ir.A.Wittemansir.L.AertsBijzondere Studiedienst Pr?-metroMIVA, Antwerpen.Ondergronds bouwen vantunnels en stations teAntwerpenVanwege de toenemende verkeersproblemen in de stad Antwerpen, veroorzaakt door de stij-gende verkeersbehoeften en de steeds toenemende uitbreiding van het priv?-wagenpark, werdin de jaren zestig door het Ministerie van Verkeerswezen het besluit genomen de infrastructuurvan het openbaar vervoer drastisch te verbeteren. Hiertoe werd aan MIVA (Maatschappij voorhet Intercommunaal Vervoer te Antwerpen) opdracht gegeven ondergrondse tunnels enstations aan te leggen ten einde een scheiding tot stand te brengen tussen priv? en openbaarvervoer.Na de voorbereidende studies werden de werken in 1970 aangevangen met de bouw van heteerste vak Groenplaats-Centraal Station, met aansluitend eind 1973 het tweede vak CentraalStation-Belgi?lei. Deze werken werden uitgevoerd volgens open bouwwijzen en brachtenbelangrijke hinder mede voor handel en verkeer.Om deze hinder te vermijden, besliste de Minister van Verkeerswezen, rekening houdendenerzijds met de ervaring die men had opgedaan bij de bouw van de eerste twee vakken,anderzijds met de resultaten van studies en praktijkproeven met betrekking tot ondergrondseuitvoeringen, dat de verdere bouw van het net zou worden verwezenlijkt met ondergrondsebouwwijzen. Als belangrijke ondergrondse bouwwijzen werden genoemd: galerijbouw, grond-inje?tie en bevriezing, het uitvoeren van dakplaten door het ondergrondse inpersen van buizen?n de schildmethode. Naast deze bouwwijzen worden de klassieke bovengrondse methodes,zoals beschoeide sleuven, slibwanden enz. eveneens toegepast, zij het dan vanuit onder-grondse opstelplaatsen.Van de genoemde bouwwijzen wordt hierna meer in detail uitgeweid over de schildmethode ende buizenmethode, aangezien deze de meest spectaculaire z?jn, terwijl de andere methodes alsmeer klassiek te bestempelen zijn.1Trac? van de pr?-metro werken te AntwerpenCement XXXI (1979) nr. 104522a-bHydroschild, geschematiseerdDe schildmethodeUitgangspunten voor de schildmethodeReeds vanaf het begin van de studie van ondergrondse bouwmethodes bestond er eenduidelijke voorkeur voor de schildmethode, gezien de karakteristieke voordelen:? Van al de ondergrondse methodes waarborgt de schildmethode de minste hinder op straat-niveau. Het is inderdaad mogelijk om vanuit een bepaalde bouwplaats met centrale toegangs-schacht tunnels te bouwen, over zeer grote lengte zonder elders op straatniveau behoeven tekomen. Voor Antwerpen was dit bijzonder gunstig gezien de mogelijkheid deze bouwplaats tesitueren op een open terrein langs de Kleine Ring, vanwaar tot elk punt in de binnenstad kanworden doorgedrongen, zonder enige hinder voor deze binnenstad.? De schildmethode vereist bij de aanvang qua materiaal grote investeringen. Vanaf eenbepaalde tunnellengte kan dit materiaal echter zodanig worden afgeschreven dat de schild-methode concurrerend wordt ten opzichte van de klassieke open bouwwijzen.? De schildmethode vertoont een repeterend karakter. Het uitgraven van de grond, het plaatsenvan de bekleding enz., wordt voortdurend herhaald en verbeterd. Dit heeft een zeer gunstigeweerslag op de veiligheid en de kwaliteit van de uitvoering, evenals op de kostprijs.? De schildmethode maakt het mogelijk van het bestaande stratenpatroon af te wijken. Bij gun-stige beheersing van de zettingen is het mogelijk met voldoende veiligheid onder de huizen doorte gaan zonder dat aan de huizen schade wordt aangebracht.SitueringHet