Pneumatische caissonmethode 1 Overzicht bouwterrein Nieuwe Zeesluis met bouwkuipen voor de deurkassen, foto: Topview Luchtfotografie Het pneumatisch afzinken van caissons is een relatief onbekende techniek als variant op bouwen in een bouwkuip. Traditioneel gebeurt het pneumatisch afzinken door mensen onder verhoogde luchtdruk in een werkkamer onder het caisson grond te laten verwijderen. Dit is arbeidsintensief en vanwege beperkte toegestane werktijd onder hogere luchtdruk minder efficiënt. Bij de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden is daarom een gemechaniseerd en op afstand bestuurbaar afzinkproces toegepast. Nieuwe Zeesluis IJmuiden (3) CEMENT 3 2020 ?19 1 2 Pneumatisch caisson buitenhoofd, foto: Billy Mandemaker 3 Binnenhoofd in opbouw (droogdok in rood, operationele deurkas in groen, cellenwand in geel en appendix in blauw), foto: Topview Luchtfotografie Voor de deurkassen van zowel het buitenhoofd als het binnen - hoofd van de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden, is gekozen deze te bouwen in ondiepe bouwkuipen (foto 1) en de constructies vervol - gens met de pneumatische caissonmethode af te zinken naar de ontwerpdiepte. Deze me- thode bood meerdere belangrijke voordelen ten opzichte van de aanleg in een diepe bouwkuip aan de rand van een druk beva - ren hoofdvaarweg. Vanwege de grote afme- tingen van de deurkassen (foto 2 en 3) hield deze keuze wel een flinke schaalvergroting in van de uitvoeringsopgave, in vergelijking tot eerder uitgevoerde afzinkprojecten in Nederland. In tabel 1 worden een aantal eerder uitgevoerde projecten met pneuma - tische caissons vergeleken. Processen bij het pneumatisch afzinken Het pneumatisch afzinken van caissons kan worden gezien als het verticaal transporteren van een constructie door de grond. Civiel - technisch is het vooral bedoeld voor het rea - liseren van een ondergrondse constructie. Een aantal specifieke processen is daarbij te onderscheiden. Kenmerkend is allereerst de toepassing van luchtoverdruk om onder het caisson een droge werkruimte te creëren. Hiervoor wor- den onder de vloer van het caisson snijran - den geconstrueerd. Door het ontgraven van grond onder het caisson neemt de gewichts- druk op de resterende grond, de zogenoemde steunbermen, toe. Iedere keer als het be- zwijkdraagvermogen wordt bereikt, zullen glijcirkels ontstaan waardoor het caisson enkele centimeters zal zakken. Bovenop de vloer worden afsluitbare schachten en sluizen gemonteerd om door het luchtdrukverschil personen en materia - len op een veilige manier in of uit de werk - kamer te krijgen. In de werkkamer kan zo de grond worden ontgraven. Het conventionele pneumatisch afzinken gebeurt door personeel dat onder de vloer van het caisson onder verhoogde luchtdruk werkt. Tot zeker de jaren 30 gebeurde dit met schep en emmers. Deze emmers werden via speciale schachten naar boven gehesen en geleegd in stortkokers. In Nederland wordt voor het ontgra - ven sinds de jaren 70 gebruikgemaakt van waterkanonnen. Deze zijn bevestigd aan het plafond van de werkkamer waarmee hand - matig de grond wordt los gespoten. Met pompen wordt het baggermengsel afgevoerd uit de werkkamer. IR. BARTHO ADMIRAAL Adviseur Pneumatisch Afzinken OpenIJ / Volker Staal en Funderingen IR. MARTIJN VAN WIJNGAARDEN Werkvoorbereider OpenIJ / Volker Staal en Funderingen auteurs 20? CEMENT 3 2020 2 3 Naarmate het caisson dieper komt, wordt de luchtdruk verhoogd, overeenkomend met de stijghoogte van het water heersend direct onder het caisson. Dit om zo het grondwater buiten de werkkamer te houden. Bij hogere drukken in de werkkamer nemen de partië- le gasdrukken toe en daarmee neemt ook de opname van gassen in het