46 thema Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 1 Femernbeltverbinding met 79 standaard- en 10 speciale afzinkelementen thema Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017 47 De Femernbelttunnel (in het Nederlands: Fehmarnbelttunnel) maakt deel uit van het Europese TEN-T netwerk en vormt een belangrijk deel in de noord-zuidtak die loopt van Finland tot het zuiden van Italië. De verbinding is ingepast tussen het Deense Rødbyhavn, gelegen op het eiland Lolland, en de Duitse stad Puttgarden op het schiereiland van Femern (fig 2). De opdrachtgever Femern A/S is een bedrijf dat volledig in handen is van de Deense staat en is een onderafdeling van de Deense Sund & Baelt Holding. Deze laatste heeft al een brede ervaring opgedaan bij de realisatie van de vaste verbindingen over de Storebaelt (Grote Belt) en de Oresund. Femern A/S heeft diverse opties onderzocht, zoals een brug, een boortunnel en een zinktunnel. Na een uitgebreide vergelijkende studie werd uiteindelijk de zinktunneloplossing als de referentie- ontwerpoplossing gekozen en verder uitgewerkt. Tunnelopbouw De gehele tunnel is 19,7 km lang waarvan 17,5 km is uitgevoerd als afgezonken tunnel. De resterende 1,2 km is gerealiseerd met de in situ cut-and-cover-methode en als open toeritmoten. Het afgezonken gedeelte zelf bestaat uit 79 standaardelementen met een lengte van 217 m, en 10 speciale elementen (specials) met een lengte van 39 m. De specials hebben twee niveaus en zijn bovendien breder dan de standaardelementen (46 m i.p.v. 42 m). Tussen elke twee opeenvolgende specials worden steeds acht standaardelementen aangebracht. Zodoende bedraagt de tussenafstand tussen twee specials 1736 m. ing. Hans Mortier PMSE FLC / Dimco ir. Nhut Nguyen FLC / BAM Infraconsult Dipl.-Ing. Phil Rickes FLC / Max Boegl Tussen Denemarken en Duitsland wordt een nieuwe vaste verbinding voor auto- en treinverkeer voorbereid, de Femernbeltverbinding. Hiervoor wordt een zinktunnel gebouwd die met een lengte van nagenoeg 18 km alle records breekt: hij wordt meer dan drie keer zo lang als de huidige langste zinktunnel ter wereld 1). 1) Op dit moment is de langste zinktunnel de Bay Area Rapid Transit (BART) tunnel in San Francisco (5,8 km). Aanbiedingsproces Het gehele project heeft een geschatte waarde van ? 6,2 miljard. Het is opgesplitst in verschillende deelcontracten om zo voldoende verschillende combinaties de mogelijkheid te bieden aan het tenderproces deel te nemen (fig. 3). De vier grootste deelcontracten werden tegelijkertijd op de markt gebracht. Dit betrof het baggercontract (TDR), de zuidelijke helft van de zinktunnel (TUS), de noordelijke helft van de zinktunnel (TUN) en de toeritten aan beide uiteinden van de zinktunnel (TPR) (portalen genoemd). Het stond de aanbieders vrij om naast een aanbieding per deelcontract ook twee of meer deelcontracten te combineren. Na een driefasig aanbiedingsproces met meerdere dialooggesprekken, werden de deelcontracten TUS, TUN en TPR aan de combinatie Femern Link Contractors (FLC) definitief gegund. Het baggercontract (TDR) werd toegekend aan de combinatie Femern Belt Contractors (FBC). Om te garanderen dat het afzinkproces te allen tijde kan door - gaan, zelfs in het geval van het verlies van een element tijdens transport, eist de opdrachtgever dat alle standaardelementen tussen twee opeenvolgende specials onderling volledig uitwis - selbaar zijn. Daarom zijn de standaardelementen steeds recht - lijnig en staan de eindvlakken aan beide zijden loodrecht op de tunnelas. Alle horizontale en verticale bochten worden derhalve geconcentreerd in de specials (fig. 4). In het onderste niveau van de specials zijn technische ruimten aangebracht. Dankzij de extra breedte is er ruimte voor een zogenoemde lay-by-area: een ruimte voor het parkeren van onderhoudsvoertuigen of voertuigen in nood. De onderhouds - ploegen hebben vanaf deze locatie ook een gemakkelijke toegang tot de technische ruimten en de andere tunnelkokers, zonder hierbij de verkeersstromen te hinderen. De standaardelementen hebben een totale breedte van circa 42 m, genoeg voor twee verkeerskokers van 11 m waarin telkens twee 1 Impressie