg - trein van de TBM6 Overzicht 3D-eindige-element model van de startschacht   Het bleek niet haalbaar de gehele verhoging van de grondwa - terstand te bemalen. Daardoor was het noodzakelijk rondom de bouwput afdichtende bouwputwanden en bodem toe te passen.      Startschacht De startschacht is gebouwd als rechthoekige betonnen doos in een sleuf, rondom ondersteund door diepwanden (fig. 4). De schacht is ontworpen om de boorkop en de volgtrein van de tunnelboormachine te faciliteren (foto 5). De eerste 28 m van de startschacht is voorzien van een betonnen vloerplaat die de tunnelboormachine (TBM) droeg en de vijzelkrachten van de TBM via een stalen afzetframe naar de diepwanden in langs - richting overdroeg. De bovenkant van het afzetframe is onder - steund door een dakplaat, vast verbonden met de diepwanden in langsrichting. De vloerplaat is ondersteund door diepwand - panelen (baretten) die de verticale belasting overdroegen naar een onderliggende stijve grondlaag. Om de waterstand binnen nooduitgangen voor een veilige evacuatie van tunnelgebruikers naar een vluchtgang onder het wegniveau.      Geologie De ondergrond langs het alignement bestaat voornamelijk uit middeldicht- tot dichtgepakt zand met een aantal lenzen van siltige klei (fig. 3). Het grondwaterniveau bleek aanzienlijk hoger dan het niveau van het Suezkanaal. Het verschil bedroeg tot +4,2 m bij de westelijke startschacht en zelfs +17 m bij de oostelijke ontvangstschacht. Dit was opmerkelijk, aangezien de aangetroffen zandlagen zeer doorlatend zijn. De hoge niveaus op de westelijke oever werden veroorzaakt door lekkage van irrigatiekanalen van de rivier de Nijl. Voor de oostelijke oever was het deels te wijten aan de gevolgen van de baggerwerken van de Suezkanaaluitbreiding. De natte specie werd gedumpt op de oostelijke oever en het duurde lang om te draineren. Ook aan de oostelijke kant speelde het probleem met lekkende irrigatiekanalen. as weg verlaagde waterstand betonnen vloerplaat waterdichte voeg injectielaag 3000 -25 000 diepwand grout block afzetframe helling weg: 3,3% blind-ringen +12 000 1e permanente ring dichtblok GWS +4,20 as tunnel cement-betonietwand diepwand 28 000 75 000 diepwand panelen 4 5 6 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 13 basis doorsnedeas tunnel as tunnel as tunnel dwarsverbinding toegang vluchtgang PVR tolerantie 100 mm TBM drive langsgoot 5700 5700600 11 400 5700 5700600 11 400 asfalt verharding uitvulbeton technische vloer technische vloer pijp hoofdriool uitvulbetonuitvul- beton technische vloer techni- sche vloer technische vloer pijp hoofdriool pijp hoofd- riool 5500 PVR tolerantie 100 mm TBM drive 5500 PVR5500 tolerantie 100 mm TBM drive langsgoot asfalt verharding langsgootasfalt verharding 7 Karakteristieke dwarsdoorsneden van de boortunnel; standaarddoorsnede, doorsnede ter plaatse van een dwarsverbinding en ter plaatse van een vlucht - trappenhuis.8 Segmentfabriek naast de startschacht in Ismaïlia, opgezet door Petrojet tot de dienstgang via een trap vanaf wegniveau. Deze dienen voor veilige evacuatie ter plaatse van de gebieden tussen de dwarsverbindingen in geval van een incident in de tunnel. Op twee diepe punten van elke tunnel is onder het wegdek een waterkelder geprojecteerd met een pompkamer.   Segmenten Voor de boortunnel is gekozen voor een enkele lining die bestaat uit prefab-betonnen segmentringen van 600 mm dik. Door toepassing van conische segmentenringen konden bochten en stuurcorrecties worden gemaakt. Er zijn linkse en rechtse segmenten ingezet. Een volledige ring bestaat uit acht segmenten en een sluitsteen. In de ringen is traditioneel wapeningsstaal gebruikt als constructieve wapening en PP-vezels om het risico op afspatten in het geval van brand te beperken. De segmenten zijn geproduceerd in een speci - aal ingerichte productiefaciliteit ter plaatse, bij de tunnel (foto 8).   