vakblad over betonconstructies 8 2010 Noord/Zuidlijn goed op weg Cement & Beton Centrum organiseert in samenwerking met CROW het Symposium 'Nieuwe Fietspaden' Vrijdag 14 januari 2011 in Ahoy Rotterdam Over de functies van het nieuwe etspad, met bekendmaking van de winnaar Ideeënprijsvraag In de kiem gescoord - Nieuwe etspaden Meer informatie, inclusief programma www.cementenbeton.nl Nieuwe Fietspaden Idee ënprijsvraag 2010 Het CementEvent wordt georganiseerd door: Æneas Uitgeverij van vakinformatie en vakblad Cement Keynote spreker Kim Nielsen, 3XN, architect van het BIMHUIS op 12 april in Amsterdam Noteer alvast in uw agenda: 12 april 2011 CementEvent in het Bimhuis in Amsterdam met als keynote spreker Kim Herforth Nielsen, architect van het Bimhuis en oprichter van architectenbureau 3XN uit Denemarken. Op het programma staan verder bijdragen van een architect en een constructief ontwerper die hun ervaringen belichten over hun onderlinge samenwerking. Dit aan de hand van een spectaculair recent project. De middag eindigt met een forumdiscussie onder leiding van professor Cees Kleinman, hoofdredacteur van Cement . Doelgroep: Beslissers en medewerkers van constructie- en architectenbureaus, bouwbedrijven en toeleveranciers. Sponsors gezocht: Wilt u aanwezig zijn op deze unieke middag? We hebben een aantal interessante sponsorpakketten samengesteld in aller- lei prijsklassen, waarin u naast gratis deelnemerskaarten een hele advertentiepagina ontvangt en ook profteert van veel zichtbaarheid vooraf en tijdens het event. Neem voor meer informatie contact op met Mirjam Maat via events@aeneas.nl. 12 APRIL 2011 BIMHUIS AMSTERDAM Vanaf januari meer informatie en aanmelden op www.cementevent.nl inhoud 8 2 010 2 Inhoud 4 Een uniek project T Na veel vertraging is de Noord/Zuidlijn momenteel weer volop in uitvoering. 8 Boorproces goed op weg T Het boorproces wordt zodanig goed beheerst dat de invloed op de bebouwde omgeving beperkt is. 16 Omgeving vraagt om maatwerk T Amsterdam Centraal Station is bezig aan de grootste verbouwing in haar geschiedenis. 24 Hulpconstructies zijn obstakels T Na ruim een jaar van stilstand, kan nu eindelijk worden gestart met de definitieve beton­ constructie voor station Rokin. 30 Ontgraving onder hoge druk T Station Ceintuurbaan, het diepst gelegen station van de Noord/Zuidlijn, heeft een unieke bouwput. 38 Eerste toepassing RI ­palen T In de ontvangstschacht in Station RAI/Europaplein is gewapend onderwaterbeton toegepast. 42 Veelvlakkige portalen T Om schijnzekerheid te voorkomen is bij Station Buikslotermeerplein gekozen voor een onder ­ en bovengrensbenadering. 48 Herstel paaldraagvermogen T Verslag van het herstelproces voor de verzakking van zes panden aan de Vijzelgracht. 61 Sta pal achter de registerconstructeur Harry Zwiers schrijft in zijn vierde column over nut en noodzaak van het constructeursregister. 4­53 Noord/Zuidlijn goed op weg De Noord/Zuidlijn is veel in het nieuws, meestal dankzij vertragingen en kosten­ overschrijdingen. Maar met zijn diep­ gelegen stations en boor ­ en zinktunnels is het op technisch gebied een zeer bijzonder project. 54 Interview Frank Kaalberg Is hij een doorzetter of een drammer? Misschien is hij wel beide! Frank Kaalberg is één van die technici die het onder­ gronds bouwen in Nederland tot ver buiten ons land een gezicht hebben gegeven. 68 Provinsjehûs Fryslân Door een toename van het aantal medewerkers was er behoefte aan een nieuw gebouw voor het Provinciehuis Friesland. De aanwezige bebouwing in het historische centrum van Leeuwarden zorgde voor de nodige uitdagingen. 