In de week van 13 december 2022 constateerde een weginspecteur van Rijkswaterstaat schade aan het wegdek in de noordelijke toerit van de Prinses Margriettunnel (1976) in de snelweg A7 bij Sneek. Een bepaald deel van de tunnelbak, een zogenaamde tunnelmoot, was door druk van het grondwater omhoog gekomen. De schade bleek zo ernstig, dat de A7 tussen Sneek en Joure in beide richtingen moest worden afgesloten. Na het nemen van noodmaatregelen is Rijkswaterstaat gestart met het ontwerp en de uitvoering van de benodigde herstelwerkzaamheden. Gelijktijdig is een onderzoek gestart naar de oorzaak van het incident.
Onderzoek naar falen fundering Prinses Margriettunnel
Oorzaak onderzocht op basis van forensic engineering,
om tunnelvisie te voorkomen
1 Ballast in de tunnel direct na het incident (eind december 2023), foto: Rijkswaterstaat
1
50? CEMENT 1 20 24
Nadat de schade was geconsta-
teerd werden enkele noodmaat-
regelen genomen.
Om ervoor te zorgen
dat de tunnelmoot niet nog verder omhoog
zou komen, werden eerst 1750 big bags met
zand over de volle breedte van beide rijbanen
van de moot geplaatst en daarna nog eens
750 stuks. Om de kans te verkleinen dat één
of meerdere andere moten ook omhoog zou -
den komen, zijn ook op de andere tunnel
-
m
oten bigbags geplaatst, nog eens 7500 stuks
(foto 1).
Onderzoek
Nadat de noodmaatregelen waren voltooid,
is direct begonnen met een onderzoek naar
de oorzaak van het incident [1]. Dat onder-
zoek is uitgevoerd door een team van onder-
zoekers van TNO en Deltares. Dit team heeft
intensief samengewerkt met de project
-
leiding
van Rijkswaterstaat en de medewer-
kers van Van Hattum en Blankevoort, die
het aannemerswerk voor het veldonderzoek
hebben uitgevoerd. Bij de gevolgde methodiek van onder-
zoek is gebruikgemaakt van forensic engi-
neering, meer in het bijzonder de bottom-up
methode zoals beschreven in [2]. Het schade- beeld is als uitgangspunt aangehouden en
daarover is historische informatie verza-
meld. Op basis daarvan is, zowel via veld- als
laboratoriumonderzoek, onderzocht welke
faalmechanismen de betreffende schade
veroorzaakt zouden kunnen hebben. Dat is
stapsgewijs uitgevoerd, door steeds op een
dieper niveau naar het schadebeeld te kij-
ken. Op elk niveau is onderzocht welke faal-
mechanismen kunnen zijn opgetreden (ve-
rificatie) en welke faalmechanismen kunnen
worden uitgesloten (falsificatie). Daardoor
kon de hoeveelheid uit te voeren onderzoek
op een aantal niveaus worden ingeperkt,
zonder gevaar voor tunnelvisie.
Er is bij het onderzoek gebruikgemaakt
van de faalboom die was opgesteld in het
kader van het vergelijkbare incident in de
Vlaketunnel in 2010 [3]. De faalboom bevat
een geordend en stapsgewijs overzicht van
mogelijke oorzaken. Deze zijn gegroepeerd,
zodat deze systematisch kunnen worden be-
oordeeld en zo mogelijk worden uitgesloten. Op basis van archiefonderzoek rees al
snel het vermoeden dat het bezwijken is
ontstaan door een afname van de sterkte
van de paalfundering en niet door een over-
belasting vanuit hoogwater. Omdat de
In de week van 13 december 2022 constateerde een weginspecteur van Rijkswaterstaat schade
aan het wegdek in de noordelijke toerit van de Prinses Margriettunnel (1976) in de snelweg A7 bij Sneek. Een bepaald deel van de tunnelbak, een zogenaamde tunnelmoot, was door druk
van het grondwater omhoog gekomen. De schade bleek zo ernstig, dat de A7 tussen Sneek
en Joure in beide richtingen moest worden afgesloten. Na het nemen van noodmaatregelen is R
ijkswaterstaat gestart met het ontwerp en de uitvoering van de benodigde
herstelwerkzaamheden. Gelijktijdig is een onderzoek gestart naar de oorzaak van het incident.
CEMENT 1 2024 ?51
moot met een beperkte belasting (lager dan
de verwachte maximale draagkracht onder
druk) weer kon worden teruggedrukt, leek
er geen sprake van geotechnisch bezwijken
van de fundering, maar van constructief
bezwijken. Dit laatste moest door onderzoek
aan de constructie worden bevestigd.
Opbouw van de toeritten
De Prinses Margriettunnel is een verkeers -
tunnel die is g
esitueerd in rijksweg A7, tussen
Joure en Sneek, onder het Prinses Margrietka -
naal. De tunnel is gebouwd in de periode 1976-
1978 [
4] en was ten tijde van het incident dus
circa 45 jaar oud. De constructie is opgebouwd
uit een aquaductdeel met daarboven het Prin -
ses Margrietkanaal en aan elke zijde daarvan
een half
open toerit; één aan de zuid-oost zijde
(Joure) en één de noord-west zijde (Sneek).
De beide toeritten van de tunnel zijn
opgebouwd uit U-vormige betonmoten met
een breedte van circa 33 m. Deze moten
hebben elk een lengte van 18 m, met tussen
de moten een dilatatieprofiel voor de water-
dichting (W9U profiel). De zuidelijke toerit heeft 22 moten, die van
-
af de zuidzijde tot aan de tunnel zijn genum-
merd van 1 tot en met 22. De noordelijke
toerit heeft 26 moten, die vanaf de tunnel tot
aan de noordzijde zijn genummerd van 23
tot en met 48. De diepst gesitueerde moot,
moot 22, ligt met de onderzijde van de vloer
op circa NAP -14 m en heeft een vloerdikte
van circa 1,8 m. Bij een gemiddelde grond-
waterstand van NAP -1.3 m is op deze moot
een grondwaterdruk van bijna 13 m water-
kolom aanwezig. Naarmate de moten hoger
zijn gesitueerd nemen zowel de waterdruk
als de vloerdikte af.
Funderingspalen? De dieper gelegen moten
van de beide toeritten zijn gefundeerd op
betonnen trekpalen (Vibropalen) met een
diameter van 450 mm (fig. 2) en een lengte
variërend van 10 ? 12 m. Deze palen zijn uit-
gevoerd met een centrale stalen Dywidag
voorspanstaaf Ø32 mm dan wel 36 mm. Om
aanhechting met het beton te voorkomen,
zijn die voorspanstaven omhuld met Denso-
band, een koud verwerkbare vetbandage.
Verder zijn de voorspanstaven voorzien van
afstandhouders, met een hart-op-hart-af-
stand van 2 m, om ze te centreren in de
paal. In het bestek en op de beschikbare
constructietekeningen is geen informatie
gegeven over de staalkwaliteit van de voor-
spanstaven. Vermoedelijk betreft het staal-
kwaliteit FeP 1030/1050. De trekpalen met een voorspanstaaf
Ø32 mm zijn in het bestek aangeduid als
45-tons trekpalen met een aanvangsvoor-
spanning van 55 ton (550 kN). De trekpalen
met een voorspanstaaf Ø36 mm zijn 60-tons
trekpalen met een aanvangsvoorspanning
van 70 ton (700 kN). Het aantal trekpalen
varieert van 16 in de ondiepe moten tot meer
dan 50 in de diepste moten.
