Onderdeel van de Blankenburgverbinding is de Maasdeltatunnel, een 900 m lange zinktunnel onder het Scheur. Belangrijk doel in het ontwerp was het verminderen van bouwhinder. Dit werd onder meer bereikt door het aantal zinktunnelelementen terug te brengen van zes naar twee. Hoewel het oorspronkelijk de bedoeling was om deze elementen bovenop de toeritten te bouwen, is, om vertraging door COVID te beperken, uiteindelijk gekozen voor een andere locatie voor de bouw.
Beperking hinder bepaalt ontwerp
Maasdeltatunnel
Maasdeltatunnel uitdagend onderdeel Blankenburgverbinding
1 Transport van de tunnelelementen
1
34? CEMENT 2 20 23
De Blankenburgverbinding is
een nieuwe, circa 4 km lange
snelweg (A24) met 2x3 rijstroken
tussen de A20 bij Vlaardingen en
de A15 bij Rozenburg (fig. 2)
. De
snelweg loopt deels onder het Scheur, een
tak van de delta van de Rijn en de Maas. De
nieuwe snelweg is bedoeld om het steeds
meer dichtslibbende wegennet in de regio
Rijnmond te ontlasten. Er worden zo'n
95.000 motorvoertuigen/vrachtauto's per
etmaal verwacht in 2030. Het werk is in veel
opzichten een uitdaging, onder meer vanwege
de locatie: midden in één van de drukste
delen van het Rotterdamse havengebied. Het project bestaat uit verschillende
onderdelen. Allereerst twee tunnels: de Hol-
landtunnel, een landtunnel van 510 m, en de
Maasdeltatunnel, een zinktunnel onder het
Scheur van bijna 900 m. Verder kent het
project twee grote knooppunten als verbin-
ding met de bestaande snelwegen. Om dit
alles te realiseren is ook een aanpassing van
de A20 tussen het Kethelplein en Maassluis
noodzakelijk: verbreding van de weg en via -
ducten, vernieuwing van het wegdek en het
aanbrengen van geluidschermen. Dit artikel gaat in op de details van het ont-
werp en de bouw van de Maasdeltatunnel.
Concept Maasdeltatunnel
Oorspronkelijk bestond het referentieont-
werp van Rijkswaterstaat voor de tunnel uit
zes tunnelelementen, die in een uitgebag-
gerde sleuf tussen de noord- en zuidoever
zouden worden afgezonken. Idee hierbij was
de elementen te bouwen in een droogdok in
Barendrecht en deze vervolgens te trans-
porteren naar de plaats van bestemming.
De aanbesteding werd uitgeschreven
volgens de EMVI-richtlijnen (Economisch
Meest Voordelige Inschrijving), met als
incentive de hinder voor de omgeving en
scheepvaart tijdens de bouw te minimalise-
ren. Dit was voor het consortium een be-
langrijke stimulans voor een compleet
nieuw voorstel. In plaats van zes, worden
slechts twee tunneldelen afgezonken. Ook is
het gesloten deel van de toeritten aan beide
kanten van de Maasdeltatunnel verlengd tot
in het Scheur (fig. 3, foto 4). De tunneldelen zouden in dit ontwerp
aan weerszijden van het Scheur gebouwd
worden in de bouwkuip van de toeritten.
PROJECTGEGEVENS
project
Blankenburgverbinding opdrachtgever Rijkswaterstaat
opdrachtnemer
BAAK, consortium van Ballast Nedam, DEME Group en Macquarie contractvorm
Design, Build, Finance and Maintain (DBFM) geplande opening 2024
Onderdeel van de Blankenburgverbinding is de
Maasdeltatunnel, een 900 m lange zinktunnel onder het
Scheur. Belangrijk doel in het ontwerp was het verminderen
van bouwhinder. Dit werd onder meer bereikt door het aantal zinktunnelelementen terug te brengen van zes naar twee. Hoewel het oorspronkelijk de bedoeling was om deze
elementen bovenop de toeritten te bouwen, is, om vertraging door COVID te beperken, uiteindelijk gekozen voor een
andere locatie voor de bouw.
CEMENT 2 2023 ?35
Voor de bouw van toeritten zijn kistdammen
geplaatst, grotendeels gerealiseerd met com-
biwanden. Deze kistdam dient ter bescher-
ming tegen de impact van het scheepvaart-
verkeer en als kademuur, zodat materiaal
over water in plaats van over de weg kan
worden aangevoerd. Hiermee wordt hinder
op het land verder beperkt. Figuur 3 geeft een schematisch over-
zicht van zowel het referentieontwerp als
het nieuwe concept. De wijzigingen hebben
niet alleen tot minder bouwimpact geleid,
maar ook tot een aanzienlijke vermindering
van de CO
2-voetafdruk.
Positionering van de zinktunnel
De Maasdeltatunnel is circa 42 m breed en
kent een maximale diepte van NAP -28 m. De
tunnel is 385 m lang en exact gepositioneerd
binnen de marges van de vaarweg in het
Scheur (fig. 5). De twee verschillende tunnel -
delen zijn niet even lang: het zuidelijke tun -
neldeel is ongeveer 180 m lang en het noorde-
lijke deel 205 m, met daarbij ook nog 5 m
ruimte
voor de sluitvoeg. De sluitvoeg bevindt
zich aan de noordzijde buiten de vaargeul.
Ontwerp dwarsdoorsnede
De tunnelelementen zelf zijn opgebouwd uit
verschillende segmenten. Zoals gezegd zou de productie hiervan oorspronkelijk plaats-
vinden op het dak van de tunneltoeritten,
vlak naast de vaarweg. Hierbij moest het
dak van de tunnel dienen als vloer van het
bouwdok. De grote uitdaging hierbij was om
de juiste balans te vinden tussen voldoende
hoogte voor het profiel van vrije ruimte voor
het verkeer in de tunnels van de toeritten en
voldoende kielspeling (afstand tussen onder-
kant element en bovenkant water) om de
zinktunnelelementen uit te laten varen
(rekening houdend met een getijdeneffect
van ongeveer 1,5 m).
