Een brug te ver?5 20154Een brug te ver?1Aanleg nevengeul Nijmegen vraagt om aanpassing spoorbrugpijlerspijlers toe. In 2004 is aan de oostzijde een stalen voetgangers-en fietsersbrug (de Snelbinder) op een uitkraging bevestigd aande reeds aanwezige pijlers (fig. 3).NevengeulOm de doorstroming bij Nijmegen vooral bij hoogwater teverbeteren en in verband met het landelijke programmaRuimte voor de Rivier, wordt hier een nevengeul aangelegd.De grond rondom drie in deze uiterwaard staande spoorbrug-pijlers wordt over een diepte van circa 9 m uitgegraven (foto 4).Hierdoor komt de bodem van de nevengeul dieper te liggen(op NAP +2 m) dan het funderingsniveau van de bestaandepijlers (op NAP +4,5 m). Om die reden moeten de bestaandepijlerfunderingen worden aangepast of vervangen.De brugpijlers dragen een dubbelsporige brug die ligt in hetspoortraject Arnhem-Nijmegen. De brug is gebouwd in 1879.Het was de eerste Waalbrug in deze regio; de verkeersbrug werdpas in 1935 gebouwd. De pijlers van de aanbruggen over deuiterwaard aan de noordzijde van de Waal (bij Lent) zijn op staalgefundeerd. Een logische keuze, gezien de op deze locatie aanwe-zige zeer vaste zand- en grindlagen. De pijlers zijn gefundeerd opeen betonnen poer van 20 ? 10 m2en verder opgebouwd metmetselwerk bekleed met natuursteen. Materiaalonderzoektoonde aan dat het beton vrijwel geen samenhang meervertoonde en qua eigenschappen meer leek op betongranulaat.Vanwege vermoeiingsverschijnselen zijn in 1977-1978 de stalenvakwerk aanbruggen vervangen door voorgespannen betonnenTT-liggers [1] van circa 2000 ton per overspanning (foto 2).Hierdoor nam de oorspronkelijke statische belasting op deIn de uiterwaarden naast de Waal bij Nijmegen wordt een permanente nevengeul gegraven. Dit in het kader vanhet landelijke programma Ruimte voor de Rivier. Het handhaven van de spoorbrugpijlers die zich in deze uiter-waarden bevinden, vraagt om een ingenieuze oplossing. Naast de technische uitdagingen speelt ook de plan-ning een doorslaggevende rol. In december 2015 moet de ge?iste waterstandverlaging bij Nijmegen een feit zijn.Een brug te ver? 5 2015 5985014 00070005350 53507350500langzaam verkeerverbindingB.S.1675natuursteen34003900700010 50021 00010 500+2,000+5,000+8,00030006450+14,00015 65015 300+14,450+16,6525000VariantenstudieBelangrijk uitgangspunt in het project is een maximalisatie vanhet doorstroomprofiel langs de pijlers, terwijl de kosten vanaanpassing casu quo de vervanging van de pijlers zo veel moge-lijk moeten worden beperkt. Randvoorwaarde voor hetontwerp is verder het blijven functioneren van de spoorbrugtijdens het uitvoeren van de aanpassing en na het ontgravenvan de nevengeul. Hiertoe is een variantenstudie uitgevoerd.Als belangrijkste criteria zijn aangemerkt:- De veilige berijdbaarheid door spoorverkeer moet altijd zijngegarandeerd;- De spoorbrug moet voortdurend beschikbaar zijn. De spoor-brug is immers een cruciale schakel in de noord-zuidverbin-ding van het Nederlandse spoorwegnet, waarover ook inter-nationaal en goederenverkeer plaatsvindt;- De spoorbrugaanpassing moest uiterlijk in juni 2015 gereedzijn (t.b.v. de te graven nevengeul die in december 2015 infunctie moet zijn);- De ruimtelijke kwaliteit (vormgeving) moet worden gewaarborgd.Drie oplossingsrichtingen zijn tegen elkaar afgewogen:1.Handhaven van de bestaande dekken en pijlers. Daarbijmoeten de bestaande pijlerfunderingen worden ingepakt.2.Handhaven