lichaam toe. Behoudens verontreinigingen, is het vooral het afbouwen van het verhoogde gehalte aan in het lichaam opgenomen stikstof geduren- de de ecompressietijd, wat leidt tot reductie in werktijd (zie ook kader Caissonziekte). Bij hogere overdruk, met name boven de 1 bar, gaat dat progressief. Hoewel de veiligheid op verschillende wijzen wordt geborgd, is dit een situatie die het beste kan worden ver- meden. Bovendien geldt dat op grotere diep- tes de efficiëntie van het proces vermindert. Afzinken 2.0: Op afstand bediend en gemechaniseerd proces Voor het afzinken van de caissons van de Nieu - we Zeesluis in IJmuiden is het systeem verder geïnnoveerd en geoptimaliseerd, door het ont- wikkelen van op afstand bestuurbare graafar- men en waterkanonnen. Ook zijn er speciale camerasystemen ontwikkeld om de actuele situatie in de werkkamer te monitoren (foto 4). Deze innovatie heeft ertoe geleid dat de inzet van personeel onder luchtdruk sterk is gere- duceerd en met relatief weinig personeel 24 uur per dag kon worden gewerkt. Enkel bij het uitvoeren van reparaties, inspecties, me - tingen, het ontruimen van obstakels in de ondergrond en bij het demonteren van het materieel als de einddiepte is bereikt, is inzet van personeel onder luchtoverdruk nodig. Uitvoering pneumatisch afzinken De pneumatische caissonmethode begint met de bouw van het caisson. In IJmuiden zijn de caissons gebouwd op kunstmatige eilanden in een bouwkuip met een maaiveld niveau van NAP -5,0 m. Na het gereedkomen van de caissons, kan worden gestart met de voorbereidingen op het pneumatisch afzin - ken. De ontgraving onder het caisson begint met het maken van een 'startgat' onder de vloer. Indien de omstandigheden dit toela - ten, wordt dit atmosferisch uitgevoerd. Vanwege de grote afmetingen van de deur­ kassen hield de keuze voor pneu mati sche caissons een flinke schaal­ vergroting van de uitvoerings­ opgave in Nieuwe Zeesluis IJmuiden (3) project jaarl x b x h [m] Kalvermarkt, Den Haag 198662 x 30 x 11 Gasunie, Groningen 199048 x 43 x 10 Westerscheldetunnel 200035 x 25 x 21 N/Z-lijn, Amsterdam 200557 x 20 x 23 Buitenhoofd OpenIJ 201881 x 26 x 24,5 Binnenhoofd OpenIJ 201981 x 55 x 28,1 (incl. snijrand van 2,5 m) Tabel 1?Overzicht grote caissonprojecten in Nederland 4 Opname van één van de twee werkkamers van het caisson binnenhoofd 5 Personensluis CEMENT 3 2020 ?21 5 24 Het afbouwen van het verhoogde gehalte aan in het lichaam opgenomen stikstof leidt tot reductie in werktijd 6 Vluchtsluis op het caisson van het buitenhoofd Indien noodzakelijk zal dit al onder verhoog- de luchtdruk moeten plaatsvinden, bijvoor- beeld bij het afzinken van brugpijlers. Bij de caissons in IJmuiden kon dit atmosferisch plaatsvinden, omdat de caissons in een bouwkuip zijn gebouwd waarin bemalen werd tot niveau van onderkant snijrand. De realisatie van het startgat begint met het openmaken van de ingestorte door- voeringen in de vloer van het caisson. De doorvoeringen zijn nodig voor het bevesti - gen van de graafarmen en voor de toegang via meerdere schachten van personeel en materialen in de werkkamer. Daarnaast zijn er nog diverse doorvoeringen ten behoeve van kabels en leidingen. Vervolgens wordt een eerste aanzet voor een werkruimte onder de vloer gemaakt. Het eerste zand wordt met een baggerpomp vanuit een grote doorvoering onder het caisson verwijderd. Voor dit project met extreme gewichten van de caissons in com - binatie met de constructieve gevoeligheid, zijn er strenge eisen gesteld aan de vorm en maximale grootte van het startgat (zie ook deel 4 'Obeservational method' in deze serie). Dit gaf beperkingen in de te monteren leng - te van de graafarmen. Vervolgens worden de schachten