18 thema aansluiting met verdiepte ligging aansluiting met Kethelplein A4 na meer dan 60 jaar gereed 1 Landtunnel completeert snelweg tussen Delft en Schiedam Onderdeel van de nieuwe snelweg tussen Delft en Schiedam is de Ketheltunnel, een 2 km lange landtunnel. Deze tunnel is samengesteld uit vijftig ter plaatse gestorte betonnen tunnelmoten. Progressive collapse en negatieve kleef vroegen bijzondere aandacht in het ontwerpproces. Brederoweg Kethelplein Europaboulevard landtunnel thema A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017 19 aansluiting met verdiepte ligging aansluiting met Kethelplein De plannen voor het ontbrekende stuk snelweg in de A4 tussen Delft en Schiedam lagen er al in de jaren vijftig van de vorige eeuw. Met de aanleg van het zandlichaam eind jaren zestig leek de bouw van de snelweg door te gaan. Maar door aanhoudende tegenstand uit de omgeving werd de bouw in het decennium daarna stopgezet. Ruim veertig jaar later, op 18 oktober 2011, tekende Combinatie A4all een contract met Rijkswaterstaat voor de realisatie van het 7 km lange tracé, met een landtunnel als belangrijk onderdeel hiervan (foto 1). Ligging en scope De landtunnel wordt aan de zuidzijde begrensd door knoop - punt Kethelplein (kruising A4/A20) en sluit aan de noordzijde aan op de verdiepte ligging van de A4 richting Delft. De tunnel is opgebouwd uit twee tunnelbuizen die gescheiden zijn door een middentunnelkanaal (MTK). Dit kanaal biedt ruimte aan een vluchtweg en een dienstgang. De oostelijke tunnelbuis (voor het verkeer van Rotterdam naar Delft) is circa 330 m korter dan de westelijke tunnelbuis (voor verkeer vanuit Delft naar Rotterdam). Hiermee is de aansluiting van het Kethelplein op de landtunnel mogelijk gemaakt. Ter hoogte van de Bredero - weg/Europaboulevard wordt de tunnel bovenlangs gekruist door een trampassage en een voet-fietspad (foto 3). De tunnel is volledig op maaiveldniveau gebouwd, waardoor het noodzakelijk was het aanwezige zandlichaam te verwijderen (foto 2). De landtunnel ligt vrij horizontaal. Aan de noordzijde duikt het verticaal alignement ten behoeve van de verdiept gelegen A4 en aan de zuidzijde stijgt het alignement ten behoeve van de aansluiting bij het Kethelplein (fig. 4). Het tunneldak is bedekt met een halve meter grond die naar de zijkanten door middel van een talud 1:3 is afgewerkt. In deze taluds zijn, als onderdeel van de landtunnel, drie dienstgebouwen weggewerkt (Noord, Midden en Zuid, foto 6). Op deze gebou - wen wordt in dit artikel verder niet ingegaan. Ontwerp De landtunnel is ontworpen conform de Landelijke Tunnel Standaard, ROK 1.0 en de vigerende Eurocodes. De tunnel is samengesteld uit vijftig ter plaatse gestorte betonnen tunnel - moten en grotendeels opgebouwd uit een dubbele kokercon - structie. Alleen over de laatste 330 m nabij het Kethelplein bestaat de tunnel uit enkele kokerconstructies (fig. 7 en 8). Door de lage grondwaterstand is een waterafsluitende vloer - constructie niet nodig. Wel is onder de wegverharding drainage aangebracht voor de drooglegging van de wegconstructie. In het ontwerp is onderscheid gemaakt tussen standaardmoten en afwijkende moten. De standaardmoten hebben een lengte van 40 m en effectieve hoogte van 4,7 m met hierboven een ruimtereservering van 0,5 m voor technische installaties. Naast de standaardmoten zijn er tunnelmoten die geometrisch afwijken vanwege bebordingen, ventilaties en afwijkende belastingen op het tunneldak. ir. Duraid Shayout, ir. Roeder Sewgobind VolkerInfra ( VolkerWessels) zandlichaam 2 3 4 1 Snelweg A4 Delft-Schiedam2 Situatie aan de zuidzijde vóór aanleg