Twee kruisende tunnels Complexe omstandigheden voor tunnels in Julianaplein in Groningen 1 Operatie Julianaplein, de tijdelijke omleiding van het verkeer terwijl de werkzaamheden plaatsvinden, foto: Rijkswaterstaat 1 22? CEMENT 4 20 22 In het project Aanpak Ring Zuid zijn de N7 en de A28 de belang- rijkste hoofdwegen (fig. 2). Het Juli- anaplein is het knooppunt waar de A28 aan- sluit op de N7. Het is de grootste en drukste kruising van Noord-Nederland die momen- teel gelijkvloers is. Hier komt het verkeer uit de richtingen Assen, Drachten, Hoogezand en de binnenstad van Groningen samen. Om files te vermijden wordt het knooppunt om- gebouwd tot een ongelijkvloerse kruising (KW09, fig. 3 en 4). Hiervoor worden twee tunnels (feitelijk onderdoorgangen, KW09.21 en KW09.22) gerealiseerd, waardoor het ver- keer elkaar over drie niveaus kan kruisen (fig. 5 en 6). Geometrie De onderste tunnel, KW09.21, biedt ruimte aan twee rijstroken van de verbindingsweg van de N7, komend vanuit het oosten naar de A28. Hij is inwendig circa 12 m breed en circa 235 m lang, waarvan circa 125 m wordt overdekt. Deze tunnel bestaat uit negen mo- ten, waarvan er vijf gesloten zijn. Hij bevindt zich net onder het bestaande maaiveld en het laagste punt bevind zich circa 3 m onder het polderpeil. 2 Situatieschets Zuidelijke Ringweg PROJECTGEGEVENS project Aanpak Ring Zuid in Groningen / KW09 tunnels Julianaplein opdrachtgever Rijkswaterstaat opdrachtnemer Combinatie Herepoort (bestaande uit Max Bögl Nederland, Züblin Nederland, Oosterhof Holman Infra, Koninklijke Sjouke Dijkstra, Roelofs Wegenbouw, Jansma Drachten engineering Witteveen+Bos TIS BouwQ Vanwege de groei van de stad Groningen dreigen de belangrijkste verkeersaders de toename van het verkeer niet aan te kunnen. Dit heeft geleid tot het project Aanpak Ring Zuid. Daarbij wordt de zuidelijke ringweg omgebouwd, om de bereikbaarheid, doorstroming, leefbaarheid en veiligheid te verbeteren. Onderdeel van het project zijn twee tunnels in de verbindingswegen in knooppunt Julianaplein. ING. MAURICE SCHROER MSENG Ontwerpleider Witteveen+Bos auteur 2 CEMENT 4 2022 ?23 De bovenste tunnel, KW09.22, biedt ruimte aan de verbindingsweg van de A28 naar de N7 richting het westen. Hij is gemiddeld circa 12 m breed, circa 172 m lang en is over circa 95 m gesloten. Deze tunnel bestaat uit zeven moten, waarvan er vier gesloten zijn. Deze tunnel ligt volledig boven de grondwa- terstand. De bovenste tunnel wordt bovenlangs gekruist door de N7 en de verbindingsweg van de A28 naar N7 richting het oosten. Hier is verkeer op drie verschillende niveaus aan - wezig (niveau -1/0/+1) (fig. 6). De ontwerpvrij- heid in het alignement is dusdanig beperkt dat ter plaatse van de intersectiemoot, de moot waar de tunnels elkaar kruisen, de tun - nels in elkaar geïntegreerd moeten zijn. Hier - door is lokaal de vloer van de bovenste tunnel g elijk ook het dak van de onderste tunnel. De tunnels liggen in een bocht met een boogstraal van circa 185 m (KW09.21) respectievelijk circa 86 m (KW09.22), waar- door vloer en dak onder 5% afschot liggen. Zettingen en tandconstructies? Omdat de grondaanvulling varieert tot maximaal een 3 Visualisatie van eindsituatie 4 Bestaande situatie Julianaplein (2013) 3 4 24? CEMENT 4 20 22 hoogte van 10 m ten opzichte van het be- staande maaiveld en er zettingsgevoelige grond aanwezig