Voor de realisatie van de deurkassen voor de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden is gebruikgemaakt van pneumatisch caissons. Zowel de afmetingen als de eigenschappen zijn buitenproportioneel. Om te voorkomen dat in het ontwerp voor alle extreme belastingsituaties tijdens afzinken een sterkte- of weerstandseis moest worden verwerkt, is gekozen voor toepassing van de observational method.
Observational method
1 Werkzaamheden bouw Nieuwe Zeesluis IJmuiden, met rechtsonder het pneumatisch caisson binnenhoofd,
foto: Topview Luchtfotografie
Voor de realisatie van de deurkassen voor de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden is gebruikgemaakt
van pneumatisch caissons. Zowel de afmetingen als de eigenschappen zijn
buitenproportioneel. Om te voorkomen dat in het ontwerp voor alle extreme belastingsituaties tijdens afzinken een sterkte of weerstandseis moest worden verwerkt, is gekozen voor toepassing van de observational method.
1
28? CEMENT 3 2020
De beschikbare ruimte voor de
realisatie van de nieuwe sluis is
beperkt door de aanwezigheid
van de bestaande sluizen.
Het gro-
tendeels meer dan 100 jaar oude sluizencom -
plex mag niet worden aangetast. Bovendien
moet tijdens de bouw de waterkerende func-
tie en de schutfunctie gehandhaafd blijven.
Daarom is binnen de beïnvloedingszones van
het oude zeesluizencomplex voor de nieuw -
bouw gekozen voor trillingsarme uitvoerings-
methoden (fig. 2). Deze methoden bestaan
onder andere uit het toepassen van diepwan -
den, damwanden in cement-bentonietwan -
den en pneumatische caissons. Buiten de
beïnvloedingszones zijn getrilde en geheide
damwanden en combiwanden toegepast.
Deurkassen
De pneumatische caissonmethode is toege-
past voor de deurkassen. Dit betreft voor het
buitenhoofd:
caisson van circa 81 x 26 x 22 m (l x b x h,
exclusief 2,5 m hoge snijranden) van circa
75.000 ton, geschikt voor:
één operationele deur.
En voor het binnenhoofd (foto 1 en fig. 3):
caisson van circa 81 x 55 x 25,6 m (l x b x h,
exclusief 2,5 m hoge snijranden) van
circa 150.000 ton, geschikt voor:
één operationele deur;
(droog)dok voor de reservedeur;
cellenwand van 81 x 10 m aan de zijde van
het Noordzeekanaal;
appendix van 10 x 20 m.
De cellenwand is er ten behoeve van zowel
de verkeersverbinding als de aanvaarbevei -
liging. Deze wand wordt na het afzinken ge-
vuld zand en puin. De appendix dient voor
scheepsgeleiding en tevens voor aanvaarbe-
veiliging. Ook deze wordt met zand en puin
gevuld. De appendix heeft een open onder-
zijde en is van bovenaf ontgraven. Hiermee
was dit geen onderdeel van het pneumati -
sche ontgravings- en afzinkregime. Er was
echter wel afstemming vereist met de voort-
gang van het pneumatisch afzinken.
Afzinkwerkzaamheden
Nog nooit is ergens ter wereld een pneuma -
tisch caisson afgezonken met een oppervlak
zo groot als het binnenhoofd bij de zeesluis
in IJmuiden. De caissons zijn gebouwd op
kunstmatige eilanden in een bouwkuip met
een maaiveld niveau van NAP -5,0 m (grond -
waterpeil NAP -8,0 m tijdens ruwbouw),
omgeven door (grond)water met een
waterstand van NAP -0,4 m (waterpeil
Noordzeekanaal). De afzinkwerkzaamheden bestonden
uit:
het pneumatisch afzinken van het caisson
voor de deurkas van het buitenhoofd van
NAP -7,50 m tot NAP -24,30 m (snijrand-
niveaus);
het pneumatisch afzinken van het caisson
voor de deurkas van het binnenhoofd van
NAP -7,50 m tot NAP -25,55 m NAP (snijrand -
niveaus).