Aangezien het profiel van vrije ruimte
ongewijzigd moest blijven, werd de oplos-
sing gevonden in het minimaliseren van de
hoogte van de zinktunnels. Om dit te bewerk -
stelligen is een dwarsdoorsnede ontworpen,
waarbij het ballastbeton niet onder de weg is
gepositioneerd, maar aan beide kanten van
het element in ballastkokers (fig. 6). Om de hoogte van het element verder
te beperken, is de dikte van het dak en de
vloer geoptimaliseerd voor een zo 'slank'
mogelijk ontwerp. Figuur 7 geeft de relatie
tussen de slankheid en de belasting op het
dak van verschillende tunnels. In de figuur
is duidelijk te zien dat het dak van de Maas-
deltatunnel bijzonder slank is. Om deze
slankheid mogelijk te maken, is dwarsvoor-
2 Overzicht van het projectgebied van de Blankenburgverbinding
IR. EELCO VAN PUTTEN
Ontwerpleider
DEME Infra / BAAK
PATRICK VAN OS
Adjunct directeur BAAK Ballast Nedam / BAAK auteurs
2
36? CEMENT 2 20
23
spanning in dak en vloer noodzakelijk. Ook
is langsvoorspanning voorzien. Deze loopt
tijdens het transport door over alle segmen-
ten, om te voorkomen dat deze uit elkaar
drijven. Als de tunnel op zijn definitieve plek
ligt, wordt deze langsvoorspanning tussen de
segmenten doorgesneden, zodat de tunnel
zich kan zetten op de bodem. Verbinding afzinktunnel met
toeritten
Aan de kopse kant van de tunnel, aan zowel
de noord- als de zuidkant, is een dubbele
combiwand gemaakt om een dubbele af-
scheiding tussen de bouwput van de toeritten
en de tunnel te realiseren. Dit is een veilig-
heidsmaatregel, aangezien de bouwers
3 Referentieontwerp (a) en tenderconcept (b) van BAAK
Een tijdelijke
ballastlaag op het
onderwaterbeton
was nodig om
opbarsten van
de bodem te
voorkomen
3b
3a
ReferentieontwerpTenderontwerp
CEMENT 2 2023 ?37
aan het werk zijn onder de waterspiegel vlak
naast de vaarweg. In een later stadium wor-
den deze combiwanden deels verwijderd en
zal de zinktunnel worden aangesloten.Het zuidelijk element wordt verbon-
den met de toerit via een zinkvoeg (Gina-
pr
ofiel). Vervolgens wordt het noordelijk
zinkdeel afgezonken en verbonden met het zuidelijke deel, ook weer via een zinkvoeg.
De laatste meters naar de noordelijke toerit
worden overbrugd met een gebruikelijke
sluitvoeg.
Er zijn gedetailleerde analyses gemaakt
van de verbinding tussen de zinktunnelele-
menten en de toeritten. Hierbij is gebruikge-
maakt van een 3D-plaxismodel (fig. 10). Dit
4
5
6
De leka-palen
onder de
stempels zorgen
voor een steun -
puntmoment in
de onderwater-
betonvloer
4 Bouw van de Maasdeltatunnels (tijdens het bouwen van de betonnen stempels)
5 Langsdoorsnede zinktunnel
6 Dwarsdoorsnede zinktunnel 38? CEMENT 2 20 23
7
7 Slankheid in relatie tot dwarsvoorspanning
8 Segment met alle voorspanning, openingen en drainage
9 3D-model wapening
BIM
Het ontwerp van de zinktunnel
maakt gebruik van gedetail-
leerde 3D-BIM-modellen. Dit is
noodzakelijk omdat de dwars-
voorspanning moet worden
geïntegreerd met de langsvoor-
spanning (in de lengte van het
element) en tegelijk met veel in
te storten onderdelen, zoals de
mechanische en elektrische
installaties en drainage. Figuur 8
laat de ingestorte mantelbuizen
rond de deur van de nooduit-
gang zien.
De tijdelijke voorzieningen die
nodig zijn voor het afzinken, zijn
eveneens geïntegreerd in het 3D-
model om conflicten met andere
reeds gemaakte in te storten
onderdelen te voorkomen.
Bovendien is de wapening geïn-
tegreerd in het 3D-model,
gebaseerd op de locaties van
de dwars- en langsvoorspan-
ning en van de voorzieningen
voor de drainagebuizen, voor
het onderspoelen en de afzink-
voorzieningen (fig. 9).
8
9
CEMENT 2 2023 ?39
om een realistisch beeld te krijgen van het
deformatiegedrag op lange termijn en in de
bouwfasering.
Uit deze modellen werd duidelijk dat
met name de grondbelasting op het laatste
segment relatief hoog is. Dit zal in combinatie
met een diepe kleilaag resulteren in grote zet -
tingen, voortschrijdend in de tijd. In samen -
hang met de starre toerit, die niet zakt, zou -
den er te grote verschilzettingen ontstaan.
De verschilzettingen worden in dit
ontwerp begrensd door de tunnelelementen
gedeeltelijk op de buitenste combiwand (ge-
zien vanaf het land) te funderen. Deze wor-
den afgebrand tot het niveau van de tunnel-
bodem.
Ontwerp toeritten
De diepste bouwkuip van de toerit moest tot
NAP -27 m worden uitgegraven om de aan-
sluiting met de zinktunnel te kunnen realise-
ren. De vloer is uitgevoerd als een 2 m dikke
gewapende onderwaterbetonvloer, verankerd met groutankerpalen tot NAP -57 m in een
dicht raster van 2,1 x 1,9 m². Deze palen
bestaan uit een GEWI-stalen kern met een
diameter van 63 mm in een groutplug met
een diameter van 250 mm.
Dit was echter onvoldoende om de
bouwkuip volledig te kunnen beschermen
tegen opbarsten van de vloer. Het verder re-
duceren van de afstand tussen de palen, het
dikker maken van de vloer of het verlengen
van de trekpalen was niet voldoende. Een
tijdelijke ballastlaag bood uitkomst. Deze
ballastlaag op de onderwaterbetonvloer kon
worden verwijderd nadat er met de voort-
gang van het betonwerk voldoende tegen-
druk was gerealiseerd.