van de Femernbelttunnel2 De Femernbelttunnel verbindt het Deense Rødbyhavn, gelegen op het eiland Lolland, met de Duitse stad Puttgarden op het schiereiland van Femern 2 Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017 Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017 48 thema 3 Schematisch overzicht van deelprojecten binnen Femernbelt tunnelproject 4 Opbouw speciale elementen (specials)5 Opbouw standaardelementen6 Geotechnisch lengteprofiel behulp van tijdelijke voorspanning verbonden tijdens de trans - port- en afzinkfase. Eenmaal afgezonken op hun definitieve locatie wordt de voorspanning in elke mootvoeg doorgesneden zodat het element het gewenste verticale alignement kan aannemen. Tandverbindingen In de moot- en zinkvoegen van de zes wanden worden tand- verbindingen aangebracht om verticale dwarskrachten en torsiekrachten over te brengen. Tevens wordt in de vloer een horizontale tandverbinding aangebracht om de horizontale dwarskrachten over te dragen van moot naar moot. Geotechnische randvoorwaarden Het overgrote deel van de zinktunnel is gefundeerd op de upper till-laag, een zeer stijve kleilaag waarin nagenoeg verticale hellingen kunnen worden gebaggerd (fig. 6). Enkel aan het zuidelijke uiteinde is de tunnel gefundeerd op de zogeheten folded palaeogene clay-laag. Deze 'opgevouwen' hoogplastische klei is destijds zeer hoog overgeconsolideerd. Hierdoor werd verwacht dat er een aanzienlijke zwel zou optreden ten gevolge van de ontlasting tijdens het uitgraven van de baggersleuf. Voorafgaand aan de tenderfase heeft de opdrachtgever een testput op grote schaal uitgevoerd in deze grondsoort. De resultaten gaven aan dat de verwachte overconsolidatie slechts matig aanwezig was. Productie elementen De elementen worden gerealiseerd in een fabriek met meerdere parallelle productielijnen in een geklimatiseerde hal. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een bekisting die is opgesteld op schuifbalken (fig. 7). De wapening van een volledige tunnelmoot wordt geprefabriceerd en vervolgens in de bekisting geschoven. De mal maakt het mogelijk een 24,1 m lange moot in één stort als monoliete constructie uit te voeren. rijbanen en een vluchtstrook zijn voorzien, voor een midden - tunnelkanaal en voor twee 6 m brede treinkokers (fig. 5). Moten Elk standaardelement omvat negen moten van 24,1 m lang met mootvoegen ertussen (totale lengte 217 m). De specials bestaan uit slechts een moot (lengte 39 m). De elementen worden met 3 5 6 middentunnelkanaal 2 treinkokers 2 verkeerskokers dieper gelegen niveau met technische ruimten lay-by-area 4 49 700 7 De moten worden op een schuifbalk geproduceerd8 Verplaatsing elementen in upper en lower basin poorten weer worden opengezet (fig. 8), waarna het element wordt verbonden met de afzinkpontons en getransporteerd naar zijn uiteindelijke afzinklocatie. Beton De standaardelementen worden in één betonstort als monoliete constructie gerealiseerd. Zodoende kan er ? mits voldoende zorg voor het proces ? een scheurvrije constructie worden gemaakt. Dit kan omdat er nauwelijks verhinderde vervormingen optreden tijdens het verhardings- en afkoelingsproces. De specials worden op een extra productielijn vervaardigd, in Stort en afbouw Na voldoende verharding wordt de vloerbekisting tussen de schuifbalken weggehaald. Hierna wordt de betonmoot met de rest van de bekisting over een gehele mootlengte doorge - schoven. De rest van de bekisting wordt nu teruggetrokken naar de initiële positie om te worden klaargemaakt voor de volgende stort. Wanneer dit proces negen keer is herhaald, is een element volledig gestort en kan het op de schuifbalken in zijn geheel verder worden doorgeschoven over een lengte van nagenoeg 220 m, naar het zogenoemde upper basin, het bassin met het hoogstgelegen bodempeil. Dat bassin staat op dat moment nog droog (fig. 8). Er is bewust gekozen voor extra lange schuifbalken waarbij een volledig element aan beide zijden van de sliding gate (zie volgende alinea) kon worden geplaatst. Dit maakte het mogelijk de sliding gate altijd te sluiten wanneer een afgewerkt element van het upper naar het lower basin moest worden verplaatst, zonder