Torsiegevoelig
Normaal gesproken bestaat een caisson uit
een 'gesloten doos' of een gedrongen, stijve
constructie. Dit is echter voor de caissons
voor de deurkassen in IJmuiden niet het ge-
val. De caissons zijn hier, globaal gesproken,
torsie-slappe constructies die niet in staat
zijn de extreme belastingen tijdens afzinken
op te nemen (met name torsiebelastingen).
Tijdens het afzinken moet namelijk worden
gerekend op ongelijkmatige, niet eenduidig
voorspelbare reactiekrachten vanuit de
grond, waardoor extreme buiging en torsie
als een mogelijke belastingsituatie moet
worden beschouwd. Hierdoor was een andere ontgravings-
strategie nodig dan gebruikelijk. Waar nor-
maal alleen wordt gestuurd op zakking en
ING. JOHN REGTOP
Ontwerpmanager SluishoofdenOpenIJ /
BAM Infraconsult auteur
Nieuwe Zeesluis IJmuiden (4)
2
2 Overzicht Nieuwe Zeesluis IJmuiden
diepwand combiwand/diepwand pneumatisch caisson
CEMENT
3 2020 ?29
scheefstand, is hier gekozen voor een strate-
gie met een uitzonderlijke beheersing van het
ontgravingsproces, waarbij de globale belas-
ting op de caissons beperkt werd gehouden. Deze strategie vereist duidelijk inzicht
in de krachten die de grond tijdens het af-
zinken uitoefent op de caissons. Dit inzicht
wordt niet zomaar verkregen, omdat het
gedrag en de sterkte- en stijfh eidseigen-
schappen van de grond variëren. Dit ook
tijdens het ontgravings- en bezwijkproces
van de grondbermen onder het caisson.
Doordat de grond tijdens afzinken lokaal
wordt belast tot plastisch gedrag, en op
andere locaties het gedrag statisch is, kun-
nen zeer grote reactieverschillen ontstaan.
Het is daarom noodzakelijk het geheel van krachten en reacties te beheersen,
bestaande uit:
aandrijvende krachten (gewichten van de
vloeren en wanden van het caisson);
weerstand biedende krachten (gronddruk
langs de snijranden, pneumatische druk
tegen de vloer, wrijving langs de buiten-
wanden);
krachten ten gevolge van opgelegde en
opgetreden vervormingen van de construc-
tie door ongelijkmatig grondgedrag en
ontgravingstoleranties in de werkkamer;
uitwendige belastingen (water- en korrel-
druk).
Dit geheel van krachten en reacties moest
integraal worden beoordeeld tijdens de ver-
3 Pneumatisch caisson binnenhoofd
Er was een
andere
ontgravings-
strategie
nodig dan
gebruikelijk
3
droogdok reservedeur
17,5 m
4,5 m
5 ,25 m
8 m10 m
80,58 m
63
m
55 m
cellenwand
appendix
deurkas operationele deur
30? CEMENT 3 2020
028_034_CMNT0320_Artikel 161d.indd 30 06-05-20 09:55
schillende fases van het afzinkproces. Om te
voorkomen dat voor alle extreme belasting-
situaties een (voor deze constructie onhaal -
bare) sterkte- of weerstandseis moest wor-
den verwerkt in het ontwerp, is gekozen
voor de observational method.
Observational method
De 'observational method' is een ontwerp-
methodiek waarbij tijdens de realisatiefase
van het project aanpassingen kunnen wor-
den doorgevoerd in met name het uitvoe-
ringsplan. De observational method begint
met het maken van een plan waarin de uit-
gangspunten voor ontwerp en uitvoering
worden gedefinieerd en waarin de bepalende,
te observeren parameters worden gekozen.