van de bestaande dekken en vervangen van debestaande pijlers door nieuwe slanke pijlers.3.Nieuwe brugdekken en nieuwe pijlers.Het was van groot belang dat de horizontale stijfheid van depijlers (in lengterichting van de spoorbrug) slechts beperktmocht worden verlaagd. Deze stijfheid heeft namelijk directinvloed op de spoorstaafkrachten en verplaatsingen en staatgarant voor afvoer van rem- en aanzetkrachten uit spoorver-keer. Tegelijkertijd mocht de gezochte oplossing in de uitvoe-ringsfase minimale vervormingen of zettingen veroorzaken.Eerste afwegingIn een eerste studie is onderscheid gemaakt tussen het aanpas-sen en het vervangen van de bestaande pijlers. Al snel bleek hetvervangen van de bestaande pijlers geen aantrekkelijke optie tezijn. Dit had met name te maken met de volgende aspecten:a.Om de betonnen aanbruggen te handhaven, moesten dezezijdelings worden verschoven en tijdelijk op hulpconstructiesworden geparkeerd. Daardoor ontstond ruimte om op depositie van de huidige pijlers nieuwe te bouwen. Debestaande bruggen moesten tijdelijk worden vervangen doorhulpbruggen. Zowel de sloop van de bestaande pijlers als denieuwbouw moest onder deze hulpbruggen plaatsvinden.Deze operatie zou een te grote impact op de beschikbaarheidvan de spoorverbinding hebben, naast hoge kosten en eenlange bouwperiode.b.Indien nieuwe pijlers naast de bestaande pijlers zoudenworden gemaakt onder de bestaande aanbruggen, zou ditnieuwe brugliggers vergen in verband met de gewijzigdeoverspanningen. Ook hier zou de beschikbaarheid van despoorverbinding in het geding zijn en zou er sprake zijn vankapitaalsvernietiging. Dit doordat de 35 jaar oude liggers(met een restlevensduur van 65 jaar) moesten wordenvervangen.ir. Luuk van Hengstum,ing. Hans MastbroekProRailir. Rodriaan SpruitIngenieursbureau Rotterdamir. Hans GaljaardVolker InfraDesign1 Eindsituatie spoorbrug; de nevengeul is nog niet gegravenfoto: Stefan Verkerk2 De sloop van een uitgeschoven vakwerkligger in 1978foto: Pim Hoogendoorn3 Dwarsdoorsnede bestaande spoorbrug, pijler en snelbinder23Een brug te ver?5 20156grote drukken die kunnen ontstaan. Ook de variant met Tubex-palen viel af omdat de ruimte tussen de palen eveneens metjetgrout zou moeten worden afgedicht. Daarnaast was hetaanbrengen van voorspanning door de poeren om de horizon-tale trekkrachten te kunnen opvangen geen optie, gezien deslechte samenstelling van de poer.De uiteindelijke keuze voor de verdere uitvoering en uitwer-king werd daarom het toepassen van een zo stijf mogelijkediepwand (fig. 6). Daarbij werden de grondeigenschappenonder en naast de poeren van de pijlers zo veel mogelijk behou-den. Om de horizontale krachten te kunnen opvangen, werdbesloten de diepwanden te koppelen met een horizontalekapconstructie (deksel) (fig. 7).Het geotechnisch ontwerpMet de informatie uit sonderingen, boringen en laboratorium-proeven is een geotechnisch model opgezet. Omdat de pijlerwordt ingepakt in een zeer stijve constructie, heeft de toekom-stige maaiveldverlaging binnen in de `diepwandendoos' geeneffect.De gemetselde opbouw wordt door een flexibele omhullingvrijgehouden van de kapconstructie. Daardoor wordt derembelasting op de pijler via rotatie overgedragen aan de grondonder de poer in plaats van direct in de constructieve schijf (dekap). Zo wordt voorkomen dat in de gemetselde opbouwnieuwe spanningsconcentraties worden ge?ntroduceerd.De derde oplossingsrichting