landtunnel3 Situatie Brederoweg met trampassage en voet-fiets - pad4 Verticaal alignement A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017 20 350 17090 2770 18590 350 39 150 310 2150 310 PVR (4.7m + 0.5m = 5.2m)PVR (4.7m + 0.5m = 5.2m) 1000 16465 3370 17965 1000 4389 700 4389 700 2.5% 2100 2600 2.5% 2.5% 2.5% 16000 1100 1100 Oostbuis richting Delft Westbuis richting Rotterdam 25810 6189 2910 22450 450 3102150 450 3510 218251100 800 25 810 2,5%dek voorzienvan sparingsbuizen 5486 2,5% middentunnelkanaal: - boven dienstgang - onder vluchtweg PVR (4,7 m + 0,5 m = 5,2 m) 2910 22450 450 310 2150 450 3510 21825 1100 800 25 810 2,5% dek voorzienvan sparingsbuizen 5486 2,5% middentunnelkanaal: - boven dienstgang - onder vluchtweg PVR (4,7 m + 0,5 m = 5,2 m) De tunnel is gefundeerd op vibropalen met onder elke wand steeds één palenrij. De tunnelmoten zijn 'normaal' gewapend met uitzondering van de daken van de enkele kokers, die voor - gespannen zijn vanwege de grote overspanning van de daken. Met de minimale afmetingen van de betonconstructie van de tunnel was het een hele uitdaging de constructie met de bijbeho - rende eisen te dimensioneren op basis van de vigerende Eurocodes. Het gevolg van toepassing van de Eurocodes was een toename van de hoeveelheid wapening met 10 tot 15% ten opzichte van de VBC. De slankheid van de tunnelconstructie is afgestemd op het bezwijkdraagvermogen, de vervorming en de stabiliteit van de diverse onderdelen. De keuze om een enkele palenrij (met een h.o.h.-afstand van maximaal 3 m) onder de wanden toe te passen, waarmee de constructie flexibeler is dan met meerdere palen - rijen, heeft hieraan een gunstige bijdrage geleverd. Belastingen en modellering Er is rekening gehouden met onder meer een veranderlijke belasting van 5 kN/m 2 en een onderhoudsvoertuig van 300 kN (3 assen × 100 kN) (fig. 10) en daarnaast belastingen conform de vigerende Eurocodes en de ROK 1.0. Ten behoeve van het bepalen van de belastingsspreiding als gevolg van een onder - hekwerk schanskorven met groenvulling (leuring) dak landtunnel bovenleiding tamplus b.s. +5,400 1200 +5,597 +5,400 lichtmast betonplaten t.b.v. doorgang Noord-Zuid uitvullaag t.g.v. verkanting dak hekwerk uitvullaag t.g.v. verkanting dak en t.b.v. bevestigen spoorstaven 1200 +5,537 1200 6 5 7 8 thema A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017 21 houdsvoertuig en aanrijding door verkeer is gebruikgemaakt van een 3D-model (fig. 11). Verder is rekening gehouden met sportvelden op het tunneldak, tussen de noordelijke tunnel - mond en de kruising Brederoweg. De wanden worden belast door grond uit het talud. Om de interactiekrachten tussen tunnelwand en grond te bepalen, is een Plaxis-berekening gemaakt. Bijzondere belastingen De landtunnel is een categorie C-tunnel. Bij deze categorie geldt een beperking voor gevaarlijke goederen die aanleiding kunnen geven tot een grote explosie. Met die belasting hoeft daarom niet te worden gerekend. Vanwege de geografische ligging zijn seismische belastingen ook niet aan de orde. Wel is gerekend met progressive collapse en brand. Progressive collapse Rekening houden met progressive collapse betekent dat lokaal bezwijken van een van de elementen 'dak' of 'buitenwand' binnen een tunnelbuis niet mag leiden tot bezwijken van de andere tunnelbuis of het middentunnelkanaal (veilige vlucht - route). Tevens mag constructief bezwijken van de middenwand niet escaleren tot het compleet (constructief ) bezwijken van de overige hoofdconstructiedelen. Met betrekking tot progressive collapse zijn zes bezwijkmechanismen bekeken: - bezwijken oostelijke