Statisch systeem? De te observeren parame-
ters moeten een eenduidige relatie hebben
met de stress state (het geheel van trek-,
druk- en schuifspanningen) van de con -
structie en de ondergrond. Vanwege niet
eenduidige eigenschappen, met name van -
uit de grond, is het verkrijgen van inzicht in
de parameters die de stress state bepalen
gedurende het gehele afzinkproces zeer
moeilijk, bijna onmogelijk. Het gaat bij de zeesluis om een meer-
voudig statisch onbepaald systeem, bestaan -
de uit een samenspel van vijf door de grond
ondersteunde snijranden (drie langs en twee
kopse, fig. 4). Met het oog op de complexiteit
is voor ontwerp en uitvoering echter geko-
zen voor een enkelvoudig statisch bepaald
systeem, namelijk een systeem opgelegd op
twee steunpunten: de snijranden onder de
langswanden van het caisson. Bij het ontgra -
ven van de overige snijranden is een boven-
en ondergrens toegekend aan de bijdrage in
de draagfunctie. Een systeem op twee steunpunten in
deze toepassing zal altijd evenwicht zoeken
en vinden. Daarbij zakt het caisson scheef
als de sterkte of stijfheid van één van de
twee steunpunten onvoldoende is. Op deze
wijze wordt een nagenoeg statisch enkelvou -
dig systeem gecreëerd dat te beoordelen is
gedurende alle fasen van afzinken.
Steunbermen? In de caissontechniek ge-
beurt (scheef )zakken niet plotseling, maar
langzaam, als functie van de ontgraving van
de steunbermen. Stoppen met ontgraven re-
sulteert in groei van de steunbermen, waar-
door evenwicht wordt gevonden. Het caisson
bepaalt als het ware zelf welke breedte van
de steunberm benodigd is. Variaties in de breedte van de steun -
berm over de langsrichting (rode en groene
zones in figuur 5) en variaties in de grond -
sterkte zijn erg belangrijk, omdat deze be-
palend zijn voor langsbuiging van de wan -
den van het caisson en voor globale torsie.
Gemiddelde variaties in breedte van de
steunbermen zijn in dit geval beperkt tot
+/- 0,5 m. De variaties in grondeigenschap-
pen over de langsrichting kunnen vervol -
gens worden beoordeeld door middel van
torsiemetingen.
Het belangrijkste
stuurmiddel is
het monitoren
van de breedtes
van de
steunbermen in
de werkkamer
4
5
4 Doorsnede caisson met drie snijranden in langsriching (caisson deurkas binnenhoofd)
5 Steunberm onder de snijrand (twee situaties, smalle berm (links) en brede berm (rechts) inclusief ontgravingstoleranties)
Nieuwe Zeesluis IJmuiden (4)
CEMENT 3 2020 ?31
Monitoring? Omdat afzinken een langzaam
verlopend proces is, kunnen de ontgravin -
gen van de steunbermen goed als beheers-
maatregel worden ingezet voor de langsbui -
ging, torsie en scheurwijdte. Door het
voortdurend meten en beoordelen van de
steunbermen onder de langswanden (foto 6)
in combinatie met het meten van scheef -
standen en torsie (fig. 7) kan de stress state
van de constructie worden beheerst. De praktische toets van de theoreti -
sche stress state is uitgevoerd met scheur-
wijdte-inspecties (foto 6, fig. 9), die op regu -
liere intervallen tijdens het ontgravings-
proces zijn uitgevoerd. Deze inspecties
betroffen met name het plafond van de
werkkamer, de wanden van het caisson en
de tijdelijke dwarswanden. Naast realtime monitoring van scheef -
standen, torsie en absolute positie zijn ook
andere parameters gemonitord die het af -
zinkproces beïnvloeden, zoals grondwater-
standen, stijghoogtes en luchtdrukken. Ook
de omgeving is realtime gemonitord. Het
gaat om spanningen in stempels en vervor-
mingen van de bouwkuipen.
