ir.W.JanssenOGEM Bouw divisie Waterdichtheid van tunnelsInleidingEen tunnel die gebouwd wordt volgens deafzinkmethode is samengesteld uit afzinkbareonderdelen: dezinkelementen, meteen leng-te van 70-120 m. Deze elementen bestaan elkuit secties van ca. 20 m lengte, waartussendilatatievoegen ontworpen zijn (fig. 1).Door toepassing van deze voegen wordt hetontstaan van grote trekspanningen enerzijdsten gevolge van krimp na het storten enanderzijds ten gevolge van ongelijke zettingvan de ondergrond na het afzinken voor-komen. Zij laten een kleine draaiing en ver-plaatsing toe.Een tunnel moet waterdicht zijn. Dit betekent,dat er geen water door het beton, door destort- en dilatatievoegen en door de verbin-ding tussen de tunnelelementen mag binnen-dringen. De waterdichtheid van het beton isbelangrijk, omdat corrosie van de wapeningvoorkomen moet worden.In dit artikel zal in het kort worden besprokenhoe de waterdichtheid van het beton en vande voegen kan worden verzekerd.WATERDICHTHEID VAN HET BETONOorzaken van scheurvormingDe belangrijkste oorzaak van scheurvormingin het beton is ongelijkmatige krimp.Deze krimp kan ontstaan door:a. UitdrogingWanneer de tunnelelementen zich nog in hetbouwdok bevinden kunnen microscheurenaan het buitenoppervlak ontstaan door uitdro-gen van het beton. Na het afzinken en plaat-sen van de elementen zullen deze scheurenzich weer sluiten door het zwellen van hetbeton in het water.b. Temperatuurveranderingen door het kli-maatBij een verandering van de buitentemperatuurzal zich een temperatuurgradient instellen inwanden, dak en vloer. In het algemeen is degradient te klein om grote trekspanningen tedoen ontstaan.Temperatuurveranderingen door hydrata-tie van cementHydratatiewarmte is de warmte die vrij komtdoor chemische processen bij de verhardingvan het pas gestorte beton. Ten gevolge vandit proces treedt in de kern van een zwarebetonconstructie een temperatuurverhogingop. Bij betrekkelijk slanke constructies is dewarmte-afvoer naar de omgeving zo groot,566dat een stijging van de temperatuur nauwe-lijks optreedt.Bij de bouw van een tunnel kan het ontstaanvan hydratatiewarmte op twee manieren pro-blemen geven.? In vloer, wanden en dak zal in de hartlijneen hogere temperatuur ontstaan dan aan debuitenkant. Ten gevolge van de temperatuur-gradient zal bij het afkoelen van de buitenschilhet beton in deze schil sneller willen krimpendan het beton in de kern. Daardoor zullentrekspanningen optreden met het gevaar vanscheuren. Ontkist men bijv. een betonwand,terwijl deze een hoge temperatuur bezit, danontstaat een temperatuurschok. Vooral's nachts kan de oppervlakte-temperatuur vanhet beton aanzienlijk dalen. Uit berekeningenvolgt dat bij tunnelconstructies een tempera-tuurverschil van 15-20 ?C scheurvorming ver-oorzaakt. Dit wordt bevestigd door praktijk-ervaringen. Wanneer de zone met trekspan-ningen zich gedurende de afkoelingsperiodeverder uitbreidt, zullen ook de scheurenverder naar binnen dringen. Als de tempera-tuur in de kern daalt, trekt de scheur dicht.? Bij het storten van de wanden op de vloerontstaan moeilijkheden, doordat het versebeton zich anders zal gedragen dan het oudebeton van de vloer. De vormverandering vande jonge betonmassa wordt verhinderd doorde vloer. In de wand zal door hydratatie detemperatuur stijgen. De warmteafvoer naarde vloer is beperkt en de temperatuur zal daarachterblijven.In het begin kan de wand ongehinderd uit-zetten, maar bij het opstijven van het betongaat de hechting aan de vloer een rol spelen.Bij verdere verhoging van de temperatuur inde wand door hydratatie zullen er drukspan-ningen in de wand en trekspanningen in devloer ontstaan.Bij afkoeling vindt het omgekeerde plaats:drukspanningen in de vloer en trekspannin-gen in de wand en de wand zal gaan scheuren(fig. 2). De trekspanningen treden hier later opdan in het vorige voorbeeld tussen kern enschil, omdat het beton in de hele wand eerstmoet afkoelen. De treksterkte is intussenhoger geworden. Aan de einden van de wandvan een sectie is de spanning nul, maar doorde afkoeling