Begin 2015 werd bij een van de zinkvoegen in de metrotunnel in Rotterdam een lichte lekkage in het dak waargenomen. Na een eerste inspectie bleken het beton en de zinkvoegen lokaal beschadigd. Reden voor de RET om de oorzaak te achterhalen en de schade te herstellen. Naast enkele in eerdere artikelen beschreven werkzaamheden (zie kader), zijn hierbij onder meer het Gina-profiel gefixeerd, de brandwerende bekleding van de voeg verbeterd en de kathodische bescherming hersteld. Gina-prof ielen gef ixeerd en beschermd Renovatie metrotunnel Rotterdam (III): Ontwikkeling en ontwerp permanente fixatie Gina-profielen, brandwerende bekleding, monitoring en kathodische bescherming 30? CEMENT 1 2021 auteurs 2 1 Het eerste deel van het Rotter- damse metrotracé is gebouwd in de jaren 60, met een zinktunnel tussen metrostation Rotterdam Centraal en de Parallelweg (net voorbij het huidige metrostation Wilhelminaplein) op de zuidelijke Maasoever. De tunnel bestaat uit een landgedeelte en een riviergedeelte (onder de Nieuwe Maas). Voor de waterdichte afdich - ting tussen de tunnelelementen is voor het eerst gebruikgemaakt van Gina-profielen als primaire dichting en Omega-profielen als secundaire dichting. Uitgebreide inspec- ties, na schade die in 2015 is aangetroffen, lieten een schadebeeld zien van uitgebroken ankers, betonschade en naar binnen ver- plaatste Gina-profielen. Ontwikkeling en ontwerp permanente fixatie Op basis van de analyse naar de schadeoor- zaak werd geconcludeerd dat herstellen van de betonschade niet voldoende zou zijn. De blokkade aan de achterzijde van het Gina- profiel ten gevolge van opgespannen zand in de voeg, zou ervoor zorgen dat het profiel zich de voeg uit zou blijven werken. Daarom moest het Gina-profiel opnieuw worden geborgd. Hiervoor is een stalen borgconstruc- tie ontworpen. Deze constructie bestaat uit een fixatienok die op een staalplaat is be- vestigd en daarmee het Gina-profiel op zijn huidige plek fixeert (fig. 1). De knevelcon - structie om het Omega-profiel te bevestigen is hierbij gehandhaafd. Afhankelijk van de situatie is een 'pasnok' (daar waar de oor- spronkelijke klemstrippen niet meer aan - wezig zijn) en een 'stelnok' (daar waar de originele klemstrippen nog aanwezig zijn) voorzien (fig. 2). De pasnokken hebben variabele hoogtes, afhankelijk van de aan - wezige vorm van het Gina-profiel. Ze zijn afzonderlijk gemaatvoerd en machinaal bewerkt. AD MOLENDIJK Projectleider RET IR. ROLF DALMEIJER Ontwerpmanager Gemeente R otterdam IR. ERIK TAFFIJN Hoofdconstructeur Gemeente Rotterdam ING. MAURICE HOL Ontwerpleider BAM Infra (Combinatie ZRL BAM/VHB) IR. PETER VAN NES Projectleider Van Hattum en Blankevoort (Combi natie ZRL BAM/VHB) 1 Doorsnede voeg met fixatie landtunnel 2 Type borgnok (links 'pasnok' en rechts 'stelnok') CEMENT 1 2021 ?31 3a 3b Bij de riviertunnel is de staalplaat niet nodig omdat de nok direct aan de daar aanwezige stalen kopring kon worden gelast. In aanloop naar de keuze voor dit systeem zijn diverse varianten de revue gepasseerd, waaronder ook een betonnen variant, met een W9U-dilatatievoeg. Maar vanwege de kleine ruimte, de wapeningsdetaillering rondom de voeg en het feit dat het beton boven het hoofd, in het dak moest worden aangebracht, was het risico op lekkages te groot. Bovendien lag de keuze voor staal vanuit de bestaande stalen Omega-bevestiging met knevels meer voor de hand. Montage fixatie? De stalen fixatieplaat steekt onder het bestaande Omega-profiel door en onderbreekt daarmee de waterdichte aansluiting van het Omega-profiel op het beton. Voor de afdichting onder de platen tegen het beton is daarom een strookvormig rubber (type JS1) gebruikt. Vanwege de beperkte ruimte in de zinkvoeg hebben