36 thema Gecombineerde weg- en spoortunnel 1 Onderwaterbetonvloer Combiplan Nijverdal berekend met PSO-methode Leo ten Brinke In de jaren zeventig presenteerde Leo ten Brinke, plaatselijk caféhouder en grafisch ontwerper, zijn plannen voor een gecombineerde weg- en spoor- tunnel door het centrum van Nijverdal (fig. 2). Hij was zijn tijd ver vooruit. Na de nodige studies naar rondwegen in de jaren tachtig werd uiteindelijk in november 2007 opdracht gegeven voor de aanleg van de gecombineerde weg- en spoortunnel. De naam van Leo ten Brinke wordt nu gehanteerd door de bouwcombinatie die in opdracht van Rijks- waterstaat de realisatie van het Combiplan verzorgt. De combinatie bestaat uit Van Hattum en Blanke - voort, Hegeman Beton- en Industriebouw, KWS en Vialis. Het project is aanbesteed op basis van een Design&Construct-contract. De combinatie is verantwoordelijk voor de uitwerking van het ontwerp, de realisatie en het onderhoud gedurende drie jaar na ingebruikname van het systeem. thema Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 37 2 De verschuiving van de as van de bestaande rijksweg 35 en de bundeling met het spoor vindt plaats over een lengte van 6 km. Ter plaatse van het centrum van Nijverdal worden spoor en weg over circa 1500 m verdiept aangelegd. Hiervan bestaat 500 m uit een gecombineerde weg- en spoortunnel. Het station van Nijverdal wordt verplaatst naar het centrum en komt in het open deel van de verdiepte ligging. Door dit project moet ook de lokale infrastructuur worden aangepast. Hiervoor worden twee onderdoorgangen voor langzaam verkeer, twee wegbrug- gen, twee spoorbruggen, een spoorviaduct en de nodige geluidsschermen gerealiseerd (fig. 3). Omgeving De beschikbare ruimte voor de verdiepte ligging, in met name het gesloten deel, is zeer beperkt. Aan beide zijden staan woningen. De beschikbare ruimte is zo krap, dat er geen ruimte is voor een middentunnelkanaal en ook niet voor bouwwegen langs het werk. Hierdoor werd in eerste instantie gedacht aan een bouw in twee fasen. Eerst de spoortunnel en vervolgens, vanaf het dak van de spoortunnel, de wegtunnel. Parallel aan de werkzaamheden voor het Combiplan is de gemeente bezig met gemeentelijke vernieuwing en de herin- richting volgend op het Combiplan. Door een goede afstem- ming met de gemeente was het mogelijk om toch een bouwweg langs het tracé te creëren. Hiermee kon de combitunnel toch in één brede bouwkuip worden gerealiseerd. Grondwater De ondergrond bestaat voornamelijk uit zand, met grind- lagen. Al komen er aan de voet van de Nijverdalseberg ook enkele stoorlagen met veen en oerhout voor. De invloed van de Nijverdalseberg is ook merkbaar bij de grondwaterstro- ming. Er is een aanzienlijk verhang van de berg naar het riviertje de Regge. De tunnel wordt evenwijdig aan de stro- mingsrichting gerealiseerd, waardoor opstuwingseffecten minimaal zijn. Het maaiveld varieert van circa NAP +13 m aan de kant van de Nijverdalseberg tot +10 m aan de oostzijde. Kenmerkend aan de grondwaterstand is de grote variatie. Uit peilbuis- metingen blijkt de waterstand te kunnen variëren van NAP +6,5 tot +9,0  m. Om een eventuele stijging van het grondwater in de komende 100 jaar te kunnen opvangen, is door de opdrachtgever een drempelhoogte voorgeschreven; aan de oostzijde NAP +10,0  m en aan de westzijde NAP  +10,5  m. De rekenwaarde voor de hoogste grondwater - stand is door de