Zettingen en rotaties zinktunnels20132Zettingenen rotatieszinktunnels1Zettingsgedrag en de capaciteit vanmootvoegen in zinktunnels (1)ArtikelenserieHet onderzoek naar het zettingsgedragen de capaciteit van mootvoegen inzinktunnels wordt in twee artikelen beschreven. In diteerste deel wordt ingegaan op het zettingsgedrag vanzinktunnels en de gevolgen die zettingen kunnenhebben voor de kraagconstructies tussen moten. Hetzettingsgedrag van de Kiltunnel wordt nader beschre-ven en onderzocht. In het tweede artikel wordt inge-gaan op de dwarskrachten en de weerstand van dekraagconstructie van de Kiltunnel. Dit artikel is te raad-plegen op www.cementonline.nl.Zettingen en rotaties zinktunnels 2013 3landhoofdmootvoegkraagbinnenkraagbuitenkraagzinkvoeg120 m20 m25 m10 mgronddekkingwaterweg/rivierafgezonken elementenondergrond234In het rijkswegennet zijn tunnels een belangrijke en veelal onmis-bare schakel. Nederland telt momenteel 57 tunnels voor weg- enspoorverkeer, te weten 24 afgezonken tunnels, 19 open bouwkuiptunnels, 10 boortunnels en 4 ter plaatse gestorte open landtunnels.Tunnels zijn kostbare objecten die in beheer en exploitatie denodige aandacht vragen. Voor de civiele onderdelen van tunnels(betonconstructies) is de technische ontwerplevensduur 100 jaar.Voor de installaties wordt uitgegaan van een veel kortere periode,vaak in de orde grootte van 20 jaar. Het zwaartepunt van hetbeheer en onderhoud ligt dan ook op de vervanging en aanpas-sing van de tunneltechnische installaties.Het is de vraag of de tunnelconstructie zelf niet meer aandachtvraagt en verdient. Hoewel in de ontwerpen van de bestaandetunnels het uitgangspunt `100 jaar levensduur' vaak niet expli-ciet is gemaakt, wordt een tunnel tot nu toe als een robuusteconstructie gezien. Deze robuustheid is gebaseerd op de hogelevensduurverwachting van het materiaal gewapend beton. Inde betonvoorschriften was er destijds geen direct verbandtussen een ontwerplevensduur van meer dan 50 jaar en debetondekking die daarbij moest worden toegepast. De beton-voorschriften waren gebaseerd op 50 jaar levensduur. Dankzijde toepassing van hoogovencement en een verhoogde beton-dekking, werd de betonconstructie geacht een levensduur van100 jaar te kunnen bereiken. Dit werd echter niet explicietbenoemd. 5 van de 17 tunnels in het rijkswegennet hebbenbinnen de komende 10 jaar een leeftijd bereikt waarbij de50 jaar, dus de helft van de verwachte 100 jaar levensduur, isgepasseerd. Voor die tunnels is dus sprake van wat kan wordengenoemd `de tweede levensfase'; de fase van 50 naar 100 jaarlevensduur. Het betreft in alle gevallen afgezonken tunnels ofter plaatse gestorte landtunnels. Met het oog op het relatiefgrote aandeel afgezonken tunnels, is besloten nader aandacht tebesteden aan de levensduur van dit type tunnels.VervormingsgedragBij een aantal afgezonken tunnels speelt een specifiek aspectdat niet los kan worden gezien van vooral de functionaliteit en,Doordeopbouwuitelementenenmotenkunnenzinktunnelseenkettinglijnaannemenenalduszettin-genvolgenzonderdatdezegrotekrachtenindetunnelelementenendevoegenveroorzaken.Analysevanhetzettingsgedragwijstechteruitdatdezebeoogdekettinglijninwerkelijkheidvaaknietoptreedt.Danrijstdevraagwelkekrachtenindemootvoegentussendemotenontstaanenwelkegevolgenditmogelijkheeftvoorhetfunctionerenvandemootvoegen.Intweeartikelenwordthetzettings-gedraggeanalyseerdalsmedehetgedragvandemootvoegvandebestaandeKiltunnel.ir. Ivar Schols1)Royal HaskoningDHVdr.ir.drs. Ren? BraamTU