Bermbreedtes? Het belangrijkste stuurmid -
del om ongewenste zakking en vervorming
van het caisson te voorkomen, is het moni -
toren van de breedtes van de steunbermen
in de werkkamer. Om de operators van de
graafarmen te ondersteunen bij de interpre-
tatie van de beelden, zijn vooraf een aantal
gekleurde 'haarspelden' in het plafond van
de werkkamer gestort. Deze haarspelden
dienden als oriëntatie en om een inschatting
te kunnen maken van de plaatselijke berm -
breedte. Afhankelijk van de zaksnelheid zijn
de bermen periodiek ingemeten door een
beperkt aantal mensen kortstondig in de
werkkamer te brengen. De resultaten van deze metingen zijn
verwerkt in een controlesheet en vergeleken
met de targetbreedtes van de bermen inclu -
sief de bijbehorende toleranties (fig. 8). Ook
de actuele scheefstand en torsie zijn beoor-
deeld. Door de site engineering zijn de data
vertaald naar de stress state van het
caisson. Hierbij zijn ook de ontwikkeling van
scheurpatronen en de grootte van de
6 Scheurwijdte-inspectie en bermmeting in de werkkamer, gecombineerd met onderhoud 7 Impressie real time monitoring
6
7
32? CEMENT 3 2020
scheurvorming als parameter meegenomen
(fig. 9). Op basis van deze verzamelde infor-
matie en de evaluatie ervan, zijn voortdu-
rend ontgravingsinstructies voor de steun -
bermen geformuleerd, zodanig dat de stress
state van de constructie binnen de ontwerp-
randvoorwaarden bleef. Hierbij is gebruik -
gemaakt van een spreadsheet om snel en
adequaat te kunnen beoordelen. Een en ander is vervolgens vastgelegd
in een baggerplan (fig. 10). Hierin is aange-
ven hoeveel bij welke positie mag worden
weggebaggerd om binnen de gemiddelde
variatie van +/- 0,5 m bermbreedte te blijven.
Observational method in de
praktijk
Vanwege de toepassing van de observational
method was er gedurende het hele proces
een continue afstemming tussen ontwerp
en uitvoering. In de voorbereiding is veel
overleg gepleegd over vereiste toleranties,
signalerings- en interventiewaarden van
scheefstanden en torsie, en informatie hier-
over is verwerkt in het ontwerp van het
8
9
8 Voorbeeld van een verwerkte bermmeting en opstellen van nieuwe targetbreedtes.
9 Ontwikkeling van de scheurvorming in de oostelijke werkkamer bij het einde van het aflaten
Nieuwe Zeesluis IJmuiden (4)
CEMENT 3 2020 ?33
caisson. Een belangrijke afweging hierbij
was de praktische haalbaarheid van toleran-
ties. In geval van tegenstrijdige belangen zijn
afwegingen gemaakt tussen oplossingen in
het ontwerp. Tijdens het afzinkproces is 24 uur per
dag overleg gevoerd tussen engineering en
uitvoering over de data uit het digitale moni -
toringssysteem, inmetingen van berm -
breedtes, scheurvorming, en zijn de resulta -
ten verwerkt in baggerplannen. In theorie lijkt dit heel erg gecompli -
ceerd. In de praktijk heeft dit echter goed
gewerkt. Vanwege de uitgebreide voorberei -
ding en samenwerking tussen ontwerp, site
engineering en uitvoering waren alle uit-
gangspunten en beperkingen voor iedereen
helder. Er was commitment met betrekking
tot alle noodzakelijke eisen en randvoor-
waarden. Zo is gedurende het project, zowel
in de voorbereiding als in de uitvoering, een
optimale mix ontstaan tussen theoretische
kennis en praktische haalbaarheid. Belang -
rijk aspect hierin was het bij elkaar huisves-
ten van het ontwerpteam, site-engineerings-
team en het uitvoeringsteam. Vanuit risicobeheersing, geïnventari -
seerd in het voortraject, is een uitgebreid
communicatieprotocol opgezet. Hierin zijn
duidelijk de bandbreedtes vastgesteld voor de afzinkoperatie voor de constante infor-
matie-uitwisseling tussen alle betrokken
partijen. Het gemeenschappelijk doel was
voor iedereen heel erg duidelijk: beide
caissons moesten onbeschadigd op diepte
worden afgezonken en dat binnen toleran
-
ties die nog nooit eerder waren behaald. Uiteindelijk bleken de caissons voor
de deurkassen van zowel het buitenhoofd
als het binnenhoofd tijdens het afzinken
goed beheersbaar en bestuurbaar. Het in -
meten van de bermen, het beoordelen van
het monitoringssysteem, het opstellen van
de graafplannen en het uitvoeren van
scheurinspecties, hebben ervoor gezorgd
dat het afzinkproces tijdens het zakken en
het plaatsen op einddiepte binnen de gestel -
de toleranties is verlopen. De vooraf vastge-
legde toelaatbare scheurwijdtes en geome-
trische toleranties zijn niet overschreden.