88 Boekbespreking 90 Berichten 93 Productinformatie 94 Summary 95 Cementonline 96 Servicepagina 96 Colofon 92 Cement Vacant Redactioneel 8 2 010 Inhoud 3 62 Duurzaamheid vraagt om concretisering Een kleine aanpassing in het bouwkundig ontwerp kan vaak al veel materiaal besparen. 64 Modern erfgoed Voor de Messel Groeve in Duitsland is een beton­ nen gebouw ontworpen dat de geschiedenis van de schaliegroeve weerspiegelt. 75 Oorzaken constructieve schade 151 schadegevallen zijn in het kader van een afstudeeronderzoek aan de TU Delft onderzocht. 80 De nieuwe constructeur (5) Onduidelijke informatie ­uitwisseling prefab kost irritatie, tijd en geld. 84 VARCE (1) Vragen en antwoorden over de Eurocode 2. Tunnelvisie? De Noord/Zuidlijn wordt door velen geas­ socieerd met vertragingen en kostenoverschrijdingen. Overigens: waarop de ramingen uit het verleden zijn gebaseerd vind je niet terug en of de uitgangspunten van toen nog wel opgaan?? Maar dat terzijde. Op technisch gebied is het even­ wel een bijzonder, uniek en zeker interessant project. Reden genoeg om eens uitgebreid stil te staan bij de stations en de tunnels. Na een algemene inleiding duiken we de boortunnel in. Het leven, de werkwijze en de invloed op de omgeving van de lief­ tallige boormachines Noortje en Gravin worden uitgebreid uit de doeken gedaan. Je zou er haast rode oortjes van krijgen! Hierna komen de stations Centaal station, Rokin, Ceintuurbaan, Vijzelgracht en RAI aan bod, met antwoord op vragen zoals 'Wat werd er in de ondergrond aangetroffen?', 'Hoe ziet het ontwerp eruit?', 'Hoe is de uitvoering?', 'Welke hulpconstructies zijn nodig om naar 32 m diepte te gaan?'. De uitgebreide toelichting vormt heerlijke winterse kost voor de inventieve constructeur. In deze donkere dagen voor Kerstmis wensen we niemand een tunnelvisie toe; reden genoeg om het heldere daglicht op te zoeken. Want ook boven de grond gebeurt er veel. Zo wordt bij station Buikslotermeerplein bovengronds gedragen door 28 betonnen portalen, waarbij gekozen is voor een onder ­ en bovengrensbenadering om schijnzekerheid uit te sluiten. De bankwereld zou er wat van kunnen leren! En het doet mij deugd aan te kunnen kondigen dat de rubriek VARCE is gestart. Interessante vragen over de Eurocode 2 wor­ den beantwoord door een werkgroep van de normcommissie TGB Betonconstructies. Hiermee wordt een oude traditie nieuw leven ingeblazen. Ik wens alle lezers met aanhang een fantastische roetjsch het nieuwe jaar in en hoop u het volgende jaar weer in goede gezondheid ergens te mogen begroeten. Cees Kleinman Voor reacties: c.kleinman@cementonline.nl Foto voorpagina: De oostelijke boortunnel in de Noord/Zuidlijnfoto: Gé Dubbelman / Hollandse Hoogte Extra artikelen online Vacuüm als constructief bindmiddel 'Ongebonden' granulaat biedt perspectief voor de maakbaarheid van 'vrije vormen'. Zie p. 87 thema Een uniek project 8 2 010 4 thema Een uniek project De Noord/Zuidlijn is een nieuwe metrolijn die Amsterdam-Noord verbindt met Amsterdam-Zuid. Na een lange politieke voorbereiding werd in april 2003 met de aanleg begonnen. Door diverse proble- men is het project veel in het nieuws geweest, vooral negatief. Dieptepunt was het stilleggen van een deel van de bouw tussen september 2008 en augustus 2009. Maar momenteel is de Noord/Zuidlijn weer volop in uitvoering. Het project blijkt nationaal én internationaal in veel opzichten uniek. Bij Noord/Zuidlijn is communicatie met buitenwereld van groot belang Een uniek project 5 1 Zinksleuf Amsterdam Centraal Stationfoto: Roevin2 Tracé Noord/Zuidlijn Medio 2008 raakte de bouw van de Noord/Zuidlijn in zwaar weer. Twee lekkages op de