is (fig. 11), is er daar waar mogelijk circa tien maanden voorbelasting toegepast. Door het bestaande verkeer en de kabels en leiding (K&L) was het echter niet mogelijk om op alle gewenste locaties voor- belasting toe te passen. Hierdoor moest in het ontwerp rekening worden gehouden met zettingen. De tunnels liggen bovendien in zettingsgevoelig gebied. Als gevolg van fase- ring en variërende funderingsdrukken, zijn zettingsverschillen tussen moten onderling te verwachten wanneer hier geen voorzie- ningen voor worden getroffen. Om de zet- tingsverschillen te voorkomen, zijn tandcon- structies voorzien in de buitenwanden van de tunnels (fig. 7). Dergelijke tandconstruc- ties worden normaal toegepast in zinktun -nels en zorgen ervoor dat deze tunnel zich in lengterichting als een ketting gedraagt. De werking wordt nader toegelicht bij de uitge- voerde langsanalyse, verderop in dit artikel. Pompkelder? Afwatering van beide tunnels wordt geregeld door één vrijliggende pomp- kelder (fig. 5). Een pompkelder tegen één van de tunnels zou alleen bereikbaar zijn voor onderhoud wanneer de tunnels wor- den afgesloten, of toegankelijk zijn vanaf de bovenliggende weg (niveau +1). Door te kie- zen voor een vrijliggende pompkelder, is deze bereikbaar vanaf het onderliggende wegennet en is de diepte beperkt zodat de kelder kan worden leeggezogen. De pomp- kelder wordt gerealiseerd in een gesloten bouwkuip, waarbij de onderwaterbetonvloer wordt gefundeerd met Gewi-ankers. 5 Bovenaanzicht Julianaplein met waterafvoersyteem en vrijliggende pompkelder 6 Intersectiemoot in BIM Om de zettings- verschillen te voorkomen zijn tandconstructies voorzien in de buitenwanden van de tunnels 5 6 CEMENT 4 2022 ?25 Fasering uitvoering De bouwlocatie is complex omdat het gebied wordt ingesloten door het Noord-Willems- kanaal aan de westzijde, Rijksmonument zwembad Papiermolen aan de oostzijde en woonflats aan de noordzijde (fig. 8). Om de bestaande verkeersstromen te faciliteren bevonden zich in het Julianaplein vier on- derdoorgangen voor het onderliggende w egennet, de Julianabrug (brug over het Noord-Willemskanaal, naast het knooppunt) en de voetgangerstunnel Papiermolen. Deze kunstwerken worden gesloopt. De tunnels worden gerealiseerd in een open ontgraving met spanningsbema- ling tegen opbarsten van de keileem. De tun- nels worden grotendeels in het werk gestort. De tandconstructies worden geprefabri- ceerd op de vloer ter plaatse van de moot- voegen geplaatst, waarna de wanden tegen het geprefabriceerde element aan worden gestort. Omlegging? Om verkeershinder tijdens de bouw te beperken wordt het verkeer tijdelijk omgelegd richting het zuiden van het J ulianaplein (fig. 8), en wordt het Noord- W illemskanaal gekruist met een hulpbrug. Door deze omlegging wordt ruimte gecre- e erd voor het slopen van de bestaande kunstwerken en de nieuwbouw van de J ulianabrug en de kruisende tunnels. De omlegging is gerealiseerd tijdens een dertien weken durende stremming. Hiermee wor- den vele verkeersomzettingen voorkomen, wat ten gunste komt voor efficiëntie en ver- keersveiligheid. Daarnaast is de effi ciëntie g emaximaliseerd door zo veel mogelijk defi- Omdat onder- grond en de belastingen over de lengte van de tunnels aanzienlijk variëren, is gekozen om een dwarsprofiel ter plaatse van het hart van iedere moot en van ieder mooteinde te modelleren 