? ? algemeen ontwerp ? funderingening.A.F.Groeneweg, Dirk Verstoep Funderingstechnieken bv, GorinchemOp de Cauberg in de Gemeente Valkenburg aan de Geul, naast het complex Thermae2000, wordteen casino gebouwd naar ontwerp van architect Am. Meijs Arch. bv. Het be-staat uit een half-cirkelvormige constructie met een grondoppervlak van 100 x 50 m2enis ontworpen op .een staalfundering op de draagkrachtige zandlaag. Onder het bouwter-rein voor het casino bevindt zich een onbekend gangenstelsel, ontstaan als gevolg vanmergelwinning in vroegere tijden. De locatie is dusdaniggekozen, dat het gebouw in har-monie met de natuur is en tevens past binnen dedoor de gemeente ontworpenkuurtuin.HetverplaatsenvanhetCasino naareen andere plaats op deCaubergwas daardooruitge-sloten. Derhalve diende een oplossing te worden gevonden voor het instabiele karaktervan deze oude mergelgroeve.GRONDSTABILISERING OP 60 MDIEPTE6Nadat reeds in het stenen tijdperk in het ge-bied rond Valkenburg intensief vuursteenwas gewonnen, is in elk geval vanaf de Mid-deleeuwen op grote schaal kalksteen ont-gonnen, waarbij vanuit de dalflanken de win-bare, horizontaal afgezette mergeIlaagis ge-volgd. Zo zijn in de loop der eeuwen comple-te grottensystemen ontstaan, die alleen inde omgeving van Valkenburg meer dan 70km ontginningsgangen omvatten.Voor zover dit mogelijk was zijn grote gebie-den van dit gangenstelsel in kaart gebracht.Andere gebieden laten zich alleen radendoor zichtbare maaiveldveranderingen: dezogenaamde instortingsgebieden.De groeven onder de locatie voor het casinozijn waarschijnlijk gegraven vanuit de beken-de Gemeentegrot. Deze grotten, het zoge-noemde 'Merengebied', bevinden zich opeen niveau van NAP + 70 m en verlopen na-genoeg horizontaal. De gangen zijn lood-recht op elkaar ontgonnen (fig. 1), waarbijkolommen zijn gespaard ter ondersteuningvan de bovenliggende lagen. Dit zogenoem-de zaal-grottentype kent een gangenstelselmet afmetingen van 3 tot 5 m breed en 2 tot4 mhoog. De winningsgraad ligt op 50 tot70%.Bij voortschrijdende ontgraving had drukver-hoging plaats in de gespaarde wanden enpijlers en wel zodanig, dat het mergelmate-riaalnogjuistde bovenbelasting kon dragen.Ondanks primitieve middelen wist men vrijnauwkeurig te bepalen hoeveel men konontgraven. Via zogenoemde 'martelpijpen'werden gebieden verkend op hardheid vanhet materiaal en op draagvermogen van deresterende mergelconstructie. Bij het 'zin-gen' van de zaag, als voorbode van mogelij-ke instortingen, verliet men de desbetreffen-de gang en probeerde het elders opnieuw.De oorzaak voor het instorten van een mer-gelgroeve is vooral gelegen in destabilisatie"en kruipprocessen ten gevolge van hoge be-lastingen, die in de loop van de tijd kunnenleiden tot verzakking en uiteindelijk tot in-storten van de pijlers. In figuur 2 is hetinstor-tingsmechanisme schematisch weergege-ven.Het tijdsbestek waarover dit verval plaats-heeft is, behoudens van de kwaliteit van hetgesteente, onder meer afhankelgk van hetwinningspercentage en van de verhoudingbelasting versus draagvermogen van de pij-lers en wanden van de grotten.In de omgeving van de Cauberg wordt geenmergelsteen meer gewonnen, maar dage-lijks bezoeken nog vele mensen de mergel-groeven in Valkenburg. Grote delen van dezegroeven zijn als gevolg van reeds ingestorte,dan wel met instorting bedreigde zalen ofgangen niet meer toegankelijk. Tevens wordthet gebruik van