opdrachtgever vastgelegd op NAP +11,9  m. Voor het ontwerp van de tijdelijke bouwkuip is met name naar de peilbuismetingen van de afgelopen jaren gekeken. Over de jaren blijkt de grondwaterstand te dalen. Op basis van deze metingen en statistische analyses is gekozen voor een ontwerp- waterstand voor de bouwfase van NAP +8,0 m. Als borging zijn extra peilbuizen geplaatst en zijn zogeheten 'verklikkers' in de damwand aangebracht. De peilbuizen zijn continu gemonitord, Rijksweg 35 (De Grotestraat, N35) loopt dwars door Nijverdal. Om de leefbaarheid en veiligheid in het dorp te verbeteren, wordt gewerkt aan het Combiplan Nijverdal. In dit plan wordt de weg naar het noorden verplaatst naar de plek waar het spoor loopt. Een deel van de nieuwe weg en het spoor komen in een tunnel te liggen. Daarmee wordt de eerste, gecombineerde weg- en spoor - tunnel in Nederland een feit. Om de dikte van de onder - waterbetonvloer te beperken, is gerekend met de oude PSO-methode en afwijkend van de CUR  77-methode. ir. Martijn takken RO Volker InfraDesign ing. e elco de Winter RO Royal HaskoningDHV ir. Guido Meinhardt Volker InfraDesign 1 Droge bouwkuip met Gewi-ankerpalen 2 Het plan van Leo ten Brinke in de jaren zeventig Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 38 OWB d = 950 N.A.P. 3381 1725 30500 3 4 5 3 Tunneltracé: eindsituatie 2014 4 Dwarsdoorsnede gesloten tunnel 5 Om geluidsoverlast te voorkomen is een mobiel geluidsscherm geplaatst foto: Emile Willems circa 35 000 m 2 onderwaterbetonvloer met een gemiddelde dikte van 1,0 m aangebracht. De dikte van de vloer verloopt van 800 mm bij de toeritten tot 1100 mm bij de diepere delen met een waterdruk van 6,6 m ten opzichte van de onderzijde onderwaterbeton. Ter plaatse van de pompkelder is de dikte 1300 mm bij een waterdruk van 10 m. Gewi-palen De damwanden en het onderwaterbeton hebben alleen een functie in de bouwfase. In principe kan de tunnel op staal worden gefundeerd. Bij hogere grondwaterstanden moeten de open delen echter worden geborgd tegen opdrijven in de eind- fase. Vanuit uitvoerbaarheid en omgevingshinder zijn Gewi- palen toegepast als trekelementen. Deze Gewi-palen verzorgen waarbij de meetgegevens via sms'en werden verzonden. De verklikkers bestonden uit damwandplanken waarvan de boven- zijde op NAP +7,8 m was afgebrand. De tijdens de bouw gemeten grondwaterstand lag tussen NAP +6,50 m en +7,50 m. Bouwkuip De tunnel is gebouwd in een bouwkuip van verankerde stalen damwanden met een door Gewi-ankers verankerde onder- waterbetonvloer. Als alternatief is nog gekeken naar een onder - afdichting met gelinjectie. In verband met de aanwezige stoorlagen, de extra benodigde damwandlengte en de risico's, is deze variant echter afgevallen. De bouwkuip was verdeeld in secties van circa 150 tot maxi- maal 250 m bij een maximale breedte van 40 m. In totaal is Uitvoering Eerst zijn de damwanden aangebracht. Hierbij is gebruikgemaakt van een mobiel geluidsscherm om de geluidsoverlast te beper - ken (foto 5). Door de relatief lage grondwaterstand kon daarna enkele meters droog worden ontgraven. Na het aanbrengen van de verankering van de damwanden is de bouwkuip in den natte verder ontgraven. Om de transportbewegingen door het centrum te beperken, is hierbij gebruikgemaakt van persleidin- gen. Vervolgens zijn de Gewi-palen vanaf pontons gemaakt (foto 6). Na het schoonmaken van de kuip is de onderwaterbe - tonvloer gestort (foto 7). thema Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 39 6 7 6 Aanbrengen Gewi-ankers vanaf ponton 7 Storten onderwaterbeton met betonpomp 3. Toetsing van de verbinding van de ankerpaal met de onder - waterbetonvloer op pons volgens de CUR-Aanbeveling 77, met een verzwaring van de toets ten aanzien van de toleran- ties en toelaatbare schuifspanning (extra reductiefactor van 0,8). Uitgangspunten berekeningen: ? belastingsfactor op waterdruk 1,2; ? betonsterkteklasse: C28/35; in de bouwfase samen met de onderwaterbetonvloer de onder - afdichting van de bouwkuip. In het gesloten deel, wat wel zwaar genoeg is, hebben de Gewi-palen alleen een functie in de bouwfase. De palen onder het gesloten deel zijn voorzien van een enkele schotel in het onderwaterbeton (fig. 4), terwijl de palen onder de open delen ook een schotel in de constructie- vloer hebben. Het gekozen paalstramien van de Gewi-palen was het resultaat van een afweging, waarbij zowel de belastingen in de bouwfase als in de eindfase een rol speelden, maar ook praktische uitvoe- ringsaspecten van belang waren. Het stramien kent vaste rand- afstanden van 1,725 m in dwarsrichting en 1,50 m in langsrich- ting. Daartussen zijn de h.o.h.-afstanden in dwarsrichting circa 3,4 m en in langsrichting 3,6 m. Om de verticale voegbeweging te beperken, is het stramien nabij de dilatatievoegen verdicht. Voor een deel van de Gewi-palen is vermoeiing het maat- gevende criterium. Ontwerp Als gevolg van het ruime stramien met slanke Gewi-palen, is er een groot verschil in verticale stijfheid tussen de trekelemen- ten en de damwanden. In combinatie met de relatief geringe waterdruk en dus geringe normaaldrukkracht in de onder- waterbetonvloer, leidde dit ertoe dat dimensionering van de onderwaterbetonvloer volgens CUR-Aanbeveling 77 een grote dikte zou vereisen (fig. 8). Het ontwerp van de onderwaterbetonvloer is daarom gebaseerd op een traditionele modellering als puntvormig, star onder - steunde plaat 'PSO', of ook wel de 'Bouwdienst-methode' genoemd. De werkelijke momentverdeling zal afwijken van de verdeling volgens de PSO-methode, maar de praktijk heeft bewezen dat ook vloeren met relatief slappe trekankers en gedimensioneerd volgens de PSO-methode prima voldoen (Betuweroute, diverse HSL-projecten en Hubertustunnel). Ter vergelijking: bij het gesloten deel levert de PSO-methode een vloerdikte voor het onderwaterbeton van 950 mm op, terwijl bij het hanteren van de CUR-methode dit leidt tot een dikte van 2000 mm (toets 2a BGT 'zonder scheurvorming' en voor de UGT toets 3b voldoet met een dikte van 1550 mm). Dit als gevolg van een geringe normaaldrukkracht (N rep = 100 kN/m, bij een water - druk van 6,2  m), slappe ankers en stijve damwanden. De toetsingen volgens de PSO-methode bestaan uit: 1. Toetsing van betondrukspanning in de UGT (drukboog, in 3 of meer richtingen). 2. Toetsing van buigtrekspanning in de BGT (buigend moment volgens tabel 19 NEN 6720 of aanvullend met een 2D-plaat- berekening van enkele maatgevende moten; omdat niet voldaan wordt aan de randvoorwaarden die gelden voor tabel 19, bijvoorbeeld afwijkende veldlengten). Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 40 toets 1 sterkte toets in lange richting, BGT toets 2 sterkte toets in korte richting, BGT 2a (zonder scheurvorming) 2b (met scheurvorming) 2c (scheurvorming en herverdeling van momenten) toets 3 (Sterkte toets in korte richting, UGT) 3a (zonder scheurvorming) 3b (met scheurvorming) M 29,51kNm/m¹ b 0,05 N/mm² f b 1,4 N/mm² M 774kNm/m¹ N ' 100 kN/m¹ b 1,33 N/mm² f b 1,40 N/mm² x toel;waterdruk 100 mm x toel;N´ 7,9 mm x toel;max 100 mm x -20476,7 mm ' b -0,01 N/mm² f ' b;rep 25,2 N/mm² M s 88,28kNm/m¹ s1 0,001rad 0,055 0,071 s 0,621 mrad r 0,167 mrad V max 258 kN M 1608kNm/m¹ N ' 90 kN/m¹ b 2,82 N/mm² z 847 mm N ' dz 76,2 kNm 1/8 q d l 2 47,8 kNm voldoet voldoet voldoet De OWB - vloer voldoet b < fb voldoet b < fb voldoet ' b < f 'b voldoet s < r voldoet niet x > x toel;max voldoet niet u max [mm] = 5,18 u damw [mm] = 1,50 b < (f b/1,25) voldoet niet d< 1 voldoet N ' dz > 1/8 q d l 2 voldoet 8 8 Berekening moot 15 volgens de huidige CUR77 ? opbuigen van de owb-vloer na droogzetten bouwkuip (type 2); ? scheurvorming bij storten van de constructieve vloer op de owb-vloer (type 3). Scheuren door verhinderde vervorming (type 1) De scheurvorming door verhinderde vervorming (type 1) trad op voordat de kuip was drooggezet en de vloer nog niet belast werd door waterdruk. Omdat de vervorming voornamelijk wordt verhinderd door de damwanden, ontstaan scheuren dwars over de kuip en in de hoeken van kuipen. Deze scheur - vorming trad plotseling op en werd door omwonenden gevoeld en gehoord. Deze scheuren hebben een scheurwijdte van 1 tot 10 mm (foto 11). De scheuren zijn hersteld middels injectie onder water. Scheuren met een scheurwijdte groter dan 2 mm zijn met een cementgebonden materiaal geïnjecteerd om de constructieve eigenschappen te herstellen. De overige scheuren zijn met gel waterafdichtend hersteld. ? eigen gewicht: owb = 23 kN/m 3; ? belastingsfactor op het eigen gewicht 0,9; ? de minimale stempelkracht is maar voor 50% in rekening gebracht; ? minimale dikte: 800 mm; ? tolerantie bovenzijde: 75 mm; ? tolerantie onderzijde: 150 mm; ? tolerantie schotel: 100 mm; ? uitvullaag van 100 mm beton tussen onderwaterbeton en constructievloer van de spoortunnel; ? volgens de PSO-methode wordt de oplegging op de damwand verwaarloosd. De randstrook van de vloer wordt ter plaatse beschouwd als een uitkraging van 1,725 m. Voorafgaand aan de keuze voor deze ontwerpmethode is uitge- breid overleg geweest met Bouw- en Woningtoezicht van de gemeente Hellendoorn en Rijkswaterstaat. Tevens is de gehan- teerde methode voorgelegd aan externe deskundigen die betrokken waren bij de totstandkoming van de CUR-Aanbeve- ling 77. Verder zijn aanvullende plaatberekeningen gemaakt, om de effecten van de stijfheidsverschillen in beeld te brengen. Hierbij is ook het effect van stramienverdichtingen bij de voegen onderzocht. Als extra borging zijn van de eerste compartimenten, de vervormingen van de vloer bij het droogzetten gemeten. Uit deze metingen bleek, dat het onderwaterbeton niet slipt langs de damwand en dat de gehanteerde stijfheden van de Gewi- ankerpalen goed waren bepaald. Voor een Gewi-ankerpaal zijn de berekende en gemeten stijfheden (statisch op trek) in de orde van grootte van 40 à 60 MN/m (staafdiameter 50 mm, groutdiameter 180 mm). Scheurvorming Ondanks de afgewogen keuze voor de ontwerpmethode en de gedane controlemetingen, ontstonden in de onderwaterbeton- vloer scheuren (fig. 10). Hierbij waren drie typen scheuren te onderscheiden: ? scheurvorming door verhinderde vervormingen (type 1); Tabel 1 Toetsresultaten moot 15 volgens PSO-methode PSO middenveld; L x = 3,381 m en L y = 3,80 m randveld; r x = 1,725 m en r y = 1,5 m   BGT  UGT  BGT      ponsdrukboog h gem M ? b;gem ?b;min ?d;dmin ?bd Mrx ?b;gem ?b;min [mm][kNm/m]  [N/mm 2][N/mm 2][N/mm 2][N/mm 2] [kNm/m] [N/mm 2][N/mm 2] 950 55,4 0,370,540,5114,7 66,70,39 1)0,59 1) eis   ? 