Delft, fac. CiTG, Adviesbureauir. J.G. Hageman BVdr.ir. Adri VervuurtTNO1 Tunneldelen van deNoord/Zuidlijn,Amsterdamfoto: G? Dubbelman/HollandseHoogte2 Zijaanzicht van een afge-zonken tunnel3 Schematische weergavevan een 120 m lang tun-nelelement opgebouwduit 6 moten [2]4 Mootvoeg met een kraag-constructie rondom degehele doorsnede1) Het hier beschreven onderzoek is als afstudeerproject door Ivar Schols uitgevoerdbij TNO, namens de TU Delft. In de afstudeercommissie hadden, naast medeau-teurs Ren? Braam en Adri Vervuurt, de volgende personen zitting: prof.dr.ir.Dr.-Ing. E.h. J.C. Walraven (TU Delft, voorzitter), dr.ir. C.B.M. Blom (TU Delft,Ingenieursbureau Rotterdam) en dr.ir. M.A.N. Hendriks (TU Delft). Het onder-zoek is begeleid door een InfraQuest-commissie waarin tevens zitting hadden:dr.ir. K.J. Bakker (TU Delft, WAD43 bv), ing. B.H.M. Hendrix PMSE (RWS) enir. G.M. Wolsink (RWS).Zettingen en rotaties zinktunnels20134potenti?le scheurwrijvingskrachtdrukpuntscheur inbuitenkraagpotenti?le scheur5 6a6b?161?164?164?16?16-200asfaltballastbetontunnelvloerafdichtingsprofiel5 Kenmerkende wapeningsconfiguratie van de buitenkraagconstructie in eentunnelvloer6 Mogelijke schade aan een kraagconstructie:: scheurvorming in de tand van debuitenkraag in de tunnelvloer; globale weergave (a) en detailsituatie (b) [4]ZinktunnelsAfgezonken tunnels worden meestal toegepast daar waar eenverkeersweg een waterweg kruist. Het afgezonken tunneldeelsluit aan op de landhoofden en is opgebouwd uit elementen(fig. 2). De elementen worden vaak in een bouwdok vervaar-digd en bestaan uit verschillende moten. De samengesteldeelementen worden in zijn geheel over water getransporteerd entijdens het afzinken tegen elkaar geplaatst. De elementenkrijgen na positionering meestal een fundering op zand.Daartoe wordt zand aangebracht (meestal door injectie) in deruimte tussen de zinksleuf (de in de bodem van de waterweggebaggerde sleuf waarin de elementen worden geplaatst) en deonderkant van het element.De elementen zijn tijdens transport voorzien van waterdichtekopschotten. De waterdruk op de kop van de afgezonkenelementen spant de tunnel voor. De waterdichtheid van dezinkvoegen wordt tijdens de bouwfase verkregen met Gina-profielen die door de voorspanning door de waterdruk inelkaar worden gedrukt. Na het afzinken van alle elementenin zekere mate, de constructieve veiligheid van de tunnel. Hetbetreft het vervormingsgedrag van de tunnel in de tijd. Bij hetontwerp van op staal gefundeerde zinktunnels werd veronder-steld, dat deze tijdens de levensduur slechts in geringe mate aanvervormingen onderhevig zouden zijn. Tevens werd aangeno-men, als al sprake is van zettingen, dat de tunnel de vorm vaneen kettinglijn aanneemt. De voegconstructies zouden daaromtijdens de gebruiksfase niet worden blootgesteld aan grotebelastingen/vervormingen. Metingen uitgevoerd door Rijkswa-terstaat (RWS) wijzen echter uit, dat een aantal zinktunnelsgrotere en ongelijkmatiger zettingen ondergaat dan bij hetontwerp is aangenomen. Om antwoord te geven op de vraag ofdit gevolgen kan hebben voor de constructieve veiligheid en/oflevensduur van een tunnel, is door InfraQuest een onderzoekgedefinieerd. Daarin staat het zettingsgedrag van op staalgefundeerde zinktunnels centraal. In het onderzoek is eeninventarisatie uitgevoerd, inclusief een interpretatie van demeetgegevens en een analyse van de gevolgen hiervan voor hetgedrag van een tunnel. Binnen het onderzoek is een