de bovenliggende grondenbeperkt.GrondonderzoekIn hetvoorjaarvan 1995 is op verzoekvan degemeente Valkenburg aan de Geul door hetingenieursbureau r+k een onderzoek ver-richt naar de mogelijke aanwezigheid vanholten onder het geprojecteerde casino-complex. Geconstateerd werd dat zich on-dereen gedeeltevan hetproject groeven be-vonden waarvan het bestaan niet bekendwas. Een opmetingskaart van de Inspecteurder Mijnen uit 1868 verschafte geen aanwij-zingen dat zich daar groeven zouden bevin-den. Wel was een deel van de naastgelegenGemeentegrot (Romeins gedeelte) aange-geven.CEMENT1997/2CD Situatie nieuw te bouwen casino in het Valkenburgse grottengebied-------- "-Romeins gedeelte"~! I1: !I 1J I 1 I'j ! IIaCEMENT1997/2-;'1'\1 : I 1/1\++- I ~IIIII ~JjJ' I l\IJb c@ Instortingsmechanisme schematischa. verticale scheurontwikkelingb. uitknikken z?vlakken, afname dragendedoorsneden en afspringen schollenc. toestand kort voor bezw?ken7? ? constructief ontwerp ? funderingen? Geologisch profiel uit figuur 1Hetterrein op de Cauberg met zijn grillige ka-rakter zoals kraters als gevolg van lokale in-stortingen en dolinen (trechtervormige ga-ten als gevolg van instortingen onderin),duidt op de aanwezigheid van grotten.Een zaalinstorting zoals heeft plaatsgehadin de Heidegroeve in 1988 met een maai"veldzakkingvan 0,80 m zou desastreuze ge-volgen hebben voor een gebouwdatzijn hori-zontale stabiliteit vooral ontleent aan deomliggende grond en waarbij deverticale be-lastingen op de ondergrond worden overge~bracht door een staalfundering.Toegankelijke grotten met een beperkt in-stortingsrisico kunnen door middel van in"spectie en/of monitoring worden gecontro-leerd en waar nodigworden versterkt. Echterin het voorliggende geval was de groeve niettoegankelijk en diende te worden gezochtnaar een versterkingsmethodiek van boven-af.Voor de oplossing van instabiele ondergrondis vooral de geologische samenstelling vande lagen boven het groeveniveau van be-lang.Het huidige maaiveld ligt op NAP + 133 m(fig. 3), waaronder zich tot NAP + 127 m dekwartaire Maasterrassen bevinden, be-staande uit een laag l?ssleem en grind mettoenemende korrelgrootte. De onderstegrindlaag bestaat uit grof grind en keien.Van NAP + 127 m tot NAP + 100 m bevindtzich de tertiaire zandlaag met een zeer fijnekorrelgrootte (formatie van Tongeren). Daar-onder tot NAP + 63 m ligt de bovenzijde vande krijtformatie. Deze formatie van Maas-tricht, gevormd doorhetafsterven vanmicro-organismen en grotere schelpdieren en vis-sen inde destijdsaanwezige maritieme om-geving, bestaat uit de laag van Meerssen,eenzachtekrijtlaag van NAP +100mtotNAP+ 80 m; de laag van Nekum, een vaste grof-korrelige krijtlaag van NAP + 80 rn tot NAP +69 m, welke voornamelijk werd gebruiktvoormergelwinning en daarondertot NAP +63 mde laag van Emael, een fijnkorrelig krijt metvaste vuursteenlagen, vaak de bodem vor-mend van de groeven.Keuze funderingDoor de aannemer is aan de opdrachtgevereen tweetal voorstellen als oplossing voorhet instabiliteitsprobleem van de onder-grond voorgelegd:- het toepassen van een 'flexibel' paaIsys-teem onder hetgebouw, gefundeerd op devuursteenlaag, waarbij vervormingen inhet horizontale en in het verticale vlak vancirca 1 m kunnen worden opgenomen;-het wegnemen van hetinstabiele karakterdoor het vullen van de holten.Indien zou worden gekozen voor hetpaaIsys-teem dan zou het ontwerp van het gebouwingrijpendmoeten