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. 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 (fig. 1). Uitgebreide inspecties lieten een schadebeeld van uitge- broken ankers, betonschade en naar binnen verplaatste Gina-profielen zien. Uit de schade- en belastinganalyse is de hypothese opgesteld dat de oorzaak lag in de jaarlijkse temperatuurvervormingen van de tunnelelementen en daardoor een cycli - sche verdichting van het zand in de buiten - zijde van de voeg. Dit verdichte zand blok - keert de vervorming van het Gina-profiel aan de buitenzijde van de voeg en leidt tot een verdubbeling van de vervorming aan de binnenzijde van de voeg. Dit leidt bij opspannen van het Gina-profiel tot een Zinkvoegen hersteld 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. Bij dit herstel zijn de Gina ­profielen teruggeduwd, is het beton constructief gerepareerd en is het Gina ­profiel gefixeerd. Renovatie metrotunnel Rotterdam (II): herpositioneren Gina-profiel, uit te voeren proeven en betonherstel PROJECTGEGEVENS project Renovatie zinkvoegen metrotunnel Rotterdam opdrachtgever RET opdrachtnemer Bouwcombinatie ZRL (Van Hattum en Blankevoort en BAM Infra) aannemer betonreparatie Tebecon b.v. contractvorm Bouwteamuitvoering 2015-2020 26? CEMENT 7 2020 1 AD MOLENDIJKProjectleider 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)auteurs 1 Geometrie zinkvoeg landtunnel met een Gina-profiel en een Omega-profiel verplaatsing van het Gina-profiel de tunnel in. Door dit proces is een, van het ontwerp afwijkende, belasting op de Gina-bevestigin - gen opgetreden, waardoor de capaciteit van de betonnen rand is overschreden. Dit alles maakte een uitvoerig herstel noodzakelijk. Herstel positie Gina-profielen Het beoogde herstel bestond uit betonrepa - ratie, fixatie van het Gina-profiel in de voeg en het herstel van het Omega-profiel. Op twee locaties was geconstateerd dat het Gina- profiel lokaal gedeeltelijk uit de voeg gedrukt was. Het opsluiten van het Gina-profiel in de voeg, zoals gewenst binnen de gekozen oplossing, was hier niet zonder meer moge- lijk. Om dit toch mogelijk te maken is gepro- beerd het profiel door middel van vijzelen terug te drukken in de voeg. Voeg W7W8? De eerste vijzellocatie was de wand van een van de voegen onder het Weena (voeg W7W8). In de onderste helft van de wand was het Gina-profiel op twee locaties naar binnen gekomen. Hierbij zijn een deel van de ankers van de Gina-bevesti - ging afgeschoven en heeft de klemstrip het rubber van het Omega-profiel geperforeerd (foto 2). Door het nu ontbreken van het Omega-profiel kon het vijzelframe direct op het Gina-profiel worden geplaatst. Ter hoogte van de bovenste uitstulping van het Gina-profiel is een stalen frame geplaatst. Dit frame is zodanig gerealiseerd dat bij het terugdrukken van het rubber profiel, het frame het profiel volgt waardoor het rubber continu wordt belast. Het vijzelframe is be- vestigd aan de omliggende Omega-ankers. Deze ankers (schotelankers) leverden de reactiekracht tijdens het vijzelen. Bij de eerste en tweede vijzelpoging was er nauwelijks enig resultaat zichtbaar. Voordat de derde poging werd ondernomen, is de ruimte achter het Gina-profiel vrijge- maakt, door het zand met water weg te spoelen. Hiertoe is met twee boorgaten, boven en onder de vijzelpositie, de ruimte achter het Gina-profiel aangeboord. De doorstroom van het water is geregeld met packers in de boorgaten. Een packer is holle buis in het boorgat, voorzien van een kraan - afsluiter, aan de buitenzijde omsloten met een rubber ring die door samenpersen de dichting tussen boorgat en holle buis ver- zorgt. Tijdens