? tunnelbouw ? algemeen ontwerp?ir.B.Kuiper, Holland RailconsultHet trac?-ontwerp van de nieuwe Amsterdamse metroverbinding Noord/Zuidlijn [1] voor-ziet in een ondergrondse passage van het NS-station Amsterdam CS (fig. 1). Het spoor-emplacement ligt daar op circa NAP +6 m. De sporen van de Noord/Zuidlijn zijn geprojec-teerd op NAP -15,20 m. Vanuit bouwtechnischoogpunt is de passage van het stationsei-land zonder meer het meest complexe gedeelte van het Noord/Zuidlijnproject.ln dit arti-kel wordt ingegaan op de overwegingen die bij het ontwerpen van een bouwmethode voordeze passage een rol hebben gespeeld.PASSAGENOORD/ZUIDLIJN -AMSTERDAMCS:EENCOMPLEXE ONDERNEMINGCD Artist impression van de passageNoordjZuidlijn met Amsterdam CSCEMENT1997/7-8Amsterdam CS, het grootste en bekendstestation van onsland, is in de vorige eeuw ge-bouwd op een kunstmatig eiland, dat des-tijds is gevormd door zandaanplemping opde slappe U-bodem. Het stationsgebouw ismetgrenenhouten heipalen op de plaatselij-ke tweede zandlaag gefundeerd; de heipa-len staan in een min of meer regelmatig ruit-jespatroon.Het stationsgebouw, sedert 1974 een Rijks-monument, vertoontgeen tekenen van ver-zakking. Ten noorden van het stationsge-bouw ontbreken echter de eerste en tweedezandlaag, wat bij de bouw van de overkap-ping over de eerste drie perrons zeer grotefunderingsproblemen heeft veroorzaakt.Het huidige station Amsterdam CS heefttweezijperrons en vier eilandperrons, diebereikbaar zijn door een drietal voetgan-gerstunnels: de westtunnel, middentunnelen oosttunnel. De middentunnel (ca. 30 m;breed) is vernieuwd in de periode 1980 -1983 en is op staal gefundeerd. Onder detunnelvloer bevinden zich nog de paalfunde-ringen van de vorige middentunnel. Het tun-neldek is berekend op spoor- en perronbe-lastingen. De trogvormige constructie vantunneldek en perronranden wordt spoorbakgenoemd; in totaal zijn er vier spoorbakkenelk met drie sporen, inclusief wissels. Tweesporen liggen verder op de constructie vanhet gebouw De Ruyterkade, ter onderschei-ding van het CS-gebouw ook wel gebouw U-zijde genoemd (fig. 2).Noord/Zuidlijn volgens boormethodeVoor het ontwerp van de metroverbindingtussen Amsterdam Noord en AmsterdamZuid/WTC maken de gemeente Amsterdamen het Gemeente Vervoerbedrijf (GVB) ge-bruik van het Ontwerpbureau Noord/Zuid-lijn.Voor het metrodeel onder de binnenstad isgekozen voor deboormethode: twee en-kelsporige metrobuizen. In 1994 waren des-kundigen van de gemeente Amsterdam vanplan om op redelijke afstand van het Ualvastmet boren te beginnen (locatie startschachtten noorden van het U) om de gevolgen vande toepassing van nieuwe boortechniekennog voldoende te kunnen waarnemen; eenzogenoemd 'inspeel'-traject, voordat onderhet U en Amsterdam CS zou worden ge-boord. ~41? tunnelbouwHet IJ? constructief ontwerp\ ~ ./?n \Het IJDE RUIJTERKADEiA erronI~5e Perron lIII!IIIIlII 114e Perron38 Perron II1II2e Perron? Overzicht van het spooremplacement Amsterdam CS met de twee mogelijke trac?sPASSAGE AMSTERDAM CS ALS ZINKTUNNELVoor de passage van het stationseilandwerd uitgegaan van boren centraal onder demiddentunnel (de zgn. middenligging). Inhet najaar van 1994 bleek echter op basisvan een haalbaarheidsonderzoek dat inzetvan de boormethode voor aanleg van detwee NoordjZuidlijn-metrobuizen onder hetNS-station Amsterdam CS niet verantwoordzou z?n.De ontwikkeling van een boormachine meteen boorjsnij-front voor het doorboren enverwijderen van honderden grenenhoutenpalen in slappe grond zou een wereldpri-meur z?n. Daarnaast bleek het aanlegni-veau (ca. NAP -35 m) dat noodzakelijk wasom onder de paalfunderingen doorte boren,nietinpasbaar; de metrohalte 'Centraal Sta"tion' zou ongewenst diep komen te liggen.Het