en sluizen voor de toegang naar de werkkamer ge- plaatst, waarna de bemaling wordt beëin - digd en een overdruksituatie onder het caisson wordt ingesteld. Vanaf dat moment wordt personeel via de personensluizen naar de actuele druk in de werkkamer ge- bracht (foto 5). Het personeel daalt via de ladder in de schacht af tot men op de grond CAISSONZIEKTE In een overdruksituatie worden gassen via de longen versneld opgenomen in het bloed en verspreid in het lichaam. Bij het decomprimeren naar atmosferische druk moeten de overconcentraties weer uit het lichaam verdwijnen om belvorming te voorkomen. Met name overconcentraties van stikstofgas kunnen tot acute en lange- termijnschade in het lichaam leiden. Dit staat bekend onder de naam caisson- ziekte. Het heeft tot ver in de vorige eeuw geduurd, voordat betrouwbare decom- pressietabellen werden ontwikkeld om de overconcentratie aan gassen in voldoende mate uit het lichaam te krijgen. Hierbij wordt het personeel in een personensluis in stappen naar atmosferische druk terug- gebracht. Tegenwoordig gebeurt de decompressie in een personensluis onder inademing van zuivere zuurstof. De stap- pen en de duur van decompressie zijn afhankelijk van de verblijftijd, de onder- gane luchtoverdruk en de intervaltijd met eerdere overdruksituaties. Veilig werken is tegenwoordig de standaard in de hele bouw. Bij het werken onder over- druk is dit al lange tijd het belangrijkste aspect bij het ontwerp van de constructie, het ontwerp van het materieel en bij de voorbereiding van alle werkprocedures, voortgekomen uit het caissonbesluit als onderdeel van de mijnbouwwet. 22? CEMENT 3 2020 6 onder het caisson stapt. Bij het verlaten van de werkkamer worden de caissonwerkers in de personensluis in stappen teruggebracht naar atmosferische druk. Dit gebeurt con- form specifiek voor dit type werk extern opgestelde decompressietabellen, waarbij beademing met zuiver zuurstof plaatsvindt om afgifte van in het lichaam opgenomen stikstof te versterken en te versnellen. Als tweede vluchtweg in eventuele noodsituaties wordt extra een lange schacht met sluis op de vloer geplaatst die bij einddiepte van het caisson tot boven de grondwaterstand reikt (foto 6). Bovenop de schacht wordt de vluchtsluis gemonteerd. Voor het in- en uitschutten van materieelstukken, zoals baggerpompen en waterkanonnen, worden aparte materieelsluizen geplaatst. Hierna kan het proces van pneuma - tisch afzinken starten. Bij de pneumatische caissons voor de zeesluis in IJmuiden (figuur 7 en 8) is na het aanbrengen van Nieuwe Zeesluis IJmuiden (3) 7 Langsdoorsnede van het caisson binnenhoofd 8 Dwarsdoorsnede van het caisson binnenhoofd CEMENT 3 2020 ?23 7 8 de overdruk het startgat verder vergroot, primair in de langsrichting van het caisson. Vervolgens kon worden begonnen met het stapsgewijs wegbaggeren van de steunberm in langsrichting van het caisson. Door het weghalen van de grond, ontstaat een versto- ring van het verticale evenwicht waarna het caisson door zijn eigen gewicht de bodem in zakt. De wrijving aan de buitenzijde van het caisson is daarbij verminderd door vlak boven de snijrand bentoniet te injecteren. Ontgraven onder het caisson Zoals al beschreven, is het afzinkproces bij de twee caissons in IJmuiden gemechani- seerd. Hiertoe zijn op afstand bestuurbare graafarmen en waterkanonnen ontwikkeld. Met behulp van camera's in de werkkamer kunnen de werkzaamheden op afstand worden uitgevoerd. Graafarmen? Bij het afzinken van de caissons in IJmuiden zijn twee graafarmen per werkkamer gemonteerd. Voor het ex - treem grote caisson van het binnenhoofd, bestaande uit twee werkkamers, waren in totaal vier graafarmen nodig. De armen bestaan uit een