7 Om zettingsverschillen te voorkomen, zijn tandconstructies voorzien in de buitenwanden van de tunnels 8 Bovenaanzicht van tijdelijke verkeersituatie tijdens de bouw van de tunnels met omgelegd richting het zuiden van het Julianaplein 7 8 26? CEMENT 4 20 22 Verzamelen en vaststellen uitgangspunten Geotechniek incl. interactie constructie Rapporteren in Uitgangspuntendocument (ARZ-TD- SYS-14713) Structuur ontwerpproces KW09.21 en KW09.22 Opstellen van geotechnische berekeningen (o.a. Plaxis 2D) Verificaties geotechniek (zie H3.2). o.a.: draagkracht / horizontaal schuiven zettingen gebruiksfasebeddingen t.b.v. constructiedamwand kwelkuip Rapportage DO KW09.21 en KW09.22 - constructie Afstemming aanpak en interactie geotechniek en constructie Constructieve berekeningen Output geotechniek als input voor berekeningen 4 Verzamelen en vaststellen uitgangspunten Constructie incl. interactie Geotechniek Rapporteren in Uitgangspuntendocument (ARZ-TD- SYS-14959) Validatie SCIA en Plaxis modellen Verificaties constructie, o.a.: tandkrachtenzettingverschillenwapening betondoorsnede Rapportage DO KW09.21 en KW09.22 - geotechniek 9 Structuur ontwerpproces 9 nitief werk mee te nemen met deze tijde lijk e omlegging. Aanvulling Nadat de onderste tunnel is gerealiseerd wordt deze aan de buitenzijde aangevuld met zand. Zodra de aanvulling voldoende verdicht is en op overige kritische locatie consolidatie heeft plaatsgevonden, kan de bovenste tunnel worden gerealiseerd op de aanvulling. Nadat de bovenste tunnel gereed is, kan de volledige aanvulling en inrichting van het Julianaplein worden gerealiseerd. De tunnels worden gefaseerd in ge- bruik genomen, zodat de tijdelijke wegom- legging in fasen omgebouwd kan worden naar de definitieve situatie. Ontwerpproces? Voorafgaand aan het daad- werkelijk opstellen van het Definitief Ont- werp is uitvoering aandacht besteed aan de complexiteit en de risico's. In het plan van aanpak lag de focus op de geotechnische complexiteit van de omgeving en fasering, en aan wat dit betekent voor de uit te voeren berekeningen. Daarnaast is er uitvoerig af- stemming geweest over het raakvlak tussen de geotechnische en de constructieve bere- keningen. De beperking in ontwerpvrijheid van de tandconstructies en de constructie- afmetingen zorgde er indirect voor dat de geotechnische berekeningen op hetzelfde detailniveau moesten worden uitgewerkt. Dit betekent dat belastingen en faseringen veel gedetailleerder in de geotechnische berekeningen zijn uitwerkt dan gebruikelijk. En omdat het goed bepalen van de zettings- verschillen cruciaal was, moest interactie tussen geotechnisch en constructief ont- werp plaatsvinden op realistische verwach- tingswaarden. Daar waar normaal gesproken conservatieve aannames in zettingen en stijfheiden acceptabel zijn en de interactie aanzienlijk vereenvoudigen. Het ontwerp- proces is globaal weergegeven in figuur 9. Geotechniek De ondergrond ter plaatse van kunstwerk KW09 heeft een complexe opbouw vanwege zowel de geologische geschiedenis (invloed uitlopers Hondsrug), als antropogene boven - lagen vanuit de aanleg van de N7 en A28. In figuur 10 is schetsmatig weergeven hoe beide tunnels zijn gesitueerd ten opzichte CEMENT 4 2022 ?27 van de situatie bij aanleg van de N7 en het Julianaplein. Hieruit wordt duidelijk dat de tunnels deels in het gebied liggen waarin