ontwerpidee van de Combinatie Arti-conjHolland Railconsult voor een zinktun-nel onder Amsterdam CS paste naadloos ophet ontwerpidee van het OntwerpbureauNoordjZuidl?n om het IJ te passeren meteen dubbelsporige zinktunnel in plaats vantwee enkelsporige boortunnels. Beide ont-werpidee?n hebben elkaar positief be?n-vloed.42NS Railinfrabeheer - verantwoordelijk voorbeheer, bouwen instandhouding van spoor"infrastructuur - heeft de vraagstelling vanhet GVB: 'Ontwerp een metrotunnel onderAmsterdam CS, gesitueerd onder de mid-dentunnel',ondergebracht bij decombinatieArticonjHolland Railconsult, met inachtne-ming van de volgende uitgangspunten:? tracering van de NoordjZuidlijn onder Am-sterdam CS volgens de middenligging;? dubbelsporige metrotunnel; bovenkantmetrosporen op NAP -15,20 m;? metrohalte 'Centraal Station' is onder Am-sterdam CS gesitueerd, met kantperronsen stijgpunten aan de beide uiteinden.Op verzoek van het GVB volgden een globa-le, technisch haalbare uitwerking en eenkostenraming van twee ontwerpen.Ontwerp 1Dit ontwerp omvat een bouwput met diep-wanden voor het afzinken van de metrotun-nel. Omdatdemiddentunnel in gebruik moetblijven, resulteert plaatselijk een brederebouwput dan strikt nodig voor de afzinktun-nel. Omvangrijkehulpconstructies zijn nodigom de middentunnel en aangrenzende sta-tionsgedeelten te ondervangen. De hogeverticale belastingen op de bouwputwan-den, gecombineerd met gelimiteerde zet-tingsverschillen, noodzaken tot diepwandenmeteen funderingsniveau van ? NAP-66 m.Ontwerp 2Om kosten en risico's te beperken zal NS no?de akkoord gaan met sloop en herbouw vande middentunnel. Vanwege de nastelbaar-heid met vijzels bl?kt een funderingsniveauvoor de diepwanden van circa NAP -38 mtoereikend. Voorafgaand aan de metrobouwzullen defuncties van en in de middentunnelmoeten worden verplaatst, waardoor t?digeverbredingvan dewesttunnel nodigzal z?n.Orgineel schaduwontwerp: Ontwerp 111Na kennis te hebben genomen van dezetwee ontwerpen verraste het Ontwerpbu-reau NoordjZuidlijn de NS meteen bijzonderorigineel schaduwontwerp: ontwerp 111. Debouwputwand was ontworpen als ongeveer3 m dikke sandwichwand bestaande uit eendubbele rij stalen boorpalen (systeem Tu-bex) met daartussen een met cementgroutge?njecteerd grondmassief. Ter verzekeringvan het verticale draagvermogen waren de-ze samengestelde wanden (funderingsni-veau ca. NAP -30 m) voorzien van een punt-verdikking die met cementgroutinjecties totstand kon worden gebracht.CEMENT1997 j7-8? Langsdoorsnede over het trac? middenliggingTtidens de bouw zou de hinder voor de trei-nenloop nagenoeg nihil zijn, maar het kos-tenniveau daarentegen zeer hoog. Boven-dien was de voorgestelde innoverendebouwtechniek nog onvoldoende uitgekris-talliseerd.Ontwerp VII: een voorbeeld van competitie-ve samenwerkingUit de diverse ontwerpen zijn vervolgens de'beste'onderdelen geselecteerd en samen-gevoegd tot een nieuw ontwerp. Na het ver-werken van verbeteringsvoorstellen op basisvan voortschrijdend inzicht resulteerde in ja-nuari 1996 het rapport ?anbeveling PassageNoordjZuidlijn onder Amsterdam CS'.Volgens het gepresenteerde ontwerp VIIwordt een bouwputconstructie aanbevolen,waarbij Amsterdam CS (NS-gebouwen, SpO"ren en perrons) op zodanige wijze wordt on-dervangen dat het mogelijk is om na natteontgraving de metrotunnel binnen te varenen afte zinken. Het rapport is een fraai voor-beeld van competitieve samenwerking tus-sen de ontwerpers van OntwerpbureauNoordjZuidlijn en combinatie ArticonjHol-land Railconsult.Uitgangspunt van ontwerp VII is de situatievan Amsterdam CS anno 1994. Gekozen isvoor de zogenoemde middenligging van deNoordjZuidlijn (dubbelspoor); de boven-kant van de metrosporen ligt op NAP -15,20m. HetNoordjZuidlijn-station 