het spoelen werd begonnen met het vijzelen. Met deze oplossing lukte het wel het Gina-profiel terug te drukken in de voeg (foto 3a en 3b). Voeg B1B2? Ook bij een tweede voeg (voeg B1B2) in het dak boven spoor 2 was het Gina-profiel naar binnen gekomen. Om hier een vijzelactie te kunnen uitvoeren is een speciaal vijzelframe gemaakt dat op een platte wagen door de tunnel is getranspor- teerd (foto 4a). Bij het vijzelen was de CEMENT 7 2020 ?27 2 3a 3b belastbaarheid van de tunnel bepalend. De vijzelconstructie staat op de tunnelvloer en drukt tegen de dakvoeg. Hiervoor zijn con- troleberekeningen gemaakt, zodat tijdens het vijzelen de toelaatbare belastingen op vloer en dak niet werden overschreden. De maximaal toelaatbare verticale vijzelbelasting was 1350 kN. Deze kracht kon in diverse configuraties worden geleverd. Het vijzelframe was in de voegrichting voor- zien van een balk met 13 afzonderlijk aan te sturen vijzels (foto 5). Door te variëren in uitsturing van de verschillende vijzels met wisselende belasting, is het Gina-profiel teruggedrukt. Omdat de vijzelactie vóór het beton - herstel is uitgevoerd en omdat er aan een zijde betonschade aanwezig was, was er geen volledig tweezijdige opsluiting van het Gina-profiel (foto 6). Om beweging van het rubber in horizontale richting tijdens het vijzelen te voorkomen, is het rubberprofiel aan de zijde van de betonschade klemgezet door een zogenoemde vijzelsschoen (foto 4b). Door deze horizontale inklemming resteerde alleen de verticale bewegings richting. Voorafgaand aan het vijzelen is de ruimte direct achter het Gina-profiel, net als bij voeg W7W8, schoon gespoeld van zand. Doordat het grondwater lokaal onder het dakniveau stond en de voeg smal was (ca. 110 mm), bleef de leeggespoelde ruimte vrij van zand. Tijdens het vijzelen was door de spoelgaten het Gina-profiel zichtbaar. Het bereikte resultaat was ook hier het volledig terug vijzelen van het rubberprofiel in de voeg. Hiermee was de voeg klaar voor de opvolgende betonreparatie. Proeven zinkvoegen Uit Plaxis- en Abaqus-analyses is gebleken dat de krachtswerking in de zinkvoegen zeer gevoelig is voor variaties in materiaaleigen - 2 Gina-profiel uit wandvoeg 3 (a) Vijzelen en (b) eindpositie Gina-profiel wand W7W8 ARTIKELENSERIE Dit is het tweede deel in een serie van drie artikelen over de renovatie van de Metrotunnel in Rotterdam. Het eerste artikel (Cement 2019/8) ging in op het oorspronkelijk ontwerp, het schadebeeld, de mogelijke schadeoorzaken, de uitge- voerde analyse en mogelijke herstelmaatregelen. In dit tweede artikel wordt ingegaan op het terugduwen van het Gina-profiel, de proeven uitge- voerd op de ankers van de Gina- en Omega-profielen, het rubber van het Gina-profiel en op de betonreparatie. In het derde artikel komen aan bod: waterdichtheidsproef, de defini- tieve fixatie, de brandwerende bekleding en de monitoring. 28? CEMENT 7 2020 4a 4b 5 6 4 (a) Vijzelframe en (b) horizontale opsluiting t.b.v. vijzelen dakvoeg B1B2?5 Detail vijzelinstallatie dakvoeg B1B2 6 Impressie grillig verloop betonschade schappen. Hoewel vaak kon worden terug- gevallen op archiefgegevens bleken deze niet altijd eenduidig. Daarom is een aantal proe- ven uitgevoerd teneinde de actuele eigen- schappen te achterhalen. De proeven zijn ingedeeld naar functionaliteit en materiaal- soort. De proeven zijn deels gebruikt ter bevestiging of ontkrachting van de schade- hypothese en deels ter ondersteuning van het ontwerp en uitvoering van de definitieve fixatie van het Gina-profiel. Ankers? Zoals in het eerste artikel in deze serie al is beschreven, was in het schade- beeld