4 thema Tunneltechniek door de jaren heen Toelichting op ontwikkelingen afzinkmethode, in-situbouwmethode en boormethode De afzinktechniek komt in Nederland goed tot haar recht. Er zijn veel rivieren met een breedte van 600 tot 800 m, een maat die voor een boortunnel veel minder gunstig is. Ten opzichte van bruggen hebben tunnels als oeververbinding het grote voordeel van een zeer hoge beschikbaarheid. De eerste afgezonken tunnel in Nederland is de Maastunnel in Rotterdam, gebouwd in 1942. Er volgen er nog vele. In Baren- drecht wordt ten behoeve van de bouw van de Heinenoordtunnel (1969) een speciaal bouwdok voor tunnelelementen aangelegd. Hierin worden later ook elementen gebouwd voor onder andere de Willemspoortunnel, de Noordtunnel, de Wijkertunnel en de Tweede Beneluxtunnel. De techniek ontwikkelt zich in de loop der tijd verder, ook om langere, diepere en bredere tunnels mogelijk te maken. Denk bijvoorbeeld aan de 6 km lange Øresund Link tussen Kopenhagen en Malmö of de 18 km lange Femernbelttunnel tussen Duitsland en Denemarken. Ook op het gebied van opdrijven, transporteren, afzinken, onderstromen en voegen worden optimalisaties doorgevoerd. In-situmethode Ondertussen wordt ook de in-situ- ofwel cut-and-covermethode veel toegepast. Deze techniek is zeer geschikt voor landtunnels en toeritten, maar ook voor gesloten delen van tunnels onder waterwegen is de methode bruikbaar. In 1957 wordt de in-situ - Er zijn grofweg drie technieken te onderscheiden waarmee tunnels in Nederland worden gebouwd: de afzinkmethode, de in-situbouwmethode en de boormethode. Deze methoden zijn de afgelopen decennia flink verbeterd. Afzinkmethode Van oudsher is Nederland een 'afzinkland'. Onze civieltechnische ingenieurs hebben zich in de tweede helft van de vorige eeuw ontwikkeld tot wereldleider op het gebied van kennis van zink - tunnels. Daarbij is aanvankelijk dankbaar gebruikgemaakt van ervaringen bij onder meer de bouw van de Holland Tunnel in de Verenigde Staten en enkele tunnels in Antwerpen. Ook kan Nederland bogen op een hoog kennisniveau op het gebied van beton. Door de toenemende behoefte aan mobiliteit is in ons land de afgelopen 75 jaar een groot aantal tunnels gebouwd. En ook de komende jaren staan veel spraakmakende tunnelprojecten op stapel, niet alleen onder waterwegen maar ook onder land en zelfs bebouwing. De technieken die daarbij worden toegepast, hebben zich in die periode sterk ontwikkeld. De redactie van Cement stak haar licht op bij drie prominente tunneldeskundigen: Predrag Jovanovic, Frank Kaalberg en Bart Hendrix. Bronnen Dit artikel is tot stand gekomen dankzij inbreng van Predrag Jovanovic (Movares), Frank Kaalberg (Witteveen+Bos) en Bart Hendrix (Rijkswaterstaat). Tevens is dankbaar gebruikgemaakt van het boek 'Tunnels in Nederland ? een nieuwe generatie', een uitgave van Rijkswaterstaat. thema Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017 5 methode voor het eerst gebruikt, bij de bouw van de Velsertunnel onder het Noordzeekanaal. Ook deze techniek wordt in de loop der jaren verder ontwikkeld. Momenteel worden de nieuwste inzichten toegepast in bijvoorbeeld de Gaasperdammertunnel. Boormethode In de jaren negentig maken we ons ook de boortunneltechniek eigen. Aanvankelijk zijn deskundigen van mening dat deze techniek in Nederland vanwege de slappe bodem niet geschikt is. Maar onder leiding van de minister van Economische Zaken gaat er in 1991 een 'expertmissie' naar Japan om kennis te