de ankers van het Omega- profiel (zogenoemde Omega-ankers) een dubbelfunctie gekregen: naast het bevestigen van het Omega-profiel nu ook het monteren van de stalen fixatieplaat. Om de staalplaten te kunnen monteren is hanteerbaarheid en gewicht van belang en is de grootte ervan beperkt tot 600 mm in de dwarsrichting van de tunnel. Hierdoor zijn 'montagevoegen' tussen de platen ont- staan, die ook weer onderling waterdicht moeten zijn en bovendien in samenspel met het JS1 rubber een algehele afdichting moeten verzorgen. Hiervoor zijn speciale rubbers ontwikkeld, zogenoemde conusrubbers (foto 4 en 5). Waterdichtheidsproef? Om het samenstelsel van stalen platen en rubber profielen te kunnen testen op waterdichtheid en daar- mee op de haalbaarheid, is een waterdicht- heidsproef opgezet. Bij oplopende water- drukken en belastingen is getest of de oplossing waterdicht was. Deze proef is uit- gevoerd op een stelconplaat op schaal 1:1 (foto 3a en 3b). Op de plaat is een 2 m lang Omega-profiel aangebracht. Een zijde is direct op de stelconplaat gemonteerd (en representeert daarmee de secundaire zijde van de voeg), de andere zijde op het zoge- naamde gerepareerde gedeelte van de voeg (op dezelfde plaat) met de stalen fixatieplaten. Aangezien op nagenoeg alle locaties sprake was van betonschade, is op de stelcon - platen ook een reparatiemortel aangebracht. Dit gaf de mogelijkheid de te realiseren vlak - heid van het afgewerkte beton te beproeven en te zien wat de invloed daarvan was op de interactie tussen beton, rubber afdichtingen en staalplaten. De in de proef gerealiseerde 3 Proefopstelling in opbouw (a) en afgerond (b) ARTIKELENSERIE Dit is het derde en laatste deel in een serie artikelen over de renovatie van de Metrotunnel in Rotterdam. Het eerste artikel (Cement 2019/8) ging in op het oorspronkelijk ontwerp, het schade- beeld, de mogelijke schadeoorzaken, de uitgevoerde analyse en mogelijke her- stelmaatregelen. In het tweede artikel (Cement 2020/7) wordt ingegaan op het terugduwen van het Gina-profiel, de proeven uitgevoerd op de ankers van de Gina- en Omega-profielen, het rubber van het Gina-profiel en op de betonre- paratie. In dit derde artikel wordt de permanente fixatie van het Gina-profiel behandeld en het ontwerp en herstel van de brandwerende bekleding van de voeg. Daarnaast is er aandacht voor de kathodische bescherming en het moni- toringssysteem. 32? CEMENT 1 2021 5 4 vlakheid was 1,3 mm/400 mm. In de uitein- delijke uitvoering van de betonreparaties is deze eis aangescherpt tot 1,0 mm/600 mm. De staalplaten zijn opgelegd op twee rubber strips (fig. 6). Eén binnen de projec- tie van de flens van het Omega-profiel, het JS1-rubber dat tevens voor waterdichtheid moet zorgen. De andere rubber strip aan de achterzijde van de plaat, dat alleen dienst doet als oplegrubber. Hiermee is een twee- zijdig opgelegd systeem ontstaan. De beno- digde indrukking van het JS1-rubber wordt bereikt door het aanspannen van de moer op het Omega-anker. Om voldoende waterdichtheid te krij- gen en op de lange termijn te houden moet een minimale blijvende indrukking worden gerealiseerd van 2,6 mm, zo bleek uit be- proeving. Dit komt neer op een initiële indrukking van 5 mm van het 10 mm dikke JS1-profiel. Deze indrukking verdisconteert daarmee de uitvoeringstoleranties voor be- tonreparatie (1,0 mm), staalplaat (0,25 mm) en de relaxatie van het systeem. Onder een van de staalplaten zijn twee vijzels geplaatst (foto 3a), waarmee het lokaal belasten van de fixatie door het Gina- profiel is gesimuleerd. De vijzelbelasting (100 kN/m) laat de staalplaat vervormen en simuleert daarmee het ontspannen van het JS1-rubber en de verschilvervorming in de voeg tussen de platen die