Vijzelgracht, gevolgd door verzak- kingen van enkele panden, maakten dat het werk aan de toekomstige stations Vijzelgracht en Rokin voor alle zekerheid werd stilgelegd. Dit had natuurlijk gevolgen voor de voortgang van het tunnelboren ? en uiteindelijk dus voor het totale project. Die donkere periode kort samengevat: de planning en financiën moesten ernstig worden bijgesteld en het imago leed zware schade. Een commissie onder leiding van oud-minister Cees Veerman onderzocht of de bouw verder moest gaan, en kwam op 4 juni 2009 tot het advies dat de Noord/Zuidlijn moest worden voltooid. In de moeilijke periode bleek pas goed hoe complex dit bouw- project in elkaar steekt. Niet alleen in technisch opzicht maar ook in organisatorisch opzicht was veel flexibiliteit nodig. Beves- tigd werd hoe belangrijk de buitenwereld is tijdens de voortgang van de bouw en welke rol communicatie hierin speelt. Mensenwerk Natuurlijk, de Noord/Zuidlijn wordt gemaakt uit staal, ijzer, steen en beton. Om ervoor te zorgen dat de stations, de tunnels, de rails en de systemen goed en veilig worden gebouwd, is er veel gerekend, getekend, ontworpen en onder- zocht. En na de tekentafel volgde de uitvoering met hoge kranen, grote machinerie en indrukwekkende boormachines. Toch komt het slagen of falen van dit project vooral neer op mensen. Mensen (bewoners en ondernemers) die worden geraakt door de impact en de langdurige overlast van de uitvoering. Mensen die het slalommen langs afzettingen en omleidingen zat zijn. Mensen die ongerust zijn over de risico's 1 ing. Jan Bijkerk 1) Dienst Noord/Zuidlijn 1) ing. Jan Bijkerk is Directeur Uitvoering van de Dienst Noord/Zuidlijn 2 Vervolg Cement 2004/2 stond ook al in het teken van de Noord/Zuidlijn. Dit nummer is te raadplegen op www.cementonline.nl . Een uniek project 8 2 010 6 thema 3 Twee reusachtige tunnel­ delen van de Noord/Zuid­ lijn komen onder het IJ en onder het Centraal Station te liggen. Ze zijn vanuit het bouwdok naast de Six­ haven over het IJ wegge­ sleept naar een tijdelijke 'parkeerplaats' in de Suez­ haven foto: Gé Dubbelman/ Hollandse Hoogte van de bouw voor hun stad. Maar ook mensen die met passie en vakmanschap werken aan het boren van de tunnels, de bouw van de stations. Én mensen die staan te popelen om straks in 16 minuten van Noord naar Zuid onder het centrum van Amsterdam te flitsen. Allemaal mensen die niet kunnen wachten totdat de Noord/Zuidlijn in gebruik wordt genomen, om welke reden dan ook. Draagvlak Als de Noord/Zuidlijn geen draagvlak heeft, leveren alle inspanningen nooit een werkend vervoerssysteem op. We hebben gemerkt dat je, als je het zorgvuldig aanpakt, wel dege- lijk invloed kunt uitoefenen op dat draagvlak, door open en eerlijk te zijn. De huidige stand van zaken ? Buikslotermeerplein Het station is in ruwbouw gereed. ? Johan van Hasseltweg In ruwbouw gereed. ? Amsterdam Centraal Station De zinksleuf onder het station wordt uitge- baggerd, vervolgens wordt het betonwerk aan de De Ruyterkade afgemaakt en kan het tunnelelement worden ingevaren (naar verwachting 1e helft 2011). Als dit volledig is afgezonken, zijn de andere tunneldelen in het IJ aan de beurt. ? Voorplein Centraal Station De vloer is gestort (6000 m 3 beton) en de wand met de middendiepe put, waar de verbinding met de Oostlijn komt, is doorge- broken. Momenteel worden de betonnen voorzetwanden tegen de diepwanden aan gemaakt. ? Boortunnel De oostelijke en westelijke buis tussen Damrak en Rokin zijn geboord. Tunnelboor- machines Gravin en Noortje zijn geparkeerd tegen station Rokin aan. ? Station Rokin Uitgegraven tot 24 m diepte. Naar verwach- ting zal