Het gevoel voor het gedrag van het caisson is
gedurende het afzinkproces steeds beter tot
ontwikkeling gekomen. Dit gold voor zowel
de engineers als de operators. De observati -
onal method en het op afstand bediend af -
zinken hebben beiden daarmee hun waarde
bewezen en hebben geleid tot een succesvolle
afronding van het pneumatisch afzinken
van de caissons voor de deurkassen van de
zeesluis IJmuiden.
Tijdens het
afzinkproces is
24 uur per dag
overleg gevoerd
tussen
engineering en
uitvoering over
de data uit het
monitorings
systeem
10 Voorbeeld van een baggerplan 34? CEMENT 3 2020
10
Serie over de Nieuwe Zeesluis IJmuiden
Een nieuwe, grotere zeesluis in IJmuiden moet ruimte bieden aan de steeds groter wordende zeeschepen en daarmee de bereikbaarheid van de haven van Amsterdam verbeteren. Technisch hoogstandje van het project zijn de deurkassen die zijn uitgevoerd als pneumatische caissons. In een vierluik nemen we je mee in het ontwerp en de uitvoering van de nieuwe sluis. Het eerste artikel is een inleiding van het project. In deel 2 wordt het ontwerp van de deurkassen behandeld en in deel 3 de pneumatische caissonmethode waarmee deze zijn uitgevoerd. In dit vierde deel wordt tot slot beschreven hoe volgens de observational method tijdens de realisatiefase aanpassingen in het uitvoeringsplan werden gedaan.
1. Werkzaamheden bouw Nieuwe Zeesluis IJmuiden, met rechtsonder het pneumatisch caisson binnenhoofd (foto: Topview Luchtfotografie)
De beschikbare ruimte voor de realisatie van de nieuwe sluis is beperkt door de aanwezigheid van de bestaande sluizen. Het grotendeels meer dan 100 jaar oude sluizencomplex mag niet worden aangetast. Bovendien moet tijdens de bouw de waterkerende functie en de schutfunctie gehandhaafd blijven. Daarom is binnen de beïnvloedingszones van het oude zeesluizencomplex voor de nieuwbouw gekozen voor trillingsarme uitvoeringsmethoden (fig. 2). Deze methoden bestaan onder andere uit het toepassen van diepwanden, damwanden in cement-bentonietwanden en pneumatische caissons. Buiten de beïnvloedingszones zijn getrilde en geheide damwanden en combiwanden toegepast.
2. Overzicht Nieuwe Zeesluis IJmuiden
Deurkassen
De pneumatische caissonmethode is toegepast voor de deurkassen. Dit betreft voor het buitenhoofd:
- caisson van circa 81 x 26 x 22 m (l x b x h, exclusief 2,5 m hoge snijranden) van circa 75.000 ton, geschikt voor:
- één operationele deur.
En voor het binnenhoofd (foto 1 en fig. 3):
- caisson van circa 81 x 55 x 25,6 m (l x b x h, exclusief 2,5 m hoge snijranden) van circa 150.000 ton, geschikt voor:
- één operationele deur;
- (droog)dok voor de reservedeur;
- cellenwand van 81 x 10 m aan de zijde van het Noordzeekanaal;
- appendix van 10 x 20 m.
De cellenwand is er ten behoeve van zowel de verkeersverbinding als de aanvaarbeveiliging. Deze wand wordt na het afzinken gevuld met zand en puin. De appendix dient voor scheepsgeleiding en tevens voor aanvaarbeveiliging. Ook deze wordt met zand en puin gevuld. De appendix heeft een open onderzijde en is van bovenaf ontgraven. Hiermee was dit geen onderdeel van het pneumatische ontgravings- en afzinkregime. Er was echter wel afstemming vereist met de voortgang van het pneumatisch afzinken.
3. Pneumatisch caisson binnenhoofd
Afzinkwerkzaamheden
Nog nooit is ergens ter wereld een pneumatisch caisson afgezonken met een oppervlak zo groot als het binnenhoofd bij de zeesluis in IJmuiden. De caissons zijn gebouwd op kunstmatige eilanden in een bouwkuip met een maaiveld niveau van NAP -5,0 m (grondwaterpeil NAP -8,0 m tijdens ruwbouw), omgeven door (grond)water met een waterstand van NAP -0,4 m (waterpeil Noordzeekanaal).