wordt afgedicht door de conus- rubbers. Om dit effect te minimaliseren is uitgegaan van een redelijk stijve plaat (t = 20 mm). De optredende ontspanning van het rubberprofiel is dan kleiner dan 2,4 mm. Doorontwikkeling op basis van test? Het concept is een aantal maal aangepast en doorontwikkeld, aangezien het concept in de proefopstelling niet direct waterdicht bleek (foto 4). Met name de interactie tussen de Om de fixatie te kunnen testen op waterdichtheid is een water- dichtheidsproef opgezet met stelconplaten, onder meer gebruikmakend van vijzels 4 Testopstelling met waterlekkage 5 Ontwikkeling conusrubber van concept (links) naar definitief (rechts) CEMENT 1 2021 ?33 6 7 flens van het Omega-profiel, het conusrub- ber en het JS1-rubber onder de platen bleek een spelbreker. Dit heeft geresulteerd in een gemodificeerd conusrubber met een geprofi - leerd oppervlak (foto 5). Met dit conusrubber is uiteindelijk de gevraagde waterdichtheid aangetoond bij gedeeltelijke ntspanning door de belasting uit het Gina- profiel. FEM-berekening? De stalen fixaties zijn naast de uitvoerige beproeving, uitgerekend met een FEM-model (fig. 6). Hierbij is een belasting uit het Gina-profiel gehanteerd van 100 kN/m. Deze belasting volgde uit de rekenkundige analyses die zijn uitgevoerd in Plaxis en Aba - qus. In het model is, gebruikmakend van niet-lineaire veren, het samenstelsel van staalplaat, knevels, rubber profielen (JS1- rubber en de flens van het Omega-profiel) en de afspankracht uit de Omega-ankers gemodelleerd. Met behulp van dit model zijn de capaciteit van de staalplaat en de Omega- ankers gecontroleerd en tevens de benodigde blijvende indrukking van het JS1-rubber onder de staalplaat, na relaxatie en inclusief een belasting vanuit het Gina-profiel. Voor elke voeg zijn de staalplaten uitge- werkt, op basis van informatie die beschik - baar was uit 3D-pointclouds, inspecties en inmetingen, met behulp van Autodesk In - ventor in een 3D-model. Uit dit model zijn vervolgens legplannen, werkplaatstekenin - gen en montageplannen gegenereerd (fig. 7). Montageplan? Met name het montageplan was een belangrijk aspect in de overdracht van ontwerp naar werkvoorbereiding en uit- voering. Het plan beschrijft stap voor stap hoe en in welke volgorde de stalen platen, rubber afdichtingen, aandrukstrippen en knevels moeten worden aangebracht en met welke momenten de Omega-ankers moeten worden afgespannen. Daarbij hoort een afspanproto- col. Hierin staat onder meer met hoeveel klemkracht het Omega-profiel moet worden gemonteerd om zo waterdichtheid te waar- borgen. In verband met relaxatie van het rub- ber worden de ankers na 21 dagen nagespan - nen en is het Gina-profiel opnieuw gefixeerd en het Omega-profiel waterdicht afgemon - teerd. Wat rest is dan een in situ afperstest, waarbij de voeg met water wordt gevuld en op druk wordt gezet om zo de waterdichtheid van het systeem te controleren. Besloten is een nieuwe brandwerende voeg afdekking te ontwerpen op basis van numerieke analyses en dat ontwerp te toetsen met een brandproef 6 Modellering t.b.v. FEM-model 7 Voorbeeld uitwerking stalen fixatieplaat 34? CEMENT 1 2021 8 Brandwerendheid In het kader van het herstel van de zinkvoe- gen is ook gekeken naar de brandwerend - heid van de voegen. Hierbij ging het er met name om, om het te hoog oplopen van de temperaturen van het rubber Omega-profiel bij brand te voorkomen. De voegen waren oorspronkelijk afge- dekt met zogenoemde asbesthoudende Nobranda-platen en een laag steenwol. Hal - verwege de jaren 90 zijn deze vervangen door Promatect-H-platen. Bij een verhitting met een 90 minuten durende ISO-834 brand, zoals ook gehanteerd is in het ontwerp van de metro(boortunnel van