De omhoog gekomen moot is moot 26, de
vierde moot aan de noordzijde van de
tunnel.
Aan de hoge zijde heeft deze moot
een totale hoogte van bovenzijde wand tot
onderzijde vloer van circa 9,3 m en aan de
lage zijde circa 9,9 m. Onder moot 26 staan
50 trekpalen met een Dywidag voorspan-
staaf Ø36 mm en een lengte van circa 12 m
(fig. 3).
2 Detaillering funderingspalen
2
auteurs
52? CEMENT 1 20 24
IR. HUIBERT BORSJE
Forensisch Ingenieur TNO
DR.IR. PAUL HÖLSCHER
Senior Adviseur
Grond Dynamica Deltares
IR. PAUL LITJENS Technisch Manager Rijkswaterstaat
IR. IVO HUISKES Technisch Adviseur Tunnels
Rijkswaterstaat
Opgetreden schade
De schade betreft het omhoog komen van
moot 26 van de noordelijke toerit van de tun-
nel, over een afstand van circa 6 cm. Direct
na constatering hierv
an is gestart met het in -
rijden van ballast. Circa een week na het inci -
dent is er een geautomatiseerd monitorings -
systeem aangebracht, om eventuele nieuwe
v
ervormingen tijdig te kunnen signaleren.
Sinds 2010 werden reeds elke vier jaar
reguliere hoogtemetingen uitgevoerd op
meetpunten op de bovenzijde van de wanden
van de toeritten, nabij de mootvoegen. Het
doel van die metingen was het constateren
van eventuele deformaties. Deze meetpun-
ten zijn in december 2022, nadat de schade
was geconstateerd en er al ballast van 1750
big bags (ongeveer 26.000 kN) in moot 26
aanwezige was, opnieuw ingemeten. De re-
sultaten van deze metingen laten zien dat op dat moment, de oostwand van moot 26 nog
circa 40 mm hoger was gepositioneerd dan
de aangrenzende moten (fig. 4). De westwand
was op dat moment nagenoeg teruggebracht
in de oorspronkelijke positie.
De resultaten van de eerder uitgevoerde vier-
jaarlijkse metingen zijn ook geanalyseerd.
Uit deze analyse blijkt, met de kennis van
nu, dat tijdens de meting in juni 2021, circa
anderhalf jaar voor het incident, bij moot 26
al een afwijkend gedrag te zien was ten op-
zichte van de overige moten (fig. 5). De hoek
van de moot aan de zuid-oostzijde was toen
circa 4 ? 5 mm meer omhoog gekomen dan
de overige moten. Tot en met de meting in
november 2017 was bij moot 26 geen afwij-
kend gedrag te zien.
Na deze constatering zijn ook alle
def
ormatiemetingen van de andere
3 Palenplan onder moot 26
4 Hoogtemetingen oostwand noordelijke toerit een week na het incident
5 Hoogtemetingen oostwand noordelijke toerit tot aan juni 2021
Bij het open
hakken van de
vloer bleek een
aantal voor-
spanstaven in
de trekpalen
gebroken
3
4 5
CEMENT 1 2024 ?53
6
De afgeslepen
delen van de
voorspanstaven
zijn in het
laboratorium
van TNO
onderzocht
6 Hoogtemetingen westwand zuidelijke toerit tot aan december 2022
moten beoordeeld. Daaruit bleek dat in de-
cember 2022 bij moot 15 sprake was van een
vergelijkbare situatie als bij moot 26 in 2021
(fig. 6). In december 2022 was bij de west-
wand van moot 15 een afwijkend gedrag te
zien ten opzichte van de overige moten. De
westwand was aan de zijde van moot 14 cir-
ca 5 mm omhoog gekomen ten opzichte van
de overige moten. Tot en met de metingen in
juni 2021 was bij moot 15 geen afwijkend ge-
drag te zien.
Hieruit wordt geconcludeerd dat het bezwij-
ken van moot 26 gefaseerd heeft plaatsge-
vonden en dat moot 15 zich in een beginfase
van bezwijken bevond ten tijde van het onder-
zoek. Nader onderzoek van moot 15 bood
daarmee de mogelijkheid om het begin van
bezwijken te onderzoeken. Daarom lag de
focus van het onderzoek niet alleen op moot
26 maar ook op moot 15.
Veldonderzoek
Om te onderzoeken of de trekpalen geotech-
nisch of constructief zijn bezweken, moesten
voorspanstaven van de palen worden onder-
zocht. Hiertoe is bij een aantal trekpalen de
vloer opengehakt, zodat de voorspanstaaf
kon worden bereikt. Vervolgens is op de kop
van de voorspanstaven een koppelmof ge-
schroefd en is met een kraan aan de voor-
spanstaven getrokken (foto 7). Daarbij bleek
dat een aantal voorspanstaven was gebro-
ken. Deze gebroken voorspan
sta
ven waren
relatief eenvoudig uit de paal te trekken. Dit
onderzoek gaf de volgende resultaten:
Door de aanwezige ballast, was bij moot 26
slechts één rij met acht palen bereikbaar.
De voorspanstaven van zeven palen bleken
gebroken, op een diepte die varieerde van
3,2 m tot 7,9 m onder de vloerverankering.
De voorspanstaaf van de achtste paal was
ook gebroken, maar uit het archiefonder-
zoek bleek dat dat al in de bouwfase was
gebeurd, bij het voorspannen.
Bij moot 15 waren drie rijen van acht trek-
palen bereikbaar om te testen. Van die 24
trekpalen was bij vijf stuks de voorspanstaaf
gebroken, op een diepte die varieerde van
2,5 m tot 7,5 m (fig. 8).
Bij andere moten, waar geen aanwijzingen
waren voor een begin van bezwijken, zijn
steekproefsgewijs trekpalen gecontroleerd.
Daarbij bleek dat nog eens drie van de 27
geteste voorspanstaven waren gebroken
(
oftewel 11%), op een diepte die varieerde
van 1,9 m tot 4,9 m.
Alle gebroken voorspanstaven zijn direct
visueel beoor
deeld. Daarbij zijn over de
lengte van de staven geen bijzonderheden
waargenomen. De breukvlakken waren
r
elatief vlak, zonder een duidelijke insnoe-
ring van de staven (fig. 9). Daarna is van
alle gebroken voorspanstaven het deel
met het breukvlak afgeslepen en veilig
gesteld voor nader onderzoek in een labo
-
r
atorium.
Bij een aantal niet-bezweken trekpalen is de
voorspankracht in de staven gemeten. Dit is
gedaan door met een vijzel een trekkracht op
de voorspanstaaf in stappen van 50 kN
54? CEMENT 1 20 24
7
7 Uittrekken van een gebroken voorspanstaaf
8 Overzicht onderzochte palen moot 15
8
CEMENT 1 2024 ?55
aan te brengen en de verplaatsing van de
staafkop te meten. De belasting waarbij de
kop van de voorspanstaaf omhoog begint te
komen is de voorspankracht in de staven.