vak van het tweede trac? dat wordt uitgevoerd volgens de schildmethode, is gelegen op hetgrondgebied Borgerhout en begint bij de grens met de stad Antwerpen op de Turnhoutsebaan.Het vak leent zich bij uitstek om als proefvak voorde bouw volgens de schildmethode te dienen:de wegen zijn voldoende breed, namelijk vari?rend tussen 18 en 22 m, overwegend rechtlijnigen hebben slechts enkele bochten. De genoemde breedte wordt als minimaal beschouwd om deinvloed op zetting onder de bebouwing tot het aanvaardbare te beperken.Vanaf de stad Antwerpen volgt het trac? volledig de Turnhoutsebaan en splitst zich ter hoogtevan de Stenenbrug in twee richtingen:de aftakking onder de Statielei door tot de brug van de Turnhoutsebaan over de Kleine Ring,de aftakking onder de Kleine Ring door, die daarna de richting van de Herentalsebaan volgt totaan de Luitenant Lippenslaan.In het vak komen vier stations, namelijk de stations Drink en Zegel op de Turnhoutsebaan met deperrons op verschillende niveaus en de stations Foorplein en Morckhoven met de perrons opgelijk niveau. Ter plaatse van de stations Foorplein en Morckhoven vervolgt het trac? zijn wegvia open hellingen.De bouw van een ondergrondse halte ter hoogte van Collegelaan is nog in studie. De volgens deschildmethode te bouwen kokers hebben een inwendige diameter van 5,70 m. De totale lengtebedraagt 4 125 m.GunningDe werken werden gegund aan de Tijdelijke Vereniging Mecoma (Metro Combinatie Antwerpen),bestaande uit vijf firma's: de aannemingsmaatschappij CFE, de Antwerpse BouwwerkenVerbeeck, de ondernemingen Francois & Zonen, de Compagnie Internationale des Pieux Arm?sFrankignoul en A.G. Wayss und Freytag.De aannemingssom bedroeg Bfr. 3 194 003 181.Beschrijving van de schildmethodeBij deze uitvoering wordt in Antwerpen voor de eerste maal met het bentonietschild kennisgemaakt. Dat geldt trouwens tevens voor h??l Belgi?. Om enerzijds de veiligheid van dearbeiders te waarborgen, anderzijds de zettingen tot een minimum te beperken, werd devoorkeur gegeven aan het hydroschild, of met andere woorden het bentonietschild.Cement XXXI (1979) nr. 10 4533-4Het schilda. tijdens de montage in de centraletoegangsschacht; links en rechts onderinde toevoerbuizen voor de bentonietb. de achterzijde van de luchtdrukkamergezien vanuit de schildtunnelHet schild wordt gevormd door een stalen cilinder met een uitwendige diameter van ca. 6,55 m.De lengte bedraagt aan de bovenzijde 6,20 m en aan de onderkant 5,55 m. Het schild wordt doortwee dwarswanden in drie compartimenten onderverdeeld:? vooraan is de kamer gesitueerd, gevuld met bentoniet onder druk waarin de graafmachineopereert? in het midden zijn de sluizen, de voortstuwvijzels en de hydraulische motoren ondergebracht? in de zgn. schildstaart bevinden zich de montage-apparatuur voor de tunnelbekleding (zgn.erector) alsmede de water- en luchtdichte afsluiting.Het gehele schild weegt 210 ton.Achter het schild en daardoor voortgetrokken, volgt de zgn. slede, die zich over rails voort-beweegt. Deze slede draagt alle installaties die nodig zijn voor het functioneren van de graaf-machine en de erector, zoals transportband, toevoer- en afvoerleidingen, pompen en elektri-sche installatie.De werking van het schild berust op de ondersteuning van het boorfront met behulp vanbentoniet, teneinde te voorkomen dat de ondergrond bij het boren zijn stabiliteit verliest. Debentonietsuspensie biedt tevens het voordeel dat door impregnatie van de omringende bodemhet doorsijpelen van water ter plaatse van