droog is ontgraven en deels in het gebied waarin is gebaggerd. Daarnaast kruisen beide tunnels de aardewallen die destijds zijn aan- gelegd. Deze aspecten hebben geleid tot de grillige grondopbouw. Desondanks is voor de tunnels gekozen voor een fundatie op staal. Anders zou voor het beperken van de omgevingsbeïnvloeding een trillingsvrij paalsysteem nodig zijn, wat erg kostbaar zou worden. Door de aanwezigheid van circa 6 m gronddekking op de onderste tunnel en een grote belasting door negatieve kleef, zouden erg veel zware palen benodigd zijn. Daar- naast was het toepassen grondverbetering en voorbelasting bij een fundering op staal weinig kostenverhogend, omdat het grond- werk grotendeels toch al moest worden uit- gevoerd vanwege tijdelijk werk en sloopwerk of omdat het reeds nodig was voor de eind- situatie. Over de lengte van de tunnels variëren de ondergrond en de belastingen aanzienlijk. Daarnaast is er een beperking in maximale sterkte van de dwarskrachtverbindingen, waardoor differentiatie in berekende ver- plaatsingen en stijfheden noodzakelijk is (meer hierover onder kopje 'Tandconstruc- tie'). Daarom is gekozen om in Plaxis een dwarsprofiel ter plaatse van het hart van iedere moot en van ieder het mooteinde te modelleren, en de geotechnische toetsen uit te voeren. In figuur 11 staan de locaties van de gemaakte 34 dwarsprofielen. De Plaxis 2D-berekeningen geven in- zicht in hoe grond en constructie zich ge- dragen dwars op de tunnel. Ter plaatse van het dwarsprofiel 21-03 (fig. 12) heeft de grote eenzijdige grondaanvulling ertoe geleid dat deze in gewapende grond moet worden uit- gevoerd. Een luchtspouw van 10 cm tussen gewapende grond en tunnel zorgt ervoor dat de horizontale belasting tegen de tunnel aanzienlijk wordt verminderd. De toename van de verticale korrel- spanning door de grondaanvulling naast de tunnel, is hoger dan onder de vloer. Hier- door zorgt het grondmassief naast de tunnel ervoor dat ter plaatse van de wanden de zet- ting groter is dan ter plaatse van de vloer. Hoe dit effect is meegenomen in de bereke- ning is beschreven onder kopje 'Constructief '. Op basis van verplaatsingen bij een eenheidslast is de kortetermijnbedding bepaald. Hierbij zijn per snede drie zones gedefinieerd, te weten wand links, vloer en wand rechts (fig. 13 en 14). Dit onderscheid is van belang voor de momenten in de vloer, maar ook voor de verdeling van de tand- krachten over beide wanden links en rechts. De berekeningsresultaten per dwarsprofiel zijn in grafieken geplot, zodat resultaten over de lengte van de tunnel kunnen worden vergeleken (fig. 14). De Plaxis-berekeningen zijn geautomatiseerd en de vergelijking tus- Voor de langsanalyse is gekozen voor een 3D-staafmodel waarbij de staven elastisch zijn ondersteund en de mootvoegen scharnierend zijn gemodelleerd 10 Antropogene verstoringen waaronder onderscheid nat en droog ontgraven bij aanleg huidige N7 (1964) 10 28? CEMENT 4 20 22 11 Gemaakte dwarsprofielen KW09.21 (links) en KW09.22 (rechts) 12 Dwarsprofiel 21-03 in Plaxis 13 SCIA 3D-plaatmodel t.b.v. dwarsanalyse 11 12 13 sen dwarsprofielen maken het mogelijk om te beoordelen of dat de resultaten voldoen aan de verwachtingen en afwijkingen ver- klaarbaar zijn. Constructief Daar waar de geotechnische berekening zich beperkte tot de 2D-snedeberekeningen, is bij de constructieberekeningen de