De afzinkwerkzaamheden bestonden uit:
- het pneumatisch afzinken van het caisson voor de deurkas van het buitenhoofd van NAP -7,50 m tot NAP -24,30 m (snijrandniveaus);
- het pneumatisch afzinken van het caisson voor de deurkas van het binnenhoofd van NAP -7,50 m tot NAP -25,55 m NAP (snijrandniveaus).
Er was een andere ontgravingsstrategie nodig dan gebruikelijk
Torsiegevoelig
Normaal gesproken bestaat een caisson uit een ‘gesloten doos’ of een gedrongen, stijve constructie. Dit is echter voor de caissons voor de deurkassen in IJmuiden niet het geval. De caissons zijn hier, globaal gesproken, torsie-slappe constructies die niet in staat zijn de extreme belastingen tijdens afzinken op te nemen (met name torsiebelastingen). Tijdens het afzinken moet namelijk worden gerekend op ongelijkmatige, niet eenduidig voorspelbare reactiekrachten vanuit de grond, waardoor extreme buiging en torsie als een mogelijke belastingsituatie moet worden beschouwd.
Hierdoor was een andere ontgravingsstrategie nodig dan gebruikelijk. Waar normaal alleen wordt gestuurd op zakking en scheefstand, is hier gekozen voor een strategie met een uitzonderlijke beheersing van het ontgravingsproces, waarbij de globale belasting op de caissons beperkt werd gehouden.
Deze strategie vereist duidelijk inzicht in de krachten die de grond tijdens het afzinken uitoefent op de caissons. Dit inzicht wordt niet zomaar verkregen, omdat het gedrag en de sterkte- en stijfheidseigenschappen van de grond variëren. Dit ook tijdens het ontgravings- en bezwijkproces van de grondbermen onder het caisson. Doordat de grond tijdens afzinken lokaal wordt belast tot plastisch gedrag, en op andere locaties het gedrag statisch is, kunnen zeer grote reactieverschillen ontstaan.
Het is daarom noodzakelijk het geheel van krachten en reacties te beheersen, bestaande uit:
- aandrijvende krachten (gewichten van de vloeren en wanden van het caisson);
- weerstand biedende krachten (gronddruk langs de snijranden, pneumatische druk tegen de vloer, wrijving langs de buitenwanden);
- krachten ten gevolge van opgelegde en opgetreden vervormingen van de constructie door ongelijkmatig grondgedrag en ontgravingstoleranties in de werkkamer;
- uitwendige belastingen (water- en korreldruk).
Dit geheel van krachten en reacties moest integraal worden beoordeeld tijdens de verschillende fases van het afzinkproces. Om te voorkomen dat voor alle extreme belastingsituaties een (voor deze constructie onhaalbare) sterkte- of weerstandseis moest worden verwerkt in het ontwerp, is gekozen voor de observational method.
Observational method
De ‘observational method’ is een ontwerpmethodiek waarbij tijdens de realisatiefase van het project aanpassingen kunnen worden doorgevoerd in met name het uitvoeringsplan. De observational method begint met het maken van een plan waarin de uitgangspunten voor ontwerp en uitvoering worden gedefinieerd en waarin de bepalende, te observeren parameters worden gekozen.
Statisch systeem
De te observeren parameters moeten een eenduidige relatie hebben met de stress state (het geheel van trek-, druk- en schuifspanningen) van de constructie en de ondergrond. Vanwege niet eenduidige eigenschappen, met name vanuit de grond, is het verkrijgen van inzicht in de parameters die de stress state bepalen gedurende het gehele afzinkproces zeer moeilijk, bijna onmogelijk.
Het gaat bij de zeesluis om een meervoudig statisch onbepaald systeem, bestaande uit een samenspel van vijf door de grond ondersteunde snijranden (drie langs en twee kopse, fig. 4). Met het oog op de complexiteit is voor ontwerp en uitvoering echter gekozen voor een enkelvoudig statisch bepaald systeem, namelijk een systeem opgelegd op twee steunpunten: de snijranden onder de langswanden van het caisson. Bij het ontgraven van de overige snijranden is een boven- en ondergrens toegekend aan de bijdrage in de draagfunctie.