wordengewijzigd: immersde onderbouw van het casino moest dan alsstijve doos worden uitgevoerd.Gekozen werd voor hetvullen van de holten.Doel van dit opvullen was eerder een duur-zame zijdelingse ondersteuning van de pij-lers en wanden die de verticale lasten op-vangen, dan een doorgaande ondersteu-ning van de plafonds van de groeven (fig. 4).Hiermede wordt het degeneratieproces datde pijlers ondergaan, stilgelegd.In Nederland is dit de primeurvoorhetstabi-liseren van de ondergrond door middel vanhet vullen van holten. Deze techniek is inDuitsland, Engeland en Noord-Frankrijk alveelvuldig toegepast. Zo werden in het Duit-se Roergebied voor de bouw van een afval-waterkanaal, doorg?sloten steenkolenmij-nen veroorzaakte holten in de ondergrondopgevuld met een mengsel van grind, ce-menten water. In Berlijn werden holten uit debruinkoolwinning door het injecteren meteen mengsel van bruinkoolfilteras en wateropgevuld. Een direct vergelijkbaar projectmet de Cauberg is het opvullen van mergel-groeven in de 'East Castle Mine Area' in En-geland met mengsels van zand en water enpasta's van steenkoolfilteras en water.Bij het opvullen van de holten wordt de bui-tenste begrenzing bepaald door de minima-@) Zijdelingse steun van de wanden doorgroutmengsel8 CEMENT1997/22001BO+----+---+~--+~--tII-\--\-+--I\: / II I II / .I / I1/ Il~ II! \ II \ Ii \ I_,I?i-----s>-afstand zijkant gellouw tot veiligheidsgrens Io 20 40 J;l 60 BO 1001200+-~+~--tt-~-t---t-~-t----1\ i:r:: 201+-~++--tt-~-t---t-~-t-~--t:g Ill! 1'j I]i ~ --- --- ~i BO'+--~+-+\-c+-+---+---+--------I~ \Cl ~f---------'f----~t-----\t--+--+-~I~~ 12O+-----f-~---f---+!\\-----+--+-______I.l'! \i140+----+----+-----+--\-\+---+--1160+--+-+--t----\t---t----1? Afstand zijkant gebouw tot veiligheids-grens (/) als functie van de diepte van degroeve onder het maaiveld (H)bron: Departement ofthe Environment, Lon-donsterkte van de mergel en de hoogte van derustende belasting door de boven de groe-ven gelegen grondlagen. De UnconfinedCompressive Strength (UCS) van de mergelin de laag van Nekum is 2 MPa. Met een ge~middelde hoogte van de tertiaire deklaagvan circa 50 m wordt de belasting op grotni-veau circa 800kN/m2.Het winningspercentage wis dan te bepalenuit:(0,8/2,0) x 100% = 100% - wwaaruit w = 60%.Met een vermoedel?ke grothoogte van ge-middeld 3 m is de te verwachten hoeveel-heid vulmateriaal op 20 000 m3 gecalcu-leerd.Zoals eerder vermeld zijn de onderhavigegroeven niet toegankel?k; het vullen dientderhalve van bovenafplaats te hebben. Vooreen systematische vulling is een boorrasterbepaald met een steek van respectievelijk26,5 m (basisraster, A), 15 m (8) en 8,5 m(C) (fig. 7).Voor het onderzoeken van het 'zekere' ge-deelte dienen de beschikbare resultatenbinnen de veiligheidszone buiten het ge-deelte van de gemeentegrot, te worden aan-gevuld door een driehoeksraster van 15 m(8). Voor het opvullen van het 'onzekere' ge-deelte wordt uitgegaan van een raster van8,5m.Ditrastergeefteen totaal van 239 boringen.Het te vullen gebied wordt hiermee bepaaldop circa 28 000 m2? Door het reeds eerderuitgevoerde onderzoek is een scheidslijnvastgesteld, waarbij het zuidwestelijk deelals mogelijk vr? van holten kon worden aan-gemerktenhet deel aan de Valkenburgse z?