afstudeer-onderzoek uitgevoerd [1].InfraQuestHet Competence Centre InfraQuest is een samenwerkingsver-band van Rijkswaterstaat, de Technische Universiteit Delft enTNO, waarin specialisten op het gebied van wegenbouw encivieltechnische constructies samenwerken aan kennisontwikke-ling en vernieuwende, toekomstgerichte oplossingen.Voor de ontwikkeling richt InfraQuest zich op een aantal compe-tentiegebieden die tot uitdrukking komen in zes programmalij-nen, waaronder de programmalijn Tunnels waar het hierbeschreven onderzoek deel van uitmaakt.Zettingen en rotaties zinktunnels 2013 577 Lekwater in de Drechttunnel [3]foto: RWS, L. LeeuwEen moot heeft een binnenkraag aan het ene uiteinde, diegeheel wordt omsloten door de buitenkraag van de aangren-zende moot. Bij vroegere ontwerpen heerste de opvatting, datde kraag geen noemenswaardige krachten te verduren zoukrijgen tijdens de gebruiksfase van de tunnel. Door verschilzet-ting tussen moten, eventueel in combinatie met ongelijkmatigeondersteuning van de moten, kan een groter dan verwachtebelasting optreden op een kraag. Bij de meeste zinktunnels inNederland (veelal tunnels van v??r 2000) hebben de kragenalleen praktische krimpwapening. De meest voorkomendewapeningsconfiguratie is ?16-200 en zelfs ?12-200 werd regel-matig toegepast (fig. 5). Grotere diameters dan 25 mm werdennauwelijks toegepast, mede door het moeilijke buigproces vande staven. Na 2002 is de wapening in mootvoegen verzwaardvan nieuw te bouwen tunnels.Zoals vermeld, wordt de waterafdichting tussen moten gereali-seerd door een waterstop (een rubbermetalen voegstrook, totcirca 1972 in combinatie met een waterdichte bekleding). Dewaterstop zit altijd in de buitenste kraag (fig. 5). Het profielwordt in de bekisting gefixeerd onder een kleine helling(V-vorm). De helling voorkomt dat tijdens het storten enverdichten van het beton, lucht- en/of waterinsluiting onder deflap ontstaat.wordt de sluitvoeg gestort, de voeg tussen de twee laatstge-plaatste elementen. Zinkvoegen worden tijdens de afbouwfaseaan de binnenzijde voorzien van een Omega-profiel in eeninkassing. Dit Omega-profiel is in veel gevallen met ter plaatsegestort constructiebeton beschermd.Het afgezonken gedeelte van Nederlandse tunnels is, globaalgesteld, opgebouwd uit vier tot zeven elementen met elk eenlengte van 80-130 m. Een element wordt gestort in moten meteen lengte van 18-25 m (fig. 3). Door de mootlengte te beper-ken, worden trekspanningen in langsrichting door het verhar-dingsproces beperkt. Nadat een mootvoeg is voorzien van eenlaag asfaltbitumen of is ingewassen met cementspecie, wordt devolgende moot er koud tegenaan gestort. Een waterstop (inge-stort rubberprofiel met staalplaten) moet lekkage over de stort-voegen tussen de moten (mootvoegen) voorkomen. Wapeningwordt niet over de mootvoegen doorgevoerd. Wel is er eenconstructieve verbinding tussen de moten, meestal in de vormvan een kraag (fig. 4), zodat geen verschilzettingen tussen tweemoten kunnen optreden.Een tunnelelement wordt voorzien van langsvoorspanning diedoor de mootvoegen is doorgezet. De voorspankracht zorgtervoor dat een tunnelelement zich tijdens het transport enafzinken als een stijf geheel gedraagt; de mootvoegen staanonder druk. De voorspanning wordt na het afzinken doorgesle-pen om rotaties van de moten mogelijk te maken.De zinkvoegen (met Gina- en Omega-profielen) en de detail-lering van de mootvoegen (met kraag en waterstop) moetenniet alleen zorgen voor waterdichtheid, maar