Tussen de ringen is een enkel dichtingsprofiel aangebracht voor de waterdichting. De verwachte deformatie van de lining was de bouwkuip te kunnen verlagen, is een waterremmende injec - tielaag aangebracht op 25 m diepte.   Buiten de voorwand van de startschacht is over de volledige breedte (ca. 50 m) een 15 m dik dichtblok van lagesterktebeton (ca. 5 MPa) gemaakt, nodig om de TBM een goede start te geven. Dit blok is opgebouwd uit 1,5 m dikke diepwandpanelen die elk 0,2 m overlappen. De diepwandfrees groef telkens deels in de al gerealiseerde diepwandpanelen om een continu blok te formeren. Het dichtblok werd verder nog omhuld door een waterdichte cement-bentonietwand. De voorwand, een 1,5 m dikke diepwand aan de kopse kant van de schacht geformeerd van normale sterktebeton, werd versterkt met glasvezelwape - ning om het voor het graafwiel van de TBM mogelijk te maken de wand te doorboren.   Berekening startschacht De rekken en spanningen in het dichtblok zijn voor kritische TBM-posities berekend met het eindige-elementenprogramma PLAXIS 3D. De voorkant van het dichtblok ter plaatse van de interface met de oorspronkelijke bodem moet zijn waterdicht - heid behouden. Dit betekent dat de berekening eerst een even - wicht moest vinden, inclusief het in rekening brengen van het elasto-plastisch gedrag van het lagesterktebeton. Vervolgens moest, om de waterdichtheid te garanderen, worden gecontro - leerd of er een drukboog in het lagesterktebeton ontstond tussen de TBM en de buitenkant van het dichtblok en moest de resterende spanningstoestand worden gecontroleerd op de meest kritieke posities van de TBM (fig. 6).     Boortunnel De dwarsdoorsnede van de boortunnel werd bepaald door het wegniveau met twee rijstroken en verhoogde schampranden (fig. 7). De inwendige diameter van de tunnel bedraagt 11,4 m. Onder het wegniveau, in de ruimte die ontstaat door de cirkel - vormige doorsnede, is een dienstgang geïnstalleerd met ruimte voor kabels en leidingen. Elke 250 m wordt toegang geboden 7 8 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 14 1400 1200 1000800 600 400 200 00 30 6090 120150 180210240270 300 temperatuur [ ?C] tijd [min] 5000 as TBM onderhoudsschacht waterdichte plug diepwand C25/30 tunnel as boorrichting segmentringen 22 000onderwaterbeton egalisatiebeton 9 10 11 9 Toegepaste brandkromme (links)10 Doorbraak van de eerste TBM11 Dwarsdoorsnede van de inspectie- en ventilatieschachten met links een met glasvezelgewapende diepwand en rechts een ongewapende diepwand. wiel waardoor vele interventies nodig waren om het snijrad schoon te maken. Tijdens het proces zijn bovendien wijzigin - gen aan de TBM doorgevoerd om verstoppingen te verminde - ren en de productie te verhogen.   Doorbraak De start van de eerste TBM was op 6 juni 2016. Drie maanden later, toen ook de tweede TBM gereed was, vertrok de tweede TBM. De doorbraak in de ontvangstschacht van de eerste machine was op 4 december 2017, toen 4830 m tunnel was geboord. De doorbraak van de tweede machine volgde op 21 december. Daarmee had hij een flink deel van de achter - stand bij de start ingelopen. De maximale dagelijkse productie was 34 m. Dat is een wereld - record voor een slurrytunnelboormachine met grote diameter. De hoogste weekproductie was 206 m. Deze werd bereikt