RandstadRail, toonden thermodynami - sche analyses aan dat de temperatuur in het rubber te hoog zou oplopen bij deze bestaan - de beplating. Daarom is besloten een nieuwe voegafdekking te ontwerpen op basis van nu - merieke analyses en dat ontwerp te toetsen met een brandproef. De randvoorwaarde was dat het Omega-profiel geen hogere tem - peratuur dan 100 °C mocht bereiken. Berekening? Er is in eerste instantie uitge- gaan van een beplating met 25 mm Proma - tect-T, 25 mm Promasil, beide over de volle breedte van de inkassing. En daarnaast 40 mm Promasil met beperkte breedte ter plaatse van het Omega-profiel. Deze opbouw is gekozen omdat Promatect-T-platen beter geschikt zijn onder vochtige omstandigheden en Promasil om het totaal gewicht van de beplating te beperken. Een analyse met het softwarepakket COMSOL voorspelde bij deze plaatopbouw een temperatuur van 100 °C ter plaatse van het Omega-profiel. Brandproeven? Een eerste brandproef is uitgevoerd op 12 februari 2019 bij Efectis (in de kleine oven) op een proefstuk van 1800 x 1800 x 650 mm met een betonsterkteklasse van C25/30. In dit proefstuk zijn de voeg (10 cm), de nieuwe permanente Gina-fixatie, het Omega-profiel en de brandwerende be- plating op ware schaal nagebouwd. Het resul - taat van de brandproef was dat de maximum temperatuur in het Omega-profiel 70 °C be- droeg en dat deze zich manifesteerde na circa 110 minuten, dus 20 minuten na het stoppen van de brand. Op zich een goed resultaat, ech - ter de temperaturen waren, ook gezien de voorspellingen, aan de lage kant. Aangezien alle 33 voegen een nieuwe beplating krijgen, was het vanuit meerdere oogpunten (materi - aalverbruik, gewicht en hanteerbaarheid) aan- trekkelijk om het ontwerp te optimaliseren. MONITORING Het implementeren van het monitoringsysteem, bestaande uit verplaatsingsmeters die met behulp van infrarood de ver- plaatsing van de Gina-profielen monitoren, voegbreedtemeters, ankers met ingebouwde rekstro- ken die de belastingen uit de stalen fixatieplaten registreren en manometers die eventuele waterdruk achter de Omega- profielen registeren, stelt de RET in staat de zinkvoegen op afstand te monitoren en moge- lijk afwijkend gedrag tijdig te onderkennen. Bij afwijkend gedrag kan de RET dan speci- fiek en lokaal inspecteren en tijdig maatregelen nemen om eventuele vervolgschade te voorkomen. 8 Proefstuk met ingebouwde Gina-fixatie, Omega-profiel en thermokoppels CEMENT 1 2021 ?35 9 10a 10b Optimalisatie? Het geoptimaliseerde ont- werp bestond uit een sandwich van 25 mm dikke beplating van Promatect-T en 25 mm Promasil (fig. 9) en een afdichting van de naden met het beton via promaseal (op- schuimende) strips. De plaat van 40 mm kon geheel vervallen. Ook dit ontwerp is getest in een brandproef. De maximum temperatuur in het Omega-profiel bedroeg nu circa 100 °C , gelijk aan de gestelde randvoorwaarde voor de maximum temperatuur, en trad op na 130 minuten, 40 minuten na het stopzetten van de brand (fig. 10). Na circa 184 minuten is deze brandproef beëindigd. De maximum - temperatuur aan de binnenzijde van de Promasil-platen bedroeg bijna 200 °C. Voor het staal (permanente fixatie) en het beton aan de binnenzijde van de brandwerende bekleding werden maximum temperaturen van 78 °C respectievelijk 64 °C gemeten. De lucht in de ruimte tussen beplating en Omega-profiel werd maximaal tot 90 °C verhit. Waar te nemen was dat de Promatect-T- platen aanzienlijk waren gescheurd ten gevolge van het afkoelen na het uitzetten door verhitting. De Promasil-platen vertoon - den slechts een enkele scheur (foto 11). Toepassing? De met succes beproefde bepla - ting zal worden toegepast op de zinkvoegen van zowel de landtunnel als de riviertunnel. De brandproef