met nieuwe brugdekken en nieuwepijlers was op alle aspecten, behalve het aspect vormgeving, hetminst aantrekkelijk en daarom niet haalbaar. Op basis vankosten, benodigde buitendienststellingen spoor, beschikbaretijd, uitvoerbaarheid en risico's, is gekozen voor oplossing 1(fig. 5). Bij deze oplossing wordt de fundatie van de pijlersingepakt en kan de spoorbrug continu in bedrijf blijven.Studie aanpassen bestaande pijlersVoor de definitieve uitwerking van oplossing 1 zijn variantenonderzocht, bestaande uit combinaties van jetgrout kolommen(gedeeltelijk) onder en naast de bestaande funderingspoer metdiepwanden, of een palenwand met Tubex-palen (gevuld metbeton) rondom de funderingspoer. De horizontale trekkrachtenin deze nieuw aan te brengen constructies (die zouden optredenna ontgraven naast de pijlers), konden worden opgevangen doorvoorspanelementen door de bestaande funderingspoeren.Om na te gaan of de poeren tegen het jetgrouten zijn bestand(waarbij grote drukken ontstaan) en of groutlansen door depoeren kunnen worden aangebracht, is besloten om metboringen de kwaliteit van de poeren te onderzoeken. Deuitkomst van dit onderzoek zou van cruciale betekenis blijkente zijn voor de keuze van de uitvoeringsvariant.Het onderzoek wees uit dat de poeren granulair en niet samen-hangend van structuur zijn. Hierdoor werd het toepassen vanjetgrout onder de poer veel te risicovol geacht, vanwege de4Een brug te ver? 5 2015 7NAPlandhoofdspoorbrugA BClangzaam verkeerverbindingCA BCCClangzaamverkeerverbindingB.S.7350250200150016 82016 8201500-12,0001500diepwand+4,500+9,000+9,779+8,000+7,000+6,000+2,00040 09721 0009850500167534003900+18,745 = pijler I+19,033 = pijler II+19,320 = pijler III1800LWS +5,000OK best. constructie+17,315 = pijler I+17,603 = pijler II+17,890 = pijler IIIhouten gordingenzie principe detailsbestaande betonnenkolomtafelafdichting rondom uitvoeren(conform het gestelde in devraagspecificatie)metselwerk-kernbestaande natuurstenen pijlerbetonsloofbetonplaat200200+12,000+11,000+9,500+8,00010 000+2,00065008100 810016 2001500 6500bestaandepoergranulairmetselpuin+12,000+8,00020042022009570VAR.spoorverbinding4 De graafwerkzaamheden van de nevengeulin de uiterwaarden naderen de spoorbrug(situatie eind 2014)foto: Johan Roerink / Aeropicture.nl5 Zijaanzicht spoorbrug in bestaande situatie6 Indeling diepwandpanelen in relatie tot debovengelegen brugconstructie7 Het inpakken van de pijlers door middel vandiepwanden met kapconstructieModelleringDe sleufstabiliteit van de diepwanden en de systeemstijfheidzijn de belangrijkste aspecten voor dit project. De hoge funde-ringsdruk onder de poer (gemiddeld 250 kPa) in combinatiemet een zo kort mogelijke afstand tussen diepwand en poer(om de doorstroming zo min mogelijk te belemmeren), makende sleufstabiliteitsanalyse belangrijker dan bij een gemiddeldproject.De systeemstijfheid is van belang omdat de maatgevende belas-tingen op de pijlers voortkomen uit rem- en aanzetbelastingen.Als het `systeem' van pijler met grond voor en na aanpassingmin of meer gelijk is, is er geen noodzaak tot het aanpassen vande in het spoor aanwezige compensatielassen en de tussenbrugligger en pijler aanwezige vasthoudconstructies.Voor beide aspecten is het 3D-gedrag van de grond doorslag-gevend. Het rekenen met 3D-modellen is echter (nog) nietaltijd praktisch, zodat in sommige fasen ook van 2D-modellenmoet worden uitgegaan. De vertaling van de 