het boorfront wordt tegengegaan. De druk van desteunvloeistof wordt geregeld door een ingesloten luchtkussen achter de drukwand. Plotselingedrukveranderingen waardoor een wand met geringe cohesie kan instorten, zijn hierdooruitgesloten. Het steunen geschiedt onafhankelijk van de uitgraving en de voorwaartse bewegingvan het schild.De afgegraven grond bezinkt in de steunvloeistof en wordt door een grote zeef naar een afvoer-leiding gezogen. Centrifugaalpompen brengen het mengsel grond-bentoniet naar de schachtaan de binnensingel. in de scheidingsinstallatie wordt de grond van de steunvloeistof geschei-den, waarmee de bentoniet opnieuw kan worden gebruikt.Ter plaatse van het boorfront wordt de grond afgegraven met een open wiel dat voorzien is vantanden. Dit wiel bestaat uit zeven armen en kan in beide richtingen draaien. De snelheid kan elkgewenst moment worden opgevoerd of verminderd. De maximale snelheid bedraagt 2 toerenper minuut.Het schild wordt bestuurd door middel van de voortstuwvijzels. Deze vijzels kunnen groeps-gewijs met verschillende oliedrukken worden gevoed. De richting die de bestuurder van hetschild moet aanhouden, wordt hem door een laserstraal op een diagram aangegeven. Eenrekencentrum oefent het toezicht uit en vergelijkt die theoretische koers met de werkelijke toe-stand. Scherpe correcties in de richting van de koers van het schild, met de daarvoor nood-zakelijke grote stuurkrachten worden op deze manier vermeden.De tunnelbekleding bestaat uit geprefabriceerde gewapend-betonnen segmenten met een diktevan 35 cm en een ringlengte van 1,10 m. Deze elementen worden door middel van de erector inde staart van het schild gemonteerd. De in totaal 7 segmenten en de sluitsteen die nodig zijnvoor een volledige kokerring worden achtereenvolgens op de gewenste plaats gemonteerd.Terwijl het schild voortbeweegt, wordt vanuit het staartschild de ruimte achter de bekledingvoortdurend ge?njecteerd.VeiligheidsmaatregelenAangezien met de ondergrondse aanleg van de kokers de schildmethode in Antwerpen voordeeerste maal zou worden toegepast, en een proefuitvoering ter plaatse, zoals voor de anderemethodes, uiteraard niet tot de mogelijkheden behoorde, was het van groot belang met uiterstevoorzichtigheid te werk te gaan. In het aanbestedingsbestek werden daarom een aantal veilig-heidsmaatregelen ge?ist. Deze speciale voorzorgsmaatregelen betreffen onder meer devolgende aspecten:a. Trac? en positie van de kokersHet trac? bevindt zich overwegend in het midden van de weg, teneinde de uitvoering zo verCement XXXI (1979) nr. 10 454mogelijk van de bebouwing verwijderd te houden. Gezien de om bouwtechnische redenen nood-zakelijke afstand tussen de kokers onderling, die gelijk moest zijn aan de uitwendige diametervan 6,50 m, was aan deze voorwaarde slechts te voldoen door de kokers in het midden onderdeweg boven elkaar te plaatsen. Met de bouw van de bovenste koker, waarvan de as gemiddeld op10 m diepte komt te liggen, wordt op deze afstand de fundering onder de bebouwing in hetgeheel niet be?nvloed. Dat is echter wel het geval bij de uitvoering van de onderste koker,waarvan de as op een gemiddelde diepte van 23 m komt. Gezien de grotere diepteligging strektdie be?nvloeding zich over een veel grotere oppervlakte uit, maar anderzijds is de betekenis vande zetting, juist dank zij de grote diepteligging, niet noemenswaardig. Zettingsverschillen zullenderhalve tot een minimum worden beperkt, zoniet uitgesloten zijn.5Schildtunnel, rechts de aanvoerbuizen voorde