langs- én dwarsrichting van de tunnels beschouwd. Aangezien de zettingen en tandkrachten als meest kritisch werden beschouwd, zijn deze als eerst berekend. Langsanalyse? Voor de langsanalyse is geko- zen voor een 3D-staafmodel waarbij de sta- ven elastisch zijn ondersteund (fig. 15). Ter plaatse van de mootvoegen zijn scharnieren gemodelleerd. Door middel van een gecom- bineerde langsanalyse van beide tunnels, Qa,b,c = U z;a,b,c × k eindfase ? Q a,b,c E en 'opgelegde belasting' die de verschilverplaatsin- gen U z;a,b,c simuleert. Ingevoerd in lengterichting over dezelfde lengte als de bijbehorende k eindfase , dus over een halve mootlengte. In breedterichting ingevoerd als trapez-last lineair tussen de punten 'links'?'mid- den'?'rechts'. ? U z;a,b,c Het verschil tussen het gemiddelde en de lokale ver- plaatsingen over de breedte van de snede. ? k eindfase De gemiddelde bedding o ver de breedte van de vloer door toepassing van dummy belasting in de eindfase (gebruiksfase). Bepaald in Plaxis per snede. Ingevoerd in constructief model over een hlave mootlengte. CEMENT 4 2022 ?29 zijn de nokkrachten van de bovenste tunnel op de onderste tunnel ter plaatse van de intersectiemoot bepaald.Bij het bepalen van de tandkrachten, is conform de ROK rekening gehouden met onzekerheid door de bedding als schaak- bord te reduceren met 25% voor de grond- verbetering onder de tunnel (fig. 16). In het SCIA-model is gerekend met kortetemijnbeddingen. Het effect van zet- tingsverschillen is in rekening gebracht door middel van een belasting, die is geba- seerd op de kortetermijnbedding en de zet- tingen. De herverdeling van de constructie in lengterichting zorgt ervoor dat verschil- len in berekeningsresultaten per snede wor- den gemiddeld. In figuur 17 is met een blau- we lijn het zettingsverloop per snede conform geotechnische berekening weergegeven, en de rode lijn is de verplaatsing van de con- structie zoals volgt uit de langsanalyse. Het grillige verloop in verticale ver- plaatsingen bevestigde de verwachtingen uit de risicoanalyse. De langsanalyse is daarom ook gebruikt voor het controleren van de langsvlakheid ten behoeve van rijcomfort, de gaping van de voegen en het effect op het verhang van de waterafvoer. Dwarsanalyse? Voor de effecten in dwars- richting en overdracht van torsie naar de andere moot is een dwarsanalyse opgesteld. Door middel van een 3D-plaatmodel van twee halve moten, is naar verhouding be- paald met welke ongelijke verdeling tussen beide wanden rekening moet worden gehou- den (fig. 13). In de dwarsanalyse is het effect van verschillende stijfheiden en zettingen onder de vloer in rekening gebracht, maar ook het effect van de positie van verkeer nabij een wand en het horizontale verkeers- belasting boven op de tunnel. Tandconstructies? Uit de langs- en dwars- analyse bleek dat er qua tandkrachten onderscheid te maken is tussen de open-, gesloten- en intersectiemoot. Daarom is besloten om drie typen tandconstructies 14 Zettingen op verschillende posities 15 SCIA-model langsanalyse tunnels KW09.21 en KW09.22 15 14 30? CEMENT 4 20 22 -60,0 -50,0 -40,0 -30,0 -20,0 -10,00,0 Verticale vervormingen KW09.21 Plaxis uitvoerSCIA uitvoer toe te passen. Per type zijn de dimensies, wapening en opleggingen bepaald (fig. 18). Bij de zwaarste nokken is de maximale sterkte van de tandconstructie bereikt door de nokken 