binnenwand van de MTK; - bezwijken westelijke binnenwand van de MTK (fig. 12); - bezwijken oostelijke buitenwand; - bezwijken westelijke buitenwand; - bezwijken oostelijke tunnelbuis; - bezwijken westelijke tunnelbuis. Bij de calamiteitbeschouwing van progressive collapse is uitgegaan van de buitengewone belastingscombinaties, waarbij geen varia - bele belasting of onderhoudsvoertuig aanwezig is op het tunnel - dak. De optredende snedekrachten uit de bovenstaande situaties zijn vergeleken met de UGT-capaciteit van de betonnen doorsnede. Indien de UGT-capaciteit is overschreden, zijn de snedekrachten ter plaatse van de overschrijding door UGT-capaciteit begrensd. De extra optredende snedekrachten worden herverdeeld. Kruising Brederoweg Een interessant kunstwerk van dit project is de Kruising Brederoweg, die de landtunnel bovenlangs kruist. Het kunstwerk heeft een lengte van circa 172 m en bestaat uit twee separate kunstwerken met een tussenruimte van 4 m (fig. 5). Het noordelijke kunstwerk is geschikt als voet-fietspad en in de toekomst ook voor autoverkeer, het zuidelijke kunstwerk is bedoeld voor tramverkeer. Dit kunst - werk is vooral interessant vanwege de diversiteit aan constructie - typen die hier zijn toegepast en de verschillende belastingen die hierop werken. De variatie in constructietypen in combinatie met het tramverkeer er bovenop maken het complexer. Onderstaand een opsomming van de verschillende constructietypen (foto 9): - Aardebaan Door de slechte ondergrond en de (strenge) vervormingseisen is gekozen de aardebanen op te bouwen uit op staal gefundeerde EPS-blokken. - Gewapende grond i.c.m. paalmatras Om horizontale belastingen op aangrenzende constructies te vermijden, zijn de delen van de kruising die direct tegen de landtunnel aan liggen, opgebouwd uit gewapende grond gefundeerd op een paalmatras (er worden kunststofwapening- slagen in de grond opgenomen, waarmee het grondmassief aanzienlijk grotere schuifspanningen kan opnemen). De hoogte van de gewapende grond varieert tussen circa 5 en 7,5 m. - Viaducten De viaducten zijn opgebouwd uit prefabbetonnen dekken. Opgelegd op tussenpijlers en laaggelegen landhoofden die in situ zijn gebouwd en gefundeerd op prefab-betonpalen. - Tunnelmoot Op het 'centrale punt' van de kruising liggen de kunstwerken direct op het in situ vervaardigde dak van tunnelmoot 27. Deze moot is gefundeerd op vibropalen (onder het middentunnelkanaal) en prefab-betonpalen (onder de buitenwanden). Dit laatste om de optredende horizontale belastingen door spoor- en wegverkeer op te kunnen nemen. Om horizontale vervormingen vanuit trambelastingen te beperken, zijn de wanden van deze moot dikker uitgevoerd. Het samenspel tussen deze constructievormen met hun specifieke funderingen moet dusdanig zijn dat de trambelastingen gedragen kunnen worden, met inachtneming van de toelaatbare vervor - mingen. Om de verdeling van de rem- en temperatuurbelasting vanuit het spoor op de constructies te bepalen, is een langs - krachtenberekening gemaakt. Hierbij is een gevoeligheidsanalyse gemaakt met een grote bandbreedte van veerstijfheden van de verschillende constructietypen. 