sprake van uitgebroken of afgescho- ven Gina-ankers. De uitgebroken ankers initieerden de betonschade, met als vervolg het bezwijken van de Omega-ankers. Het afschuiven van de Gina-ankers leidde tot het loskomen van klemstrippen en ver- plaatsingen van het Gina-profiel zonder betonschade. Materiaalproeven op de Gina- ankers toonde een relatief hoge treksterkte en bros materiaalgedrag aan. De Omega-ankers zijn uitgevoerd in twee typen. Het eerste type betreft een inge- lijmd anker, het tweede type een ingestort schotelanker met schroefbus. Onderzoek toonde aan dat de verlijmde ankers door een korte verlijmingslengte en onvoldoende hechting van de lijm mogelijk niet meer in staat waren de op te nemen belastingen over te brengen naar de constructie. De ingestorte schotelankers met schroefbus zijn daar- CEMENT 7 2020 ?29 7a 7b 7 (a) Drukproef en (b) schuifproef (rechts ook vijzelschoen zichtbaar) entegen zeer robuust. Naar aanleiding van dit onderzoek zijn de verlijmde ankers op schadelocaties vervangen door nieuwe te verlijmen stekankers. Daarna zijn alle an- kers, nieuw en bestaand, beproefd op de ontwerpbelastingen vanuit het Omega- profiel en is dit in voorkomende gevallen gecombineerd met de fixatie van het Gina-profiel. Rubber Gina-profiel? Voor het rubber van het Gina-profiel zijn verschillende testen uitgevoerd (foto 7a en 7b): schuifproeven, om te onderzoeken welke kracht benodigd is om een verplaatst Gina-profiel te kunnen terugvijzelen; drukproeven, om te simuleren welke krachten op de Gina-bevestigingen optreden bij deels verhinderde vervorming door de steunrand; materiaalproeven op een doorsnede uit een Gina-profiel (afkomstig uit het gedeelte van de riviertunnel dat later is verbouwd tot metrostation Wilhelminaplein); waaruit on - der andere is gebleken dat de veroudering van het rubber slechts optreedt in de bui - tenste 10 mm van het Gina-profiel; materiaalproeven op diverse monsters uit verschillende Gina-profielen, om zo per voeg de rubberhardheid en daarmee de elastici - teitsmodulus te kunnen vaststellen. Met een holboor zijn cilindrische monsters uit de Gina-profielen geboord. Uit de proeven bleek dat de hardheid van de verschillende Gina-profielen varieert van 45-65 Shore A. Bij de schuif- en drukproeven is de vastge- stelde kwaliteit van de materialen (rubber, ankers, klemstrippen) zoveel mogelijk aan - gehouden, om een zo realistisch mogelijk beeld te krijgen. Uit de rekenkundige analyses, die zijn uit- gevoerd met ABAQUS en PLAXIS ten be- hoeve van de schadehypothese, is gebleken dat krachten op de Gina-profielverankerin - gen hoog kunnen oplopen. De elasticiteits- modulus van het rubber speelde daarbij een belangrijke rol. De variatie in hardheid betekende voor de E-modulus een factor 2 verschil. Daarmee is aan te tonen dat er grote krachten kunnen ontstaan die tot betonschade en bezwijken van ankers kan leiden en is de hypothese bevestigd. Het onderzoek geeft ook aan dat mag worden verondersteld dat voor de komende 50 jaar het Gina- en Omega-profiel in goede conditie zal blijven. Omdat de krachten hoog kunnen op- lopen, is als mitigerende maatregel besloten daar waar het Gina-profiel zwaar tegen de steunrand drukt, de aanwezige steunrand weg te gutsen. Deze werkmethode is gekozen om de onder spanning staande steunrand veilig te kunnen verwijderen. Dit is beproefd De Gina ­ profielen zijn met behulp van vijzelframes terug op hun plek gedrukt, waarbij eerst het zand direct achter het Gina ­profiel is weggespoeld 30? CEMENT 7 2020 8 voorkomen van een te grote persdruk met het risico op 'klappen' van de kist anderzijds.De proef leverde echter niet het