voor de laatste meters van de tunnel. Tijdens de doorbraak was de ontvangstschacht gevuld met water. Dit om ongecontroleerde instroom van grondwater langs de TBM te vermijden toen die door het dichtblok ging (foto 10). Toen de staartspleet, de ruimte tussen de liningseg - menten en de grond, volledig was gevuld met grout, werd een waterdichte verbinding gemaakt met de voorwand van de schacht en kon de ontvangstschacht worden gedraineerd. Inspectie- en ventilatieschachten Zoals aangegeven zijn vóór en na de kruising van het dermate gering dat de vervormingscapaciteit van de dichtings - profielen voldoende was om met een enkele dichting te volstaan, aan de buitenzijde van de segmenten. De segmenten worden zwaar belast op normaalkracht door de grote waterdruk, en beperkt aangesproken op buiging door de relatief hoge stijfheid van de grond. Hierdoor blijven de buigende momenten beperkt. De wapeningskorven van de segmenten moesten worden opgebouwd met gebogen staven omdat lasrobots niet tijdig beschikbaar waren voor de segment - productie. Met name voor de splijtwapening in de voegen zorgde dit voor een dicht wapeningsnet.     Brandbelasting De segmenten zijn in een brandtest onderworpen aan de RWS- brandkromme. Ze zijn twee uur belast in een oven bij het CSTB-laboratorium in Frankrijk. Hier werden de segmenten beproefd terwijl ze vijzels werden. In aanvulling op de stan - daard RWS-brandkromme is ervoor gekozen een afkoelperiode toe te voegen aan de standaardkromme (fig. 9).     Onderhoud Zoals eerder aangegeven bestaat de ondergrond hoofdzakelijk uit matig verdicht tot vast zand met over een aanzienlijke lengte siltige klei. Deze klei leidde tot verkleving van het graaf - Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 15 12 13 12 Storten van de onderwaterbetonvloer in de inspectieschacht13 Globaal beeld van 2D-axiaal-symmetrisch Plaxis De ventilatieschachten, elk met een diameter van 5 m, zijn met geprefabriceerde betonnen segmentringen opgebouwd, en vanuit de schacht naar beneden geperst (foto 14), waarbij tege - lijkertijd de grond onder de snijrand werd ontgraven. De venti - latieschachten zijn pas gebouwd nadat de TBM de inspectie - schacht weer had verlaten. De lining van de boortunnel werd met een tijdelijk stalen frame ondersteund waarna deze kon worden geopend en een in-situverbinding kon worden gemaakt met de ventilatieschacht.     Toeritconstructies De toeritten, de cut-and-coversecties voor de diepe delen en U-bakken voor ondiepe delen, zijn gebouwd in een sleuf ondersteund door diepwanden (fig. 15). Er werd voor diepwan - den gekozen voornamelijk door de beschikbaarheid van mate - rieel hiervoor in Egypte en de korte mobilisatietijd. De bouwput omvatte ook de bouw van een injectielaag van 20 ha. Deze was nodig als bodemafsluiting om toetreding van grond - water te voorkomen. De diepwanden hadden slechts een tijde - lijke functie tijdens de bouw, waardoor deze alleen op sterkte konden worden ontworpen. In de op deze wijze gevormde bouwput is de definitieve constructie gemaakt, bestaande uit een op staal gefundeerde vloer (600-1600 mm dik) en opstaande wanden met verlopende dikte van maximaal 1600 mm tot 600 mm dik). De ondiepe secties hebben uitkragende wanden en de diepe U-baksecties zijn voorzien van stempels om de krachten in de wanden en vloeren te beperken. Het diepe deel van de startschacht is afgebouwd met een dak als cut-and-covertunnel. De constructies zijn grotendeels onder grondwaterniveau gelegen en zijn voorzien van waterdichte membranen aan de buitenzijde. Om opdrijven te voorkomen, zijn de open