bentoniet, links de ventilatiepijp6De centrale toegangsschacht, gelegentussen de E3 en de Kleine Ring, van waaruithet schild is gestart en tevens de bentoniet ende betonelementen worden aangeleverd Door het centraal boven elkaar situeren van de kokers, loopt het trac? alleen ter plaatse vanbochten onder de bebouwing door. Meestal betreft het dan oude bebouwing die weinig belastingop de ondergrond uitoefent. Ter plaatse van de bocht tussen de stations Drink en Zegel echterloopt het trac? onder nieuwe hoogbouw door. Hier moesten voorzorgsmaatregelen van be-perkte omvang worden getroffen. Dit gebeurde door het injecteren van de grondslag onder dehuizen, waardoor deze verstevigd wordt en als het ware een brug vormt over de toekomstigedoorgang van de schildkoker. Dezelfde injecties werden toegepast onder het spoorwegmassiefen in de nabijheid van de E3-kunstwerken.b. GrondwaterverlagingUit veiligheidsoverwegingen was ook een grondwaterbemaling vereist. Ervaring met vroegerewerken heeft geleerd dat een dergelijke grondwaterverlaging, wanneer dat oordeelkundiggebeurt, slechts een lichte gelijkmatige zetting tot gevolg zal hebben die van ondergeschiktebetekenis is. Bij de aanleg van de onderste koker wordt op die manier de maximale waterdrukbeperkt, hetgeen veiliger en goedkoper is. Hierdoor worden bij de aanloop van de uitvoeringheel wat moeilijkheden met de waterdichting van het schild voorkomen. Grondwaterverlagingbevordert dus tevens de voortgang van het werk, terwijl de verdichting van de ondergrond nogeen bijkomend voordeel is.c Technische eisenIn het aanbestedingsbestek werd ge?ist dat een aantal technische voorzieningen zoudenworden getroffen om het schild in optimaal veilige omstandigheden te laten opereren en dezettingen zo gering mogelijk te houden. Het aldus door de aannemer aangeboden schild voor-ziet onder meer in het volgende:? Het uitgravingsf ront wordt gesteund door bentoniet in plaats van luchtdruk. Het gevaar van druk-verval aan het front is hierdoor praktisch uitgesloten, hetgeen niet altijd kan worden gezegd vanluchtdruk.? De arbeiders behoeven niet onder verhoogde atmosfeer te werken, waardoor het optreden vande beruchte 'caissonziekte' en de gevolgen daarvan zijn uitgesloten. Dit is mogelijk, omdat ener-zijds de afbouw- en uitgravingsruimte hermetisch is afgesloten via het diafragma of de tussen-wand achter het schild en de grond vermengd met bentoniet automatisch via het hydraulischesysteem wordt afgevoerd, anderzijds omdat een zgn. staartvoeg wordt aangebracht tussen dedoorsnede van het uitgegraven profiel en de buitenzijde van de betonnen koker, waardoor hetdoordringen van water, zand en injectiespecie van buiten het schild wordt voorkomen.? Naast de genoemde staartvoeg, die een kritisch onderdeel vormt in de conceptie van het schild,wordt in een reservevoeg voorzien. De staartvoeg wordt aan zeer grote krachten onderworpenen staat daarom steeds bloot aan het risico van scheurvorming, waardoor water, grond enbentoniet in de schildstaart kan binnendringen. De reservevoeg, een soort brandslang kan,wanneer dat nodig is, in een minimum van tijd worden opgeblazen en aldus alle indringingstoppen.? Bij de voortgang van het schild wordt vanuit de schildstaart onophoudelijk de ruimte achter debetonsegmenten ge?njecteerd. De staartvoeg zorgt ervoor dat de injectiedruk gelokaliseerdCement XXXI (1979) nr. 10 455Cement XXXI (1979) nr. 10 456blijft, terwijl de voeg voorts als bekisting de ge?njecteerde specie ingesloten houdt. Hierdoorworden grondinkalvingen