ver- wachte resultaat. Problemen die naar voren kwamen waren onder andere luchtinsluitin - gen langs de bovenrand door een grillig ver- loop van bovenzijde beton (foto 6). Tevens bestond er twijfel over onvoldoende verdrin - gingen met als gevolg mogelijke luchtbellen langs het schuine oneffen schadevlak, waardoor onvoldoende hechtsterkte zou kunnen ontstaan. Door dit inzicht is de keuze voor de perskist heroverwogen en is uiteindelijk gekozen voor het spuiten van het beton. Eisen? Met de keuze voor de uitvoerings- methode, beton spuiten, is een overzicht gemaakt met specifieke eisen voor het ontwerp, spuitmortel en uitvoering. De belangrijkste waren: vereiste levensduur 50 jaar; constructieve reparatie in de categorie RS; strenge eisen qua vlakheid van de afwerking in verband met het aanbrengen rubberprofielen ten behoeve van water- dichtheid; niet meer beton saneren dan nodig; geen handmatige reparatie; reparatiemortel in één arbeidsgang aanbrengen; uitvoerbaar tijdens buitendienststellingen van 4 uur; mortel moet binnen enkele uren een significante sterkteontwikkeling hebben in verband met de positie boven de sporen buiten en in de tunnel, waarbij is aangetoond dat het een werkbare en arbotechnisch verantwoorde methode is. Proeven betonreparatie Gezien de complexiteit van de aard en locatie van de betonschade bleek een standaard aanpak voor betonreparatie niet toereikend en is er een traject van ontwikkeling en proeven gestart. Reparatiemethode? Allereerst is gekeken naar de reparatiemethode. Handmatig repareren was gezien de constructieve aard van de reparatie geen optie. In plaats daarvan is de afweging gemaakt tussen verpompen van de mortel in een perskist en het spuiten van de mortel. De keuze viel op verpompen omdat de verwachting was dat het spuiten van beton veel rebound en een grote kans op zand- en luchtinsluitin - gen zou geven, met nadelige effecten voor de kwaliteit. Ter voorbereiding op de uitvoering is een aantal pompproeven uitgevoerd, waar- bij de schade van de voeg werd gesimu - leerd en een bekisting met een perspex plaat is gemaakt, zodat het vullen van de kist zichtbaar was (foto 8). In de bodem van de perskist is een aansluiting voor de pompslang voorzien. Aan de bovenzijde van de kist zijn ontluchtingsmogelijkheden aangebracht. Aandachtspunten bij deze werkmetho- de waren voldoende vloeigedrag en een vol - doende afsluitende kist enerzijds en het Op basis van inzicht verkregen uit proeven, is gekozen voor het spuiten van beton in plaats van het toepassen van een perskist 8 Opstelling pompproef CEMENT 7 2020 ?31 9 10a 10b in combinatie met trillingen van de passerende metro's bij aanvang van de exploitatie. Onderzoek betonspuiten Na de keuze voor betonspuiten is onder- zocht of met spuiten van het beton wel een goede reparatie kon worden aangebracht. Tijdens dit onderzoek zijn alle aspecten van de reparatie aan bod gekomen, zoals: hecht- sterkte, mortelkeuze, verspuitbaarheid, sterkteontwikkeling, wapening, bekisting, holle ruimtes en afwerking. Totaal zijn acht mortels getest. Onderzoek mortel? Gestart is met onder- zoek naar een geschikte mortel. Hierbij is getest op verspuitbaarheid, afwerking en sterkteontwikkeling. Met name de vroege sterkteontwikkeling was lastig. Bij de start van de metro-exploitatie wil je enerzijds wat sterkte hebben om te voorkomen dat het gerepareerde naar beneden komt, maar anderzijds is de hoge verhardings- snelheid tegenstrijdig met het goed en bin - nen strenge eisen afwerken van de mortel in relatie tot de waterdichtheid. Te snel aantrekken betekent geen of slecht afwer- ken, te langzaam aantrekken betekent niet