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