neemt de trekspanning toe totdatde treksterkte wordt overschreden en eenscheur ontstaat. Dit proces herhaalt zich in derichting van de lengte-as. het bovenste deel van de wand en ?n het dakkan een gebied met drukspanningen ont-staan. De krinnpscheuren zullen dus niet? totaan het dak doorlopen. Onderzoek heeft uit-gewezen, dat het aanbrengen van langs-wapening nabij de vloer de scheurvormingniet kan tegenhouden. Wel kan op dezemanier de scheurwijdte worden beperkt en hetaantal scheuren gelijkmatiger in lengterich-ting van de tunnel worden verdeeld.Maatregelen tegen scheurvormingEr zijn vele middelen om scheurvorming tegente gaan. Geen middel is op zichzelf effectiefgenoeg en een combinatie van middelen isnoodzakelijk.In het hierna volgende zullen de belangrijkstemethodes worden toegelicht; deze hebbenbetrekking op betonsamenstelling, verklei-ning van de temperatuursprong en specialemaatregelen tijdens uitvoering.BetonsamenstellingDe volgende maatregelen komen in aanmer-king:a. Keuze van een geschikte cementsoortDe chemische samenstelling van cementheeft een grote invloed op de hydratatie-warmte. Vooral cementsoorten meteen latenthydraulisch bindmiddel, zoals puzzolaan,vliegas, fijngemalen vulkanische steen of slak(hoogovenslak) ontwikkelen bij hydratatie be-trekkelijk weinig warmte. In figuur 3 wordt dehycfrafatiewarmte van entefe in Medertandveel gebruikte cementsoorten met elkaar ver-geleken.5KoelschemaCement XXX (1978) nr. 12b. Verlaging van cementgehalteEen verkleining van de hoeveelheid cementgaat gepaard met een vermindering van dehoeveelheid hydratatiewarmte. Eisen tenaanzien van de sterkte en de dichtheid vanbeton stellen echter een minimum aan hetcementgehalte. Vaak wordt toegepast eenhoeveelheid van 250-300 kg cement per m3beton.Gebruik van grove toeslagmaterialenBij vergroving van het toeslagmateriaal is erminder fijn materiaal (cement e.d.) nodig, mitsde korrelopbouw goed is. Echter voor eengoede verdichting nabij de wapeningsstavenis een mortel nodig met een niet te grotemaximum korrel, terwijl voor een redelijkeverwerkbaarheid een bepaalde hoeveelheidfijn materiaal vereist is. Naast cement kanhiervoor worden gebruikt steenmeel, tras,glaciaal zand e.d.d. Vermindering hoeveelheid aanmaakwaterDoor verkleining van de water-cementfactorkomt er per tijdseenheid minder warmte vrij.De verwerkbaarheid kan hierbij worden be-vorderd door toepassing van plastificeerdersen luchtbelvormers.Verkleining temperatuurverschillenVerschillende methoden kunnen worden aan-gewend om het temperatuurverschil in eenwand, vloer of dak tussen kern en buitenkanten aan weerskanten van stortvoegen te ver-kleinen.a. Verlaging begintemperatuur specie doormiddel van koelenHet koelen van de mortel heeft twee effecten:? de maximum temperatuur in de speciewordt verlaagd,? het beton verhardt minder snel, waardoorde warmte-ontwikkeling over een grotere tijdgespreid wordt.De temperatuursdaling kan worden bereiktdoor het koelen van de grondstoffen en hetgebruik van ?jswater als aanmaakwater. Dezemethode wordt in de tunnelbouw weinig toe-gepast aangezien hiervoor omvangrijke in-stallaties nodig zijn.b. Koeling van het vers gestorte beton in dewandenDeze koelmethode is succesvol gebleken.Het doel van het koelproces is: een geleidelijktemperatuurverloop te verkrijgen tussen derelatief koude vloer en het dak (fig. 4).Er wordt een automatisch werkend koelsys-teem gebruikt, waarbij koelwater door eeningebetonneerd buizenstelsel wordt gepompt(zie schema in fig. 5). Het water stroomt vanonderen naar boven door de wand en wordtdaarbij opgewarmd. Het koelend vermogendaalt dus met toenemende hoogte.Door middel van thermokoppels worden detemperaturen gemeten van buitenlucht, inge-voerd water, uitstromend water,'beton op ver-schillende hoogten en beton onder de stort-naad. Een recorder registreert het tempera-tuurverloop.4Temperatuuroploop zonder en met koeling5677Temperatuurverloop in gekoeld enongekoeld betonDe mate van koeling is afhankelijk van:? de diameter, lengte en onderlinge afstandvan de buizen,? temperatuurverschil