in november de laatste grond worden weggehaald. ? Station Vijzelgracht Uitgegraven tot bijna 22 m. Eerste stuk (van 11) van het perrondak is aangebracht. In totaal moet een diepte van 32 m worden bereikt. De laatste 7 m graafwerk gebeurt onder verhoogde luchtdruk om opbarsten van de bodem te voorkomen. ? Station Ceintuurbaan Onderste vloer is gestort. Station is in casco gereed. Afmaken ruwbouw (voorzetwanden) is gestart. ? Startschacht Scheldeplein De ombouw tot het nieuwe vertrekpunt van de boormachines vanaf Zuid is in volle gang. ? Station Europaplein In ruwbouw gereed. ? Tunnel onder A10 Ruwbouw in afrondende fase. ? Station Zuid Hier sluit de Noord/Zuidlijn straks op aan, hier ligt tot nu toe het enige stukje rails van de Noord/Zuidlijn. Momenteel wordt het viaduct over de Beethovenstraat gebouwd. 3 4 Een uniek project 8 2 010 7 4 Er is veel animo voor rondleidingen, georganiseerd voor particulieren, bedrijven en scholen. Op de foto een bezoek aan boormachine Noortje foto: Gé Dubbelman/Hollandse Hoogte5 Inhijsen van vier dakliggers op Station Zuid foto: Liesbeth Dingemans contact hebben met deze bewoners, hebben goed werk verricht. En de mensen die langs de bouwputten wonen, denken actief mee. Ze komen vaak met uitstekende oplossingen voor proble- men. Ook richting pers nemen we tegenwoordig zelf het initia- tief, en wachten niet langer af totdat ons iets wordt gevraagd. Een inspanning die ons veel positieve free publicity oplevert. Trots Anno 2010 is de Noord/Zuidlijn gelukkig weer volop in uitvoe- ring. In Noord en Zuid is de ruwbouw grotendeels klaar. Het graven in de stations Rokin en Vijzelgracht is weer hervat, in het diepste station Ceintuurbaan zijn zelfs alle vloeren al gestort. Hier is onder verhoogde luchtdruk gegraven ? een techniek die gedeeltelijk ook in de Vijzelgracht wordt ingezet. En dan hebben we natuurlijk de eerste twee tunnelbuizen met succes geboord, van de startschacht in het Damrak tot aan het Rokin. Intussen zijn wij ons er terdege van bewust dat we bouwpresta- ties leveren die voor Nederland, en soms zelfs wereldwijd, uniek zijn. Deze inleiding op een speciaal themanummer over alle facetten van de Noord/Zuidlijn, heb ik dan ook met gepaste trots geschreven. ? Twee voorbeelden: ? We laten de bouw ondergronds van dichtbij bekijken via het Uitkijkpunt op het Rokin en in de startschacht op het Damrak. ? Er worden verschillende rondleidingen georganiseerd, voor zowel particulieren als bedrijven en scholen. Hiervoor is veel animo (foto 4). Het project blijkt de mensen te interesseren: het informatiecen- trum ontving dit jaar de 250 000e bezoeker. Maar het vertrou- wen, dát moet wel dagelijks worden verdiend! Een andere belangrijke partij zijn de stakeholders: de politiek, de fysieke omgeving, waterschappen, noem maar op. Één van de belangrijkste aanbevelingen van de Commissie Veerman luidde dan ook dat de omgevingscommunicatie sterk moest worden verbeterd: betrek de omgeving bij de bouw, vertel eerlijk en open wat er aan de hand is, inclusief de mogelijke risico's. Daar heeft de organisatie flink in geïnvesteerd. Dat we uiteindelijk de omwonenden mee hebben gekregen, is gewel- dig. De contractmanagers en projectbegeleiders die direct Tabel 1 Betrokken partijen Noord/Zuidlijn organisatie betrokkenheid Gemeente Amsterdam, Dienst Noord/Zuidlijn opdrachtgever van de NZ ­lijn; het management, con­ tractmanagement, toezicht en communicatie Adviesbureau Noord/Zuidlijn v.o.f. ( Witteveen+Bos en Royal Haskoning) ontwerp van o.a. boortunnel onder binnenstad, diepe stations, voorplein CS, station Europaplein, zinktunnel en caissons en het