3D-situatie naareen vereenvoudiging in 2D was daarom ook in dit projectbelangrijk.567Een brug te ver?5 20158SleufstabiliteitHet doel van de sleufstabiliteitsberekeningen was om aan tetonen dat de stabiliteit kon worden gewaarborgd zonder grond-verbetering. Er is gebruikgemaakt van GGU-Trench, dat eenpraktische implementatie biedt van de rekenregels uit DIN 4126voor diepwand sleufstabiliteit [2].Daarnaast zijn ook de korrelgrootteverdelingen geanalyseerdom verlies van bentoniet in de grove lagen te kunnen inschat-ten. De grindlagen op locatie bleken voldoende fijne fractie tebevatten om steunvloeistof goed te laten functioneren.SysteemstijfheidOm van tevoren aan te tonen dat de stijfheid van het systeemniet of nauwelijks wijzigt, was voor dit project het 3D-effectvan doorslaggevend belang. Als de poer als oneindig langestrook met aan beide zijden diepwanden zou zijn gemodel-leerd, zou de berekende systeemstijfheid onrealistisch laag zijn.De poer is immers niet oneindig lang en draagt ook aan dekorte zijden belasting af op de omgeving. Ook zou de samen-werking van de tegenover elkaar liggende diepwanden via dekopwanden niet zijn meegenomen. Daarom is een pijler volle-dig in 3D gemodelleerd in Plaxis (fig. 9). Met dit model konniet alleen het grondspanningendeel van het installatie-effectvan de diepwanden worden gesimuleerd, maar ook het gedragtijdens het toekomstig vrij baggeren en het gedrag van de pijleronder de horizontale rem- en aanzetbelastingen.Uit de berekeningen bleek dat tijdens het graven van de diep-wanden weliswaar zettingen zouden optreden, maar dat destijfheid van de ondergrond vrijwel niet wijzigt en zelfs iets kantoenemen. Dat gedrag is gunstig voor het opneembaar zijn vande aanzet- en remkrachten.Het model is ook gebruikt als controle op de sleufstabiliteit.Deze berekeningen kwamen zeer goed overeen met de bere-kende stabiliteit volgens DIN 4126.Constructief ontwerp diepwanden met kapHet constructief ontwerp van de diepwand en de kapconstructiebleek geen eenvoudige zaak. Er bestonden conflicterende eisen.Zo werd de breedte van diepwandelementen die dicht bij depijlerpoeren zijn gelegen, geminimaliseerd. Hierdoor zou heteffect van de korrelontspanning (en daarmee de verticalezetting van de pijlerfundering) ten gevolge van de open diep-wandsleuf minimaal zijn. Maar voor de eindfase moest de diep-wand wel de nodige stijfheid bezitten, namelijk 10 106kNm2/m,om bij ontgraven minimaal te vervormen. Daarnaast moest inverband met de ruimte voor de pijler de diepwanddikte wordenbeperkt. Uiteindelijk zijn de diepwanden gedimensioneerd op1,5 m dik. Om een voor de stijfheid benodigde ongescheurdedoorsnede te bereiken, waren grote wapeningshoeveelhedennodig (foto 8).8Een brug te ver? 5 2015 99 De 22 m lange wapeningskorf van een diepwandpaneel naast de TT-liggersfoto: Hans Mastbroek8 Berekeningsresultaat eindsituatie met Plaxis 3D-model10 De beperkte ruimte onder de brug vraagt om een zeer compacte grijper,uniek qua afmeting van 1,5 ? 2,8 m2foto10 t.m 12: Luuk van HengstumEurocode 2, zijn de beugels hier echter wel om de buitenstebuigwapening aangebracht. Omwille van de uitvoerbaarheid(bijvoorbeeld plaats van de stortkoker) en daarmee de kwaliteitvan de diepwand, is de h.o.h.