Uitvoering toeritten
Een ondoordringbare laag op een diepte van
NAP -20 m ? dus hoger dan de onderkant
van de bouwput ? maakte het mogelijk om
tot een niveau van NAP -10,5 m droog uit
te graven binnen de kistdammen. Op dit
Door de COVID-
pandemie zijn
de zinkelemen -
ten in plaats
van op het dak
van de toeritten
gebouwd in een
droogdok
11
10
10 3D-Plaxismodel interface tussen noordelijk tunneldeel en noordelijke toerit
11 Vaste verbinding met de combiwanden 40? CEMENT 2 20 23
niveau is een betonnen stempelframe aan-
gebracht, bestaande uit betonnen balken en
stempels op een afstand van 6,30 m (fig. 12).
Aangezien de afstand tussen de kistdammen
ongeveer tussen 36 en 40 m breed was, was
het nodig om de stempels te ondersteunen
door twee vooraf geïnstalleerde Leka-
palen
(
Ø559 mm). Een Leka-paal is een stalen buis,
die met grout wordt gevuld nadat hij is ge-
boord tot de geplande diepte. Nadat het stempelframe voldoende was
uitgehard, is de bouwput opnieuw gevuld
met water, om te voorkomen dat de bodem
zou opbarsten zodra verder werd ontgraven
en de waterdichte laag werd verwijderd. De natte ontgraving is voortgezet tot de uitein-
delijke gewenste diepte, waarna gewapend
onderwaterbeton is gestort (fig. 13). Eenmaal
uitgehard werd hierop een hoeveelheid
magnadense, een zwaar mineraal, gestort,
voordat de bouwkuip kon worden droogge-
pompt.
Dakplaat? De openingen tussen de betonnen
stempels zijn afgesloten door prefab-beton-
platen en vervolgens is hier een in-situ top-
laag op gestort. Deze dakplaat was tevens
bedoeld als vloer voor het bouwdok van het
daar te bouwen zinktunnelelement (fig. 14).
Zodra de vloerplaten voor alle segmenten
14
12
13
12 Constructie van schoorframe op NAP -10,5 m (na droge ontgraving)
13 Storten van onderwaterbetonvloer (na natte uitgraving)
14 Maasdeltatunnel gebruikt als dokvloer voor het zinktunnelelement
WERKEN OP DIEPTE
Alle werkzaamheden voor de
gewapende onderwaterbeton-
vloer moesten door duikers op
extreme diepte worden uitge-
voerd. Het werken op deze
diepte zorgde voor een beper-
king van de effectieve werktijd
van één duik, met het oog op
veiligheid van de duikers.
Daarom moest het werk waar
mogelijk vanaf de oppervlakte
worden uitgevoerd. Om de
nauwkeurigheid en efficiëntie
van alle stappen van de uitvoe-
ring te onderzoeken, werd een
uitgebreide reeks tests uitge-
voerd.
schoorframe
CEMENT 2 2023 ?41
van de zinktunnel zouden zijn gestort, zou
er voldoende neerwaarts gewicht aanwezig
zijn in de onderwaterbetonvloer, door mid-
del van de verbinding via de Leka-palen, om
het ballastzand te kunnen verwijderen. Na het afzinken wordt de dokvloer op-
gevuld om het oorspronkelijke maaiveld te
herstellen.
Ontwerp permanent gewapende
betonvloer
Gezien de noodzaak een 2 m dikke onder-
waterbetonvloer te gebruiken voor de tijde-
lijke fase, is deze ook gebruikt als onderdeel
van de uiteindelijke tunnelconstructie. Hier-
mee kon de totale constructiedikte en dus
ook de ontgravingsdiepte worden beperkt.
Een onderwaterbetonvloer met alleen staal-
vezelwapening was niet voldoende om alle
belastingen op te kunnen nemen, zeker niet
in het eindstadium. Daarom moest het on-
derwaterbeton gewapend worden uitgevoerd.
Momentennulpunten? De Leka-palen, en in
een later stadium de wanden van het mid-
dentunnelkanaal, fungeren als tussensteun- punt voor de onderwaterbetonvloer. Hier-
door ontstaat naast een veldmoment ook
een steunpuntmoment. In dwarsrichting
zijn er daardoor twee locaties met een bui-
gend moment dichtbij 0, waardoor een
beperkte hoeveelheid wapening nodig is
(fig. 15). Deze locaties zijn gebruikt voor de
grens tussen de geprefabriceerde wapenings-
korven. Eerst werd de centrale wapenings-
korf neergelaten, met uitstekende staven
aan de onderkant van de plaat. Daarna zijn
de twee korven aan de zijkanten geïnstal-
leerd, beiden met uitstekende staven in het
bovennet (fig. 17). Deze wapeningskorven
zijn geïnstalleerd over de ankerpaalkoppen.
Bij het op maat maken van deze wapenings-
korven is rekening gehouden met de tole-
rantie van de GEWI-ankerpalen. Vanwege dezelfde tolerantie bleek het
niet mogelijk om de wapeningskorven in
langsrichting te laten overlappen. Constructievloer? De waterdichtheid van de
onderwaterbetonvloer in dwarsrichting
wordt geborgd door voldoende normaal-
15 Buigmomenten in verschillende fasen voor dwarsdoorsnede
16 Schematische weergave van de installatievolgorde van de korven
15
16
42? CEMENT 2 20 23
kracht. In langsrichting gaat het ontwerp
uit van gecontroleerde scheurvorming ge-
combineerd met injectievoorzieningen. Dit
laatste was echter geen oplossing voor de
eindsituatie. Daarom werd er een extra be-
tonnen constructievloer met een dikte van
600 mm gestort op de onderwaterbeton-
vloer nadat de bouwput was drooggepompt
(foto 18). Deze vloer is in lengterichting ge-
wapend waarmee de scheurwijdte binnen
de toegestane maat voor zelfherstel blijft
(volgens de methode Lohmeyer). De con-
structievloer werd verankerd met deuvels
die in de onderwaterbetonvloer zijn geboord.