moeten ook enigeonderlinge rotatie van de elementen en moten mogelijk maken.Hierdoor moeten ongelijkmatige zettingen van de tunnelworden opgevangen zonder dat grote krachten in de motenontstaan. Veelal is 20 mm aangehouden als verwachte maxi-maal optredende zetting.KraagconstructieEen kraagconstructie moet verticale verplaatsing door verschil-zettingen tussen moten verhinderen en de dwarskrachtenkunnen opnemen. In een ideale situatie werkt de mootvoeg alseen scharnier, zij het met een beperkte rotatiecapaciteit. Omeen dwarskracht op te nemen, moet het oplegvlak van de kraag(bij benadering) horizontaal zijn. De kraag bevindt zich in delangsomtrek van de tunneldoorsnede, dus in de buitenstewanden, het dak en de vloer van de tunnel (fig. 4). Om rotatieszonder problemen toe te staan, mag het oplegvlak van de kraagniet te breed zijn (meestal 250 mm; lengtemaat in zijaanzicht).Zettingen en rotaties zinktunnels20136moot Ageen krachtsopname wel krachtsopnamemoot Amoot B dakvloermoot B988 Afgeboerd beton in het dak van een tunnelfoto: RWS, G. Wolsink9 Krachten door verhindering van een zetting als moot A wilzakken ten opzichte van moot BZettingen en rotatiesTijdens het afzinkproces en de afbouwfase worden metingenverricht om een juiste positionering van de tunnelelementen tegaranderen. Per meting wordt voor ieder meetpunt in de tunnelde co?rdinaatligging bepaald. In de gebruiksfase wordenmetingen uitgevoerd met als doel een goed beeld te krijgen vande ligging en om te beoordelen of de beoogde `kettinglijn'ontstaat. Het hier beschreven onderzoek richtte zich op deverticale verplaatsingen (zettingen).Verschilzettingen kunnen tussen twee moten of elementenoptreden. De krachten die verticale verschilzettingen voor eenmoot tot gevolg hebben, moeten (afhankelijk van de richtingvan de zettingen) worden opgenomen door de kraagconstructiein dak of vloer (fig. 9).Verschilrotatie om een horizontale as loodrecht op de lengteasvan de tunnel kan optreden tussen twee opeenvolgende moten.Bij de voegen zijn dan een druk- en trekkant te onderscheiden.Dit is voor een mootvoeg verduidelijkt in figuur 10. De trek-kant is fictief aangezien een mootvoeg, vanwege het ontbrekenvan een constructieve verbinding, niet in staat is trekkrachtenover te brengen.Om zettingen en (voeg)rotaties te analyseren, wordt eentunnelelement geschematiseerd als een ketting van starrestaven die, zo is verondersteld, onderling zuiver scharnierendmet elkaar zijn verbonden.Bij het analyseren van de beschikbare meetgegevens is geble-ken, dat niet alle vereiste gegevens over het zettingsgedragbeschikbaar zijn en dat bij het aanbrengen van de meetpuntenniet in alle gevallen rekening is gehouden met de aard van demogelijk optredende vervormingsmechanismen. Een goedemeetpuntconfiguratie en een nulmeting zijn dan ook essentieelom bruikbare informatie te verkrijgen. Door lacunes in demeetgegevens bleek dat de mogelijkheid tot grondige analysebeperkt bleef tot de Kiltunnel. De Kiltunnel en de analysesworden navolgend besproken.Mogelijke schadeoorzakenVerschilzettingen in langsrichting van een tunnel kunnen resulte-ren in rotaties in mootvoegen, met mogelijke schade tot gevolg. Infiguur 6 is de mogelijke oorzaak van een schadegeval weergege-ven. De belasting op de tandconstructie (dwarskracht en eenhorizontale wrijvingskracht als trekkracht op de tand) zou zogroot kunnen worden, dat scheurvorming in de gewapende tandhet gevolg is. Mogelijk dringt dan (zout) water in het