-de als 'onzeker' gebied. Hetonzekere opper-vlak bedraagt nog zo'n 11 000 m2,Om te komen tot een vermoedel?ke groeve-inhoud is het winningspercentage van be-lang. In Valkenburg en omgeving is gewon-nen tot 70%. Dit is echter afhankel?k van deIe horizontale afstand I van de fundering vanhetgebouwtotaan de rand van een mogelijkinstortingsgebied op het niveau van de grot"ten, waarbij de schade aan het gebouw nihilof verwaarloosbaar zal zijn (fig. 5).Conform de publicatie van het Departementofthe Environment, London, wordt de scha-degrens bepaald door de maximale toelaat-bare rek in de grond ter plaatse van een ge-bouw. De grens voor lichte tot verwaarloos-bare schade is een horizontaal verplaat-singsverschil van 3 cm over de lengte vanhet gebouw. Bij een onderkant grotniveauvan 53 m minus aanlegniveau van de onderhet casino gelegen parkeerkelder, levert diteen veiligheidszone rondom hetgebouwvan42 m breedte. De ankerconstructie van deparkeerkelder van het casino reikt hier nog17 m buiten, wat een uiteindel?ke veilig-heidsafstand levert van 60 m (fig. 6).? Veiligheidscontour om het gebouw ([) Raster voor 239 boringen1.~eid?egroeve '---,.. II \ insfprtingsgellied\.Ii.-----.-.-_.--JA 26,5 304B 1~3 97( 8,8 31CEMENT1997/2 9? ? uitvoeringstechniek ? funderingenUitvoeren boringenDe holten bevinden zich tussen 50 en 60 mbeneden maaiveld; de bovenkant van demergel bevindt zich op circa 30 m benedenmaaiveld (fig. 3).Voor het uitvoeren van deboringen is een di-rect-spoelboorsysteem gebruikelijk. Hierbijwordt doormiddel van het injecteren van wa-ter via de boorbuis, met een bladbeitel totaan de silexlaag een boorgat met een dia-meter van 150 mm gemaakt. De beperktebeschikbare hoeveelheid water en boven-dien het benodigde water voor het te ver"pompen mengsel, maakte een alternatiefdroogboorsysteem noodzakelijk.In plaats van water kan ook lucht als trans-portmiddel voor het boorslijpsel worden ge-bruikt. Het aanwezige zandpakket in de ter-tiaire deklaag is echter dermate fijn van kor-rel, dat het boorgat regelmatigverstopt raak-te. Gezien denoodzaak in de lagen metgrinden keien met een avegaar te boren, is hierover de gehele diepte met een avegaar ge-boord. Speciaal voor dit project werden tweeavegaarboren met elk een totale lengte van60 m ontwikkeld. De boorstang bestaat uiteen holle buis met een opgelaste spiraalmeteen spoed van 125 mmo De stangen zijn2 m lang en worden door middel van eensnelkoppeling met elkaar verbonden. Deboor bestaat uit een hardstalen punt, ietsbreder dan de spiraal, die op gezette tijdenmoet worden opgelast om slijtage van despiraal te voorkomen.In totaal zijn drie boormachines ingezettwee boorstellingen op vrachtwagenonder-stel (foto 8), waarvan ??n is uitgerust als di-rect-spoelboorsysteem (foto 9) en eenKlemm"boormachine op een rupsonderstel(foto 10).De KR 803 Dbeschikt over een hy-draulisch mastsysteem, waardoor onder el-ke gewenste hoek kon worden geboord. Al-hoewel hier, met minimale afwijking, lood-rechtgeboord moestworden, biedt deze ma-chine vele mogelijkheden op een helling; opde Cauberg maximaal 11".Het boorgat werd in ??n keer tot aan de vuur-steenlaag (silex) gemaakt, zonder in de on-stabiele grindlagen gebruik te hoeven ma-ken van casings. Bij het wegvallen van deboordruk werd aan de hand van de in totaalingebrachte hoeveelheid boorstangen, hetdakniveau van de grotten bepaald. Nadat deonderkant van de grot was bereikt werd ver"volgens doorgeboord tot aan de silex. Op ba-sis van een kwaliteitssysteem werden allegegevens geregistreerd en dagelijks ver-werkt. Hierdoorwerd direct inzichtverkregenin