monitoringsysteem Ingenieursbureau Amsterdam (IBA) tijdelijke maatregelen rond aanleg; ontwerp van stations in Noord en de aansluiting op station WTC in Zuid Saturn (Dura Vermeer en Züblin) bouw boortunnels en mitigerende maatregelen Herrenknecht leverancier tunnelboormachines, procescontrole tunnel­ boren Strukton Betonbouw bouw metrostation CS (samen met aannemer Van Oord ACZ) en afzinken tunnel elementen Heijmans Beton ­ en Waterbouw bouw Nieuwe Brug bij het Damrak (brug 303) en de drie caissons tussen station CS en het Damrak; bouw tunneldelen tunnel onder het IJ (samen met Strukton) Max Bögl bouw drie diepe stations: Rokin, Vijzelgracht en Ceintuurbaan Nelis Infra tijdelijke maatregelen op het Rokin ProRail medeopdrachtgever voor bouwdeel onder NS ­station CS; zorgt voor publieksvoorlichting rond CS en voor (her)inrichting van centrale hal van het station Sol Data en Grontmij ontwikkeling en installatie monitoringsysteem voor beheersing van risico's door registreren van alle bewe­gingen in grond, funderingen en bebouwing Van Hattum en Blankevoort bouwen eindschacht van de tunnelboormachine op het Scheldeplein en het station Europaplein met aanliggen­de tunnelconstructies Vobi bouw doorkruising van de Noord/Zuidlijn met A10 Zuid (in combinatie met aannemers Dekker en Van der Horst) MNO Vervat aanleg tunnel langs Noord ­Hollands kanaal Ballast Nedam Infra Noord West bouw station Johan van Hasseltweg en de Nieuwe Leeuwarderweg BAM Civiel bouw station Buikslotermeerplein B.V. Aannemingsmaatschappij J. Seignette tijdelijke maatregelen 5 thema Boorproces goed op weg 8 2 010 8 thema Boorproces goed op weg Voor de Noord/Zuidlijn in Amsterdam worden tussen de noordelijke startschacht aan het Damrak en de zuidelijke schacht aan het Scheldeplein twee boor- tunnels gerealiseerd. De totale lengte bedraagt 3,1 km (3,8 km inclusief stations). Het boorpro- ces is in het vroege voorjaar van 2010 begonnen. Met een voort- gang, die kan oplopen tot 20 m per dag, verloopt het boorproces tot nu toe zeer voorspoedig. Het proces wordt zodanig goed beheerst dat de invloed op de bebouwde omgeving beperkt is. Boortunnels Noord/Zuidlijn: van vernieuwend ontwerp naar succesvolle uitvoering Boorproces goed op weg 8 2 010 9 1 De oostelijke boortunnelfoto: Gé Dubbelman / Hollandse Hoogte Op 25 maart 2010 is vanaf de startschacht aan het Natte Damrak het boorproces gestart. Tunnelboormachine (TBM) Noortje heeft in een tijdsbestek van 14 weken de eerste 730 m van het oostelijke boortunneltracé tussen startschacht en station Rokin succesvol geboord. Op 16 augustus 2010 is de tweede tunnelboormachine Gravin vanuit de startschacht gestart met het boren van de weste- lijke tunnelbuis. Deze machine en heeft in een tijdsbestek van 11 weken op 29 oktober 2010 station Rokin bereikt. Door de gerealiseerde droge, vlakke en gave tunnelwand van de tot nu toe geboorde tunneldelen mogen deze tot één van de kwalitatief hoogwaardigste tunnels in Nederland worden gerekend. Tunnelontwerp De boortunnels hebben een uitwendige diameter van 6,52 m en worden ter plaatse van het Beursplein, Muntplein en de Vijzel- straat onderling verbonden met dwarsverbindingen. Deze worden met de beproefde vriesmethode gebouwd. Deze vries- methode wordt ook toegepast ter plaatse van drie nooduitgan- gen, waarbij een verbinding tussen de boortunnel en een vlucht- schacht wordt gemaakt. De boortunnels zijn gesitueerd op een diepte tussen de 20 en 30 m onder NAP en bevinden zich goed- deels in de tweede zandlaag of, zoals onder de Vijzelstraat, in de diep gelegen Eemklei (fig. 2). De boortunnels volgen met uitzondering van een beperkt