maken met de aanleg van boortunnels in vergelijkbare onder - grond. De overtuiging bestaat dat deze techniek goed van pas kan komen op plekken waar de afzink- of in-situmethode niet mogelijk zijn, bijvoorbeeld onder gebouwde omgeving. Dit leidt uiteindelijk tot twee pilotprojecten: de Tweede Heinenoord - tunnel en de Botlekspoortunnel. Deze tunnels worden gebouwd volgens in Duitsland gangbare ontwerpmethodieken. Maar eigenwijs als Nederlanders zijn, willen we niet blindvaren op kennis van derden. Daarom worden deze projecten gebruikt om eigen kennis en rekenmethodieken te ontwikkelen. Bijna heel bouwend Nederland is erbij betrokken. Het COB, opge - richt in 1994, speelt hierbij een prominente coördinerende rol. De ontwikkelde kennis wordt ingezet bij latere boortunnel- projecten als de Tunnel Pannerdenschkanaal, de Westerschelde - tunnel, de Groene-Harttunnel en de Noord-Zuidlijn. Die laatste twee trekken internationaal veel aandacht. De Groene-Hart - tunnel is destijds de tunnel met de grootste diameter ter wereld (15 m) en de Noord-Zuidlijn is de eerste tunnel onder stedelijk gebied op paalfunderingen in slappe grond. De boortechniek staat nog steeds niet stil, zeker internationaal. Boormachines worden groter (tot wel 20 m in diameter), er wordt geëxperimenteerd met afwijkende doorsneden en er zijn zelfs schachten die worden uitgevoerd door ze verticaal te boren. In Nederland zijn er momenteel twee boortunnelprojecten in uitvoering: de Rijnlandroute en de Rotterdamsebaan (de tunnelboormachines draaien hier nog niet). Gemeenten en provincies blijken ook steeds geïnteresseerder in deze techniek, vooral vanwege de beperkte overlast. Nederlanders over de hele wereld De kennis van tunnelbouw bij Nederlandse ingenieurs wordt over de hele wereld ingezet. Hierbij gaat het vooral om kennis van ontwerpen, ingezet in landen waar geen rijke tunnelcultuur bestaat. In de uitvoering van geboorde tunnels nemen Neder - landse aannemers echter niet echt een internationale positie in, behalve BAM dankzij de overname van het Duitse Wayss & Freytag. In Europa zijn het vooral Duitse, Franse en Oostenrijkse bouwers die de scepter zwaaien. In China doen bouwers ook steeds meer ervaring op. Het grote voordeel daar zijn de grote hoeveelheid tunnels en het aanwezige geld. Daardoor is het mogelijk kennis op te doen op basis van trial-and-error. Ook cultuur speelt onmiskenbaar een rol. De Nederlandse ingenieursmentaliteit is er meer een van eerst denken en dan doen. Alles moet hier vooraf tot in detail worden uitgedacht en alle risico's moeten vooraf worden geanalyseerd. Misschien wel om die reden worden Nederlandse ingenieurs nog altijd vaak betrokken bij internationale projecten, bij het ontwerp of als reviewer. Zo is TEC, een samenwerkingsverband tussen Witteveen + Bos en Royal HaskoningDHV, een internationale speler van formaat. 1 1 De Sluiskiltunnel, een boortunnel in de N62 onder het kanaal van Gent naar Terneuzenfoto: BAM Infra Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017 Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017 6 thema 2 Bouw van de Koning Willem-Alexandertunnel, de in-situlandtunnel in de A2 bij Maastrichtfoto Peter Wijnands, A2 Maastricht3 Renovatie van de Velsertunnel, waar uitgebreide aanpassingen aan de civiele constructie zijn uitgevoerd ten behoeve van veiligheidsvoorzieningen foto: Rijkswaterstaat 4 Veiligheidsconcept Nederlandse Tunnelsbron: Rijkswaterstaat Hinder en veiligheid Er komen de