De gemiddelde voorspankracht die is geme-
ten in 19 geteste (60-tons) trekpalen bedraagt
629 kN, net boven de beoogde voorspan-
kracht van 600 kN. Bij deze testen bezweek
één voorspanstaaf, nadat op die voorspan-
staaf een trekkracht was aangebracht van
700 kN (de oorspronkelijk aangebrachte
voorspankracht). Om breuk van meer voor-
spanstaven te voorkomen, zijn er na dit
incident alleen in moot 15 nog
voorspan
-
sta
ven getest met een kleinere belastingstap
van 20 kN. Hierbij is geen verdere schade
ontstaan. Laboratoriumonderzoek
Om de oorzaak van het breken van de voor-
spanstaven te achterhalen, zijn de afgeslepen
delen van de voorspanstaven in het labora-
torium van TNO onderzocht.
Breukvlakken? In totaal zijn zeven van de
veertien beschikbare breukvlakken metal -
lurgisch onderzocht. De breukvlakken van
deze
zeven voorspanstaven vertonen alle
eenzelfde bezwijkpatroon. Op de breukvlak -
ken zijn nabij de buitenomtrek één of meer
r
elatief kleine 'corrosiegebiedjes' duidelijk
zichtbaar, met bij elk breukvlak, vanuit één
van die gebiedjes, een waaiervormig breuk -
patroon (fig. 9). Die kleine corrosiegebiedjes
blijk
en initiële scheurtjes te zijn, van waaruit
9a
9c
9b
9d
9 Breukvlak voorspanstaaf C1 uit moot 26: (1) initiële scheur met interkristallijn scheurverloop en (2) propagatiescheur met transkristallijne splijtbreuk
12
56? CEMENT 1 20 24
een waaiervormige splijtbreuk is ontstaan.
De waargenomen splijtbreuk is typisch voor
breuk die optreedt met een zeer hoge scheur-
groeisnelheid en duidt op bros bezwijken
v
an de voorspanstaaf. Nader onderzoek van
de delen van het breukvlak wees uit dat in de
corrosiegebiedjes sprake is van interkristal -
lijn verlopende scheurtjes; scheurtjes die
langs de k
orrelgrenzen van het staal lopen.
In de splijtbreuk is sprake van een transkris -
tallijne scheurgroei; scheurtjes die door de
k
orrels van het staal lopen.
Uit een EDS-analyse (Energie Dispersie
Spectroscopie) blijkt dat op de breukvlakken
(zowel op de corrosiegebiedjes als op de
splijtbreukvlakken) sporen van Na, Ca, K en
Mg aanwezig zijn. Dit zijn geen elementen
van het staal en moeten dus afkomstig zijn
uit het omringende milieu, zeer waarschijn-
lijk uit het beton.
Buitenomtrek? Op de buitenomtrek van de
voorspanstaven is, ter hoogte van de breuk-
vlakken, geen visueel waarneembare corro-
sie aanwezig. Wel zijn in de buitenomtrek
van enkele voorspanstaven scheurtjes aan-
getroffen in de zone direct boven het breuk-
vlak, 'secundaire scheuren' genoemd. Bij twee voorspanstaven is aan de bui-
tenzijde van de voorspanstaaf een verticale
doorsnede gemaakt tot circa 20 mm boven
het breukvlak. In die twee doorsneden is
een groot aantal secundaire scheuren zicht-
baar die interkristallijn verlopen en veelal
meerdere vertakkingen hebben (fig. 10).
Vanaf een zekere scheurdiepte treedt trans-
kristallijn scheurgroei op (scheuren door de
korrels van het staal), dat overeenkomt met
een splijtbreuk.
Oorzaken? Het waargenomen breukbeeld kan
in principe zijn veroorzaakt door de volgende
mechanismen:
vermoeiing als gevolg van een wisselende
belasting;
galvanische corrosie;
microbiële corrosie/aantasting (MIC);
waterstofverbrossing;
spanningscorrosie.
De eerste drie mechanismen zijn op basis
van de kenmerken van de breukvlakken en 10
10 Verticale doorsnede van voorspanstaaf C2 van moot 26 direct boven het breukvlak; meerdere secundaire microscheuren die
allemaal interkristallijn verlopen, met meerdere vertakkingen (het getoonde gebied is ongeveer 18 mm hoog en 3 mm breed)
Om tunnelvisie
te voorkomen is
een stapsgewijze
scenarioanalyse
uitgevoerd
CEMENT 1 2024 ?57
de corrosieproducten gefalsificeerd. De falsi-
ficatie van MIC is tevens onderschreven door
een separ
aat, microbiologisch onderzoek.
De laatste twee mechanismen hebben
veel vergelijkbare kenmerken en zijn moei-
lijk van elkaar te onderscheiden. Naar het
oordeel van TNO is loog-spanningscorrosie
de meest waarschijnlijke oorzaak van het
breken van de voorspanstaven. Dit is span-
ningscorrosie die is geïnitieerd doordat de
voorspanstaaf in contact is geweest met loog
(cement- en/of poriewater). Dit is geconclu-
deerd op basis van de op de breukvlakken
aangetroffen elementen, de interkristallijne
scheurgroei in de breukvlakken en de se-
cundaire, interkristallijne scheuren in de
zone boven de breukvlakken. Op verzoek
van Rijkswaterstaat heeft Element Materials
Technology een second opinion gegeven op
de conclusie van TNO [6, 7]. Element heeft
daarbij aangegeven dat naar hun oordeel
scheurvormige waterstofschade het meest
waarschijnlijk is. Hierbij is initieel sprake
van waterstofvormende corrosie en vervol-
gens breuk als gevolg van waterstofverbros-
sing.
Scenarioanalyse
Tijdens het veldonderzoek is geconstateerd
dat een aantal voorspanstaven van de moten
15 en 26 zijn gebroken. Het ligt voor de hand
om dat direct te zien als oorzaak van het
omhoog komen van de moten. Dit kan ech-
ter tunnelvisie zijn. Het veldonderzoek heeft
namelijk niet uitgewezen waar het bezwij-
ken van de moten is begonnen, waardoor op
voorhand niet kan worden uitgesloten dat
het bezwijken is begonnen met een ander
schademechanisme en dat de breuk in de
voorspanstaven gevolgschade is. Om deze
reden is een stapsgewijze scenarioanalyse
uitgevoerd, waarbij is gestart bij de opgetre-
den schade, bij de beginfase van het bezwij-
ken van de moten 15 en 26, waarbij die mo-
ten aan één zijde circa 5 mm omhoog zijn
gekomen. In het algemeen geldt dat het omhoog
komen van een moot ontstaan moet zijn
doordat de paalfundering niet meer in staat
is om de opwaartse belasting door het water
te weerstaan. Omdat de paalfundering al
circa 45 jaar heeft gefunctioneerd, is het zeer onwaarschijnlijk dat de initiële sterkte
van de paalfundering onvoldoende was. Dat
betekent dat de schade moet zijn ontstaan
door de volgende bezwijkmechanismen of
een combinatie van beide:
De opwaartse waterbelasting is dusdanig
ver toegenomen dat de paalfundering daar-
door is overbelast en bezweken.