'Centraal Sta-tion' (kantperrons 6 m breed en 130 m lang,twee metrosporen h.o.h. 4,5 m) ligt onderAmsterdam CS. De metrotunnel onder Am-sterdam CS is prismatisch van vorm (inwen-dig 5,65 x 19,33 m).Ten noorden van Amsterdam CS komt onderde De Ruyterkade een stationshal (in openbouwput uitgevoerd) met ontsluiting opmaaiveldniveau van en naar Amsterdam CS.In de toekomst blijft aan die zijde een onder-grondseontsluitingop de eventueel nogaante leggen IJ-rail (metro) mogelijk. Ten zuidenvan Amsterdam CS komt onderhetvoorplein(= stadcentrumzijde) een stationshal (in af-gedekte bouwput uitgevoerd) met ontslui-ting op verdeelhalniveau (NAP -2,7 m) vanen naar Amsterdam CS, naar de bestaandemetro-oostlijn op perronniveau (NAP-8,2 m)en op maaiveldniveau naar Amsterdam CSen de overige vormen van (openbaar) ver"voer.De metrotunnel onder Amsterdam CS is alszinktunnel tussen deze beide tunneldelengesitueerd, metvoegen die 5m buiten dege-vels van gebouw IJ-zijde en het stationsge-bouw liggen.CEMENT1997j7-8NAP.-65 OOmAlgemene opzet ontwerp VIIIn een bouwput onder Amsterdam CS wordtde metrotunnel als zinktunnelingevaren enafgezonken. De constructies boven debouwput moeten vooraf worden ondervan-gen met een plaat die op de bouwputwan"den is opgelegd. Bij het stationgebouw engebouw IJ-zijde spreken we van een tafel-constructie.De middentunnel wordt uitgevoerd als eensamengestelde koker, die vrij wordt opge-legd op de bouwputwanden. Op deze kokerrusten de spoor- en perronbelastingen. In dekoker komen de bestaande tunnelfuncties(reizigerstransfer en commerci?le activitei-ten) weer terug en onder de koker ontstaatdoor natte ontgraving de zinksleuf voor demetrotunnel.In formele zin heeft NS noggeen akkoord ge-geven op het maken van een bouwput voorde NoordjZuidlijn conform ontwerp VII. Hetvoorstel om ontwerp VII als basis te nemenvoor de volgende ontwerpfase (= vooront-werp) is met bovenstaande kanttekeningovergenomen. Opbasis vanhetvoorontwerpkunnen door NS Railinfrabeheer de conse-quenties met risico's worden beoordeeld,wat nodig is om van NSgroen lichtte krijgen.Voorontwerp Model VIIIDe Combinatie ArticonjHolland Railconsultheeft medio 1996 op basis van ontwerp VIIeen voorontwerp gemaakt, inclusiefkosten-raming en uitvoeringsplanning. Halverwegede werkzaamheden bleek uit specialistischonderzoek, dat de zakkingen van de bouw-putwanden door de gewichtsbelastingenvan stationsgebouwen middentunnel on-toelaatbaar groot zouden worden, namelijkklei, zandhoudendzand, slibhoudendgemiddeld 100 ? 200 mmo Het effect vanpuntverzwaring metgroutinjectie levert in deslappe klei kennelijk onvoldoende reductievan zettingen.Het probleem van de te grote zettingen kanevenwel worden ondervangen door afwisse-lend lange en korte bOllwputwandelemen-ten toe te passen; het zogenoemde staffe-len van de bouwputwand.Hetverticale even-wicht wordt dan praktisch zettingsvrij ver-zorgd door de lange bouwputwandelemen-ten in de draagkrachtige derde zandlaag teplaatsen (funderingsniveau ca. NAP-65 m).De korte bouwputwandelementen reiken totongeveer NAP -30 m en hebben slechts eengrondkerende functie (fig. 3).NS Railinfrabeheer heeft deze modificatieop de uitgangspunten geaccepteerd.Ter wille van de duidelijkheid wordt het ont-werp met gestaffelde bouwputwand ont-werp VIII genoemd. Dit model is uitgewerkttot voorontwerp voor de locaties stationsge-bouw, middentunnel en gebouw IJ-zijde.ZinktunnelHet af te zinken gedeelte heeft een lengtevan ongeveer115 m. De afmetingen zijn klei-ner dan gebruikelijk bij zinktunnels: opdrij-ven in de eindtoestand kan niet optredenvanwege de noodzakelijke grondaanvullingop de metrotunnel. De ongeveer 20 m langetunnelelementen krijgen de gebruikelijke tij-delijke