hierbij afhankelijk te zijn van het productieproces in de productiehal. In het upper basin vindt de verdere afbouw van het zinkelement plaats. Dit behelst het aanbrengen van tijdelijke constructies benodigd voor het afzinkproces, zoals ballasttanks, bolders, kopschotten en het rubberen Gina-profiel. Verplaatsing in bassin Wanneer deze werkzaamheden zijn afgerond, is het element klaar om getransporteerd en afgezonken te worden. De 'glijdende poort' (sliding gate) tussen de productiehal en het upper basin wordt dichtgezet. Dat geldt ook voor de 'drijvende poort' (floa - ting gate) dat het lagergelegen bassin ('lower basin') van de open zee scheidt. Met beide poorten gesloten, kan het water in beide bassins dusdanig hoog worden opgezet dat het element in het upper basin kan worden opgedreven en getransporteerd naar het lower basin. Hier gearriveerd kan het upper basin worden leeggelaten en het waterpeil in het lower basin worden verlaagd tot zeespiegelniveau. Vervolgens kunnen beide 7 8a 8b 8c zinkelement sliding gate productiehal lower basin upper basin floating gate Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017 50 9 Visuele resultaten van berekeningen betonnen zinkelementen op een grindbed met grindruggen die niet in een vlak zijn aangebracht Beschermingslaag Zodra een element is afgezonken en er geen correctie van de ligging meer noodzakelijk is, kan er worden begonnen met het aanbrengen van de opsluitingsaanvulling (locking fill, ofwel de eerste aanvullaag die zorgt voor het opsluiten van het element op zijn afzinklocatie, fig. 11) en de sleufaanvulling (backfill, ofwel rest van de aanvulling, fig. 11). Nadien wordt een beschermingslaag (scour protection) op en naast de tunnel aangebracht. De functie van deze laag, die uit een nauwkeurig ontworpen gradering van rotsblokken bestaat, is drieledig: ? het beschermen van de tunnelconstructie tegen vallende ankers; dit criterium bepaalt de totale dikte van de bescher - mingslaag; ? het beschermen van de tunnelconstructie tegen slepende ankers; dit criterium bepaalt de breedte en dikte van de beschermingslaag aan beide zijden naast de tunnel; ? garanderen van een stabiele afdeklaag waarbij rekening wordt gehouden met stroomsterkten en door scheepsschroeven opgewekte turbulenties; dit criterium bepaalt de gradering van de beschermingslaag. Elke mogelijke schade aan het betonnen tunneldak moet worden voorkomen. Anderzijds moet ook het te diep penetreren van de rotsblokken in de aanvulling naast de tunnel worden vermeden. Daarom wordt er bij het zijdelings dumpen van de rotsblokken vanaf een ponton, vooraf een filterlaag aangebracht op en naast de tunnel. Dit is een steenlaag met kleinere gradering. Beschouwde belastingsgevallen Bij het berekenen van de capaciteit van de tunnel wordt uitgegaan van een levensduur van 120 jaar. Naast de courante belastings - gevallen zoals grond- en waterdrukken, verkeers- en tempera - tuurbelastingen, is de tunnel ook ontworpen op alle belastingen tijdens het transporteren en afzinken. Hier bovenop zijn vanuit het contract ook enkele calamiteitenscenario's opgelegd. Zo meerdere stortfasen. Hierdoor bestaat er een groter risico op scheurvorming. Toch zijn hier geen dubbelschalige staalcon - structies opgevuld met zelfverdichtend beton ingezet. Wel worden de verhinderde vervormingen zo veel mogelijk geredu - ceerd met behulp van koeling/opwarming. Daarbij wordt koeling van het versgestorte beton gecombineerd met opwar - ming van het beton van de vorige stort. Op die manier worden de optredende trekspanningen voldoende laag gehouden, lager dan de op elk moment aanwezige treksterkte van het beton. Afzinkproces en aanvullingswerkzaamheden De aannemer van het baggercontract graaft de baggersleuf voor sommige delen van de tunnel uit, op een tijdstip lang voor het plaatsen van de elementen. Tot op het moment dat FLC een deel van de baggersleuf overneemt, is de opdrachtgever verantwoor - delijk voor het onderhoudsbaggerwerk. Bij overname komt die verantwoordelijkheid bij FLC te liggen. Vervolgens gaat FLC het grindbed aanbrengen volgens een zodanige planning dat de kans op sedimentatie op het geplaatste grindbed