tussen instromendwateren beton,? stroomsnelheid van het koelwater;Vooral de onderlinge afstand van de pijpen iseen belangrijke factor.Voor de bepaling van de plaats van de koel-buizen en van het debiet, bij een bepaaldebegintemperatuur van het water wordt meest-al de berekeningsmethode van W.Mandry ge-bruikt. De berekening is gebaseerd op tal vanvereenvoudigingen; randvoorwaarden alsisolerend vermogen van de bekisting, wisse-lende buitentemperatuur, lengte van de sectiee.d. blijven buiten beschouwing. De methodelevert gemiddelde betontemperaturen zonderen met koeling op (fig. 7). Als gevolg hiervanspeelt bij elk nieuw project de eerder opge-dane ervaring een zeer grote rol.Bij het instellen van de koelautomaat hanteertmen de volgende uitgangspunten:? bij stijgende betontemperatuur biijft dekoeling in werking,? treedt er een temperatuurdaling op, danblijft de koeling doorgaan,? zet de temperatuurdaling zich gedurendeeen bepaalde tijd voort (bijv. 5 uur), dan wordtde koeling uitgeschakeld,? als na het uitschakelen de temperatuurweer gaat stijgen, wordt de koeling in werkinggezet.Per betonstort worden vooraf bepaald:? de plaats van de meetpunten,? de starttijd van de koeling na inschakelingvan de automaat,? het debiet van het koelwater,? de tijdsduur tussen het inzetten van dedaling van de betontemperatuur en het uit-schakelen van de koeling,? de maximale koeltijd (ca. 50-60 uur).Regelmatig worden gecontroleerd de werkingvan de apparatuur en het verloop van debetontemperaturen.Ter illustratie worden hier figuren gegevenvan de koeling van tunneldeel 1 van de Schip-holtunnel (fig. 8-9).Duidelijk is te zien dat het doel: een meer ge-leidelijke temperatuurverandering, is bereikt;ook valt op dat schommelingen in de buiten-temperatuur geen invloed hebben op debetontemperatuur. Wanneer er niet gekoeldwordt treedt dit effect wel op.De totale uitvoeringskosten van het koel-systeem zijn vrij hoog, maar ze zijn toch noglager dan de beduidend hogere kosten vaneen waterdichte bekleding. Bovendien kun-nen de stalen koelbuizen blijvend dienstdoenals krimwapening.Verwarming vloerHet verkleinen van de temperatuursprongtussen vloer en wand kan ook worden bereiktdoor het verwarmen van de vloer, bijv. doorhet laten stromen van heet water door inge-betonneerde buizen. Deze methode wordtweinig toegepast.Er is een voorbeeld uit de praktijk bekend: debouw van een metrotunnel in Stockholm,waarbij gebruik gemaakt werd van de omhul-lingen van de voorspanwapening in langsrich-ting.De methode met vloerverwarming kan wordengecombineerd met het afkoelen van de wand:het opgewarmde water van de muur wordtvoor de circulatie in de vloer gebruikt. Hiernawordt het water verder afgekoeld.Maatregelen tijderif de uitvoeringa. Uitstellen van tijdstip van ontkisten; toe-passen van een isolatievloerDoor het gebruik van een redelijk isole-rende bekisting wordt het temperatuurver-schil tussen kern en schil in een doorsnedekleiner, terwijl de temperatuurgradient in deschil minder steil wordt.Cement XXX (1978) nr. 12 568Aangezien hout beter isoleert dan staal heefteen houten bekisting de voorkeur.Met ontkisten moet worden gewacht tot dat degehele doorsnede redelijk afgekoeld is. Inverband hiermee mag de bekisting niet te dikzijn.Het vers gestorte beton van het dak kanworden bedekt met een laag isolerend mate-riaal.b. In ??n keer stortenEen elegante oplossing voor de problemen bijhet storten van vers beton op ouder betonwordt verkregen door het in ??n keer stortenvan vloer, wanden en dak. In het algemeen isdit wel mogelijk bij betrekkelijk kleine tunnels,maar niet bij de grote en brede tunnels voorautoverkeer.Volgens deze methode zijn in Nederland uit-gevoerd een syphon onder het Amsterdam-Rijnkanaal, een leidingtunnel door het Hol-landsch Diep en de Rotterdamse metrotunnelonder de Nieuwe Maas. De syphon en de lei-dingtunnel werden opgebouwd uit moten meteen lengte van 3-6 m, gestort in verticalestand. De moten van de metrotunnel kondenin ??n keer worden gestort dankzij de com-pacte brilvormige doorsnede en door toepas-sing van