Een systeem op twee steunpunten in deze toepassing zal altijd evenwicht zoeken en vinden. Daarbij zakt het caisson scheef als de sterkte of stijfheid van één van de twee steunpunten onvoldoende is. Op deze wijze wordt een nagenoeg statisch enkelvoudig systeem gecreëerd dat te beoordelen is gedurende alle fasen van afzinken.
4. Doorsnede caisson met drie snijranden in langsriching (caisson deurkas binnenhoofd)
Steunbermen
In de caissontechniek gebeurt (scheef)zakken niet plotseling, maar langzaam, als functie van de ontgraving van de steunbermen. Stoppen met ontgraven resulteert in groei van de steunbermen, waardoor evenwicht wordt gevonden. Het caisson bepaalt als het ware zelf welke breedte van de steunberm benodigd is.
Variaties in de breedte van de steunberm over de langsrichting (rode en groene zones in figuur 5) en variaties in de grondsterkte zijn erg belangrijk, omdat deze bepalend zijn voor langsbuiging van de wanden van het caisson en voor globale torsie. Gemiddelde variaties in breedte van de steunbermen zijn in dit geval beperkt tot +/- 0,5 m. De variaties in grondeigenschappen over de langsrichting kunnen vervolgens worden beoordeeld door middel van torsiemetingen.
5. Steunberm onder de snijrand (twee situaties: smalle berm (links) en brede berm (rechts) inclusief ontgravingstoleranties )
Monitoring
Omdat afzinken een langzaam verlopend proces is, kunnen de ontgravingen van de steunbermen goed als beheersmaatregel worden ingezet voor de langsbuiging, torsie en scheurwijdte. Door het voortdurend meten en beoordelen van de steunbermen onder de langswanden (foto 6) in combinatie met het meten van scheefstanden en torsie (fig. 7) kan de stress state van de constructie worden beheerst.
6. Scheurwijdte-inspectie en bermmeting in de werkkamer, gecombineerd met onderhoud
7. Impressie real time monitoring
De praktische toets van de theoretische stress state is uitgevoerd met scheurwijdte-inspecties (foto 6, fig. 8), die op reguliere intervallen tijdens het ontgravingsproces zijn uitgevoerd. Deze inspecties betroffen met name het plafond van de werkkamer, de wanden van het caisson en de tijdelijke dwarswanden.
8. Ontwikkeling van de scheurvorming in de oostelijke werkkamer bij het einde van het aflaten
Naast realtime monitoring van scheefstanden, torsie en absolute positie zijn ook andere parameters gemonitord die het afzinkproces beïnvloeden, zoals grondwaterstanden, stijghoogtes en luchtdrukken. Ook de omgeving is realtime gemonitord. Het gaat om spanningen in stempels en vervormingen van de bouwkuipen.
Het belangrijkste stuurmiddel is het monitoren van de breedtes van de steunbermen in de werkkamer
Bermbreedtes
Het belangrijkste stuurmiddel om ongewenste zakking en vervorming van het caisson te voorkomen, is het monitoren van de breedtes van de steunbermen in de werkkamer. Om de operators van de graafarmen te ondersteunen bij de interpretatie van de beelden, zijn vooraf een aantal gekleurde ‘haarspelden’ in het plafond van de werkkamer gestort. Deze haarspelden dienden als oriëntatie en om een inschatting te kunnen maken van de plaatselijke bermbreedte. Afhankelijk van de zaksnelheid zijn de bermen periodiek ingemeten door een beperkt aantal mensen kortstondig in de werkkamer te brengen.
De resultaten van deze metingen zijn verwerkt in een controlesheet en vergeleken met de targetbreedtes van de bermen inclusief de bijbehorende toleranties (fig. 9). Ook de actuele scheefstand en torsie zijn beoordeeld.