4 viaducten viaduct tunnelmoot hulpbrug EPS gewapende grondconstructie EPS 9 5 Aanzicht kruising Brederoweg bovenop tunnel6 Situatie noordzijde, dienstgebouw en rookmuur7 Dubbele kokerconstructie (standaardtunnelmoot)8 Enkele kokerconstructie9 Brederoweg in aanbouw A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017 22 geen horizontale grondsteun dit geldt voor alle rekenmodellen 500 500 500 500 rekenkundig extra grondbelasting grondaanvulling bij oplevering brandwerendheid 2,5 % 1,5 m 4,0 m 10t 10t 10t grond kan wel of niet aanwezig zijn verandelijke belasting SkN/m 2 (500 kg/m 2), in combinatie met onderhoudsvoertuig 2,5 % 1 uur 1 uur 1 uur 1 uur 2 uur 2 uur 250 250 500 500 500 250 10 Belastingsschema standaardtunnelmoot 11 2D- en 3D-model standaardtunnelmoot 12 Schematisatie progressive collapse, bezwijken westelijke binnenwand MTK NAP -18 m. Door het dikke pakket slappe lagen en een dikke toplaag van zand kunnen de negatieve kleefbelastingen fors oplopen. Volgens NEN 9997-1 mag de negatieve kleef worden verwaarloosd bij een restzetting kleiner dan 20 mm. Door de grondwallen naast de tunnel zal de zetting na honderd jaar echter groter zijn dan deze grenswaarde, zo bleek uit berekeningen met D-Settlement. Derhalve is voor de palen onder de buitenwanden gerekend met volledige negatieve kleefbelasting, variërend tussen 700 en 1450 kN per paal (conform NEN-EN-1997 en de bijbeho - rende nationale bijlage). De palen onder het middentunnelkanaal bevinden zich allemaal in een ontgraving. Het noordelijke deel heeft een geringe voorbe - lasting gehad, terwijl over het zuidelijke deel relatief weinig voor - belasting is verwijderd. In beide situaties bleek de restzetting groter dan 20 mm. Hierdoor was het noodzakelijk zowel het noordelijke als het zuidelijke deel van de tunnel te berekenen op de volledige negatieve kleefbelasting. Voor het middengedeelte van de tunnel is de ontlasting dusdanig dat de restzetting kleiner is dan 20 mm, waardoor hier geen negatieve kleef in rekening is gebracht. Naast de negatieve kleefbelasting heeft de grote variatie in conusweerstanden in de funderingszandlaag (pleistoceen) ook een groot stempel op het geotechnische ontwerp gedrukt. In de periode dat deze laag is afgezet, werd het landschap geken - merkt door vlechtende rivieren. Hierdoor wisselt de pakking Brand De landtunnel moet voldoen aan RWS-krommen en de regels conform ROK 1.0. In figuur 10 is de minimale brandwerendheid in uren conform de RWS-brandkromme aangegeven. De aan- sluitvlakken van de tunnel met de naastgelegen dienstgebouwen hebben een brandwerendheid van minimaal twee uur. In verband met deze eisen moet de constructie aan twee criteria voldoen: temperatuur op de wapening en afspatten van beton aan de brandzijde. Ten behoeve van het eerste criterium zijn tempera - tuurberekeningen gemaakt met het programma PC Temp Flow. Om de temperatuur op de constructieve wapening te beheersen, zijn grotere betondekkingen toegepast. Het criterium afspatten van het beton is afhankelijk van de betondrukspanning en is beheerst door het toepassen van polypropyleenvezels (PP-vezels) in het betonmengsel. Geotechnische aspecten Het traject waarop de landtunnel is gebouwd, is ruim veertig jaar voorbelast geweest. De A4 komt grotendeels lager te liggen dan deze aardebaan, waardoor de ondergrond dus wordt ontlast. De ondergrond bestaat uit ophoogzand tot gemiddeld NAP -6 m. Daaronder bevindt zich een pakket slappe lagen van veen en klei. De bovenkant van de pleistocene zandlaag ligt gemiddeld op 10 11a 11b 12 thema A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017 23 geen horizontale grondsteun dit geldt voor alle rekenmodellen 500500 500 500 rekenkundig extra grondbelasting grondaanvulling bij oplevering brandwerendheid 2,5 % 1,5 m 4,0 m 10t 10t 10t grond kan wel of niet aanwezig zijn verandelijke belasting SkN/m 2 (500 kg/m 2), in combinatie met onderhoudsvoertuig 2,5 % 1 uur 1 uur 1 uur 1 uur 2 uur 2 uur 250 250 500 500 500 250 13 Verrijdbare tafelbekisting 14 Bouwvolgorde landtunnel; van boven naar onder: poeren, ongestempelde