De sterkte van de paalfundering is in de
loop van de tijd afgenomen, totdat de
paalfundering niet meer in staat was om de
optredende waterbelasting op te nemen.
Ten aanzien van de waterbelasting geldt dat
er geen aanwijzingen zijn dat er nabij de
tunnel sprake is geweest van een substantiële
verhoging van de waterdruk tegen de tunnel -
vloer waardoor de paalfundering is overbe-
last. De waterbelasting is onder alle moten
tegelijk aanwezig. Als de fundering onder
één moot door waterbelasting bezwijkt, zal
deze omhoog komen en roteren. Door deze
rotatie loopt de moot klem tussen zijn buur-
moten. De rotatie is zichtbaar in de vervor-
mingsmetingen. Het is onwaarschijnlijk dat
de naastgelegen moten dan zowel de ver-
hoogde waterdruk als de extra belasting uit
de bezweken moot kunnen opnemen. Het optreden van een eventuele over-
belasting is ook gecontroleerd op basis van
het gedrag van de paalfundering, in relatie
tot de opgetreden vervorming van circa 5 mm
in de beginfase van bezwijken. Dat gedrag
wordt enerzijds bepaald door de geotech-
nisch weerstand van de trekpalen, dat wil
zeggen de weerstand tegen het uit de grond
trekken, en anderzijds door de constructieve
weerstand van de verbinding van de trekpa -
len met de tunnelvloer, de verbinding die is
gerealiseerd met de voorspanstaven. Ten aanzien van het geotechnische
gedrag van een paal dan wel een paalgroep
geldt dat de vervormingscapaciteit circa
10 mm bedraagt voordat deze geotechnisch
bezwijkt. Omdat het begin van het bezwijken
bij de moten 15 en 26 is opgetreden bij een
verticale verplaatsing die beduidend minder
is dan 10 mm, namelijk circa 5 mm, is het
zeer onwaarschijnlijk dat de palen, geotech-
nisch gezien, zijn overbelast. Ten aanzien van het constructief ge-
drag van de verbinding van de vloer met de
HERSTEL
Om de veiligheid van de tunnel
op lange termijn te kunnen
garanderen, wordt de gehele
fundering vernieuwd en ver-
sterkt, en worden de tunnel-
wanden steviger verankerd. Dat
wordt gedaan door meer dan
1.000 nieuwe trekpalen te
plaatsen. De nieuwe trekpalen
worden met behulp van een
speciale methode door de
betonnen vloer de grond in
geboord, tegen de waterdruk
in. Deze methode is zo uitge-
voerd dat er geen water in de
tunnel omhoog kan komen
tijdens het aanbrengen van de
trekpalen. Bemaling van het
grondwater is daardoor niet
nodig. Het op deze wijze her-
stellen van de tunnel duurt lan-
ger, maar de kans op schade
aan omliggende bebouwing
wordt hiermee geminimaliseerd.
Voor meer informatie zie
https://www.rijkswaterstaat.nl/
wegen/projectenoverzicht/a7-
herstel-prinses-margriettunnel.
58? CEMENT 1 20 24
trekpalen geldt dat de vervormingscapaci-
teit van de voorspanstaven beduidend meer
zou moeten zijn dan 5 mm voordat gevaar
van breuk optreedt. De bij het begin van be-
zwijken opgetreden verplaatsing van circa
5 mm vormde voor de palen en voorspan -
staven in principe een toelaatbare construc-
tieve belasting.
Bovenstaande analyses falsificeren een
overbelasting van de fundering door een
toename van de opwaartse waterbelasting.
Dat betekent dat de sterkte van de paalfun-
dering in de loop van de tijd is afgenomen.
De geotechnische capaciteit van een trek-
paal dan wel een groep trekpalen neemt ge-
durende de levensduur van de paalfunde-
ring in principe niet af. De sterkte van de
verbinding van de vloer met de trekpalen
kan in de tijd wel afnemen. Vermoeiing en
corrosie kunnen namelijk resulteren in een
afname van de belastbaarheid van de voor-
spanstaven in de tijd.
Samenvattend volgt uit het bovenstaande
dat het zeer waarschijnlijk is dat het begin
van het bezwijken van de moten 15 en 26 is
veroorzaakt door een afname van de belast-
baarheid van één of meer voorspanstaven in
de tijd, hetgeen aansluit bij de waargenomen
gebroken voorspanstaven bij het veldonder-
zoek. Dit wordt ook onderschreven door de
voorspanstaaf die bij een trekproef reeds
bezweek bij 700 kN.
Oorzaak bezwijken voorspanstaven? Uit
het in het laboratorium uitgevoerde metal-
lurgisch onderzoek is geconcludeerd dat
loog-spanningscorrosie of scheurvormige
waterstofschade de meest waarschijnlijk
oorzaak is van het breken van de voorspan-
staven. Voor beide mechanismen zijn drie
randvoorwaarden noodzakelijk:
Het staal moet gevoelig zijn voor spannings-
corrosie en/of waterstofschade.
Er moet sprake zijn van een substantiële
trekspanning in de voorspanstaven.
De voorspanstaven moeten zich in een
corrosief milieu bevinden.
In het algemeen geldt dat alle koolstofstaal-
soorten een zekere gevoeligheid hebben voor loog-spanningscorrosie en voor scheur-
vormige waterstofschade. Dit geldt dus ook
voor het staal waarmee de voorspanstaven
zijn geproduceerd. Vanwege de voorspan-
ning in de staven is er ook sprake van een
permanente, substantiële trekspanning.
Ten aanzien van het milieu geldt in
principe dat de voorspanstaven door beton
en Denso-band worden afgeschermd voor
het omringende milieu. Bij het metallur-
gisch onderzoek is vastgesteld dat op de
breukvlakken sporen van Na, Ca, K en Mg
aanwezig waren. Dat zijn geen elementen
van het staal, maar zeer waarschijnlijk ele-
menten afkomstig uit het beton van de trek-
palen. Dit impliceert dat er zeer waarschijn-
lijk sprake is geweest van onvolkomenheden
in de Denso-band. Via die onvolkomenheden
is dan cement- en/of poriewater door de
Denso-band gepenetreerd en doorgedrongen
tot aan de voorspanstaven, waarmee het
corrosieve milieu is ontstaan. Het uitgevoer-
de onderzoek heeft vooralsnog geen uitsluit-
sel gegeven over de oorzaak voor het moge-
lijk ontstaan van onvolkomenheden in de
Denso-band.
Conclusies van het onderzoek
Het onderzoek heeft uitgewezen dat moot 26
gefaseerd is bezweken doordat de sterkte
van de paalfundering in de loop van de tijd
is afgenomen. Dit proces wordt veroorzaakt
door het breken van de voorspanstaven in
de trekpalen. De voorspanstaven zijn gebro-
ken als gevolg van loog-spanningscorrosie of
scheurvormige waterstofschade. Dit ontstaat
zeer waarschijnlijk door onvolkomenheden
in de omhulling om de voorspanstaven,
waardoor cement- of poriewater vanuit het
beton is doorgedrongen tot aan de voor-
spanstaven. Het onderzoek heeft tevens uitgewe-
zen dat bij andere moten van de toeritten
sprake is van hetzelfde proces, maar nog in
een minder ver gevorderd stadium.