in de ringspleet, dat is de ruimte achter de ringsegmenten, veroor-zaakt door de grotere diameter van het schild ten opzichte van de diameter van de betonringen,vermeden, hetgeen van veel belang is met het oog op de zettingen.? Waar de aanleg van de koker onder het phreatisch vlak (grondwaterpeil) geschiedt, wordt in hetbegin van de tunnel, een luchtsluis ingebouwd. Bij een incident kan de volledige tunnel onderverhoogde luchtdruk worden gezet waardoor alle grond- of waterindringing wordt vermeden.Er is een gedetailleerd meetprogramma ontworpen. Dit programma bestaat erin dagelijkszettingsmetingen uit te voeren ter plaatse van huizen en op straatniveau tot 30 dagen na dedoorgang van het schild.RendementHet materieel voor het eerste schild werd eind december 1977 aangevoerd. Het monteren toteen geheel nam vier maanden in beslag. Op 19 april 1978 kon worden begonnen met de bouwvan de eerste koker. Tot aan de bouwvakantie van dat jaar werd in een vertraagd tempo gewerkt,zodat de machines konden worden bijgesteld en het schild kon worden aangepast aan deAntwerpse ondergrond. In de maand augustus 1978 werd het tempo opgevoerd. In ??n maandwerd 120 m tunnel aangelegd, met pieken van 12 m per dag. Tegelijkertijd werd begonnen metde bouw van de vier stations.Naderhand werd het tempo van het schild verder opgevoerd.Als maximale prestatie kunnen worden vermeld:maximale dagprestaties: 23 mmaximale weekprestaties: 100 mmaximale maandprestaties: 357 mHierbij dient te worden opgemerkt dat in de week continu wordt gewerkt terwijl gedurende deweekeinden het onderhoud plaatsheeft.BuizenmethodeOorsprongEen andere belangrijke uitvoeringsmethode, die toepassing vindt, betreft de bouw van dedakconstructies voor de stations en de kokers door het inpersen van buizen die naderhandworden gewapend en gebetonneerd. Deze methode is ge?nspireerd op sommige uitvoeringenvan doorpersen van buizen ten behoeve van leidingen van openbaar nut of rioleringen onderautosnelwegen of spoorwegen.Deze methode werd grondig bestudeerd voor de toepassing bij de pr?metro-kunstwerken envoor de eerste maal beproefd voor een oppervlakte van ca. 200 m2onder de rijweg van hetKoningin Astridplein. Na de verkregen gunstige ervaringen werd de toepassing uitgebreid tot devolledige oppervlakte van het Kruisstation Koningin Astrid dat onder de rijwegen is gesitueerd.BeschrijvingIn principe kan deze werkmethode als volgt worden beschreven, waarbij de uitvoering van dedakconstructie voor het Kruisstation Astrid als voorbeeld dient.Vanuit een bouwput worden asbestcementbuizen met een lengte van 5 m en een diameter van1,20 m opeenvolgend op een draagstoel geplaatst, die aan de achterzijde is voorzien van eenverdeelring en in de grond geperst door middel van hydraulische vijzels met uitschuifbarezuigers.9-70Inpersen van de asbestcement-buizen eninbrengen van geprefabriceerdewapeningskorvenCement XXXI (1979) nr. 10 45777-72Hydraulisch persen van buiselementenvanuit een ondergrondse galerij13Tijdelijke ondersteuning van een buizendakDe eerste buis is aan de voorkant uitgerust met een stalen snijschoen, ten behoeve van hetdoorsnijden van de grond en het regelen van de richting.Het tweede stuk wordt ter hoogte van het eerste gebracht en er tegen bevestigd door middel vaneen stalen steunring. Tussen de beide buizen plaatst men een schuimrubberen dichtingsstrip,alsmede een houten ring die de krachten eenparig over de volledige omtrek verdeelt.Naarmate het inpersen vordert, wordt de grond er met de hand uitgehaald