0,42? 0,70? 0,90? 15,75  ? 0,42? 0,70 1) met N' = 0,5 * 100 = 50 kN. thema Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 41 moot 9moot 11moot 12 moot 13 moot 14moot 15 type 2 type 1 gaat over in type 2 overige scheuren type 1 plaat l x 200 x 3 mm h plaat l x 100 x 3 mm betonstaal rond 16 mm stortrichting hoogte (h) is 2/3 van de betondikte 9 10 11 9 Tekening scheurinleider 10 Typische scheurvorming sectie moot 9 t.m. 15 11 Scheurvorming (type 1) naast een Gewi-paal De 'type 2'-scheuren waren maar beperkt watervoerend. Er waren geen aanvullende beheersmaatregelen noodzakelijk. Scheurvorming bij storten constructieve vloer (type 3) De scheur 'type 3' is weer een scheur dwars over de bouwkuip. De scheur treedt op ter plaatse van een pasgestorte moot van de constructievloer op de onderwaterbetonvloer. Deze scheur ontstaat waarschijnlijk door de momenten die in langsrichting ontstaan, omdat de onderwaterbetonvloer belast is door het stortgewicht van de moot van de constructievloer terwijl de naastgelegen moot onbelast is (zogeheten schaakbordbelas- ting). De onderliggende zandbodem heeft hierbij een negatieve invloed. Enerzijds omdat deze niet zwelt en dus geen extra steundruk onder de onderwaterbetonvloer geeft. Er is mogelijk zelfs een spleet tussen de onderwaterbetonvloer en de grond aanwezig. Anderzijds heeft de onderliggende zandbodem een negatieve invloed, omdat de waterdoorlatendheid van het zand-/grindpakket erg groot is. Hierdoor ontstaat snel een fors debiet bij scheurvorming. Deze lekkage leidt tot lekwegen in de versgestorte constructievloer. Deze scheuren (type 3) hebben daarmee invloed op de definitieve constructievloer, die daar - door moet worden hersteld. Als beheersmaatregel ter voorkoming van scheuren zijn, in de latere secties van de bouwkuip, een lager cementgehalte toegepast en scheurinleiders geplaatst. Het verlagen van het cementgehalte beperkte de opwarming, maar kon scheurvorming niet voorko- men. Daarnaast zouden kunnen worden toegepast: een low heat cement, vulstoffen met een bindend vermogen zoals poederkool- vliegas, en hulpstoffen die de verharding vertragen. Echter de vertraagde verharding heeft als consequentie dat de bouwput op een later tijdstip mag worden drooggezet. Scheurinleiders bestaan uit een driehoekig rek van betonstaal, waaraan dunne staalplaten zijn gelast (fig. 9). Deze staalplaten zorgen voor een verzwakking van de doorsnede van het onderwaterbeton. Boven op de scheur- inleider komt een ductube. Na het ontstaan van een scheur ter plaatse van de scheurinleider wordt de ductube opgeblazen. Deze ductube zorgt voor de waterdichtheid, zodat injecteren van de scheur niet nodig is. De hoogte van de scheurinleider is 2/3 van de dikte van de onderwaterbetonvloer. Ter plaatse van vrijwel alle scheurinleiders is daadwerkelijk een scheur ontstaan. De afstand tussen de scheurinleiders moet ongeveer gelijk zijn aan de breedte van de bouwkuip. Scheuren als gevolg van opbuigen (type 2) De tweede fase scheurvorming trad op na droogzetten van de bouwkuip (fig. 12). Deze scheuren (type 2) hebben een grilliger verloop. De scheuren lopen over het algemeen in langsrichting in het midden van de kuip. Een aantal scheuren buigt vervol- gens af en eindigt haaks op de langswanden. Verwacht wordt dat de 'type 2'-scheuren voortkomen uit het opbuigend moment in de vloer. De gemeten verplaatsing van de onderwa- terbetonvloer ter plaatse van de damwand is gelijk aan de gemeten verplaatsing van de damwand. In combinatie met de relatief slappe trekelementen ontstaan grote momenten in de onderwaterbetonvloer. Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013 42 0 0 verplaatsing [mm] Afstand tot de damwand [m] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 246 810 12 14 161820 12 13 12 Opbolling onderwaterbeton na droogzetten kuip 13 Combiplan Nijverdal: de eerste gecombineerde weg- en spoortunnel van Nederland Het injecteren van de scheuren, met name onder water, heeft tot bijkomende kosten geleid. Vanuit een beschouwing van de gemaakte ontwerpkeuzen en beheersmaatregelen, blijken alleen betontechnologische maatregelen en het toepassen van scheur- inleiders economisch. Verlagen van de betonsterkteklasse (wat resulteert in een circa 10% dikkere vloer) of stijvere trekele- menten, geven een minder economisch ontwerp. ? PROJeC tGeGe Vens opdrachtgever Bouwdienst Rijkswaterstaat opdrachtnemer Combinatie Leo ten Brinke civiel Van Hattum en Blankevoort, Hegeman Beton- en Industriebouw wegen KWS Infra installaties Vialis architect Hans van Heeswijk engineering Volker InfraDesign, Royal HaskoningDHV planning oplevering spoortunnel 01-08-2012 openstelling spoortunnel 01-04-2013 oplevering wegtunnel 29-10-2014 openstelling wegtunnel medio december 2014 CUR-Aanbeveling 77 CUR-Aanbeveling 77 ? 'Rekenregels voor onge - wapende onderwaterbetonvloeren' wordt momenteel herzien (zie artikel 'Herziening CUR-Aanbeveling 77 (1)'). Deze versie zal beschikbaar komen op www.cementonline.nl (voor leden) en www.cur-aanbevelingen.nl . De huidige versie is alleen beschikbaar op www.cur-aanbevelingen.nl . Conclusie Voor onderwaterbetonvloeren voor ondiepe bouwputten, met beperkte stempelkrachten en relatief slappe ankers, geeft de huidige CUR-Aanbeveling 77 oneconomische dikten voor de onderwaterbetonvloer. Een goed alternatief voor deze ontwerp- methode is op dit moment echter niet voorhanden. Voor het Combiplan is daarom teruggegrepen op de traditionele PSO- methode. Deze methode heeft zich in de praktijk bewezen, maar geeft in feite een onjuiste schematisering voor een onder - waterbetonvloer met relatief slappe ankers. Bij de PSO- methode worden de momenten in dwarsrichting onderschat en kan de vloer scheuren. Dit opbollend effect wordt wel in de CUR 77-methode meegenomen. In Nijverdal zijn deze buig- scheuren maar beperkt waargenomen en hebben niet geleid tot lekkage. De opgetreden scheurvorming die tot lekkage heeft geleid, is waarschijnlijk veroorzaakt door verhinderde vervor - mingen en momenten in langsrichting als gevolg van het stort- gewicht. Deze mechanismen worden niet in de CUR 77- of in de PSO-methode beschouwd. Het blijken echter wel fenome- nen te zijn waarmee bij het ontwerp en de uitvoering van onderwaterbetonvloeren rekening moet worden gehouden. De ervaringen opgedaan in Nijverdal, waarbij dunnere vloeren zijn gedimensioneerd met behulp van de PSO-methode voor ondiepe bouwputten, worden nu gebruikt bij het herzien van de CUR-Aanbeveling 77. ? thema Gecombineerde weg- en spoortunnel 3 2013