basisframe met draaikrans, modulair opgebouwde cutterarm basisframe boven caissonvloer pomp met snijkop flensaansluiting op doorvoering 9 10 9, 10 Graafarm bestaande uit base frame, modulaire armdelen en baggerpomp 24? CEMENT 3 2020 maar met name ter plaatse van de steun- bermen en daar waar de graafarmen onvol- doende bereik hebben. De kanonnen jetten hebben een zeer krachtige waterstraal tot 100 m³/uur. Per graafarm zijn meerdere water- kanonnen beschikbaar om de productie ook op grotere afstand van de draaipunten zo optimaal mogelijk te laten verlopen. Camerasysteem? De camera's in de werkka - mer zijn voorzien van een slingerruit en schoonmaaksysteem, waardoor het zicht goed blijft, ook bij opspattend water en grond. De toepassing van een slingerruit is een bewezen techniek uit de scheepvaart, maar moest voor het functioneren onder deze omstandigheden van grond en lucht- overdruk worden doorontwikkeld (foto 13). Het aantal camera's en de configuratie hiervan, inclusief de verlichting, is van belang om de volledige werkkamer in beeld te brengen. Naarmate de steunbermen in langsrichting van het caisson kleiner werden, zijn de camera's verplaatst en de verlichting mede aangepast om de gehele werkkamer goed in beeld te kunnen houden. Bereiken van de einddiepte Bij het bereiken van de einddiepte, wordt door middel van het gedeeltelijk aflaten van de overdruk de laatste zakking tot de ge- wenste einddiepte bereikt. Door de steeds groter wordende opwaartse waterdruk op het caisson ? en dus ook de steeds grotere benodigde luchtdruk in de werkkamer om het grondwater laag te houden ? wordt de benodigde opwaartse gronddruk van de steunbermen steeds kleiner. In deze fase wordt het enorme gewicht van het Het systeem is verder geïnnoveerd door het ontwikkelen van op afstand bestuurbare graafarmen en waterkanonnen Nieuwe Zeesluis IJmuiden (3) gemonteerd op de doorvoering in de beton - vloer van het caisson. De graafarm kan 360° roteren en is modulair op te bouwen tot een maximaal 14 m lange, uitschuifbare arm (foto 9 en figuur 10). Op de kop van de arm is de baggerpomp gemonteerd. Via een leiding in het basisframe wordt jetwater aangevoerd naar de nozzles op de kop van de bagger- pomp. Middels de pomp en een afvoerleiding wordt het gecreëerde baggermengsel door het basisframe afgevoerd tot boven de betonvloer. Buiten het caisson wordt het verder verpompt naar een spoelveld. Vanuit de bedieningsunits boven de vloer worden de graafarmen en waterka - nonnen bestuurd (foto 12). Iedere graafarm wordt op basis van camerabeelden vanuit de werkkamer en actuele meetdata bestuurd. Dit laatste betreft onder andere informatie van de hydraulische aandrijving van de arm en pomp, een diepteprofiel van het gebag - gerde gebied en eigenschappen van de bag - gerspecie in de afvoerleiding, zoals debiet en dichtheid. De moderne caissonwerkers lopen dus nauwelijks meer in waad- of droogpakken, maar werken in makkelijke kleding als operator. Waterkanonnen? De toepassing van water- kanonnen om de grond onder het caisson los te spuiten, was de basistechniek bij de conventionele afzinkmethodiek. Om het gecontroleerd creëren van glijcirkels te ondersteunen en om ook buiten het bereik van de graafarmen te kunnen werken, zijn de kanonnen op afstand bestuurbaar gemaakt (foto 11a en 11b). De kanonnen worden verspreid over de oppervlakte van het caisson gemonteerd, HISTORIE Het pneumatisch afzinken van construc - ties is een oude techniek om onder (grond-) waterniveau een constructie te realiseren. Met de uitvinding van stoom- machines voor de aandrijving van pom- pen in de 18e eeuw, werd het in de mijnbouw mogelijk om mijngangen droog te houden, maar ook om met luchtdruk water te