en via een looprailafgevoerd. Voortdurend worden controlemetingen verricht met laserstraal om mogelijkeafwijkingen in verticale en horizontale zin te kunnen vaststellen. Tevens heeft een permanentecontrole plaats ter hoogte van het wegdek op mogelijke zettingen. Na het inpersen van eenvolledige buis wordt de ruimte tussen deze laatste en de naastliggende buis (10 tot 20 cm) metcement ge?njecteerd.Er worden strenge eisen gesteld aan de tolerantie inzake de diameter van de buizen ten einde deweerstand door uitspringende delen zoveel mogelijk te beperken en aldus zetting te vermijden.Tijdens de duur van het persen wordt in de buis geventileerd en wordt gelet op het vrijkomen vanschadelijke en gevaarlijke gassen. De benodigde persdruk bedraagt ongeveer 50 kN/m2per m1ingeperste buis. Gemiddeld wordt dagelijks 5 m1buis geperst.Na de fase van het persen wordt de wapening ingebracht die kan bestaan uit wapeningskorvenof uit voorspanstaal. Daarna wordt gebetonneerd, hetzij vanaf het uiteinde van de buis, hetzij viageboorde gaten vanuit de naastliggende buis, van waaruit het beton eveneens wordt getrild.Gezien echter de moeilijke werkomstandigheden wordt bij voorkeur vloeibeton gebruikt.Een goede verdichting van de betonspecie binnen de buis wordt bevorderd door een na-injectiemet cementmortel.ToepassingenGelet op het succes van deze eerste uitvoering wordt de methode ook toegepast voor de bouwvan verscheidene andere kunstwerken, al dan niet gecombineerd met andere ondergrondsebouwwijzen. Zo zijn in uitvoering:- Kruisstation Koningin Astrid; aannemer nv CEI- Koker tussen kruisstation Koningin Astrid en kruisstation Opera; aannemer nv CEI- Koker Van Wesenbekestraat; aannemer nv CEI- Koker Astridplein; aannemer nv Francois & Zonen- Koker Carnotstraat + station Carnot; aannemer nv Pieux Frank- Koker Kerkstraat + station Willibrordus; aannemer nv CEI- Station Drink, Zegel, Foorplein, Morckhoven; aannemer TV MecomaOp deze plaatsen wordt de buizenmethode toegepast met verschillende variaties en verbete-ringen ten opzichte van de eerste uitvoering, hetzij vanuit opstelplaatsen die buiten de rijweggelegen zijn (braakliggend terrein of onteigend perceel) danwei vanuit een kleine voorafge-bouwde opstelplaats, of ondergrondse galerij.De diameter van de buizen varieert van 1 tot 2 m, de lengte van 1 tot 5 m, al naar gelang de stabi-liteitseisen en de toepassingsmogelijkheid. Als materiaal wordt zowel asbestcement als staalgebruikt. De uitgraving gebeurt hetzij met de hand, danwei machinaal (eventueel hydraulisch).Deze uitvoeringsmethode heeft in de loop van de tijd allerlei technische verbeteringenondergaan. Het zou te ver voeren hiervan een opsomming te geven.Na de uitvoering van het buizendak geschiedt de verdere bouw van het station of koker volledigondergronds, met als voornaamste technieken galerijbouw, beschoeide sleuven en slibwanden.BesluitDe beschreven nieuwe bouwmethodes zijn nog maar korte tijd in gebruik, niettemin is er al veelervaring mee opgedaan. Dat laatste heeft ons de overtuiging gegeven dat de keuze van beidemethodes voor ondergronds werken een goede beslissing is geweest. De waardering van hetbijzonder groot aantal belangstellenden uit binnen- en buitenland hebben ons in die overtuiginggesterkt.foto's: Guido Coolens, AntwerpenCement XXXI (1979) nr. 10 458Kruisstation Opera; het reizigersaanbod kangedurende de komende jaren geheel wordenverwerkt door gebruik te maken van denormale tramstellenfoto's: Cement/Bob de RuiterCement XXXI (1979) nr. 10 459