was geënt op de situatie van de landtunnel. De riviertunnel heeft ter plaatse van de voegen stalen kopringen. En in de riviertunnel is het beton bekleed met brandwerende/isolerende Pyrok-bekleding. Door nu deze direct aan te sluiten op de nieuwe brandwerende bekleding van de voegen, gelden de resultaten van de brand - proef ook voor deze situatie. Ontwerpaspecten beplating? Bij het ont- werp van de beplating per voeg spelen ver- schillende factoren een rol. Zo moeten de platen de jaarlijkse voegbeweging van maxi - maal 10 mm kunnen opvangen. Dit wordt ge- De nieuwe kathodische bescherming van de stalen heipalen bestaat uit drie nieuwe anodes, met de onderzijde op NAP ?70 m 9 Brandwerende beplating definitief ontwerp landtunnel 10 Temperatuur opgelegde brandkromme (a) en temperatuur in Omega-profiel (b) 36? CEMENT 1 2021 11b 11a realiseerd door het toepassen van sparingen Ø25 mm bij ankers M8. De voegbreedtes zijn allemaal verschillend per moot. En binnen een moot vaak ook over de hoogte van de wand en breedte van het dak. Verder komen offsets voor in de ligging van naastgelegen tunnelmoten, soms tot 5-7 cm. Hoewel het streven is dat de beplating niet of slechts zel - den moeten worden verwijderd, zal dat indien nodig efficiënt moeten kunnen gebeuren. Deze aspecten hebben geresulteerd in een per voeg uitgelegd ontwerp waarbij nog zoveel mogelijk standaardisatie is be- tracht. Daarbij is dankbaar gebruikgemaakt van de 3D-scans die per voeg zijn uitgevoerd, in eerste instantie voor het ontwerp van de definitieve fixaties van het Gina-profiel. Plaatsing? Om het ontwerp te toetsen, even - tueel te verbeteren en de montage doelmatig te krijgen, zijn zowel buiten als in de tunnel een aantal proefplaatsingen uitgevoerd. Ook is het uiteindelijke ontwerp en de proef - plaatsing getoetst door Promat, waardoor het uiteindelijke ontwerp is afgedekt door de brandproef. Definitieve plaatsing van de beplating is gepland in het voorjaar van 2021, omdat de monitoringsvoorzieningen nog moeten worden aangebracht. Kathodische bescherming Bij de start van het project lag de focus op het herstellen van de betonschades en het opnieuw fixeren van het Gina-profiel. Tij- dens deze activiteiten kwamen ook andere gebreken aan het licht, onder meer aan de kathodische bescherming. Binnen het metrotracé is van oudsher op twee locaties kathodische bescherming toegepast. De eerste onder de Coolsingel, ter plaatse van het transformatorstation Meent, waar een actief systeem is toegepast ter be- scherming van de stalen funderingspalen. De tweede in het riviergedeelte, waar een passief systeem is toegepast ter bescherming van de stalen kopringen (eindframes) van de afzon - derlijke tunnelelementen. 11 Beplating na brandproef; opgeschuimde strippen (Promatect verwijderd) CEMENT 1 2021 ?37 12a 12b Transformatorstation Meent? Onder het transformatorstation Meent zijn bij de bouw in 1961 stalen heipalen toegepast, om de asymmetrische belasting uit de verschillen - de bouwfasen in de bouwputten aan weers- zijden van het transformatorstation op te kunnen nemen. De funderingspalen zijn voor het heien voorzien van een bitumen - coating. De kathodische bescherming was bedoeld voor die delen waar de coating bij het aanbrengen verloren was gegaan. Bij de toenmalige bouw zijn anodes geplaatst tot NAP ?28 m via acht bemalingsputten rond - om het transformatorstation. De acht ano- des zijn door middel van kabels verbonden met de gelijkrichter die geplaatst is in het transformatorstation. Vanaf de gelijkrichter lopen kabels naar de afzonderlijke palen. Met deze voorzieningen werd de constructie voorzien van een positieve lading en daar- door beschermd tegen corrosie. De anodes werden in dit systeem