een zeer ingenieuze bekisting.PlaklaagTot voor kort werden de in het voorgaandebeschreven methodes niet als voldoende be-schouwd en werd elke grote tunnel voorzienvan een extra waterdichte laag. Deze laagbestaat uit enkele lagen glasvezel of eenander niet organisch materiaal ge?mpreg-neerd met asfalt-bitumen; de laag is in staatom scheurtjes met een breedte van ongeveer0,2 mm te overbruggen. Ter plaatse van dila-tatievoegen is de laag extra verstevigd en isdeze over een afstand van enkele centimetersaan beide zijden van de voeg niet aan hetbeton vastgeplakt. Op deze manier kan eengrotere lengte van het materiaal de optreden-de uitzetting opnemen.De laag wordt over het bovenste deel van dewanden en op het dak beschermd tegen be-schadigingen (bijv. vallende ankers) door eenlaag gewapend beton, vastgemaakt aan deconstructie door middel van waterdichte ver-bindingen.Het bekleden van een tunnel met een dureplaklaag is de laatste jaren in onbruik geraakt.Moderne methodes om scheurvorming tevoorkomen (voornamelijk door koeling vanbeton) voldoen zo goed, dat de plaklaag nietmeer nodig is.WATERDICHTHEID VAN DE VOEGENStortvoegenDe stortvoeg tussen vloer en wand is een bronvan lekkage; de uitvoering ervan vraagt eennauwgezet toezicht. Meestal wordt zo'n stort-voeg voorzien van een ijzeren strip om eenwaterdichte verbinding te verzekeren. Behal-ve de normale maatregelen om stortvoegen tebehandelen zoals ruw hakken en insmerenmet cementmortel, is de vorm van de voegeen zaak die nauwkeurig moet worden bestu-deerd. De voeg kan gelijk met de bovenkantvan de vloer liggen of ongeveer 60 tot 100 mmerboven uitsteken.Dilatatat ie voegenDe dichting van de dilatatievoegen bestaat inhet algemeen uit twee constructies:a. een binnendichting bestaande uit een rub-ber-metalen voegstrook (fig. 10),b. een afdichting aan de buitenkant met poly-urethaan kit (fig. 10), of het zogeheten dub-beldam-profiel (fig. 11).De tweede dichting werd toegepast, omdathet beton rondom de rubber-metalen voeg-strook vaak grindnesten bevatte, veroorzaaktdoor ontmenging van het beton.11Dilatatievoeg met 'Dubbeldam' rubberstrip1 = thiokol, 2 = airex, 3 = rubber-metaalvoegstrook, 4 = sponsrubber profiel, 5 =Dubbeldam profiel, 6 = hittebestendigschuimplastic, 7 = pvc-folie, 8 = ruberoidvitrix, 9 = waterdichte bekledingCement XXX (1978) nr. 1256912Detail injectiepunten bij rubber-metalenvoegstrookBij de bouw van de Hemspoortunnel heeftmen een verbeterde versie van de rubber-metalen voegstrook ontwikkeld (fig. 12). Aanhet eind van de metalen strippen is eensponsrubberprofiel gelijmd; door stalen buis-jes, geklemd tegen het rubberprofiel, kan hetbeton rondom de strippen met epoxyharsworden ge?njecteerd.Deze methode voldeed zo goed, dat de bui-tendichting kon vervallen.Voegen tussen de elementenDe zinkvoegen worden gedicht met behulpvan een rubberprofiel, het bekende 'Gina-profiel'; dit is aangebracht langs de omtrekvan het kopschot van het af te zinken element(fig-13).Het nieuwe element wordt met een geringekracht tegen het reeds afgezonken tunneldeelgetrokken met behulp van bijv. een hamerkopmet een vijzel. Hierdoor wordt het?rubberpro-fiel voldoende ingedrukt om het binnen- enbuitenwater te scheiden. Het binnenwaterwordt weggepompt en door de hydrostatischedruk op het vrije einde wordt het elementverder aangedrukt. De voeg wordt nu verderafgesloten door een tweede rubber-profiel,het Omega-profiel.Na het afzinken van het laatste element houdtmen nog een voeg van ca. 1 m over. In dezevoeg worden wiggen aangebracht, waardoorde andere voegen samengedrukt blijven(fig. 14). Rondom de sluitvoeg worden stalenschotten aangebracht, die door middel vanrubberprofielen een waterdichte afsluitingvormen. Vervolgens wordt de ruimte in desluitvoeg leeggepompt en wordt de definitievevoegconstructie aangebracht.14Detail sluitvoeg in de wand1 = primaire dichting, 2 = gevouwen staal,3 = permanente dichting (rubber), 4 =stalen steunconstructie, 5 - brandwerendeafdekconstructie, 6 = waterdichtebekleding, 7 = betonnen beschermingsschilCement XXX (1978) nr. 12570