Het aantal ankers is gebaseerd op het scena-
rio dat de volledige waterdruk tussen beide
vloeren zou kunnen optreden. Ten slotte was het noodzakelijk, aan-
gezien de dwarskrachten in de dwarsrich-
ting in de eindsituatie veel hoger waren dan
die in tijdelijke situatie, om sommige ankers
te laten overlappen met de beugels van de
wapeningskorven van het onderwaterbeton. Alternatief plan voor de bouw
van de zinktunnel
Begin 2020 waren alle funderingselementen
zoals ankers, ankerpalen en combiwanden
geplaatst en waren de graafwerkzaamheden
net begonnen, toen de COVID-19-pandemie
toesloeg. Dit had een enorme impact op de
wereldwijde samenleving. Ook de bouwacti-
viteiten voor de Blankenburgverbinding
werden hier door getroffen. In plaats van het oorspronkelijke plan
om de tunnelelementen bovenop de toeritten
van de Maasdeltatunnel te bouwen, heeft
BAAK in overleg met Rijkswaterstaat alter-
natieve mogelijkheden bekeken. Na contact
met Damen Verolme Rotterdam is een alter-
natief plan opgesteld, waarbij de twee tunnel-
elementen zijn gebouwd in een deel van hun
droogdok (foto 19 en fig. 20). Omdat het ontwerp zelf niet werd her-
zien, kon de bouw van de tunnelelementen
eerder beginnen, waardoor het effect van
COVID beperkt bleef.
17 Langsdoorsnede van hybride vloerconcept
18 Voorbeeld van testen, het plaatsen van wapening
17
18
CEMENT 2 2023 ?43
Constructie in een droogdok
De grootste uitdaging van de constructie van
de twee elementen in het droogdok was het
gebrek aan ruimte. De tunnelelementen
pasten er maar net in (foto 21).De ruimte naast de elementen werd
verkleind van 5 m tot slechts 0,5 m in het
droogdok. Op twee plekken waren kleine
aanpassingen aan de tunnelvloer nodig om
de elementen in te passen. Een ander gevolg
van de beperkte ruimte was dat het naspan- nen niet meer van beide kanten kon worden
gedaan. Dit werd herberekend en gecom-
penseerd met extra wapening.
De elementen werden in segmenten
van ongeveer 26 m gebouwd op een horizon-
tale laag grind met daarop multiplex platen. De bodemplaat, buitenmuren en het
dak van de tunnel zijn uitgevoerd in beton
met sterkteklasse C45/55 en de vier binnen-
muren in C40/50. Om thermische scheur-
vorming tijdens het uitharden van het beton
19 Elementen worden gebouwd in het doorgdok
20 BIM-weergave van de bouw van zinktunnel bij Damen Verolme Rotterdam
19
20
44? CEMENT 2 20 23
te voorkomen, werden de buitenmuren en
het dak gekoeld met een waterkoelingssys-
teem.
Afzinken
Nadat alle segmenten waren gestort, werden
de tunnelelementen voorbereid op het afzin-
ken door alle afzinkapparatuur en de ballast -
tanks te installeren. Ten slotte werden de ele -
menten afgesloten met kopschotten (fig. 22).
Zodra de ballasttanks in de elementen
werden geleegd, dreven beide elementen om -
hoog en konden ze worden gesleept naar een
tijdelijke parkeerplek in een havenbassin
nabij het droogdok (foto 23). De haven van Rotterdam is de grootste
haven van Europa en zal tijdens de afzink-
operatie grotendeels worden geblokkeerd
voor het normale scheepvaartverkeer. Met de havenautoriteiten wordt voor elke afzink-
operatie een 24-uurs scheepsvrije periode
afgesproken. Omdat het dok dichtbij is, kan
het transport en het afzinken binnen deze
24 uur plaatsvinden.
Afzinkoperatie? De omgevingsomstandighe-
den op de afzinklocatie zijn uitdagend. De
stromingen worden beïnvloed door het getij
en de afvoer van het water, en veranderen
ongeveer elke zes uur van richting (eb- en
vloedstroom). Het element wordt daarom
verbonden met ankerpalen in de vaarweg,
om de positie te controleren. Om te hoge stroomsnelheden en fluc-
tuaties in het zoutgehalte te voorkomen, is
het noodzakelijk om gebruik te maken van
doodtij; daarvoor is een 24-uurs venster
beschikbaar.
21 Tunnelelementen gereed in het droogdok
22 Constructie van de tunnelelementen
21
22
CEMENT 2 2023 ?45
Op het dak van het element worden pontons
geplaatst om de elementen tijdens het afzin-
ken gecontroleerd te laten zakken. Tijdens
de getijdecyclus hebben het zoute (zee)water
en zoete (rivier)water een grote invloed op het
drijfvermogen van elementen (zout water is
zwaarder). Door te ballasten met behulp van
de waterbassins en de elementen te laten
zakken, kunnen de belastingen tijdens het
afzinken worden gecontroleerd.Op de afzinklocatie zijn voor elk ele-
ment, op zes betonnen funderingstegels,
tegels in de baggersleuf geplaatst. Na het
plaatsen van de elementen op deze tegels
en het leegpompen, worden de elementen
onderspoeld met zand. Hiervoor wordt een mengsel van zand en water onder de tunnel
gepompt, met behulp van de ingestorte lei-
dingen in de bodemplaat en tijdelijke leidin-
gen in een van de ballastbuizen.
Afrondende werkzaamheden? Wanneer
de elementen zijn geplaatst (april 2023),
kan het betonwerk voor de sluitvoegen
beginnen en zal het beton in de ballastbui -
zen worden gestort. Hierna kan de langs-
voorspanning worden doorgesneden en
worden de waterbassins geleegd. De laatste
werkzaamheden in de tunnelsleuf bestaan
uit het opvullen van de sleuf en het aan -
brengen van de steenbescherming boven
op de tunnel.
23
24
23 Transport van droogdok naar afzinklocatie
24 Overzicht na afzinken van de tunnelelementen 46? CEMENT 2 20 23
Dienstgebouwen en brandwering
De hoogte van de toeritten van de Maasdelta-
tunnel is veel groter dan de vereiste hoogte
voor de tunnelbuizen, wat interessante voor-
delen oplevert. Deze ruimte wordt gebruikt
door deze zoveel mogelijk te transformeren
tot dienstgebouwen en technische ruimten
(fig. 25). Er is een extra lichtgewicht plafond
ontworpen om als brandwerende laag voor
de tunnelbuis te fungeren, waardoor er een
ruimte met lucht ontstaat tussen het plafond
en het betonnen dak (fig. 26). Dit is een
effectieve manier om het betonnen dak te
beschermen tegen extreme branden. De
extra lucht tussen het plafond en het beton-
nen dak fungeert bovendien als natuurlijke
koeling voor de apparatuur in de service-
ruimtes. Na het installeren van de hittewerende be-
kleding, dienstgebouwen en alle installaties
en na een succesvolle testperiode en inbedrijf-
stelling kan de tunnel worden geopend voor
het verkeer.