in de loop van de tijd opgebruikt. Bij de huidige reconstructie van de Coolsin - gel is gebleken dat het oorspronkelijke sys- teem niet meer functioneerde. De opdracht- gever heeft het bouwteam daarom de opdracht gegeven de katho dische bescher- ming te herstellen. Bij het herstel is gekozen voor een beperkt aantal anodes om de im - pact op de omgeving te minimaliseren. Voor de nieuwe kathodische bescherming, uitge- voerd volgens hetzelfde principe als de be- staande, is gekozen voor drie nieuwe anodes waarbij de onderzijde van iedere anode zich op NAP ?70 m bevindt. Deze diepte is be- paald om ongewenste beïnvloeding van ap- paratuur van derden te voorkomen. Voor het aanbrengen van de anodes is een verbuisde spoelboring tot NAP ?70 m uitgevoerd (foto 13). Vervolgens is de boor- buis getrokken waarbij het boorgat met steunvloeistof (bentoniet) open bleef. Daar- na is de anode afgehangen en werd het boorgat gevuld. Deze vulling bestaat gedeel - telijk uit ondoorlatend materiaal (kleiprop), om hydraulische kortsluiting te voorkomen. Een monito- ringsysteem met verplaat- singsmeters, voegbreedteme- ters, rekstroken en manometers stelt de RET in staat mogelijk afwijkend gedrag tijdig te onderkennen 12 Proefmontage in riviertunnel (a) en landtunnel (b) 38? CEMENT 1 2021 13 Het plaatsen van een nieuwe anode kon in één dag worden uitgevoerd. Om de impact op maaiveld te beperken, is ervoor gekozen de werkzaamheden af te stemmen met het herinrichtingsproject Coolsingel. In overleg zijn tijdvensters afgesproken waarbinnen de anodes konden worden gerealiseerd. Het verbinden van de anodes met de gelijkrich - ter is gefaseerd uitgevoerd. Riviertunnel? In het riviergedeelte zijn alle tunnelelementen voorzien van een stalen kopring waarop het Gina-profiel is beves- tigd. Om corrosie te voorkomen zijn tijdens de bouw aan de buitenzijde en binnenzijde opofferingsanodes geplaatst en is aan de binnenzijde de ruimte tussen twee koprin - gen, die is gedicht door het Omega-profiel, gevuld met leidingwater. De opofferings- anodes bestaan uit een onedeler materiaal (zink) dan het staal van de kopring en voor- komen op deze wijze het optreden van cor- rosie van de kopringen. Het water in de zinkvoeg is op een constante lagere druk gehouden dan de wa - terdruk van het buitenwater. De waterdruk wordt op peil gehouden met diverse water- tanks, voorzien van een vlotter en overstort. Met dit systeem was het handhaven van een constante waterdruk mogelijk terwijl de voeg door de zomer/winter-cyclus van inhoud veranderde. De bestaande anodes bleken bij meer- dere inspecties nog van goede kwaliteit en zijn na grondig schoonmaken weer herge- bruikt. Het instant houden van dit systeem vroeg om de nodige inventiviteit om de nieuwe, definitieve fixatie binnen de voeg te kunnen combineren met de kathodische bescherming. State-of-the-art Met dit derde artikel is het drieluik over de renovatie van de zinkvoegen afgesloten. In de artikelen zijn alle aspecten waarmee het bouwteam in de afgelopen jaren te maken kreeg belicht. Het traject liep van inspecties en analyses, via proeven en testen, naar ont- werpen en uitvoeren. Met het verschijnen van dit artikel wordt in de nachtelijke uren in de Metrotunnel nog altijd hard gewerkt, maar is met het aanbrengen van de brand -werende bekleding en het installeren van de monitoringssystemen de laatste fase van de renovatie aangebroken en zal de periode van beheer en onderhoud aanbreken. De Rotterdamse Metrotunnel is daar- mee weer up-to-date, uitgerust met state-of- the-art techniek en 'Aardig Onderweg' om ook de komende 50 jaar de metroreizigers weer veilig en betrouwbaar door de stad te laten reizen. 13 Aanbrengen anode op de Coolsingel CEMENT 1 2021 ?39