laatste jaren in Nederland veel tunnels bij. Een aantal tunnels is momenteel in uitvoering en er zijn diverse uitdagende projecten in voorbereiding (zie kader 'Actuele tunnel - projecten'). De technieken die voor deze tunnels worden toege - past, hebben zich ruimschoots bewezen. Een van de grote uitda - gingen ligt momenteel op het gebied van hinderbeperking. Het is belangrijker dan ooit dat het verkeer zijn doorgang kan vinden en ook aandacht voor omwonenden is van groot belang. Dat zijn dan ook de belangrijkste aandachtspunten van Rijkswaterstaat bij de uitvraag van projecten. Ook communicatie is essentieel. Op dat gebied hebben opdrachtgevers en bouwers de laatste jaren een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Een andere belangrijke uitdaging is veiligheid. De consequenties van incidenten zijn in tunnels veel ingrijpender dan elders en hulpdiensten kunnen minder snel ter plaatse komen. Enkele grote tunnelbranden eind vorige eeuw, onder meer in de Alpen, zijn voor het Europese Parlement reden om in een Europese tunnelrichtlijn strenge veiligheidseisen vast te leggen. De richt - lijn wordt in 2004 ingevoerd en verplicht alle EU-landen om tunnelveiligheid vast te leggen in nationale wet- en regelgeving. In Nederland wordt de Europese tunnelrichtlijn in 2006 omgezet in de 'Wet aanvullende regels veiligheid wegtunnels' (Warvw). Deze tunnelwet is per 1 juli 2013 gewijzigd. Verder voert Rijkswaterstaat in 2011 de Landelijke Tunnelstan - daard (LTS) in voor nieuwe tunnelprojecten. Hierin is vastgelegd hoe qua tunnelinstallaties, processen en procedures een aantoon - baar veilige, betrouwbare en werkende (Rijks)tunnel moet worden aangelegd, gebruikt of gerenoveerd. Deze standaard wordt continu up-to-date gehouden. Het grootste deel van het civieltechnische ontwerp van de tunnel is echter niet in de LTS, maar in het Handboek Tunnelbouw vastgelegd (zie artikel 'Kennisbeheer tunnels georganiseerd' elders in dit nummer). In de praktijk wordt de veiligheid in Nederlandse tunnels goed gewaarborgd, doordat altijd gescheiden rijbanen worden toege - past (éénrichtingverkeer in een verkeersbuis). Hierdoor komen frontale aanrijdingen niet voor. Daarnaast wordt in het geval van brand de rook van het incident weggeblazen door de ventilatie en staat er in principe niemand in de rook. Dit alles wordt onder- steund door de tunnelinstallaties en een veilige vluchtroute (fig. 4). Waterdichting De waterdichting van tunnels wordt in de loop der tijd sterk verbeterd. Hierdoor worden tunnels op grotere waterdiepten mogelijk. Enerzijds worden voegprofielen (Gina, Omega, W9U) ontwikkeld en anderzijds wordt daadwerkelijk waterdicht beton 2 3 7 en de Velsertunnel. Bij de Velsertunnel (foto 3) zijn uitgebreide aanpassingen aan de civiele constructie uitgevoerd ten behoeve van de aangepaste veiligheidsvoorzieningen. Zo is een deel van de stempelconstructie in de toeritten weggehaald ten behoeve van de nieuwe ventilatoren of vluchtruimten die zijn gemaakt in de vervallen (dwars)ventilatiekanalen. mogelijk. Dit laatste doordat scheurvorming beter wordt beheerst, onder meer dankzij koeling van het beton. Daardoor wordt het mogelijk waterdichte tunnels te bouwen zonder toepassing van een waterdicht membraan aan de buitenzijde van de tunnel. Betonkoeling wordt voor het eerst toegepast bij de Vlaketunnel. Renovatie Een aspect dat nu en in de toekomst steeds meer aandacht vraagt is renovatie. Want net als bruggen en viaducten, zijn ook