beton, metcorrosieproblemen als gevolg, en worden scheuren mogelijkzandvoerend. De duurzaamheid wordt hierdoor be?nvloed,mogelijk op termijn ook de levensduur van de tunnel. Ook kan debetondekking van de tand afbrokkelen. Door voegrotaties waarbijsegmenten naar elkaar toe bewegen, kunnen de randen van devoegen ook onder druk komen te staan. Beton kan afboeren alsde randspanningen te groot worden.Als een kraag is bezweken, kan lekwater in de winter leiden totde vorming van ijs op het wegdek. Dit brengt mogelijk gevaar-lijke situaties met zich mee voor het tunnelverkeer (foto 7 en8). Een verschilzetting kan ook ongewenste knikken in hetverticale alignement veroorzaken.Zettingen en rotaties zinktunnels 2013 7druk-kanttrek-kantgesloten gedeeltetotale lengte405 m901 mDordtsche Kil101112mootvoegbuitenwand10 Rotatie van de moten om een horizontale as loodrecht op delengteas van de tunnel11 Lengteprofiel van de Kiltunnel12 Scheur in de buitenwand naast een mootvoeg van de zuid-buis van de Kiltunnel [4]foto: RWS, L. Leeuwvan eenmaal per 3 ? 4 maanden te herhalen. Omdat na deproblemen geen significante zettingsverschillen en schade meerzijn waargenomen, worden de metingen nu jaarlijks verricht.ZettingenHet zettingsgedrag van de tunnel is weergegeven in figuur 13voor de noordkant en de zuidkant van de tunnel. De horizon-tale as geeft de lengteco?rdinaat (y-as) van de tunnel; de verti-cale as de zettingen. Elke lijn in de grafiek geeft de zetting opeen bepaald tijdstip van een meting weer. Onder in de grafie-ken is de ligging van de drie elementen (2-3-1) en moten (perelement de moten A-E) weergegeven (voor nummering zie fig.13). De vormen van de zettingslijnen van de noord- en zuid-kant komen grotendeels met elkaar overeen. Al in december1977 is de bij het ontwerp aangehouden deformatiedrempelvan 20 mm voor de verticale zetting bijna overschreden. Echter,pas in 2001 werd een lek geconstateerd. Door het verdwijnenvan zand uit de ondergrond was er de dreiging dat de tunnelplaatselijk zou worden ondermijnd, met mogelijk op termijngrote functionaliteitsproblemen als gevolg.Casestudy KiltunnelBij het onderzoek is als casestudy de Kiltunnel gekozen. Ditomdat tijdens de bouw een nulmeting (juli 1977) van de zettin-gen heeft plaatsgevonden, 20 herhalingsmetingen zijn uitge-voerd en relatief veel meetpunten zijn gebruikt. Tevens zijnlekkages en schadegevallen bekend.De Kiltunnel gaat onder de rivier de Dordtsche Kil door enverbindt de N217 vanuit 's-Gravendeel met de N3 richtingDordrecht. Verdieping en verbreding van de Kil werd gecombi-neerd met de bouw van de tunnel. De huidige vaargeulbreedteis 150 m. In 1977 werd de toltunnel in gebruik genomen. Detunnel heeft inclusief toeritten een totale lengte van 901 m. Eenschematisch lengteprofiel van de tunnel is gegeven in figuur 11.Het afgezonken gedeelte is ongeveer 335 m lang en bestaat uitdrie tunnelelementen van elk vijf moten. De afdekking op detunnel bestond oorspronkelijk uit een 2 m dikke granulaatlaag.Om een vaargeulverdieping te kunnen realiseren, is dit laterteruggebracht naar een laagdikte van 1 m.De elementen hebben twee verkeerskokers. De tunnelvloer metdaarop ballastbeton is circa 2 m dik.Waargenomen schadeIn 2001 werd een (groot) lek geconstateerd in een mootvoeg,ter plaatse van de buitenwand en nabij de vloer, aan de zuid-kant van de tunnel (foto 12). Als mogelijke oorzaak van het lekis destijds breuk van de kraagconstructie in de mootvoeg in devloer genoemd. Het ontstaan