tracégedeelte onder de Amster- damse Pijp het bestaande stratenpatroon. In de smalle Ferdi- nand Bolstraat zijn ze hiertoe boven elkaar gesitueerd. De geboorde tunnels bestaan uit een 35 cm dikke gesegmen- teerde prefab betonnen lining (sterkteklasse C45/55) met een ringbreedte van 1,5 m. De lining is opgebouwd uit vijf segmen- ten en een halfgrote sluitsteen (5 + ½ ringdeling). Ten behoeve van een eenvoudige en nauwkeurige ringbouw zijn de langs- voegen voorzien van guiding rods (foto 3). Ze bevatten, behou- dens de langsvoegen van de sluitsteen, géén boutverbindingen. De ringvoeg wordt gekenmerkt door elf compacte oplegvlak- ken. In het hart van deze oplegvlakken bevindt zich een na-injecteerbare constructieve kom-nokverbinding. Niet alleen de na-injectie, ook de compacte vormgeving en wapening van kom en nok is vernieuwend. Later in dit artikel wordt nader op deze verbinding ingegaan. De gekozen ringdeling op basis van een halfgrote sluitsteen is in meer tunnelprojecten toegepast, waaronder in de Hubertustun- nel in Den Haag. Deze deling komt voort uit de ontwerpoverwe- ging de segmenten statisch bepaald in het ringvoegvlak op te leggen ter plaatse van de vierendeelpunten van het segment. Die punten vormen tevens de aangrijpingspunten van de TBM- vijzels. Montagespanningen in de segmenten worden met het gekozen statisch bepaalde systeem zoveel mogelijk beperkt. Hiertoe zijn de oplegvlakken tevens zo compact mogelijk ontworpen en voorzien van een achterliggende geconcentreerde splijtwapening. Door toepassing van guiding rods in de langsvoe- Boorproces goed op weg 1 ir. nikolaas van empel, ir. frank Kaalberg, ir. frank Haring Adviesbureau Noord/Zuidlijn / Witteveen+Bos thema Boorproces goed op weg 8 2 010 10 2 Het boortunneltracé: de boortunnels bevinden zich goeddeels in de twee- de zandlaag of in de diep gelegen Eemklei 3 Segmenten opgelagen op het tasveld 4 Situatie in Vijzelstraat (tunnel in Eemklei en belast door grond- en fun- deringsdrukken) 5 Faalboom gesegmen teerde boortun- nel en alter nerende krachts afdracht in twee naburige tunnelringen 6 Dwarsdoorsnede conventionele nok - verbinding met aanwezige tolerantie 7 Ringstijfheid versus afschuiving nok - verbinding De gevolgen van de combinatie van verhoogde en asymmetri - sche gronddruk ten gevolge van funderingslasten en een bedding van de tunnel in de elatief zachte Eemklei zijn met behulp van geavanceerde grond-constructie-interactieberekeningen in DIANA doorgerekend. Dat geldt ook voor de overige tunnelsec - ties. Hierbij is de grond als continuüm gemodelleerd op basis van het in DIANA beschikbare Modified Mohr Coulombmodel dat vergelijkbaar is met het PLAXIS Hardening Soilmodel. De gewapend-betonnen segmenten zijn in het DIANA-model gemodelleerd als fysisch niet-lineaire, gewapende gekromde schalen. Tevens is het niet-lineaire gedrag van langsvoegen en ringvoeg (tijdelijke wrijvingskoppeling door oplegvlakken vijzels en permanente koppeling ter plaatse van nokken) op realistische wijze in het model opgenomen. Hiermee wordt de krachtsafdracht binnen de tunnelconstructie realistisch bepaald. De uitgevoerde berekeningen toonden aan dat op een aantal tunnelsecties een constructieve koppeling van de tunnelringen noodzakelijk was. Uit de berekeningen bleek tevens dat voor de westelijke tunnelbuis in de Vijzelstraat en de tunnelsectie onder de al gepasseerde kademuur aan het Natte Damrak (funderings - lasten kademuur) zwaarder gewapende segmenten nodig waren. Toch is aangetoond dat voor het gehele boortunneltracé een tunnel op basis van conventionele gewapend-betonnen segmen - ten mogelijk is. Voorwaarde