LITERATUUR
1?Onderzoek oorzaak falen fundering
Prinses Margriettunnel ? Eindrapportage;
Deltares/TNO, 29 september 2023.
2?Borsje, H., Terwel, K., Wat is forensic
engineering? Cement 2024/1.
3?Vlaketunnel - Uitwerking kijkproef
moten 8, 9, 10 en 12 Oost; verslag en
analyse resultaten, Deltares, januari 2011.
4?Kieft, P., Tunnel onder het Prinses
Margrietkanaal. Cement 1976/4.
5?http://www.rijkswaterstaat.nl/nieuws.
6?Second opinion rapportage
schadegevallen Vlaketunnel en Prinses
Margriet Tunnel, Element Materials
Technology, 10 oktober 2023.
7?Beoordeling second opinion
corrosiemechanisme voorspanstaven
Prinses Margriettunnel, Deltares, 16
november 2023.
CEMENT 1 2024 ?59
In het kort
- Bij de gevolgde methodiek van onderzoek is gebruikgemaakt van forensic engineering, meer specifiek in het bijzonder de bottom-up methode
- De dieper gelegen moten van de beide toeritten zijn gefundeerd op betonnen trekpalen, uitgevoerd met een centrale stalen Dywidag voorspanstaaf
- Moot 26 is gefaseerd bezweken en moot 15 bevond zich in een beginfase van bezwijken
- Bij het open hakken van de vloer bleek een aantal voorspanstaven in de trekpalen gebroken
- De afgeslepen delen van de voorspanstaven zijn in het laboratorium van TNO onderzocht
- Om tunnelvisie te voorkomen is een stapsgewijze scenarioanalyse uitgevoerd
- Omdat de paalfundering al circa 45 jaar heeft gefunctioneerd, is het zeer onwaarschijnlijk dat de initiële sterkte van de paalfundering onvoldoende was
- Er zijn geen aanwijzingen dat er nabij de tunnel sprake is geweest van een substantiële verhoging van de waterdruk tegen de tunnelvloer
- Loog-spanningscorrosie of scheurvormige waterstofschade is de meest waarschijnlijk oorzaak van het breken van de voorspanstaven
Foto 1. Ballast in de tunnel direct na het incident (eind december 2023), foto: Rijkswaterstaat
Nadat de schade was geconstateerd werden enkele noodmaatregelen genomen. Om ervoor te zorgen dat de tunnelmoot niet nog verder omhoog zou komen, werden eerst 1750 big bags met zand over de volle breedte van beide rijbanen van de moot geplaatst en daarna nog eens 750 stuks. Om de kans te verkleinen dat één of meerdere andere moten ook omhoog zouden komen, zijn ook op de andere tunnelmoten bigbags geplaatst, nog eens 7500 stuks (foto 1).
Onderzoek
Nadat de noodmaatregelen waren voltooid, is direct begonnen met een onderzoek naar de oorzaak van het incident [1]. Dat onderzoek is uitgevoerd door een team van onderzoekers van TNO en Deltares. Dit team heeft intensief samengewerkt met de projectleiding van Rijkswaterstaat en de medewerkers van Van Hattum en Blankevoort, die het aannemerswerk voor het veldonderzoek hebben uitgevoerd.
Bij de gevolgde methodiek van onderzoek is gebruikgemaakt van forensic engineering, meer in het bijzonder de bottom-up methode zoals beschreven in [2]. Het schadebeeld is als uitgangspunt aangehouden en daarover is historische informatie verzameld. Op basis daarvan is, zowel via veld- als laboratoriumonderzoek, onderzocht welke faalmechanismen de betreffende schade veroorzaakt zouden kunnen hebben. Dat is stapsgewijs uitgevoerd, door steeds op een dieper niveau naar het schadebeeld te kijken. Op elk niveau is onderzocht welke faalmechanismen kunnen zijn opgetreden (verificatie) en welke faalmechanismen kunnen worden uitgesloten (falsificatie). Daardoor kon de hoeveelheid uit te voeren onderzoek op een aantal niveaus worden ingeperkt, zonder gevaar voor tunnelvisie.
Er is bij het onderzoek gebruikgemaakt van de faalboom die was opgesteld in het kader van het vergelijkbare incident in de Vlaketunnel in 2010 [3]. De faalboom bevat een geordend en stapsgewijs overzicht van mogelijke oorzaken. Deze zijn gegroepeerd, zodat deze systematisch kunnen worden beoordeeld en zo mogelijk worden uitgesloten.
Op basis van archiefonderzoek rees al snel het vermoeden dat het bezwijken is ontstaan door een afname van de sterkte van de paalfundering en niet door een overbelasting vanuit hoogwater. Omdat de moot met een beperkte belasting (lager dan de verwachte maximale draagkracht onder druk) weer kon worden teruggedrukt, leek er geen sprake van geotechnisch bezwijken van de fundering, maar van constructief bezwijken. Dit laatste moest door onderzoek aan de constructie worden bevestigd.
Opbouw van de toeritten
De Prinses Margriettunnel is een verkeerstunnel die is gesitueerd in rijksweg A7, tussen Joure en Sneek, onder het Prinses Margrietkanaal. De tunnel is gebouwd in de periode 1976-1978 [4] en was ten tijde van het incident dus circa 45 jaar oud. De constructie is opgebouwd uit een aquaductdeel met daarboven het Prinses Margrietkanaal en aan elke zijde daarvan een half open toerit; één aan de zuid-oost zijde (Joure) en één de noord-west zijde (Sneek).
De beide toeritten van de tunnel zijn opgebouwd uit U-vormige betonmoten met een breedte van circa 33 m. Deze moten hebben elk een lengte van 18 m, met tussen de moten een dilatatieprofiel voor de waterdichting (W9U profiel).
De zuidelijke toerit heeft 22 moten, die vanaf de zuidzijde tot aan de tunnel zijn genummerd van 1 tot en met 22. De noordelijke toerit heeft 26 moten, die vanaf de tunnel tot aan de noordzijde zijn genummerd van 23 tot en met 48. De diepst gesitueerde moot, moot 22, ligt met de onderzijde van de vloer op circa NAP -14 m en heeft een vloerdikte van circa 1,8 m. Bij een gemiddelde grondwaterstand van NAP -1.3 m is op deze moot een grondwaterdruk van bijna 13 m waterkolom aanwezig. Naarmate de moten hoger zijn gesitueerd nemen zowel de waterdruk als de vloerdikte af.