veel tunnels aan onderhoud toe. Helemaal te vergelijken met bruggen is de problematiek voor tunnels echter niet. Zo zijn de belastingen niet of nauwelijks veranderd; de belastingen worden grotendeels opgelegd vanuit grond en water. Toch komt het bijvoorbeeld voor dat een vaarwegbeheerder het doorvaart - profiel wil verruimen, waarbij het dan belangrijk is dat het verticale evenwicht van de constructie is geborgd. Verder spelen vaarwegverbredingen en dijkverleggingen en -verhogingen qua belasting op de tunnel een grote rol. Maar vaker gaat het bij een tunnelrenovatie om de technische installaties en afbouw. Uiteraard speelt beton daar ook wel enige rol in; hoe moet de afbouw worden geïntegreerd in de constructie bijvoorbeeld. Bekende recente renovatieprojecten zijn de Eerste Coentunnel Fire engineering Het brandveilig maken van tunnels is een grote uitdaging. Om tot goede oplossingen te komen, kunnen brandadviseurs gebruikmaken van Performance Based Fire Engineering (PBFE). Het principe van PBFE is gebaseerd op fysieke testen en het uitvoeren van (computer)analyses om de effecten van een brand op de constructie vast te stellen. PBFE maakt onder andere gebruik van modellen voor vloeistofmechanica om de versprei - ding van rook te simuleren, het simuleert de evacuatie van mensen of voertuigen met gedragalgoritmes en het analyseert met EEM-analyses de effecten van de brand op de sterkte van de constructie. Meer over PBFE verschijnt binnenkort in een Cement -artikel, geschreven door twee fire engineers van het Nieuw-Zeelandse/Australische/Amerikaanse bureau Holmes Fire, onderdeel van Holmes Group. 4 1 VerkeerscentraleHoudt 24 uur per dag de verkeerssituatie in de gaten. Wat gebeurt er bij een brand in een tunnel? 6 Verkeerlichten gaan op rood. 7 Slagbomen gaan neer. 8 Ventilatie in nevenbuis in calamitei - tenstand zetten. 9 Contourverlichting en lichtbakken boven deur inschakelen. Vluchtinstructies afspelen via speakers. Vluchtinstructies uitzenden via autoradio. Hulpverleners rijden naar nevenbuis. 1 MTM-systeem detecteert snel - heidsverlaging door file. Borden gaan automatisch op 70 en 50 km/u. 2 Snelheidsonderschreidingssyteem geeft melding aan tunneloperator. Camera's tonen locatie van incident. Operator drukt op calamiteitenknop. 3 Tunnelventilatie in incidenten - buis gaat op 'hard blazen' en voert rook in rijrichting af. 4 Vluchtweg wordt in gereedheid gebracht: inschakelen overdrukven - tilatie en verlichting middentunnel. 5 Verlichting gaat maximaal branden. Hulpverleners betreden incidenten - buis via nevenbuis en gaan boven - strooms door veilige vluchtdeur voor nadere verkenning. Na hulpverlening en controle van installaties en constructie arriveren andere reparatiediensten voor reparaties, inspecties, etc. 10 11 12 13 14 Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017 8 5 Vervoer van een tunnelelement voor de Tweede Coentunnel, een zinktunnel onder het Noordzeekanaal in de A10foto: Rijkswaterstaat6 Elementen van de Tweede Coentunnel in het bouwdok in Barendrechtfoto: Aerophoto Schiphol, Rijkstwaterstaat7 Boormachine ( TBM) van de Sluiskiltunnel in Terneuzen Tunnelbouwmethoden Afzinkmethode Bij de afzinkmethode worden tunnelelemen - ten (bestaande uit meerdere tunnelmoten) in een bouwdok gebouwd (foto 6). Aan de kopse kanten worden de elementen voor - zien van tijdelijke waterdichte schotten en aan één zijde rondom voorzien van een voegprofiel. Ten behoeve van het transport worden de tunnelelementen