kunnen afwerken omdat dan de buiten - dienststelling voorbij is. In de proeven is gevarieerd met diverse mortels, consistenties, drukken en debieten van de spuitinstallatie en de wapeningcon - figuraties. Ter beoordeling van de sterkte- ontwikkeling van de mortel, zijn bij elke proef prisma's gespoten en is in het labo- ratorium getest op verschillende tijdstippen (1, 2, 3, 4 en 24 uur, 3 en 7 dagen) om zo de sterkteontwikkeling vast te stellen. De eerste spuitproeven zijn buiten de tunnel uitgevoerd (foto 9) en voldeden niet aan de verwachtingen. Na het boren van ker- nen en het doorzagen van de proefstukken werd geconstateerd dat er diverse holle ruim - tes in de reparatie aanwezig waren (foto 10a en 10b). Deze holle ruimtes concentreerden zich met name rondom de wapening, in het bijzonder de aangebrachte haarspelden. Ook bleek er in de eerste uren soms geen aantoonbare sterkteontwikkeling te zijn. Na het doorvoeren van de eerste ver- beteringen zijn ook in de tunnel spuitproe- ven op daartoe aangewezen proeflocaties uitgevoerd. In het vervolgtraject is gevari - eerd met onder andere de consistentie van de mortel en aanpassing in de wapenings- configuratie (vermindering schaduwwerking bij het betonspuiten), beide aanpassingen leidden tot duidelijk beter resultaat. Ook is getest met de spuitmethodiek, waarbij de invloed van de druk, het debiet 9 Impressie proefopstellingen buiten de tunnel 10 Aangetroffen holle ruimtes in proefstukken spuitbeton Bij het onder­ zoek naar een geschikte mortel bleek vooral de vroege sterkte­ ontwikkeling lastig 32? CEMENT 7 2020 bestaand beton gespoten beton 11 12 13a 13b 13c van de mortel en de werkvolgorde van het vullen en spuiten van de reparatie is onderzocht en verbeterd. De ervaringen leerden dat het goed verspuiten van beton voor een deel neerkomt op de ervaring en het gevoel van de spuiter, waarbij geldt 'oefening baart kunst'. De uiteindelijke proef in de tunnel, waarbij alle verbeteringen waren doorge- voerd, resulteerde in boorkernen zonder holle ruimtes, waaruit bleek dat alle aan - passingen die waren doorgevoerd het gewenste effect hadden bereikt (foto 11). Op basis van de resultaten van de spuitproef is het ontwerp aangepast en afgerond. In een aantal gevallen was het Gina-profiel dus- danig verschoven, dat er een risico bestond op het opnieuw afboeren van het gerepa - reerde beton. Ter beperking van dit risico zijn twee lagen teflon aangebracht tussen het beton en het Gina-profiel. Analoog aan opleggingen met een beperkte randafstand, is een ontwerp gemaakt waarbij door het toepassen van horizontale wapening in de vorm van haarspelden de randafstand mag worden geminimaliseerd (fig. 12). Onderzoek hechtsterkte? Parallel aan de spuitproeven zijn hechtsterktemetingen uitgevoerd. Hierbij werd onderscheid gemaakt tussen: metingen potentiële hechtsterkte (voor- afgaand aan de reparatie, foto 13a t/m c); controlemetingen na afloop van de reparatie. Beide type proeven zijn uitgevoerd op boorkernen. Initieel werd er conform CUR-Aanbeveling 118 een minimale hecht- sterkte van 1,8 N/mm² aangehouden. 11 Kern eindproef zonder holle ruimte?12?Principe doorsnede betonreparatie? 