Funderingspalen
De dieper gelegen moten van de beide toeritten zijn gefundeerd op betonnen trekpalen (Vibropalen) met een diameter van 450 mm (fig. 2) en een lengte variërend van 10 – 12 m. Deze palen zijn uitgevoerd met een centrale stalen Dywidag voorspanstaaf Ø32 mm dan wel 36 mm. Om aanhechting met het beton te voorkomen, zijn die voorspanstaven omhuld met Denso-band, een koud verwerkbare vetbandage. Verder zijn de voorspanstaven voorzien van afstandhouders, met een hart-op-hart-afstand van 2 m, om ze te centreren in de paal. In het bestek en op de beschikbare constructietekeningen is geen informatie gegeven over de staalkwaliteit van de voorspanstaven. Vermoedelijk betreft het staalkwaliteit FeP 1030/1050.
De trekpalen met een voorspanstaaf Ø32 mm zijn in het bestek aangeduid als 45-tons trekpalen met een aanvangsvoorspanning van 55 ton (550 kN). De trekpalen met een voorspanstaaf Ø36 mm zijn 60-tons trekpalen met een aanvangsvoorspanning van 70 ton (700 kN). Het aantal trekpalen varieert van 16 in de ondiepe moten tot meer dan 50 in de diepste moten.
Figuur 2. Detaillering funderingspalen
De omhoog gekomen moot is moot 26, de vierde moot aan de noordzijde van de tunnel. Aan de hoge zijde heeft deze moot een totale hoogte van bovenzijde wand tot onderzijde vloer van circa 9,3 m en aan de lage zijde circa 9,9 m. Onder moot 26 staan 50 trekpalen met een Dywidag voorspanstaaf Ø36 mm en een lengte van circa 12 m (fig. 3).
Figuur 3. Palenplan onder moot 26
Opgetreden schade
De schade betreft het omhoog komen van moot 26 van de noordelijke toerit van de tunnel, over een afstand van circa 6 cm. Direct na constatering hiervan is gestart met het inrijden van ballast. Circa een week na het incident is er een geautomatiseerd monitoringssysteem aangebracht, om eventuele nieuwe vervormingen tijdig te kunnen signaleren.
Sinds 2010 werden reeds elke vier jaar reguliere hoogtemetingen uitgevoerd op meetpunten op de bovenzijde van de wanden van de toeritten, nabij de mootvoegen. Het doel van die metingen was het constateren van eventuele deformaties. Deze meetpunten zijn in december 2022, nadat de schade was geconstateerd en er al ballast van 1750 bigbags (ongeveer 26.000 kN) in moot 26 aanwezige was, opnieuw ingemeten. De resultaten van deze metingen laten zien dat op dat moment, de oostwand van moot 26 nog circa 40 mm hoger was gepositioneerd dan de aangrenzende moten (fig. 4). De westwand was op dat moment nagenoeg teruggebracht in de oorspronkelijke positie.
Figuur 4. Hoogtemetingen oostwand noordelijke toerit een week na het incident
De resultaten van de eerder uitgevoerde vierjaarlijkse metingen zijn ook geanalyseerd. Uit deze analyse blijkt, met de kennis van nu, dat tijdens de meting in juni 2021, circa anderhalf jaar voor het incident, bij moot 26 al een afwijkend gedrag te zien was ten opzichte van de overige moten (fig. 5). De hoek van de moot aan de zuid-oostzijde was toen circa 4 – 5 mm meer omhoog gekomen dan de overige moten. Tot en met de meting in november 2017 was bij moot 26 geen afwijkend gedrag te zien.
Na deze constatering zijn ook alle deformatiemetingen van de andere moten beoordeeld. Daaruit bleek dat in december 2022 bij moot 15 sprake was van een vergelijkbare situatie als bij moot 26 in 2021 (fig. 6). In december 2022 was bij de westwand van moot 15 een afwijkend gedrag te zien ten opzichte van de overige moten. De westwand was aan de zijde van moot 14 circa 5 mm omhoog gekomen ten opzichte van de overige moten. Tot en met de metingen in juni 2021 was bij moot 15 geen afwijkend gedrag te zien.
Figuur 5. Hoogtemetingen oostwand noordelijke toerit tot aan juni 2021
Figuur 6. Hoogtemetingen westwand zuidelijke toerit tot aan december 2022
Hieruit wordt geconcludeerd dat het bezwijken van moot 26 gefaseerd heeft plaatsgevonden en dat moot 15 zich in een beginfase van bezwijken bevond ten tijde van het onderzoek. Nader onderzoek van moot 15 bood daarmee de mogelijkheid om het begin van bezwijken te onderzoeken. Daarom lag de focus van het onderzoek niet alleen op moot 26 maar ook op moot 15.
Bij het open hakken van de vloer bleek een aantal voorspanstaven in de trekpalen gebroken
Veldonderzoek
Om te onderzoeken of de trekpalen geotechnisch of constructief zijn bezweken, moesten voorspanstaven van de palen worden onderzocht. Hiertoe is bij een aantal trekpalen de vloer opengehakt, zodat de voorspanstaaf kon worden bereikt. Vervolgens is op de kop van de voorspanstaven een koppelmof geschroefd en is met een kraan aan de voorspanstaven getrokken (foto 7). Daarbij bleek dat een aantal voorspanstaven was gebroken. Deze gebroken voorspanstaven waren relatief eenvoudig uit de paal te trekken. Dit onderzoek gaf de volgende resultaten:
- Door de aanwezige ballast, was bij moot 26 slechts één rij met acht palen bereikbaar. De voorspanstaven van zeven palen bleken gebroken, op een diepte die varieerde van 3,2 m tot 7,9 m onder de vloerverankering. De voorspanstaaf van de achtste paal was ook gebroken, maar uit het archiefonderzoek bleek dat dat al in de bouwfase was gebeurd, bij het voorspannen.
- Bij moot 15 waren drie rijen van acht trekpalen bereikbaar om te testen. Van die 24 trekpalen was bij vijf stuks de voorspanstaaf gebroken, op een diepte die varieerde van 2,5 m tot 7,5 m (fig. 8).
- Bij andere moten, waar geen aanwijzingen waren voor een begin van bezwijken, zijn steekproefsgewijs trekpalen gecontroleerd. Daarbij bleek dat nog eens drie van de 27 geteste voorspanstaven waren gebroken (oftewel 11%), op een diepte die varieerde van 1,9 m tot 4,9 m.
Foto 7. Uittrekken van een gebroken voorspanstaaf
Figuur 8. Overzicht onderzochte palen moot 15
Alle gebroken voorspanstaven zijn direct visueel beoordeeld. Daarbij zijn over de lengte van de staven geen bijzonderheden waargenomen. De breukvlakken waren relatief vlak, zonder een duidelijke insnoering van de staven (fig. 9). Daarna is van alle gebroken voorspanstaven het deel met het breukvlak afgeslepen en veilig gesteld voor nader onderzoek in een laboratorium.
Bij een aantal niet-bezweken trekpalen is de voorspankracht in de staven gemeten. Dit is gedaan door met een vijzel een trekkracht op de voorspanstaaf in stappen van 50 kN aan te brengen en de verplaatsing van de staafkop te meten. De belasting waarbij de kop van de voorspanstaaf omhoog begint te komen is de voorspankracht in de staven. De gemiddelde voorspankracht die is gemeten in 19 geteste (60-tons) trekpalen bedraagt 629 kN, net boven de beoogde voorspankracht van 600 kN. Bij deze testen bezweek één voorspanstaaf, nadat op die voorspanstaaf een trekkracht was aangebracht van 700 kN (de oorspronkelijk aangebrachte voorspankracht). Om breuk van meer voorspanstaven te voorkomen, zijn er na dit incident alleen in moot 15 nog voorspanstaven getest met een kleinere belastingstap van 20 kN. Hierbij is geen verdere schade ontstaan.