bakken geballast met ofwel ballastbeton op de vloer in de bak of gronddekking op de vloer buiten de wanden. Suezkanaal diepe schachten gebouwd. Deze schachten zijn vóór passage van de tunnelboormachine aangebracht, waarna de TBM zich de schacht inboorde. Dankzij deze schachten kon het graafwiel in atmosferische omstandigheden worden geïnspec - teerd (fig. 11). Het gaat om vier diepe ronde schachten, met een diepte van 85 m en een diameter van 23 m. Ze zijn met behulp van 1,5 m dikke diepwandpanelen gebouwd die telkens overlappen met de eerder gestorte panelen zodat met rechte panelen de ronde vorm van de schacht redelijk kon worden benaderd. De schacht werd uitgegraven tot de ontgravingsdiepte, enkele meters onder de tunnel, met water in de schacht. De bodem werd afgesloten met een laag onderwaterbeton (foto 12) en terug aangevuld met een zand-cementmengsel over de volledige doorsnede van de TBM.   De cirkelvormige diepwandschacht werd ontworpen met behulp van een 2D-axiaal-symmetrisch Plaxis-model om de ringkrachten en de buigende momenten in de longitudinale richting (fig. 13) te berekenen. Maximale ringspanningen werden gecontroleerd met inachtname van de maximale afwij - king van de diepwandpanelen.   De schachtwand bij de doorgang van de TBM werd versterkt met glasvezelwapening, terwijl de wand ter plaatse van de uitbraak niet was versterkt. Dit zou immers een inspectie van de TBM en het eventueel verwijderen van wapeningsresten noodzakelijk maken. Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 16 36 600 18 300 9300 2.5% +2.703 +2.703 +2.8291 44 400 wegverharding ballastbeton betonnen vloer 1000 mm groutlaag 2879 3000 -9.000 1500 2360 9300 18 300 +9.000 waterdicht membraam EPDM-folie (1,5 mm) kolk- en afvoergoot 2.5% +9.000 14 Inspectieschacht met naar beneden geperste ventilatieschachten15 Constructie open toeritbak uniforme temperatuurcomponent en temperatuurgradiënten van een ondergrondse constructie kunnen niet volledig worden beoordeeld met de procedure uit EN 1991-1-5. Om de tempe - ratuurverdeling in de constructie als gevolg van niet-lineaire effecten te beoordelen, is een niet-stationaire warmtestroom - analyse uitgevoerd.   Constructief ontwerp toeritten De toeritten zijn ontworpen als open bakken, gefundeerd op staal. Door de in vergelijking met Nederland hoge temperatuur en lage luchtvochtigheid, moest worden gekeken naar tempera - tuureffecten op het gedrag van de constructie. Met name verhinderde vervormingen door de stortvolgorde en tempera - tuureffecten speelden een grote rol in het ontwerp.   Belastingen De constructie is onderworpen aan de volgende belastingen: - Eigen gewicht van de constructie - Rustende belasting van ballast en wegconstructie - Gronddruk - Waterdruk - Variabele belastingen - Directe en indirecte verkeersbelasting - Lasten tijdens bouw, zoals graafmachines e.d. - Belastingen uit de TBM, vijzelbelastingen en het gewicht van de machine en volgtrein - Belastingen veroorzaakt door de jaarlijkse en dagelijkse temperatuurvariatie. - Aardbevingsbelasting Temperatuur De 44 m brede toeritbakken krijgen te maken met intense zonnestraling en grote temperatuurvariaties. Hierdoor wil de constructie vervormen, wat gedeeltelijk door de omringende grond wordt verhinderd. Dit leidt weer tot verhoogde grond - druk tegen de wanden. Vanwege het extreme klimaat zou het niet correct zijn zonder meer de Eurocode toe te passen. Deze is immers gebaseerd op een meer gematigde klimaatzone. De 14 15 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018 17 tijd [min] positie [m] 