voorgespannen zodat de mootvoegen niet open gaan staan. Vervolgens wordt het bouwdok vol water gezet waardoor de elementen gaan drijven. Vanuit het bouwdok worden de elementen met sleepboten getransporteerd naar de bouwlocatie van de tunnel (foto 5). Hier is in de waterweg een sleuf gebaggerd waarin de elementen één voor één worden afgezonken en vervolgens aan elkaar gekoppeld. Wanneer de elementen tegen elkaar aan liggen, wordt het water tussen de kopschotten weggepompt, waarna door de waterdruk tegen het andere eind van het element, de elementen tegen elkaar worden gedrukt. Als alle elementen nauwkeurig op hun plaats liggen, worden de tijdelijke kopschotten verwijderd, de zinkvoegen afgewerkt en wordt de zinksleuf afgedekt. In-situmethode De in-situbouwmethode, ook wel cut-and- covermethode genoemd, is een bouwme - thode waarbij de tunnel ter plaatse in een bouwput of -kuip wordt gebouwd. De werk - zaamheden vinden plaats vanaf het maaiveld of de bodem van de waterweg. Voor het kruisen van autowegen en waterwegen zijn bijzondere maatregelen noodzakelijk, zoals tijdelijke omlegging of (gedeeltelijke) afsluiting. Afhankelijk van onder meer de beschikbare ruimte en de inpassing in het landschap, kan worden gekozen voor een bouwkuip met rechte wanden (damwanden of diepwanden) of een bouwput met geleide - lijk aflopende taluds. Droge bouwmethode Bij de droge bouwmethode worden aller - eerst de wanden van de bouwkuip geplaatst, waarna de grond binnen de bouwkuip 'in den droge' wordt ontgraven. Indien nodig wordt de grondwaterstand door bemaling verlaagd tot onder de bodem van de bouwkuip of bouwput. Als onder- afsluiting van de bouwkuip of bouwput wordt gebruikgemaakt van een aanwezige kleilaag, van een folie of een injectie van slecht doorlatende stof in de bodem. Natte bouwmethode Ook bij de natte bouwmethode worden eerst de wanden van de bouwkuip geplaatst, maar wordt deze ontgraven terwijl de waterstand zo veel mogelijk gelijk blijft aan die in het omliggende gebied. Na ontgraving wordt onder water een fundering aangebracht en wordt met behulp van onderwaterbeton, bodeminjec - tie of een folie, een afsluitende bodem in de bouwput of -kuip gelegd. Na het leeg - pompen van de bouwkuip kan worden begonnen met de bouw van de constructie. Wanden-dakmethode In sommige gevallen ? zoals in stedelijke omgeving ? is het noodzakelijk dat de ruimte van de bouwkuipen slechts korte tijd onttrokken wordt aan de openbare ruimte. In dergelijke gevallen maakt men gebruik van de wanden-dakmethode. Hierbij wordt na het aanbrengen van de damwanden of diepwanden het dak van de tunnel aange - bracht. Daarna wordt de grond onder het dak ontgraven en wordt de tunnel verder afgebouwd. Boormethode Bij de boormethode wordt de tunnel onder - gronds gebouwd met behulp van een tunnelboormachine (TBM) (foto 7). TBM's heb je in allerlei soorten en maten. Het precieze ontwerp hangt af van het project (omgeving, grondsoort of diepte). In het voorste deel van de TBM wordt grond weggegraven met een graafwiel, waarbij verschillende typen snijraden kunnen worden gebruikt. Om te voorkomen dat het boorfront instort, wordt de graafkamer voortdurend onder druk gehouden. De ruimte wordt bijvoorbeeld gevuld met een steunvloeistof, meestal een mengsel van bentoniet en water. Tijdens het graven mengt de vloeistof met de afgegraven grond en deze mix wordt steeds afgevoerd naar een (bovengrondse) scheidingsinstallatie. Daar wordt het bentoniet gescheiden