Nieuw concept
Het ontwerp van de Maasdeltatunnel leidde
tot een vermindering van de impact van de
bouwactiviteiten en verminderde de CO?-
voetafdruk in vergelijking met het referen-
tieontwerp aanzienlijk. Het nieuwe ontwerp
heeft niet alleen geleid tot het winnende bod,
maar ook tot een nieuw concept voor zink-
tunnels in intensief gebruikte vaarwegen in
grote havens. Het project ligt ondanks de
tegenslagen van onder meer COVID nog
steeds op koers voor opening in 2024.
25
26
25 BIM-beeld van dienstgebouw op kelderniveau
26 BIM-beeld van het lichtgewicht brandwerende plafond in de toeritten CEMENT 2 2023 ?47
In het kort
- De Blankenburgverbinding bestaat uit een landtunnel (Hollandtunnel), een afzinktunnel (Maasdeltatunnel), twee knooppunten en verbreding van de A20.
- Om hinder te voorkomen zijn zes elementen uit het referentieontwerp van de Maasdeltatunnel teruggebracht tot twee.
- De hoogte van de zinktunnels is geminimaliseerd door ballastbeton aan te brengen in ballastkokers aan beide kanten van het element en door dwarsvoorspanning.
- Om de toeritten te kunnen bouwen zijn kistdammen gemaakt.
- Een tijdelijke ballastlaag op het onderwaterbeton was nodig om opbarsten van de bodem te voorkomen.
- Op NAP -10,5 m is in de bouwput van de toeritten een betonnen stempelframe aangebracht bestaande uit balken stempels.
- De leka-palen onder de stempels zorgen voor een steunpuntmoment in de onderwaterbetonvloer.
- Door de COVID-pandemie zijn de zinkelementen in plaats van op het dak van de toeritten gebouwd in een droogdok.
- Voor elke afzinkoperatie is een 24-uurs scheepsvrije periode afgesproken.
Projectgegevens
Project: Blankenburgverbinding
Opdrachtgever: Rijkswaterstaat
Opdrachtnemer: BAAK, consortium van Ballast Nedam, DEME Group en Macquarie
Contractvorm: Design, Build, Finance and Maintain (DBFM)
Geplande opening: 2024
Foto 1. Transport van de tunnelelementen
De Blankenburgverbinding is een nieuwe, circa 4 km lange snelweg (A24) met 2x3 rijstroken tussen de A20 bij Vlaardingen en de A15 bij Rozenburg (fig. 2). De snelweg loopt deels onder het Scheur, een tak van de delta van de Rijn en de Maas. De nieuwe snelweg is bedoeld om het steeds meer dichtslibbende wegennet in de regio Rijnmond te ontlasten. Er worden zo’n 95.000 motorvoertuigen/vrachtauto’s per etmaal verwacht in 2030. Het werk is in veel opzichten een uitdaging, onder meer vanwege de locatie: midden in één van de drukste delen van het Rotterdamse havengebied.
Het project bestaat uit verschillende onderdelen. Allereerst twee tunnels: de Hollandtunnel, een landtunnel van 510 m, en de Maasdeltatunnel, een zinktunnel onder het Scheur van bijna 900 m. Verder kent het project twee grote knooppunten als verbinding met de bestaande snelwegen. Om dit alles te realiseren is ook een aanpassing van de A20 tussen het Kethelplein en Maassluis noodzakelijk: verbreding van de weg en viaducten, vernieuwing van het wegdek en het aanbrengen van geluidschermen.
Dit artikel gaat in op de details van het ontwerp en de bouw van de Maasdeltatunnel.
Figuur 2. Overzicht van het projectgebied van de Blankenburgverbinding
Concept Maasdeltatunnel
Oorspronkelijk bestond het referentieontwerp van Rijkswaterstaat voor de tunnel uit zes tunnelelementen, die in een uitgebaggerde sleuf tussen de noord- en zuidoever zouden worden afgezonken. Idee hierbij was de elementen te bouwen in een droogdok in Barendrecht en deze vervolgens te transporteren naar de plaats van bestemming.
De aanbesteding werd uitgeschreven volgens de EMVI-richtlijnen (Economisch Meest Voordelige Inschrijving), met als incentive de hinder voor de omgeving en scheepvaart tijdens de bouw te minimaliseren. Dit was voor het consortium een belangrijke stimulans voor een compleet nieuw voorstel. In plaats van zes, worden slechts twee tunneldelen afgezonken. Ook is het gesloten deel van de toeritten aan beide kanten van de Maasdeltatunnel verlengd tot in het Scheur (fig. 3, foto 4).
De tunneldelen zouden in dit ontwerp aan weerszijden van het Scheur gebouwd worden in de bouwkuip van de toeritten.
Voor de bouw van toeritten zijn kistdammen geplaatst, grotendeels gerealiseerd met combiwanden. Deze kistdam dient ter bescherming tegen de impact van het scheepvaartverkeer en als kademuur, zodat materiaal over water in plaats van over de weg kan worden aangevoerd. Hiermee wordt hinder op het land verder beperkt.
Figuur 3 geeft een schematisch overzicht van zowel het referentieontwerp als het nieuwe concept. De wijzigingen hebben niet alleen tot minder bouwimpact geleid, maar ook tot een aanzienlijke vermindering van de CO2-voetafdruk.