voorspanning in de wanden in ver-band met transport- en afzinkbelastingen.Na het onderspoelen van de tunnelelemen-ten kan de tijdelijke voorspanning wordenverwijderd en de zink-en sluitvoeg wordengemaakt.43? tunnelbouw ? constructief ontwerp ? funderingenVoor de belastingafdrachtvia de wand is een20j80%-verdeling aangehouden wat be"treft het aandeel van het puntdraagvermo-gen en de schachtwrijving. Bij het ontwerp isverder rekening gehouden met een voorbe-lasting in de vorm van de momenteel aanwe-zige belastinguitde houten palen tergroottevan 35 kNjm2aangrijpend op een niveauvan NAP -17,5 m.De grootte van de eindzetting ter plaatseDe te verwachten eindtetting alsmede dezetting in de tijd zijn berekend met het pro-gramma Mzet.Ter plaatse van het stationsgebouw wordtvoor de bouwputwand een in de Eemklei ge-fundeerde sandwichwand toegepast vanstalen boorpalen en ge?njecteerd grond-massief. Onder deze wand wordt een grout-prop aangebracht.De in de tijd aangebrachte belastingen zijn intabel 1 weergegeven.palen h.o.h.wanddikteoDwarsdoorsnede over het trac? middenliggingIn verband met de randvoorwaarden uit debovenliggende constructie is de bouwput(= zinksleuf) tamelijksmal (fig. 4). Eventue-le 'groutbaarden' aan de sandwich-bouw-putwanden moeten binnen de zinksleufwor-den verwijderd v??rdat de zinktunnel wordtingevaren.De kabels voor het afzinken worden aan het'tafelblad' boven de bouwput bevestigd. Inde zinksleuf is geen stroming, zodat de tun-nel metgeringe ophangkrachten op dejuisteplaats kan worden afgezonken. In de tafel-constructie van het stationsgebouwen ge-bouw IJ-zijde zijn tijdelijke sparingen voor-zien voor de bereikbaarheid tijdens het af-zinken.Zettingen van de bouwputwandBij hetopstellen van ontwerp VII werden voorde bouwputwand uiteenlopende eindzak-kingen voorspeld; de berekeningen in devoorontwerpfase moeten uitsluitsel geven.-040m..n. NAP i1776mgroutinjeetie1 op de 3 palen doorzettentot de derde zandlaagvan de bouwputwand volgens ontwerp VIIbedraagt gemiddeld circa 200 mm (fig. 5).De gepresenteerde resultaten moeten wor-den gezien als een indicatie van te verwach-ten zettingen. De nauwkeurigheid van de uit-gevoerde zettingsberekeningenis sterk af-hankelijk van het gehanteerde berekenings-modei en de daarin gehanteerde grondpara-meters. De gehanteerde waarden komenvoort uit de door het Ontwerpbureau NoordjZuidlijn uitgevoerde studie. Gevoelsmatigzijn de gehanteerde vervormingsparame-ters aan de lage kant. Aanvullend grond- enlaboratoriumonderzoek zal nodig zijn voorcorrectie van de grondparameters.Funderen derde zandlaagUit de zettingsberekeningen van de bouw-putwand die in de Eemkleilaag is gefun-deerd,komt naar voren dat ter plaatse vanhet stationsgebouwen de middentunnel deteverwachten optredende zakkingen aan dehoge kant zijn. De berekende, relatief hogevervormingen enerzijds ende onzekerheidin aan te houden grondparameters ander-zijds hebben tot het besluit geleid om debouwputwand zettingsvrij te funderen. Hier-toe moet de wand gedeeltelijk worden door-gezet tot de derde zandlaag, die vanaf NAP-56 m begint. De optredende puntzakking isgering en bedraagt circa 20 tot 30 mmo Hetvolstaat om ongeveer een derde van de sta-len boorpalen naar de derde zandlaag doorte zetten.Second opinionOver de grote eindzakkingen (ca. 200 mm)van de bouwputwanden die tot de boven-kant van de Eemklei reiken, is om een se-cond opinion gevraagd aan de Auditcommis-sie van de NoordjZuidlijn.Het advies luidde dat nader onderzoek no-dig is naar goede grondparameters vanvooral de diepere kleilagen. Dit onderzoekTabel 1Belastingschema Stationsgebouw? Zakking ter plaatse van de bouwputwand: stationsgebouw0.5001"--,............'S~ 0.2970.00610 100 1!XXl 10000TIjd (dagen)'OOlXXlO.alG44 CEMENT1997/7-8! I j i iLo~bdo-z"":liggersdrukload"'O,22m625m i 6,2sm! 6,2Sm I 6,2Sm I 62Sm 625ml3,OOm>----+62Sm . 