-afstand tussen de benen van deomsluitende wapening lokaal wat groter gekozen (foto 8). Deconstructieve veiligheid is daarbij steeds nauwgezet in het ooggehouden en heeft hier niet op ingeleverd. Balanceren tussenuitvoerbaarheid (kwaliteit) en voldoen aan regelgeving warengeboden.KapconstructieDe kapconstructie verbindt de diepwanden en neemt de hori-zontale krachten op na ontgraven (foto 11). De bestaande pijlerstaat constructief geheel los van de diepwand-kapconstructie.Het drijven van de trekkrachten om de bestaande pijler heen,leidt tot hoge trekkrachten in de kap naast de pijler. Bovendienmoet de in de kap verborgen balk naast de pijler de belastinguit de diepwanden naar het beton naast de pijler `brengen'.Daardoor ontstaat hierin een aanzienlijk buigend moment.In eerste instantie was een kap met in verticale zin gebogenijsbrekervorm voorgeschreven, uit oogpunt van vormgeving. Alsnel bleek dat deze vorm te grote krachten met zich zoumeebrengen. Daarom is constructief gezien voor een horizontalekap gekozen, waardoor geen verticale buigingscomponentenontstonden als gevolg van de trekkrachten. De ijsbrekervormis later als vormgevingselement teruggebracht en heeft geenconstructieve functie. De kap van de pijler bevat ongeveer300 kg/m3aan wapeningsstaal (foto 12).WapeningIn verband met de maakbaarheid van de diepwand (stortenbetonmengsel, doorstromen wapening, voorkomen insluitingbentoniet), zijn de wapeningsafstanden en de wapeningslassenaan restricties en aanbevelingen uit de praktijk [3] gebonden.De intrede van Eurocode 2 blijkt hierbij echter een complice-rende factor [4]. Deze norm sluit immers niet aan bij de gang-bare inzichten voor het ontwerpen van diepwanden. Tot dantoe werden de beugels namelijk binnen de buitenste buigwape-ning geplaatst. Vanwege de beperkte bouwhoogte onder deaanbruggen (foto 10) zijn echter overlappingslassen in dewapeningskorf noodzakelijk. In verband met de eisen aanhet omsluiten van overlappingslassen door beugels volgens910Een brug te ver?5 20151011 Diepwanden met betonnen kap na ontgraven van de pijler12 De wapening van de kapconstructie13 Betonnen heipalen ten behoeve van het dragen van bekisting betonnenTT-liggers in 1977; deze palen zijn op 2 m onder maaiveld afgekaptfoto: Pim Hoogendoornpijlers en spoor tijdens de uitvoeringsfase nodig. Hierbijwerden stringente criteria aangehouden voor wat betreft despoorligging. De monitoring is continu uitgevoerd met behulpvan de Observational Method. Hierbij zijn twee total stations(een combinatie van een theodoliet en een afstandsmeter) eneen online verbinding ingezet, waarbij doorlopend de statusvan de brug en pijlers was te volgen.VijzelenBijsturing kon plaatsvinden met hydraulische vijzels die debrugliggers (en daarmee de spoorligging) konden corrigerenindien dit noodzakelijk zou blijken. Complexe factor was dedirecte spoorstaafbevestiging. Hierdoor kon, in tegenstellingtot bij spoor in ballast, de spoorligging niet worden gecorri-geerd, maar moest de gehele brugligger worden gecorrigeerd.Een complicatie deed zich voor toen de spoorbrug voor detweede maal verticaal moest worden gevijzeld. Het risicoontstond dat de vasthoudconstructie van de spoorbrug(bestaande uit stalen doken die de rem- en aanzetkrachten naarde pijler brengen) zou losraken uit de behuizing bij verderverticaal vijzelen van de ligger.Een kritische benadering, waarbij de integrale spoorligging inrelatie tot de verticale toelaatbare boogstraal is beschouwd,bleek soelaas te bieden. Er was op dit criterium voldoendemarge zodat niet verder verticaal hoefde te worden gevijzeld.Verdere bijsturing indien