Figuur 3. Referentieontwerp en tender-concept van BAAK
Foto 4. Bouw van de Maasdeltatunnels (tijdens het bouwen van de betonnen stempels)
Positionering van de zinktunnel
De Maasdeltatunnel is circa 42 m breed en kent een maximale diepte van NAP -28 m. De tunnel is 385 m lang en exact gepositioneerd binnen de marges van de vaarweg in het Scheur (fig. 5). De twee verschillende tunneldelen zijn niet even lang: het zuidelijke tunneldeel is ongeveer 180 m lang en het noordelijke deel 205 m, met daarbij ook nog 5 m ruimte voor de sluitvoeg. De sluitvoeg bevindt zich aan de noordzijde buiten de vaargeul.
Figuur 5. Langsdoorsnede zinktunnel
Ontwerp dwarsdoorsnede
De tunnelelementen zelf zijn opgebouwd uit verschillende segmenten. Zoals gezegd zou de productie hiervan oorspronkelijk plaatsvinden op het dak van de tunneltoeritten, vlak naast de vaarweg. Hierbij moest het dak van de tunnel dienen als vloer van het bouwdok. De grote uitdaging hierbij was om de juiste balans te vinden tussen voldoende hoogte voor het profiel van vrije ruimte voor het verkeer in de tunnels van de toeritten en voldoende kielspeling (afstand tussen onderkant element en bovenkant water) om de zinktunnelelementen uit te laten varen (rekening houdend met een getijdeneffect van ongeveer 1,5 m).
Aangezien het profiel van vrije ruimte ongewijzigd moest blijven, werd de oplossing gevonden in het minimaliseren van de hoogte van de zinktunnels. Om dit te bewerkstelligen is een dwarsdoorsnede ontworpen, waarbij het ballastbeton niet onder de weg is gepositioneerd, maar aan beide kanten van het element in ballastkokers (fig. 6).
Figuur 6. Dwarsdoorsnede zinktunnel
Figuur 7. Slankheid in relatie tot dwarsvoorspanning
BIM
Het ontwerp van de zinktunnel maakt gebruik van gedetailleerde 3D-BIM-modellen. Dit is noodzakelijk omdat de dwarsvoorspanning moet worden geïntegreerd met de langsvoorspanning (in de lengte van het element) en tegelijk met veel in te storten onderdelen, zoals de mechanische en elektrische installaties en drainage. Figuur 8 laat de ingestorte mantelbuizen rond de deur van de nooduitgang zien.
De tijdelijke voorzieningen die nodig zijn voor het afzinken, zijn eveneens geïntegreerd in het 3D-model om conflicten met andere reeds gemaakte in te storten onderdelen te voorkomen.
Bovendien is de wapening geïntegreerd in het 3D-model, gebaseerd op de locaties van de dwars- en langsvoorspanning en van de voorzieningen voor de drainagebuizen, voor het onderspoelen en de afzinkvoorzieningen (fig. 9)
Figuur 8. Segment met alle voorspanning, openingen en drainage
Figuur 9. 3D-model wapening
Verbinding afzinktunnel met toeritten
Aan de kopse kant van de tunnel, aan zowel de noord- als de zuidkant, is een dubbele combiwand gemaakt om een dubbele afscheiding tussen de bouwput van de toeritten en de tunnel te realiseren. Dit is een veiligheidsmaatregel, aangezien de bouwers aan het werk zijn onder de waterspiegel vlak naast de vaarweg. In een later stadium worden deze combiwanden deels verwijderd en zal de zinktunnel worden aangesloten.
Het zuidelijk element wordt verbonden met de toerit via een zinkvoeg (Gina-profiel). Vervolgens wordt het noordelijk zinkdeel afgezonken en verbonden met het zuidelijke deel, ook weer via een zinkvoeg. De laatste meters naar de noordelijke toerit worden overbrugd met een gebruikelijke sluitvoeg.
Er zijn gedetailleerde analyses gemaakt van de verbinding tussen de zinktunnelelementen en de toeritten. Hierbij is gebruikgemaakt van een 3D-plaxismodel (fig. 10). Dit om een realistisch beeld te krijgen van het deformatiegedrag op lange termijn en in de bouwfasering.
Uit deze modellen werd duidelijk dat met name de grondbelasting op het laatste segment relatief hoog is. Dit zal in combinatie met een diepe kleilaag resulteren in grote zettingen, voortschrijdend in de tijd. In samenhang met de starre toerit, die niet zakt, zouden er te grote verschilzettingen ontstaan.
De verschilzettingen worden in dit ontwerp begrensd door de tunnelelementen gedeeltelijk op de buitenste combiwand (gezien vanaf het land) te funderen. Deze worden afgebrand tot het niveau van de tunnelbodem.
Figuur 10. 3D-Plaxismodel interface tussen noordelijk tunneldeel en noordelijke toerit
Figuur 11. Vaste verbinding met de combiwanden
Een tijdelijke ballastlaag op het onderwaterbeton was nodig om opbarsten van de bodem te voorkomen
Ontwerp toeritten
De diepste bouwkuip van de toerit moest tot NAP -27 m worden uitgegraven om de aansluiting met de zinktunnel te kunnen realiseren. De vloer is uitgevoerd als een 2 m dikke gewapende onderwaterbetonvloer, verankerd met groutankerpalen tot NAP -57 m in een dicht raster van 2,1 x 1,9 m2. Deze palen bestaan uit een GEWI-stalen kern met een diameter van 63 mm in een groutplug met een diameter van 250 mm.
Dit was echter onvoldoende om de bouwkuip volledig te kunnen beschermen tegen opbarsten van de vloer. Het verder reduceren van de afstand tussen de palen, het dikker maken van de vloer of het verlengen van de trekpalen was niet voldoende. Een tijdelijke ballastlaag bood uitkomst. Deze ballastlaag op de onderwaterbetonvloer kon worden verwijderd nadat er met de voortgang van het betonwerk voldoende tegendruk was gerealiseerd.
Uitvoering toeritten
Een ondoordringbare laag op een diepte van NAP -20 m – dus hoger dan de onderkant van de bouwput – maakte het mogelijk om tot een niveau van NAP -10,5 m droog uit te graven binnen de kistdammen. Op dit niveau is een betonnen stempelframe aangebracht, bestaande uit betonnen balken en stempels op een afstand van 6,30 m (fig. 12). Aangezien de afstand tussen de kistdammen ongeveer tussen 36 en 40 m breed was, was het nodig om de stempels te ondersteunen door twee vooraf geïnstalleerde Leka-palen (Ø559 mm). Een Leka-paal is een stalen buis, die met grout wordt gevuld nadat hij is geboord tot de geplande diepte.