625m 625m i 62Sm 6,2Sm 6,2Smhouten polen 19: 16m? (J) Doorsnede ter plaatse van het spooremplacement: links de middenligging, rechts de oostliggingdient niet alleen te bestaan uit monsterna-me en laboratoriumonderzoek van de diepekleilagen, maar tevens uit hetterugrekenenvan de samendrukkingsparameters van de-ze lagen uit het zakkingsgedrag van hoog-bouw in de regio. Nadere beschouwing vangrenswaarden voor de maximaal corrigeer-bare zakking wordtaanbevolen.Vooralsnog geeft de Auditcommissie devoorkeur aan het funderingsniveau van on-geveer NAP -30 m, vanwege het feit dat bijeen 'diepe oplossing' het zakkingsgedragvan Amsterdam CS tot schade aan dit ge-bouw kan leiden en vanwege de onzeker-heid van het realiseren van de voorgesteldepalen tot een diepte van NAP -65 m.In de volgende projectfase ( = definitiefont-werp) zal NS Railinfrabeheer op basis vannadere onderzoeksresultaten inclusief risi-cobeoordeling een besluit nemen over hetaanlegniveau van de bouwputwanden.Actuele heroverwegingen over het trac?In het najaar van 1994 verdween de optie'boren metrobuizen onder Amsterdam CS'.Tijdens de planvorming die toen volgde isook kortstiIgestaan bij de 'oostligging' van deNoordjZuidlijn onderAmsterdam CS (fig. 1).Vanwege de eenvoud (geen middentunnelop de bouwplaats) zou deze oplossing aan-merkelijk goedkoper moeten zijn dan demiddenligging, was toen de eerste gedach-te;bovendien zou de bouw op het NS-gebiedwaarschijnlijk sneller verlopen.Op basis van functionaliteit en risico's voorhet metrocaisson van de Oostlijn is het ideevan de oostligging verworpen.Twee jaar later wordt de kwestie middenlig-gingversusoostligging plotseling weer actu-eel (fig. 6 en 7). Op verzoek van de Rijkswa-terstaat Noord-Holland moest met de ont-werpcomponenten van het ontwerp ModelVII (= middenligging) een vergelijkbaarvoorontwerp oostligging worden gemaakt; inoverleg met de betrokken partijen binnenhet NS-concern en de betrokken ?mster-damse partijen' zijn de beide varianten ver-geleken op de relevante aspecten functio-naliteit, hinder, bouwkosten en architectoni"sche vormgeving. Geconcludeerd is datvoorde NoordjZuidlijn-passage Amsterdam CSde oostligging goed vergelijkbaar is met demiddenligging.Ter indicatie:Op het aspect functie scoort de oostliggingminder dan de middenligging, vooral tenaanzien van de loopstromen.Op het aspect hinder scoort de oostligging?nderhetNS-complex beter dan de midden-ligging (d.w.z. minder overlast en korterebouwtijd). Buiten het NS-complex scoort deoostligging op het aspect hinderjuist slech-ter dan de middenligging (metrocaissonOostlijn blijft niet ongemoeid).Op het aspect kosten scoort de oosUiggingbeter.Op het aspect architectonische vormgevingscoort de oostligging gelijkwaardig aan demiddenligging.Integrale afweging en variantkeuze heeftnog nietplaatsgehad;wellichtwordt eerst deuitslag van het referendum over de aanlegvan de NoordjZuidlijn afgewacht.Over de besluitvorming, uitwerking van hetontwerp en de uitvoeringzal Cementte zijnertijd berichten. Voor de organisatie van de vol-gende projectfasen hebben BV Articon enHolland RaHconsult alvast een vennoot-schap onder firma opgericht: VofStationsei-land.Literatuur1. Bosch, J.W., NoordjZuidlijn Amsterdam.Cement 1996, nr. 10.2. Grondmechanische parameters passageNZ-lijnjAmsterdam CS. OntwerpbureauNoordjZuidlijn, februari 1995.3. De Eemklei en de klei van Drenthe. Con"cept. Ontwerpbureau NoordjZuidlijn, okto-ber 1995.4. Aanbeveling passage NoordjZuidlijn (me-tro) onder Amsterdam CS, registratienr.R952211.2; Ontwerpbureau Noord-Zuid-lijnjBV Articon en Holland Railconsult.?CEMENT1997/7-8 45