Figuur 9. Breukvlak voorspanstaaf C1 uit moot 26: (1) initiële scheur met interkristallijn scheurverloop en (2) propagatiescheur met transkristallijne splijtbreuk
De afgeslepen delen van de voorspanstaven zijn in het laboratorium van TNO onderzocht
Laboratoriumonderzoek
Om de oorzaak van het breken van de voorspanstaven te achterhalen, zijn de afgeslepen delen van de voorspanstaven in het laboratorium van TNO onderzocht.
Breukvlakken
In totaal zijn zeven van de veertien beschikbare breukvlakken metallurgisch onderzocht. De breukvlakken van deze zeven voorspanstaven vertonen alle eenzelfde bezwijkpatroon. Op de breukvlakken zijn nabij de buitenomtrek één of meer relatief kleine ‘corrosiegebiedjes’ duidelijk zichtbaar, met bij elk breukvlak, vanuit één van die gebiedjes, een waaiervormig breukpatroon (fig. 9). Die kleine corrosiegebiedjes blijken initiële scheurtjes te zijn, van waaruit een waaiervormige splijtbreuk is ontstaan. De waargenomen splijtbreuk is typisch voor breuk die optreedt met een zeer hoge scheurgroeisnelheid en duidt op bros bezwijken van de voorspanstaaf. Nader onderzoek van de delen van het breukvlak wees uit dat in de corrosiegebiedjes sprake is van interkristallijn verlopende scheurtjes; scheurtjes die langs de korrelgrenzen van het staal lopen. In de splijtbreuk is sprake van een transkristallijne scheurgroei; scheurtjes die door de korrels van het staal lopen.
Uit een EDS-analyse (Energie Dispersie Spectroscopie) blijkt dat op de breukvlakken (zowel op de corrosiegebiedjes als op de splijtbreukvlakken) sporen van Na, Ca, K en Mg aanwezig zijn. Dit zijn geen elementen van het staal en moeten dus afkomstig zijn uit het omringende milieu, zeer waarschijnlijk uit het beton.
Buitenomtrek
Op de buitenomtrek van de voorspanstaven is, ter hoogte van de breukvlakken, geen visueel waarneembare corrosie aanwezig. Wel zijn in de buitenomtrek van enkele voorspanstaven scheurtjes aangetroffen in de zone direct boven het breukvlak, ‘secundaire scheuren’ genoemd.
Bij twee voorspanstaven is aan de buitenzijde van de voorspanstaaf een verticale doorsnede gemaakt tot circa 20 mm boven het breukvlak. In die twee doorsneden is een groot aantal secundaire scheuren zichtbaar die interkristallijn verlopen en veelal meerdere vertakkingen hebben (fig. 10). Vanaf een zekere scheurdiepte treedt transkristallijn scheurgroei op (scheuren door de korrels van het staal), dat overeenkomt met een splijtbreuk.
Oorzaken
Het waargenomen breukbeeld kan in principe zijn veroorzaakt door de volgende mechanismen:
- vermoeiing als gevolg van een wisselende belasting;
- galvanische corrosie;
- microbiële corrosie/aantasting (MIC);
- waterstofverbrossing;
- spanningscorrosie.
Figuur 10. Verticale doorsnede van voorspanstaaf C2 van moot 26 direct boven het breukvlak; meerdere secundaire microscheuren die allemaal interkristallijn verlopen, met meerdere vertakkingen (het getoonde gebied is ongeveer 18 mm hoog en 3 mm breed)
De eerste drie mechanismen zijn op basis van de kenmerken van de breukvlakken en de corrosieproducten gefalsificeerd. De falsificatie van MIC is tevens onderschreven door een separaat, microbiologisch onderzoek.
De laatste twee mechanismen hebben veel vergelijkbare kenmerken en zijn moeilijk van elkaar te onderscheiden. Naar het oordeel van TNO is loog-spanningscorrosie de meest waarschijnlijke oorzaak van het breken van de voorspanstaven. Dit is spanningscorrosie die is geïnitieerd doordat de voorspanstaaf in contact is geweest met loog (cement- en/of poriewater). Dit is geconcludeerd op basis van de op de breukvlakken aangetroffen elementen, de interkristallijne scheurgroei in de breukvlakken en de secundaire, interkristallijne scheuren in de zone boven de breukvlakken. Op verzoek van Rijkswaterstaat heeft Element Materials Technology een second opinion gegeven op de conclusie van TNO [6, 7]. Element heeft daarbij aangegeven dat naar hun oordeel scheurvormige waterstofschade het meest waarschijnlijk is. Hierbij is initieel sprake van waterstofvormende corrosie en vervolgens breuk als gevolg van waterstofverbrossing.
Om tunnelvisie te voorkomen is een stapsgewijze scenarioanalyse uitgevoerd
Scenarioanalyse
Tijdens het veldonderzoek is geconstateerd dat een aantal voorspanstaven van de moten 15 en 26 zijn gebroken. Het ligt voor de hand om dat direct te zien als oorzaak van het omhoog komen van de moten. Dit kan echter tunnelvisie zijn. Het veldonderzoek heeft namelijk niet uitgewezen waar het bezwijken van de moten is begonnen, waardoor op voorhand niet kan worden uitgesloten dat het bezwijken is begonnen met een ander schademechanisme en dat de breuk in de voorspanstaven gevolgschade is. Om deze reden is een stapsgewijze scenarioanalyse uitgevoerd, waarbij is gestart bij de opgetreden schade, bij de beginfase van het bezwijken van de moten 15 en 26, waarbij die moten aan één zijde circa 5 mm omhoog zijn gekomen.
In het algemeen geldt dat het omhoog komen van een moot ontstaan moet zijn doordat de paalfundering niet meer in staat is om de opwaartse belasting door het water te weerstaan. Omdat de paalfundering al circa 45 jaar heeft gefunctioneerd, is het zeer onwaarschijnlijk dat de initiële sterkte van de paalfundering onvoldoende was. Dat betekent dat de schade moet zijn ontstaan door de volgende bezwijkmechanismen of een combinatie van beide:
- De opwaartse waterbelasting is dusdanig ver toegenomen dat de paalfundering daardoor is overbelast en bezweken.
- De sterkte van de paalfundering is in de loop van de tijd afgenomen, totdat de paalfundering niet meer in staat was om de optredende waterbelasting op te nemen.
Ten aanzien van de waterbelasting geldt dat er geen aanwijzingen zijn dat er nabij de tunnel sprake is geweest van een substantiële verhoging van de waterdruk tegen de tunnelvloer waardoor de paalfundering is overbelast. De waterbelasting is onder alle moten tegelijk aanwezig. Als de fundering onder één moot door waterbelasting bezwijkt, zal deze omhoog komen en roteren. Door deze rotatie loopt de moot klem tussen zijn buurmoten. De rotatie is zichtbaar in de vervormingsmetingen. Het is onwaarschijnlijk dat de naastgelegen moten dan zowel de verhoogde waterdruk als de extra belasting uit de bezweken moot kunnen opnemen.