eenzijdig verplaatsingen optraden,DrainageIn verband met de fluctuatie van de waterstanden in de neven-geul ontstaat een niveauverschil binnen en buiten de diepwand-constructie. De constructie is op een maximaal verschil van30 cm gedimensioneerd. Om dit maximale verschil te kunnenrealiseren, zijn in de diepwand filterconstructies aangebrachtop een diepte van NAP +5 m. Deze filterconstructies zijngerealiseerd door de diepwand te doorboren, waarbij specialetechnieken zijn toegepast om ontgronding te voorkomen. Ditzou namelijk een risico betekenen voor de pijlerstabiliteit.UitvoeringDe beschikbare planning voor de uitvoering was erg krap enbevatte enkele significante risico's:- hoog (grond)water in de uiterwaarden (nagenoeg identiekaan de rivierwaterstand);- aanwezigheid oud hulpwerk in de bodem (o.a. prefab hei-palen, foto 13);- aanwezigheid van niet-gesprongen explosieven; de brug lagin het strijdgebied van operatie Market Garden (bekend uitspeelfilm `A Bridge Too Far' uit 1974).MonitoringIn verband met de veilige berijdbaarheid en beschikbaarheidvan de spoorbrug, was een intensieve monitoring van brug,11Een brug te ver? 5 2015 11 PROJECTGEGEVENSproject Verstevigen pijlers spoorbrug over de Waalopdrachtgever ProRailtechnisch advies Ingenieursbureau Rotterdamaannemer Van Hattum en Blankevoorttechnische inspectie service Seconed LITERATUUR1 Zaalberg, P.H., Vervanging van de vijf aanbruggenvan de spoorbrug over de Waal bij Nijmegen. Cement1978/5.2 DIN 4126:2013-09 - Nachweis der Standsicherheit vonSchlitzw?nden.3 Handboek Diepwanden, CUR 231 - Ontwerp enuitvoering, SBRCURnet, 2010.4 Fransen, R., Hofstede, K., Nieuwe rekenregels, nieuwekansen?, Cement 2014/6.was mogelijk door het gebalanceerd uitvoeren van de diep-wandsleuven. De keuze waar een sleuf werd uitgevoerd, kontijdens de uitvoering in relatie met de optredende vervormin-gen worden bijgesteld.Risico hoogwaterVolgens DIN 4126 moet ? indien er binnen invloedsgebied vande diepwand bebouwing aanwezig is ? een parti?le factor voorde sleufstabiliteit (op macro niveau ) worden aangehouden van1,3. In verband met het uitzonderlijk hoge risicoprofiel (pijlersspoorbrug gefundeerd op staal), is gekozen om deze veilig-heidsfactor op de sleufstabiliteit te verhogen naar een waardevan 1,5. Een belangrijke factor om hieraan te kunnen voldoen,is de grondwaterstand. Deze mocht voor dit werk niet meerbedragen dan NAP +8,0 m. Bij een hogere waterstand is er geenevenwicht meer tussen waterdruk in de grond en de bentonietin de sleuf, de sleuf wordt dan instabiel. Het zand aan de randvan de diepwandsleuf wordt dan niet tegengehouden door debentoniet en daardoor stort de sleuf in.Deze eis was vooral kritisch in verband met de naastgelegenrivier. Helaas trad tijdens de zomertijd een (ongebruikelijk)hoogwater op, wat ertoe leidde dat de uitvoering tijdelijk moestworden gestaakt. Er was echter rekening gehouden met eenbuffer in de planning voor het optreden van hoogwater.SamenwerkingOp sommige momenten leek het project `een brug te ver': deuitdagingen ten aanzien van planning, uitvoerbaarheid entoegestane vervormingen waren enorm. Dankzij een effectieveen vruchtbare samenwerking van de betrokken partijen enieders inbreng van spoorspecifieke, constructieve en uitvoerings-technische expertise, is dit project toch een succes geworden.Daarmee is op tijd een veilige constructie gerealiseerd dievoldoende ruimte geeft aan de Waal (foto 1). 1312