Figuur 12. Constructie van schoorframe op NAP -10,5 m (na droge ontgraving)
Nadat het stempelframe voldoende was uitgehard, is de bouwput opnieuw gevuld met water, om te voorkomen dat de bodem zou opbarsten zodra verder werd ontgraven en de waterdichte laag werd verwijderd. De natte ontgraving is voortgezet tot de uiteindelijke gewenste diepte, waarna gewapend onderwaterbeton is gestort (fig. 13). Eenmaal uitgehard werd hierop een hoeveelheid magnadense, een zwaar mineraal, gestort, voordat de bouwkuip kon worden drooggepompt.
Figuur 13. Storten van onderwaterbetonvloer (na natte uitgraving)
Dakplaat
De openingen tussen de betonnen stempels zijn afgesloten door prefab-betonplaten en vervolgens is hier een in-situ toplaag op gestort. Deze dakplaat was tevens bedoeld als vloer voor het bouwdok van het daar te bouwen zinktunnelelement (fig. 14). Zodra de vloerplaten voor alle segmenten van de zinktunnel zouden zijn gestort, zou er voldoende neerwaarts gewicht aanwezig zijn in de onderwaterbetonvloer, door middel van de verbinding via de Leka-palen, om het ballastzand te kunnen verwijderen.
Na het afzinken wordt de dokvloer opgevuld om het oorspronkelijke maaiveld te herstellen.
Figuur 14. Maasdeltatunnel gebruikt als dokvloer voor het zinktunnelelement
Ontwerp permanent gewapende betonvloer
Gezien de noodzaak een 2 m dikke onderwaterbetonvloer te gebruiken voor de tijdelijke fase, is deze ook gebruikt als onderdeel van de uiteindelijke tunnelconstructie. Hiermee kon de totale constructiedikte en dus ook de ontgravingsdiepte worden beperkt. Een onderwaterbetonvloer met alleen staalvezelwapening was niet voldoende om alle belastingen op te kunnen nemen, zeker niet in het eindstadium. Daarom moest het onderwaterbeton gewapend worden uitgevoerd.
Momentennulpunten
De Leka-palen, en in een later stadium de wanden van het middentunnelkanaal, fungeren als tussensteunpunt voor de onderwaterbetonvloer. Hierdoor ontstaat naast een veldmoment ook een steunpuntmoment. In dwarsrichting zijn er daardoor twee locaties met een buigend moment dichtbij 0, waardoor een beperkte hoeveelheid wapening nodig is (fig. 15).
Figuur 15. Buigmomenten in verschillende fasen voor dwarsdoorsnede
Figuur 16. Schematische weergave van de installatievolgorde van de korven
Deze locaties zijn gebruikt voor de grens tussen de geprefabriceerde wapeningskorven. Eerst werd de centrale wapeningskorf neergelaten, met uitstekende staven aan de onderkant van de plaat. Daarna zijn de twee korven aan de zijkanten geïnstalleerd, beiden met uitstekende staven in het bovennet (fig. 17). Deze wapeningskorven zijn geïnstalleerd over de ankerpaalkoppen. Bij het op maat maken van deze wapeningskorven is rekening gehouden met de tolerantie van de GEWI-ankerpalen.
Vanwege dezelfde tolerantie bleek het niet mogelijk om de wapeningskorven in langsrichting te laten overlappen.
Figuur 17. Langsdoorsnede van hybride vloerconcept
Constructievloer
De waterdichtheid van de onderwaterbetonvloer in dwarsrichting wordt geborgd door voldoende normaalkracht. In langsrichting gaat het ontwerp uit van gecontroleerde scheurvorming gecombineerd met injectievoorzieningen. Dit laatste was echter geen oplossing voor de eindsituatie. Daarom werd er een extra betonnen constructievloer met een dikte van 600 mm gestort op de onderwaterbetonvloer nadat de bouwput was drooggepompt (foto 18). Deze vloer is in lengterichting gewapend waarmee de scheurwijdte binnen de toegestane maat voor zelfherstel blijft (volgens de methode Lohmeyer). De constructievloer werd verankerd met deuvels die in de onderwaterbetonvloer zijn geboord. Het aantal ankers is gebaseerd op het scenario dat de volledige waterdruk tussen beide vloeren zou kunnen optreden.
Ten slotte was het noodzakelijk, aangezien de dwarskrachten in de dwarsrichting in de eindsituatie veel hoger waren dan die in tijdelijke situatie, om sommige ankers te laten overlappen met de beugels van de wapeningskorven van het onderwaterbeton.
Foto 18. Voorbeeld van testen, het plaatsen van wapening
De leka-palen onder de stempels zorgen voor een steunpuntmoment in de onderwaterbetonvloer
Werken op diepte
Alle werkzaamheden voor de gewapende onderwaterbetonvloer moesten door duikers op extreme diepte worden uitgevoerd. Het werken op deze diepte zorgde voor een beperking van de effectieve werktijd van één duik, met het oog op veiligheid van de duikers. Daarom moest het werk waar mogelijk vanaf de oppervlakte worden uitgevoerd. Om de nauwkeurigheid en efficiëntie van alle stappen van de uitvoering te onderzoeken, werd een uitgebreide reeks tests uitgevoerd.
Alternatief plan voor de bouw van de zinktunnel
Begin 2020 waren alle funderingselementen zoals ankers, ankerpalen en combiwanden geplaatst en waren de graafwerkzaamheden net begonnen, toen de COVID-19-pandemie toesloeg. Dit had een enorme impact op de wereldwijde samenleving. Ook de bouwactiviteiten voor de Blankenburgverbinding werden hier door getroffen.
In plaats van het oorspronkelijke plan om de tunnelelementen bovenop de toeritten van de Maasdeltatunnel te bouwen, heeft BAAK in overleg met Rijkswaterstaat alternatieve mogelijkheden bekeken. Na contact met Damen Verolme Rotterdam is een alternatief plan opgesteld, waarbij de twee tunnelelementen zijn gebouwd in een deel van hun droogdok (foto 19 en fig. 20).