van de breuk werd toegeschrevenaan zetting van de moten. Er zou mogelijk sprake zijn vanpiping (erosie) onder de tunnelvloer met zandverlies en daar-door zettingen als gevolg. De wapening van de kraag was nietberekend op grote krachten door zettingen.De scheuren in de buitenwand zijn door injectie gevuld. Ookdaarna trad nog lekkage op. Het lekwater werd via een gootnaast de buitenwand afgevoerd naar de pompkelder. De proble-men gaven aanleiding de zettingsmetingen met een frequentieZettingen en rotaties zinktunnels20138zetting[mm]zetting[mm]rotatie[rad]lengte-as / Y-as [m] lengte-as / Y-as [m]voegmax. noordmax. zuidmin. noordmin. zuidelement 2 element 2SV SVZV ZVelement 3 element 3element 1 element 113a 13b1413 Zetting van de tunneldelen aan de noordkant (a) en de zuidkant (b) van deKiltunnel (metingen van september 1977 tot en met augustus 2010)14 Grootste berekende mootvoegrotaties aan de noord- en zuidkantVervolgIn het vervolgartikel wordt beoordeeld welke gevolgen de waar-genomen zettingslijn heeft voor de krachten die in de mootvoe-gen en zinkvoegen optreden. Daarna wordt bepaald of dezekrachten constructieve consequenties hebben. Dit artikel isbeschikbaar op www.cementonline.nl. LIteRAtuuR1 Schols, I., Segmentvoegcapaciteit van de Kiltunnel, Deel 1: Afgezon-ken tunnels en zettingen, Deel 2: Capaciteitsbepaling, Afstudeerver-slag TU Delft, Betonconstructies, 2012.2 Van Oorsouw, Behaviour of segment joints in immersed tunnelsunder seismic loading, TU Delft, 2010.3 Leeuw, L., Tunnels in Nederland, Monitoring tunnels, BouwdienstRWS, 2005.4 Bijzondere wapening, Stubeco studiecel B07.5 Leeuw, L.,Lekkage in tunnels, Dilatatievoegen en beton, BouwdienstRWS, 2008.6 Bakker, K.J., Leeuw, L., Zettingsgedrag van de Willemsspoortunnel,WAD43 bv, IJsselstein, 2011.De in foto 12 getoonde schade heeft betrekking op mootvoeg2DC (voeg tussen moot D en C in element 2), ter plaatse vande buitenwand aan de zuidkant van de tunnel. Door dezettingsontwikkeling door te zetten op basis van de gevondenzettingslijnen, kan de verwachte toekomstige zetting wordenberekend. Extrapolatie tot een levensduur van de constructievan 100 jaar wijst uit, dat de maximale zetting zal toenemen tot75 ? 80 mm; bij zandverlies door de voegen potentieel aanzien-lijk meer. Het grootste deel van de zetting is naar verwachtingopgetreden in de eerste jaren na de bouw in 1977. Een reken-model voorspelt dat na circa 4 jaar na de bouw al ongeveer 50%van de na 100 jaar verwachte zetting is opgetreden; na circa20 jaar ongeveer 75%.VoegrotatiesIn figuur 14 is per voeg de grootste berekende rotatie weergege-ven voor de noord- en zuidkant. De in absolute zin grootsterotatie treedt op in mootvoeg 2DC en ter plaatse is een knik inde zettingslijn van element 2 te zien (fig. 13). De recente metin-gen tonen een driehoek met de punt naar beneden. Het betrefteen negatieve rotatie. De grootste positieve rotatie treedt op invoeg 3ED. De maximaal berekende voegrotatie is 2,1 10-3 rad(2DC). Na 100 jaar levensduur is deze naar verwachting toege-nomen tot circa 2,5 10-3 rad.ConclusiesDe tijdens het ontwerp veronderstelde kettinglijn heeft zichniet conform de verwachtingen ontwikkeld. Het middelsteelement (nr. 3) ondergaat minder zettingen dan de buitensteelementen (nr. 2 en 1). De buitenste elementen vervormen bijbenadering wel volgens een kettinglijn, maar de tunnel alsgeheel doet dit niet.Met behulp van het zettingsverloop is een goed beeld verkregenvan de optredende voegrotaties.