1/3 van de wandhoogte en even dik als de wand te maken. Er is gekozen voor het toepassen van rubber opleggingen, zodat rotaties niet leiden tot piekspanningen in het oplegvlak. De opleggingen zijn ontwor- pen op 100 jaar levensduur, zodat vervan- ging binnen ontwerplevensduur niet nood- zakelijk is. Overige constructieve toetsen? Voor de ove- rige constructieve toetsen is een 3D-plaat- model per moot opgesteld. Speciale moten hierbij zijn de gekromde tunnelmonden en de intersectiemoot. Hierbij is ter plaatse van de wand- en vloerzone de kortetermijnbed- ding gevarieerd met ?2, in verband met on- zekerheid in het gedrag van de ondergrond, en is de zetting als belasting ingevoerd. De tandkrachten die volgen uit de langs- en dwarsanalyse zijn ingevoerd als belasting. Brandwerendheid? De tunnels moeten weer- stand bieden aan 120 minuten brandduur conform RWS-brandkromme. Op basis van eerdere ervaringen met brandwerende mengsels is besloten een projectspecifiek betonmengsel met PP-vezel toe te passen. Om de brandwerendheid van het mengsel aan te tonen, zijn brandproeven uitgevoerd. Om bij brand de opleggingen en waterkeren- de voegprofielen te beschermen, worden de voegen gevuld met brandwerende kit. Seismische analyse? Naar aanleiding van de in Groningen reeds opgetreden aardbevings- schade, is in dit project voorgeschreven 16 Principe gereduceerde bedding (schaakbord) t.b.v. bepalen tandkrachten 17 Verplaatsingen van de tunnel met en zonder herverdeling 16 17 CEMENT 4 2022 ?31 dat kunstwerken bevingsbestendig moeten zijn. Hiertoe is een seismische analyse uitge- voerd in langs- en dwarsrichting. Eerst is in Strata een 1D-grondresponse-analyse uitge- voerd, om de effecten van de lokale ondiepe ondergrond te kwantificeren en een maat voor de grondverplaatsing vast te stellen. Daarna is in Diana de langsanalyse van de tunnel uitgevoerd (fig. 19), waarin de invloed van passerende aardbevingsgolven in relatie tot de tunnelgeometrie inzichtelijk wordt ge- maakt. In deze analyse zijn beide kunstwer- ken als losse tunnels beschouwd en is geen analyse gedaan van eventuele interactie tussen beide kunstwerken, wanneer deze verbonden zijn met elkaar.De kruisende tunnelmoten ervaren in beide modellen een gelijke translatie vanuit de opgelegde verplaatsing op de tunnel. Dit omdat deze vanuit dezelfde aard- bevingssignalen komen, hetgeen kinemati - sche interactiekrachten beperkt. Verder is het zo dat de golven die zorgen voor maxi - male dwarskrachten op nokken van de tunnel, voor de tunnel in de andere richting een beperkt effect hebben. Te meer omdat dit dan een andere hoek van inval van de golf betreft. Validaties Bij aanvang van het ontwerp van de krui- sende tunnels in knooppunt Julianaplein is de complexiteit als gevolg van fasering, om- geving, ondergrond en beperkingen in con- structieve afmetingen goed verkend. Hier- voor is een goed doordacht plan van aanpak opgesteld, dat voorafgaand aan het ontwerp- werk is gevalideerd bij de aannemer, op- drachtgever en de TIS. Gedurende het ont- werpproces zijn er tussentijdse validaties geweest met de partijen om te beoordelen of er bijgestuurd moest worden ten opzichte van het plan. Dit heeft geleid tot soepele acceptatie van het Definitief Ontwerp. 18 19 18 Doorsnede over tandconstructie voorzien van wapeningsprincipe 19 1D-analyse in FEM (Diana) 32? CEMENT 4 20 22