Omdat het ontwerp zelf niet werd herzien, kon de bouw van de tunnelelementen eerder beginnen, waardoor het effect van COVID beperkt bleef.
Foto 19. Elementen worden gebouwd in het droogdok
Figuur 20. BIM-weergave van de bouw van zinktunnel bij Damen Verolme Rotterdam
Door de COVID-pandemie zijn de zinkelementen in plaats van op het dak van de toeritten gebouwd in een droogdok
Constructie in een droogdok
De grootste uitdaging van de constructie van de twee elementen in het droogdok was het gebrek aan ruimte. De tunnelelementen pasten er maar net in (foto 21).
De ruimte naast de elementen werd verkleind van 5 m tot slechts 0,5 m in het droogdok. Op twee plekken waren kleine aanpassingen aan de tunnelvloer nodig om de elementen in te passen. Een ander gevolg van de beperkte ruimte was dat het naspannen niet meer van beide kanten kon worden gedaan. Dit werd herberekend en gecompenseerd met extra wapening.
De elementen werden in segmenten van ongeveer 26 m gebouwd op een horizontale laag grind met daarop multiplex platen.
De bodemplaat, buitenmuren en het dak van de tunnel zijn uitgevoerd in beton met sterkteklasse C45/55 en de vier binnenmuren in C40/50. Om thermische scheurvorming tijdens het uitharden van het beton te voorkomen, werden de buitenmuren en het dak gekoeld met een waterkoelingssysteem.
Foto 21. Tunnelelementen gereed in het droogdok
Afzinken
Nadat alle segmenten waren gestort, werden de tunnelelementen voorbereid op het afzinken door alle afzinkapparatuur en de ballasttanks te installeren. Ten slotte werden de elementen afgesloten met kopschotten (fig. 22).
Figuur 22. Constructie van de tunnelelementen
Zodra de ballasttanks in de elementen werden geleegd, dreven beide elementen omhoog en konden ze worden gesleept naar een tijdelijke parkeerplek in een havenbassin nabij het droogdok (foto 23).
De haven van Rotterdam is de grootste haven van Europa en zal tijdens de afzinkoperatie grotendeels worden geblokkeerd voor het normale scheepvaartverkeer. Met de havenautoriteiten wordt voor elke afzinkoperatie een 24-uurs scheepsvrije periode afgesproken. Omdat het dok dichtbij is, kan het transport en het afzinken binnen deze 24 uur plaatsvinden.
Foto 23. Transport van droogdok naar afzinklocatie
Afzinkoperatie
De omgevingsomstandigheden op de afzinklocatie zijn uitdagend. De stromingen worden beïnvloed door het getij en de afvoer van het water, en veranderen ongeveer elke zes uur van richting (eb- en vloedstroom). Het element wordt daarom verbonden met ankerpalen in de vaarweg, om de positie te controleren.
Om te hoge stroomsnelheden en fluctuaties in het zoutgehalte te voorkomen, is het noodzakelijk om gebruik te maken van doodtij; daarvoor is een 24-uurs venster beschikbaar.
Op het dak van het element worden pontons geplaatst om de elementen tijdens het afzinken gecontroleerd te laten zakken. Tijdens de getijdecyclus hebben het zoute (zee)water en zoete (rivier)water een grote invloed op het drijfvermogen van elementen (zout water is zwaarder). Door te ballasten met behulp van de waterbassins en de elementen te laten zakken, kunnen de belastingen tijdens het afzinken worden gecontroleerd.
Op de afzinklocatie zijn voor elk element, op zes betonnen funderingstegels, tegels in de baggersleuf geplaatst. Na het plaatsen van de elementen op deze tegels en het leegpompen, worden de elementen onderspoeld met zand. Hiervoor wordt een mengsel van zand en water onder de tunnel gepompt, met behulp van de ingestorte leidingen in de bodemplaat en tijdelijke leidingen in een van de ballastbuizen.
Figuur 24. Overzicht na afzinken van de tunnelelementen
Afrondende werkzaamheden
Wanneer de elementen zijn geplaatst (april 2023), kan het betonwerk voor de sluitvoegen beginnen en zal het beton in de ballastbuizen worden gestort. Hierna kan de langsvoorspanning worden doorgesneden en worden de waterbassins geleegd. De laatste werkzaamheden in de tunnelsleuf bestaan uit het opvullen van de sleuf en het aanbrengen van de steenbescherming boven op de tunnel.
Dienstgebouwen en brandwering
De hoogte van de toeritten van de Maasdeltatunnel is veel groter dan de vereiste hoogte voor de tunnelbuizen, wat interessante voordelen oplevert. Deze ruimte wordt gebruikt door deze zoveel mogelijk te transformeren tot dienstgebouwen en technische ruimten (fig. 25). Er is een extra lichtgewicht plafond ontworpen om als brandwerende laag voor de tunnelbuis te fungeren, waardoor er een ruimte met lucht ontstaat tussen het plafond en het betonnen dak (fig. 26). Dit is een effectieve manier om het betonnen dak te beschermen tegen extreme branden. De extra lucht tussen het plafond en het betonnen dak fungeert bovendien als natuurlijke koeling voor de apparatuur in de serviceruimtes.
Na het installeren van de hittewerende bekleding, dienstgebouwen en alle installaties en na een succesvolle testperiode en inbedrijfstelling kan de tunnel worden geopend voor het verkeer.
Figuur 25. BIM-beeld van dienstgebouw op kelderniveau
Figuur 26. BIM-beeld van het lichtgewicht brandwerende plafond in de toeritten
Nieuw concept
Het ontwerp van de Maasdeltatunnel leidde tot een vermindering van de impact van de bouwactiviteiten en verminderde de CO2-voetafdruk in vergelijking met het referentieontwerp aanzienlijk. Het nieuwe ontwerp heeft niet alleen geleid tot het winnende bod, maar ook tot een nieuw concept voor zinktunnels in intensief gebruikte vaarwegen in grote havens. Het project ligt ondanks de tegenslagen van onder meer COVID nog steeds op koers voor opening in 2024.
Animatie met toelichting op het afzinken van de Maasdeltatunnel
Animatie met toelichting op het afzinken van de Maasdeltatunnel
Reacties