de aanwezigheid van holten en de hoog-ten hiervan.Bij het aanboren van een holle ruimte werdde boor uitgetrokken en werd tot aan hetgrotplafond een pvc-casing met een diame-ter van 110 mm ingebracht. Deze casingsdienden in eerste instantie voor het in standhouden van het boorgat en later als trans"portleiding voor het vulmiddel.De 239boorgaten werden in eentijdsbestekvan 3 maanden uitgevoerd, met een maxi-male dagproductie van twee boorgaten permachine.De gevonden holten duidden op een voorhet overgrote deel intact zijnd grottensys-teem. Slechts enkele boringen lieten holtenop meer dan ??n niveau zien, hetgeen wilzeggen dat hiersprake was van een naar bo-ven gerichte instorting.Over hetalgemeen waren de hoogten van degroeve 2,4 m, met enkele uitschieters naar4,Om.In het 'zekere' deel zijn in de hoger gelegenmergellagen zwakkere plekken geconsta-teerd, hetgeen wijst op de aanwezigheid vankarsten dan wel dissolutiegaten. Karstenzijn horizontale spleten waardoorzichgrond-water verplaatst, dissolutiegaten ontstaandoor het oplossen van kalkmateriaal in hetlangsstromend grondwater.Alhoewel de gehanteerde boorsystemen zo-wel milieuvriendelijk als geluidsarm mogenworden aangemerkt, werd het boren toch totver in de Gemeentegrot waargenomen.? Avegaar-boorsysteem op vrachtwagen10? Direct-spoelboorsysteem op vrachtwagenCEMENT1997/2? Avegaar-boorsysteem op Klemm-boormachine KR 803 0VulmateriaalVoor de keuze van het vulmateriaal is eenvooronderzoek uitgevoerd. In eerste instan-tie werd gedacht aan een zand-cement-mengsel met gebruikmaking van de vr?ko-mende zandlagen uit de ontgraving voor deparkeerkelder van het casino. Uit een naderuitgevoerd grondonderzoek bleek de hoe-veelheid bruikbaar zand te gering en hetvochtigheidsgehalte te wisselend. De logis-tieke problemen in ogenschouw nemend(het ontgraven en elders opslaan van circa60000 m3 zand tegel?kert?d met het uitvoe-ren van de boringen) werd besloten hetzand-cementmengsel niet OP de bouw-plaats te mengen.Strevend naar een mengsel met continuekwaliteit is gekozen voor D?mmer, een pro-duct van Anneliese Zementwerke AG. Ditproduct, met hydraulische eigenschappen,is oorspronkel?k ontwikkeld voor de m?n-bouwen is samengesteld uit portlandce-ment, mergel, klei en gips. Verlaten m?n-schachten en gangen werden hiermee ge-vuld. De eigenschappen van het mengselz?n gebaseerd op het vullen van grote ruim-ten, waarb? het over grote afstanden ver-pompt moet kunnen worden en b? grote val-hoogte niet ontmengt. Daarnaast heeft heteen zeer geringe krimp b? een relatief hogewater/droge stoffactor.Noch in de Nederlandse, noch in de Duitsenormen worden exacte eisen gesteld aan in-CEMENT1997/2@ D?mmer-mengerjectiemateriaal voor deze toepassingen. Desamenstelling ervan is op basis van proef-mengsels en ervaring gekozen. De toepas-sing van het mengsel is door de provincialeoverheid getoetst op het door de provinciesopgestelde interim beleid 'Werken met se-cundaire grondstoffen'. Hierin Z?n zowel re-gelsten aanzien van de w?ze van toepassingopgenomen, als normen ten aanzienvan sa"menstelling en uitloging. Met name wordtgesteld dat het materiaal zich niet mag ver-mengen metde ondergrond en dathetzoda"nigwordttoegepast, dat het kan worden ver-wijderd.De technische eisen die aan het mengselwerden gesteld waren:? minimale druksterkte na 28 dagen:2 N/mm2;? krimp na 56 dagen: ~ 1%;? bezinking na 2 uur: < 2% en na 24 uur:
Reacties