van de grond, zodat deze steunvloeistof meerdere malen kan worden gebruikt. Een alternatief op deze methode is toepassing van de zoge - noemde Earth Pressure Balance (EPB) shield- machines, waarbij de grond, eventueel geconditioneerd met additieven, als 'steun - vloeistof ' wordt gebruikt. Achter de boor worden prefabbetonnen tunnelelementen aangebracht die samen telkens een complete ring vormen, de lining. Tijdens het graven zet de TBM zich met de uitschuifbare cilinders af tegen de al gebouwde tunnelbuis. Zo graaft de boor zichzelf naar voren. Omdat de machine een grotere diameter uitgraaft dan de definitieve tunnelconstructie, ontstaat een tussenruimte tussen de grond - laag en de tunnelwand. Om te voorkomen dat de omringende grond zou inklinken, wordt deze tussenruimte gevuld met grout. De uitgeharde groutlaag vormt tevens een funderingsbed voor de tunnel. Om de stabiliteit van het boorfront te verzekeren, is het noodzakelijk dat de boor - machine op voldoende diepte in de grond haar activiteiten verricht. Als richtlijn wordt een gronddekking aangehouden die gelijk is aan 0,7 ? 1 maal de boordiameter. Dit betekent dat boortunnels over het algemeen langer moeten zijn dan zinktunnels of in-situtunnels in een vergelijkbaar tracé. thema Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017 9 Themanummer Cement Tunnelbouw is een onderwerp dat de civieltechnische wereld al decennialang bezighoudt. Nederlandse ingenieurs hebben zich op dit gebied altijd kunnen onderscheiden. Dat is mede te danken aan de uitdagingen die de Nederlandse overheid op de markt heeft durven zetten. Omdat wij in ons poldermodel gewend zijn oplossingsgericht te denken, is het vaak gelukt indrukwekkende en grensverleggende projecten te realiseren. Maar het is niet evident dat wij die leidende rol kunnen blijven vasthouden. Veel landen borduren voort op onze kennis en stellen meer geld be- schikbaar voor onderzoek. Bovendien hangt kennis ook vast aan mensen. Kennisborging is daarom essentieel. Hopelijk weet dit themanummer van Cement daar een steentje aan bij te dragen! ? Jacques Linssen Bij tunnelrenovaties (en bij werken aan de infrastructuur in het algemeen) wordt steeds meer het principe 'werken met de winkel open' gehanteerd. Het verkeer moet tijdens de werk - zaamheden zonder noemenswaardige hinder kunnen blijven doorrijden. Voor een tunnelrenovatie betekent dit nogal wat: er moeten soms ingrijpende civieltechnische werken worden uitgevoerd in een renovatie. Maar belangrijker nog is dat de tunnelveiligheidsinstallaties (deels) buiten werking zijn. Zonder die installaties kan een tunnel niet voor verkeer worden opengesteld. En aangezien een tunnel veelal een unieke oever - verbinding is in het netwerk, levert afsluiting enorme hinder op voor het verkeer. Bij recente grote renovaties als de Eerste Coentunnel en de Velsertunnel, was het grote voordeel dat er een tweede tunnel naast lag (resp. de Tweede Coentunnel en |de Wijkertunnel). Hierdoor bleef de hinder voor het verkeer beperkt. De tunnels die in het komende decennium op de planning staan voor renovatie hebben niet de luxe van een 'reserveverbinding'. De opgave wordt hierdoor des te complexer. Ook in dit leerproces speelt het COB een rol door partijen (nationaal en internationaal) bij elkaar te brengen en kennis te ontsluiten. Actuele tunnelprojecten Op Cementonline staat bij dit artikel een overzicht van actuele tunnelprojecten. 6 7 5 Tunneltechniek door de jaren heen 5 2017