nagenoeg afwezig is. Het grindbed wordt aangelegd volgens een slangenpatroon (snake pattern) met een nominale dikte van 0,60 m. Het is al een bijzondere uitdaging dit grindbed met de vereiste tolerantie op de absolute hoogte aan te brengen op een water - diepte van 45 m. Het is een nog grotere uitdaging de maximaal toelaatbare verschillen in hoogte tussen alle grindruggen onder eenzelfde element te respecteren. Overschrijdingen kunnen immers leiden tot onaanvaardbare krachtswerkingen in de zinkelementen. Pontons Na een grondige studie besloot FLC dezelfde pontons te gebruiken voor het afzinken van de standaardelementen als de pontons die ontworpen waren voor het afzinken van de specials (fig. 10). 9b 9a thema Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017 51 scour p ro te ctio n b ack ll lock ing ll gr ave l bed ( 32/6 4) element n element n-1 10 Impressie pontons 11 Grindbed (gravel bed), opsluitingsaanvulling (locking fill), sleufaanvulling (backfill) en beschermingslaag (scour protection) 12 3D visualisatie van zettingen ter plaatse van aansluiting zinktunnel met cut-and-cover sectie in Lolland (Deense zijde) na 60 jaar moet rekening worden gehouden met een volledig ondergelo - pen tunnel of het stranden van een gezonken schip op het dak van de tunnel. Hierbij moeten de tandconstructies in staat zijn de optredende krachten over te brengen. Ook moeten de interne afmetingen van de tunnel dusdanig worden gekozen dat zes maanden na het leegpompen van de tunnel of het weghalen van het scheepswrak weer het juiste weg- en spoor - alignement kan worden aangebracht. De gronddekking op het tunneldek kan gedurende de tijd varië - ren tussen de dikte van de beschermingslaag en 6,8 m ten gevolge van grondruggen die zich op de bodem gaan afzetten. Ten slotte moeten alle tunnelkokers bestand zijn tegen een drie uur durend brandscenario volgens de Rijkswaterstaat-brandkromme. Hierbij mag de temperatuur van de wapening en het betonopper - vlak niet hoger stijgen dan respectievelijk 250 °C en 380 °C. Beheersen van vervormingen Een van de grootste uitdagingen in het project is het beheersen van de vervormingen. Ondanks de geotechnische variabiliteit en de te verwachten uitvoeringstoleranties, moet de inpasbaar - heid van de profielen van vrije ruimte volgens een vloeiend alignement kunnen worden gegarandeerd. Hoekverdraaiingen tussen twee opeenvolgende moten moeten steeds voldoen aan de eisen die worden gesteld aan hogesnelheidstreinsporen en aan de afvoercapaciteit van de ingestorte waterafvoerpijpen. De restzettingen tijdens de levensduur van de tunnel ter plaatse van de overgangen tussen afgezonken tunnel en portalen aan Duitse en Deense zijde, moeten kleiner zijn dan respectievelijk 40 mm en 20 mm. Het verschil tussen beide grenswaarden is te wijten aan de aanwezigheid van de paleogene klei aan de Duitse zijde. FLC ontwikkelde een spanning-rekrelatie voor deze paleogene klei op basis van kalibratie van de beschikbare oedometertestresultaten. Voorts werden uitgebreide gevoelig - heidsanalyses gemaakt van talloze mogelijke uitvoerings- sequenties ter hoogte van beide overgangszones, waarbij nog eens rekening werd gehouden met verschillende funderingswijzen van de portalen (op palen of op staal gefundeerd). 4D niet- lineaire zettingsanalyses gaven aan dat er een haalbare oplossing mogelijk was. Conclusie Op dit moment is FLC druk doende het aanbiedingsontwerp verder te verfijnen en te optimaliseren. Zodra de opdrachtgever het sein geeft dat kan worden begonnen, zal het nog circa tien jaar duren voor de gegunde werkzaamheden worden opgeleverd en een van de grootste infrastructuurprojecten van Europa zal zijn afgerond. ? ? PROJECTGEGEVENS project Femernbeltverbinding opdrachtgever Femern A/S (onderdeel van Sund & Baelt Holding) opdrachtnemer TUS, TUN en TPR (zie kader) Femern Link Contractors (FLC), bestaande uit VINCI Construction Grands Projets, Per Aarsleff Holding, Wayss & Freytag Ingenieurbau AG, Max Bögl Stiftung & Co., CFE, Solétanche-Bachy International, BAM Infra, BAM International opdrachtnemer TDR Femern Belt Contractors (FBC) 10 11 12 Zinktunnel tussen Duitsland en Denemarken 5 2017