Het optreden van een eventuele overbelasting is ook gecontroleerd op basis van het gedrag van de paalfundering, in relatie tot de opgetreden vervorming van circa 5 mm in de beginfase van bezwijken. Dat gedrag wordt enerzijds bepaald door de geotechnisch weerstand van de trekpalen, dat wil zeggen de weerstand tegen het uit de grond trekken, en anderzijds door de constructieve weerstand van de verbinding van de trekpalen met de tunnelvloer, de verbinding die is gerealiseerd met de voorspanstaven.
Ten aanzien van het geotechnische gedrag van een paal dan wel een paalgroep geldt dat de vervormingscapaciteit circa 10 mm bedraagt voordat deze geotechnisch bezwijkt. Omdat het begin van het bezwijken bij de moten 15 en 26 is opgetreden bij een verticale verplaatsing die beduidend minder is dan 10 mm, namelijk circa 5 mm, is het zeer onwaarschijnlijk dat de palen, geotechnisch gezien, zijn overbelast.
Ten aanzien van het constructief gedrag van de verbinding van de vloer met de trekpalen geldt dat de vervormingscapaciteit van de voorspanstaven beduidend meer zou moeten zijn dan 5 mm voordat gevaar van breuk optreedt. De bij het begin van bezwijken opgetreden verplaatsing van circa 5 mm vormde voor de palen en voorspanstaven in principe een toelaatbare constructieve belasting.
Bovenstaande analyses falsificeren een overbelasting van de fundering door een toename van de opwaartse waterbelasting. Dat betekent dat de sterkte van de paalfundering in de loop van de tijd is afgenomen. De geotechnische capaciteit van een trekpaal dan wel een groep trekpalen neemt gedurende de levensduur van de paalfundering in principe niet af. De sterkte van de verbinding van de vloer met de trekpalen kan in de tijd wel afnemen. Vermoeiing en corrosie kunnen namelijk resulteren in een afname van de belastbaarheid van de voorspanstaven in de tijd.
Samenvattend volgt uit het bovenstaande dat het zeer waarschijnlijk is dat het begin van het bezwijken van de moten 15 en 26 is veroorzaakt door een afname van de belastbaarheid van één of meer voorspanstaven in de tijd, hetgeen aansluit bij de waargenomen gebroken voorspanstaven bij het veldonderzoek. Dit wordt ook onderschreven door de voorspanstaaf die bij een trekproef reeds bezweek bij 700 kN.
Oorzaak bezwijken voorspanstaven
Uit het in het laboratorium uitgevoerde metallurgisch onderzoek is geconcludeerd dat loog-spanningscorrosie of scheurvormige waterstofschade de meest waarschijnlijk oorzaak is van het breken van de voorspanstaven. Voor beide mechanismen zijn drie randvoorwaarden noodzakelijk:
- Het staal moet gevoelig zijn voor spanningscorrosie en/of waterstofschade.
- Er moet sprake zijn van een substantiële trekspanning in de voorspanstaven.
- De voorspanstaven moeten zich in een corrosief milieu bevinden.
In het algemeen geldt dat alle koolstofstaalsoorten een zekere gevoeligheid hebben voor loog-spanningscorrosie en voor scheurvormige waterstofschade. Dit geldt dus ook voor het staal waarmee de voorspanstaven zijn geproduceerd. Vanwege de voorspanning in de staven is er ook sprake van een permanente, substantiële trekspanning.
Ten aanzien van het milieu geldt in principe dat de voorspanstaven door beton en Denso-band worden afgeschermd voor het omringende milieu. Bij het metallurgisch onderzoek is vastgesteld dat op de breukvlakken sporen van Na, Ca, K en Mg aanwezig waren. Dat zijn geen elementen van het staal, maar zeer waarschijnlijk elementen afkomstig uit het beton van de trekpalen. Dit impliceert dat er zeer waarschijnlijk sprake is geweest van onvolkomenheden in de Denso-band. Via die onvolkomenheden is dan cement- en/of poriewater door de Denso-band gepenetreerd en doorgedrongen tot aan de voorspanstaven, waarmee het corrosieve milieu is ontstaan. Het uitgevoerde onderzoek heeft vooralsnog geen uitsluitsel gegeven over de oorzaak voor het mogelijk ontstaan van onvolkomenheden in de Denso-band.
Conclusies van het onderzoek
Het onderzoek heeft uitgewezen dat moot 26 gefaseerd is bezweken doordat de sterkte van de paalfundering in de loop van de tijd is afgenomen. Dit proces wordt veroorzaakt door het breken van de voorspanstaven in de trekpalen. De voorspanstaven zijn gebroken als gevolg van loog-spanningscorrosie of scheurvormige waterstofschade. Dit ontstaat zeer waarschijnlijk door onvolkomenheden in de omhulling om de voorspanstaven, waardoor cement- of poriewater vanuit het beton is doorgedrongen tot aan de voorspanstaven.
Het onderzoek heeft tevens uitgewezen dat bij andere moten van de toeritten sprake is van hetzelfde proces, maar nog in een minder ver gevorderd stadium.
Herstel
Om de veiligheid van de tunnel op lange termijn te kunnen garanderen, wordt de gehele fundering vernieuwd en versterkt, en worden de tunnelwanden steviger verankerd. Dat wordt gedaan door meer dan 1.000 nieuwe trekpalen te plaatsen. De nieuwe trekpalen worden met behulp van een speciale methode door de betonnen vloer de grond in geboord, tegen de waterdruk in. Deze methode is zo uitgevoerd dat er geen water in de tunnel omhoog kan komen tijdens het aanbrengen van de trekpalen. Bemaling van het grondwater is daardoor niet nodig. Het op deze wijze herstellen van de tunnel duurt langer, maar de kans op schade aan omliggende bebouwing wordt hiermee geminimaliseerd.
Voor meer informatie zie https://www.rijkswaterstaat.nl/wegen/projectenoverzicht/a7-herstel-prinses-margriettunnel.
Literatuur
Literatuur
[1] Onderzoek oorzaak falen fundering Prinses Margriettunnel – Eindrapportage; Deltares/TNO, 29 september 2023.
[2] Borsje, H., Terwel, K., Wat is forensic engineering? Cement 2024/1.
[3] Vlaketunnel - Uitwerking kijkproef moten 8, 9, 10 en 12 Oost; verslag en analyse resultaten, Deltares, januari 2011.
[4] Kieft, P., Tunnel onder het Prinses Margrietkanaal. Cement 1976/4.
[5] http://www.rijkswaterstaat.nl/nieuws
[6] Second opinion rapportage schadegevallen Vlaketunnel en Prinses Margriet Tunnel, Element Materials Technology, 10 oktober 2023.
[7] Beoordeling second opinion corrosiemechanisme voorspanstaven Prinses Margriettunnel, Deltares, 16 november 2023.
Reacties