9. Voorbeeld van een verwerkte bermmeting en opstellen van nieuwe targetbreedtes
Door de site engineering zijn de data vertaald naar de stress state van het caisson. Hierbij zijn ook de ontwikkeling van scheurpatronen en de grootte van de scheurvorming als parameter meegenomen (fig. 8). Op basis van deze verzamelde informatie en de evaluatie ervan, zijn voortdurend ontgravingsinstructies voor de steunbermen geformuleerd, zodanig dat de stress state van de constructie binnen de ontwerprandvoorwaarden bleef. Hierbij is gebruikgemaakt van een spreadsheet om snel en adequaat te kunnen beoordelen.
Een en ander is vervolgens vastgelegd in een baggerplan (fig. 10). Hierin is aangeven hoeveel bij welke positie mag worden weggebaggerd om binnen de gemiddelde variatie van +/- 0,5 m bermbreedte te blijven.
10. Voorbeeld van een baggerplan
Tijdens het afzinkproces is 24 uur per dag overleg gevoerd tussen engineering en uitvoering over de data uit het monitoringssysteem
Observational method in de praktijk
Vanwege de toepassing van de observational method was er gedurende het hele proces een continue afstemming tussen ontwerp en uitvoering. In de voorbereiding is veel overleg gepleegd over vereiste toleranties, signalerings- en interventiewaarden van scheefstanden en torsie, en informatie hierover is verwerkt in het ontwerp van het caisson. Een belangrijke afweging hierbij was de praktische haalbaarheid van toleranties. In geval van tegenstrijdige belangen zijn afwegingen gemaakt tussen oplossingen in het ontwerp.
Tijdens het afzinkproces is 24 uur per dag overleg gevoerd tussen engineering en uitvoering over de data uit het digitale monitoringssysteem, inmetingen van bermbreedtes, scheurvorming, en zijn de resultaten verwerkt in baggerplannen.
In theorie lijkt dit heel erg gecompliceerd. In de praktijk heeft dit echter goed gewerkt. Vanwege de uitgebreide voorbereiding en samenwerking tussen ontwerp, site engineering en uitvoering waren alle uitgangspunten en beperkingen voor iedereen helder. Er was commitment met betrekking tot alle noodzakelijke eisen en randvoorwaarden. Zo is gedurende het project, zowel in de voorbereiding als in de uitvoering, een optimale mix ontstaan tussen theoretische kennis en praktische haalbaarheid. Belangrijk aspect hierin was het bij elkaar huisvesten van het ontwerpteam, site-engineeringsteam en het uitvoeringsteam.
Vanuit risicobeheersing, geïnventariseerd in het voortraject, is een uitgebreid communicatieprotocol opgezet. Hierin zijn duidelijk de bandbreedtes vastgesteld voor de afzinkoperatie voor de constante informatie-uitwisseling tussen alle betrokken partijen. Het gemeenschappelijk doel was voor iedereen heel erg duidelijk: beide caissons moesten onbeschadigd op diepte worden afgezonken en dat binnen toleranties die nog nooit eerder waren behaald.
Uiteindelijk bleken de caissons voor de deurkassen van zowel het buitenhoofd als het binnenhoofd tijdens het afzinken goed beheersbaar en bestuurbaar. Het inmeten van de bermen, het beoordelen van het monitoringssysteem, het opstellen van de graafplannen en het uitvoeren van scheurinspecties, hebben ervoor gezorgd dat het afzinkproces tijdens het zakken en het plaatsen op einddiepte binnen de gestelde toleranties is verlopen. De vooraf vastgelegde toelaatbare scheurwijdtes en geometrische toleranties zijn niet overschreden. Het gevoel voor het gedrag van het caisson is gedurende het afzinkproces steeds beter tot ontwikkeling gekomen. Dit gold voor zowel de engineers als de operators. De observational method en het op afstand bediend afzinken hebben beiden daarmee hun waarde bewezen en hebben geleid tot een succesvolle afronding van het pneumatisch afzinken van de caissons voor de deurkassen van de zeesluis IJmuiden.
Projectgegevens
Project Nieuwe Zeesluis IJmuiden
Opdrachtgever Rijkswaterstaat
Opdrachtnemer OpenIJ, consortium bestaande uit BAM-PGGM, VolkerWessels en DIF
Contractvorm DBFM met 26 jaar onderhoud
Oplevering 2022
Reacties