00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 +9.00 m +5.37 m 2.5 % +5.84 m ?Tu+ ; ?Tm+ of ?T?; ?Tm- ?v1 ?v3 normale situatie: +6.20m ?v4 ?T,h1 ?h2 ?h3 ?h1 ?T,h2 ?v5 ?v6 1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10 000 11 000 12 000 radiatie [kW/m 2] temperatuur [?C] temperatuur in constructieequivalente temperatuur - gradiëntgemiddelde equivalente temperatuurstijging 16 Zonnestraling17 Temperatuurverdeling in 1000 mm dikke constructie 18 Belastingen die op de open bak aangrijpen Om inzicht te krijgen in de verhoogde zijdelingse gronddruk als gevolg van de vervormingen waartoe de temperatuurvaria - ties en gradiënten leiden, is een Plaxis-model gebouwd met volume-elementen. Deze volume-elementen werd een rek opgelegd conform het temperatuurverloop. Uitgaande van een verplaatsing naar de grond toe zal de omliggende grond zich verzetten tegen vrije beweging van de constructie, hetgeen leidt tot een verhoogde gronddruk. De analyse toonde aan dat de gronddruk ruimschoots kan verdubbelen ten opzichte van neutrale gronddruk als gevolg van temperatuuruitzetting.   Belastingscombinaties De belastingen die werken op de toeritbakken en cut-and- covertunneldelen werden aangebracht op een 3D-EEM-model. De gronddruk, die door temperatuureffecten werd verhoogd, was het dominante belastingsgeval.   Tot slot Het ontwerp en de bouw van de Ismaïlia wegtunnel in minder dan drie jaar vanaf de eerste lijn op papier tot de doorbraak van de TBM was een hele prestatie. Dit was alleen mogelijk door nauwe samenwerking tussen de ontwerper, supervisor en de opdrachtge - ver. Effectieve besluitvorming hielp bij het tot een succes maken van dit project. Als principe werden telkens robuuste technische oplossingen gekozen, omdat deze het meest waarschijnlijk zonder vertraging te realiseren waren. Toch rekte dit project de grenzen van de techniek verder op, bijvoorbeeld in het ontwerp van de segmenten -tot het uiterste belast door de grote grond- en water - druk-, diepte van de inspectieschachten en de dagelijkse voort - gang van de tunnelboormachine. ?     ? PROJECTGEGEVENS project Ismaïlia Twin Road Tunnel opdrachtgever Engineerings Authority of Armed Forces EAAF ontwerp en specificaties Arcadis ontwerpcontrole en toezicht CDM Smith en ACE uitvoering Petrojet en Concord for Engineering & Contracting JV  Het temperatuurverloop is berekend met het programma PCTempFlow. Dit programma berekent de tijdsafhankelijke temperatuurverdeling in een gelaagde structuur als functie van de tijd (fig. 17). De beschouwde geometrie is eendimensionaal. Input is de luchttemperatuur en inkomende straling (fig. 16). Als extreme luchttemperatuur is 47 °C aangehouden op het vrije oppervlak (links in fig. 17) in combinatie met straling (1050 W/m 2) voor een 1000 mm dikke wand. De berekende oppervlaktetemperatuur stijgt door de straling met 28 °C, van 47 °C tot 75 °C. Dit komt goed overeen met BS-EN-1991-1-5 tabel 5.2. Deze geeft een stijging van de oppervlaktetempera - tuur voor lichtgekleurde oppervlakten van 30 °C aan. In 24 uur varieert de luchttemperatuur van 37 °C tot 47 °C in een 10-gradenrange en straling in een halve sinuscurve van 0 tot 1050 W/m2.   Er is berekend dat de lineaire temperatuurgradiënt 33,1 °C/m is in een wand van 1000 mm dik. De equivalente temperatuurstij - ging is 12,8 °C, zoals is te lezen in figuur 17. Om de maximale beweging van de constructie te berekenen ten gevolge van temperatuureffecten is de opwarming ten opzichte van de minimale storttemperatuur berekend. Dit geeft de maximale temperatuurrange.   16 17 18 Boortunnel onder het Suezkanaal 5 2018