verdringen om zo dieper en met grotere veiligheid te kunnen delven. Deze toepassing van luchtoverdruk is in het midden van de 19e eeuw geadopteerd in de civiele techniek om constructies af te zinken. Door een luchtbel te creëren onder een gemetselde of stalen construc - tie en hier handmatig grond te ontgra- ven, konden nu brugpijlers in rivieren en zware funderingen tot grotere diepte worden gemaakt. In 1867 werd de tech- niek voor het eerst in Nederland toege- past bij de bouw van de Moerdijkspoor- brug. Daarna volgden vele projecten, zoals tunnelschachten, sluishoofden en grote kelderconstructies. Aanlegdieptes variëren daarbij van 8 tot 26 m onder de stijghoogte van het aanwezige omge- vingswater. CEMENT 3 2020 ?25 caisson dus bijna volledig gedragen door het 'luchtkussen' in de werkruimte onder het caisson. Dit resulteert bij toenemende diepte in steeds kleinere bermbreedten. Op eind- diepte is het echter gewenst om de snijran - den goed ingepakt in een steunberm achter te laten. Dit om een blow-in van water en grond tegen te gaan en te voorkomen dat het caisson nog nazakt. Om deze reden wordt minimaal de laatste meter van afzinken uitgevoerd door middel van het 'aflaten' van luchtdruk. Dit is het snel laten ontsnappen van lucht uit de werkruimte om in korte tijd de overdruk met enkele tienden bar te verlagen. Door de gereduceerde opwaartse druk neemt de afdracht van het eigen gewicht via de snij- randen toe. Dit leidt tot bezwijken van de grondbermen, waardoor het caisson zakt en de bermbreedte toeneemt. Dit wordt uitge- voerd in een aantal sessies van meerdere stappen met vooraf gedefinieerde maximale 11a 12 13 11a 11 Waterkanon (a) en graafarm (b) in actie in de werkkamer 12 Bedieningsunit met besturing van de graafarm en camerabeelden vanuit de werkkamer 13 Speciaal ontwikkelde slingerruitcamera 26? CEMENT 3 2020 zakking, torsie en scheefstand. Op deze wijze wordt het caisson op binnen de toleranties op einddiepte gepositioneerd (fig. 14).Na het bereiken van de vereiste diepte, zijn de graafarmen, waterkanonnen en ca - mera's uitgebouwd. Na het afblinden van de doorvoeringen is de werkkamer gevuld met beton. Het beton wordt via doorvoeringen in de vloer, gestort tegen de luchtdruk in de werkkamer in. In totaal is ongeveer 7000 m³ beton in ruim 48 uur gestort. Na het enig uitharden van het beton wordt gecontro- leerd of deze volledig aansluit op de onder- zijde van de vloer. Dat was bij beide caissons het geval, maar zo nodig kon er een injectie van grout worden uitgevoerd. Het materieel boven de werkkamer kon op dat moment worden gedemonteerd en hiermee was het pneumatisch afzinken succesvol voltooid. Innovatieve techniek Bij het gemechaniseerd pneumatisch afzin - ken van de deurkassen voor de Nieuwe Zee- sluis IJmuiden is aangetoond, dat met deze innovatieve techniek caissons van wereld - formaat veilig en binnen kleine toleranties kunnen worden afgezonken. Met het ont- wikkelde afzinkmaterieel zoals de graaf- armen, waterkanonnen en camera's kan op afstand worden ontgraven, waardoor de hoeveelheid werkzaamheden onder over- druk tot een minimum kunnen worden gereduceerd ten opzichte van de conventio- nele afzinktechniek. Dit biedt een verbeterd toekomstperspectief voor het pneumatisch afzinken als alternatief voor een traditionele bouwkuip. Het bouwen van constructies op maaiveldniveau biedt immers vele voorde- len en het installeren van diepe kerende constructie kent meerdere risico's. Dit geldt zeker in bebouwde omgeving of bij toene- mende diepte. De werkzaam­ heden onder overdruk kunnen tot een minimum worden gereduceerd Nieuwe Zeesluis IJmuiden (3) 14 14 Proces aflaten en positioneren caisson buitenhoofd CEMENT 3 2020 ?27