13 Impressie proefvlakken hechtsterktemetingen CEMENT 7 2020 ?33 15 14 Echter gedurende de voorbereidingen voor de eerste geplande reparatie bleek dat deze waarde niet werd gehaald. Analyse naar de oorzaak bracht aan het licht dat de wijze van saneren en voorbereiden van de ondergrond hier aan ten grondslag lag. De eerste voegen waren namelijk gesaneerd met een pneu- matische hamer, hetgeen tot schade in de ondergrond en substraten leidt. Er ontstaan micro-scheuren en kleine schilfers die een nadelige invloed hebben op de hechting. Omdat een aantal te repareren voegen in de tunnel inmiddels met een pneumatische ha - mer waren gesaneerd, was een behandeling van het oppervlak noodzakelijk ter verkrij- ging van een betere hechtsterkte. Het stralen met hogedruk waterstra - len (tot 2500 bar) was in verband met het gevaar van schade aan het rubber Gina- profiel niet toegestaan. Als alternatief zijn de betreffende voegen gestraald met olivine- zand. Dit bleek niet effectief te zijn. Uiteinde- lijk zijn de voegen met amaril of carborun - dum gestraald. De nog niet gesaneerde voegen zijn vervolgens met de hand gesa - neerd. Voorafgaand aan het betonspuiten zijn alle ondergronden, onafhankelijk van de saneringsmethode, gereinigd met water onder 'normale' hoge druk (tot 125 bar). Uiteindelijk is een projectspecifieke onder- grens voor de hechtsterkte bepaald van minimaal 0,5 MPa. Dit is relatief laag ten opzichte van het oorspronkelijke uitgangs- punt. Bij deze beoordeling is meegewogen dat er aanvullende voorzieningen in de vorm van wapening en ankers in het te repareren gedeelte aanwezig zijn en dat deze voor vol - doende integriteit zullen zorgen. Uitvoering Het aanbrengen en afwerken van de beton - reparatie was gezien de beperkte tijd in de nacht een kritisch aspect. Het proeftraject leerde dat, afhankelijk van de temperatuur en luchtvochtigheid, een minimale wacht- tijd van circa 1 ? 1,5 uur nodig was om de mortel voldoende te laten aantrekken voor- dat deze kon worden afgewerkt. Verder vereist de definitieve fixatie met afdichtrubbers een exceptioneel kleine tolerantie ten behoeve van de waterdicht- heid. De te behalen vlakheid bedroeg ± 1 mm over een lengte van 600 mm. Een eis die voortkwam uit de uitgevoerde water- dichtheidsproeven op het fixatieconcept (zie hiervoor artikel 3 in deze serie). Met bovenstaande als randvoorwaar- de, is er voor de werkzaamheden een kwar- tierplanning (fig. 14) opgesteld met diverse stoppunten. Indien niet aan de gestelde voorwaarden werd voldaan, werden de werkzaamheden geannuleerd en opnieuw ingepland. Daarmee werd voorkomen dat het werk niet goed kon worden afgerond en het opstarten van de metro-exploitatie in de ochtend in gevaar kwam. Voor de borging van de kwaliteit van de betonreparatie is elke voeg na elke reparatie 14 Kwartierplanning betonreparatie? 15 Afwerken betonoppervlak 34? CEMENT 7 2020 16 afzonderlijk afgenomen, waarbij specifiek gecontroleerd is op: vlakheid conform de opgestelde tolerantie-eisen; controle op hechtsterkte conform CUR-Aanbeveling 20. In alle gevallen werd qua hechtsterkte aan de projectspecifieke eis voldaan. Daar waar niet aan de vlakheid werd voldaan, is dit gecorrigeerd door middel van polijsten of het aanbrengen van een poetsmortel. Na vrijgave van de betonreparatie was de voeg gereed voor het aanbrengen van de defini - tieve fixatie. Leermomenten Het project heeft geleid tot diverse leermo- menten. Zo is duidelijk geworden dat voor een optimale hechting van spuitbeton hand - matige sanering noodzakelijk is. Dit ter voorkoming van microschilfers. Als de ge- stelde prestatie-eisen op de bovengrens van de mortelspecificaties liggen, is vooraf tes- ten aan te bevelen omdat de beschreven specificaties niet altijd realiseerbaar blijken. Op het moment van schrijven wordt de Omega-afdichting getest op waterdicht- heid door deze af te persen. Verder worden voorbereidingen getroffen voor het monte- ren van de monitoring voorzieningen. De definitieve fixatie met afdichtrubbers vereist een exceptioneel kleine tolerantie 16 Afgewerkt betonoppervlak CEMENT 7 2020 ?35