wanden, in voorbereiding dak met wapening met daaronder de bekisting en ten slotte een volledig gestort tunneldak realisatie van de snelweg A4 Delft-Schiedam is rekening gehou - den met een goede inpassing van de weg in de omgeving. De landtunnel is volledig afgedekt met grond. De eerste 75 m van de tunnelmonden is voorzien van geluidsabsorberende bekleding. Deze bekleding zorgt ervoor dat het geluid van het verkeer drastisch wordt gereduceerd. Het sportpark op het tunneldak biedt de omwonenden van Vlaardingen en Schiedam een plek om te recreëren, ontspannen en sporten. ? ? PROJECTGEGEVENS project Tunnel A4 Delft-Schiedam opdrachtgever Rijkswaterstaat opdrachtnemer A4all, een samenwerkingsverband tussen Boskalis, Heijmans en VolkerWessels van de zandlagen voortdurend. Het zijn echter met name de kleiafzettingen in het zandpakket die het geotechnische draag - vermogen negatief beïnvloeden. Om een goed funderingsontwerp te kunnen maken, is een groot aantal sonderingen uitgevoerd met een hart-op-hart- afstand van 20 m. Doordat de afmetingen van een tunnelmoot circa 40 × 40 m 2 zijn, zijn per moot over het algemeen negen sonderingen beschikbaar. Door de grote variatie in conusweer - standen werd de in NEN 9997-1 voorgeschreven maximale variatiecoëfficiënt van 12% snel overschreden. In de praktijk voldeden slechts groepen met twee à drie sonderingen aan dit criterium. Daarom zijn de sonderingen per moot geclusterd voor de beide buitenwanden en het middentunnelkanaal. Bouwstromen De bouw van de tunnel is gestart op 1 april 2013 en de ruwbouw was in de zomervakantie 2014 gereed. In hoofdlijnen is gebruikgemaakt van twee bouwstromen: vanaf de noordzijde richting de Brederoweg en vanaf de zuidzijde naar de Bredero - weg. De fundering, poeren, wanden, daken en afbouwwerkzaam - heden zijn in aparte bouwstromen met vaste cycli gerealiseerd. De wanden met zes bekistingsstromen in een cyclus van vier dagen. De daken met twee bekistingsstromen in een cyclus van zeven dagen. Deze daken zijn uitgevoerd met behulp van een verrijdbare tafelbekisting die zich tussen de wanden verplaatste (foto 13 en 14). De realisatie van de voorspandekken (enkele tunnelkoker) zijn uitgevoerd in een aparte bouwstroom. Beton Het betonmengsel van de landtunnel is mede gebaseerd op de ROK 1.0 en de opgedane kennis bij de landtunnel Leidsche Rijn in de A2. Hieruit volgde onder meer de eis voor een milieuklasse XD3 binnen de tunnel. Om tot een optimaal betonmengsel te komen, hebben ontwerpers en werkvoorbereiders intensief samengewerkt met de leverancier. De betonmengsels zijn zodanig gekozen dat aan de brandwerendheidseisen is voldaan (mede met behulp van polypropyleenvezels, zie onder kopje 'Brand'). Bij deze keuze is eveneens rekening gehouden met de bouwvolg - orde. Om het risico van scheuren in het beton door verhinderde vervorming als gevolg van hydratatiewarmte te beheersen, is lokaal extra wapening aangebracht. Omdat de dikte van het dak kritisch is, is hier een verscherpte monitoring op thermische scheurvorming gedaan. In de constructie is geen koeling toegepast. Omgeving Het is een behoorlijke uitdaging voor alle partijen geweest de tunnel te realiseren binnen het gestelde budget en beschikbare tijd. Uiteindelijk is er iets moois tot stand gekomen. Voor de Tijdspad Eind 2009: De overheid heeft de beslissing genomen de snelweg A4 te realiseren Begin 2011: Start tenderfase Eind 2011: Gunning aan aannemerscombinatie Begin 2012: Start ontwerpfase Begin 2013: Start uitvoering Eind 2015: Opening door Minister Schultz van Haegen (Infrastructuur en Milieu) 13 14 A4 na meer dan 60 jaar gereed 5 2017