hiervoor is echter wel dat de stabili - serende werking van de nokken ook daadwerkelijk door het gekozen nokontwerp wordt bewerkstelligd. In [1] is uitvoerig aangetoond dat om de draagcapaciteit van een gesegmenteerde boortunnel te maximaliseren en de aanwezige wapening daadwerkelijk en volledig te benutten, niet alleen eisen moeten worden gesteld aan de werking maar tevens aan de draag - kracht van de nokken. Figuur 5 toont hoe de draagcapaciteit van de gesegmenteerde boortunnel wordt bepaald door het samenspel van gewapende segmenten en langs- en ringvoegen. De kernge - dachte bij dit samenspel is dat de zwakste schakels in de tunnel, gevormd door de koud op elkaar geplaatste langsvoegen (A) en de aangrenzende gewapend-betonnen segmentvelden (B), een parallel draagsysteem kunnen vormen. Dit draagsysteem, met een totale draagcapaciteit Mu = Mu,A + Mu,B, kan alleen ontstaan als een koppeling in de ringvoeg (C/D) is geborgd. Deze koppeling gen wordt een nauwkeurige segmentplaatsing bewerkstelligd. Ook hierdoor worden montagespanningen beperkt en wordt de kans op montageschade geminimaliseerd. Ook de grotendeelse omissie van boutpockets ter plaatse van de langsvoegen heeft als doel scheurinitiatie en scheurvorming tijdens montage te voorko - men. De kerngedachte achter het ontwerp is dus een conditione - ring van krachtswerking (beheersing grootte en locatie contact - spanningen) ten gevolge van ringbouw door a) statisch bepaalde axiale afdracht van vijzelkrachten in compact uitgemeten en gewapende zones, b) voorkomen van scheurinitiatie door omissie van boutpockets en c) voorkomen van montagespanningen door accommoderen van een nauwkeurige segmentplaatsing met guiding rods. Niet-lineaire berekeningen Bij de Vijzelstraat, waar de tunnel zich in de Eemklei bevindt, staan vooral aan de westzijde grote gebouwen met een substanti - ele massa. Deze gebouwen zijn op de eerste en tweede zandlaag gefundeerd (fig. 4). Kenmerkend is bijvoorbeeld het monumen - tale Stadsarchief van Amsterdam (gebouw de Bazel), dat is gefun - deerd op de eerste zandlaag. Door de ligging van de tunnel ten opzichte van de aanwezige bebouwing worden funderingslasten van deze bebouwing gedeeltelijk afgedragen op de tunnel. 2 3 stationEuropaplein stationCeintuurbaan stationVijzelgracht stationRokin stationCS BS. = -8.000 BS. = -17.500 BS. = -19.000 BS. = -32.000 BS. = -26.500 BS. = -26.000 BS. = -21.500 BS. = -15.200 Eemklei Eemklei 3e zandlaag zandlaag 2e zandlaag 1e zandlaag Laag van Harting BS. = -32.000 BS. = -32.600 BS. = -25.124 Boorproces goed op weg 8 2 010 11 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 conventione le toler antiem aat (5 mm ) toler antie w resterende ringstijfheid (%) radiale ver schilverpl aatsing w (mm) Komt nog vervanging voor A B A B C D D C bezwijken tunnel bezwijken langsvoeg (A) géén koppeling ringvoeg (C/D) bezwijken segmentveld (B) afschuiven voegplaten (C) bezwijken nokken (D) OF OF A A B C D C D C D B snedekrachten snedekrachten A B C D u A M C/D F M B tolerantie brugd voordat de nokverbinding aanslaat en er zich stabilise - rende koppelkrachten in de verbinding opbouwen. De koppe - lende werking treedt bij bovengenoemde tolerantiemaat zodanig laat in dat de tunnelring op dat moment al in vergevorderde staat van vervorming of ovalisatie is. In figuur 7 zijn de stijfheid (weerstand tegen ovaliserende belasting) van de tunnelring en de afschuiving van de ringvoeg ter plaatse van de nokverbinding, tegenover elkaar uitgezet. De ringstijfheid neemt ten gevolge van voortgaande openstand van de langsvoegen bij toenemende vervorming van de tunnelring scherp af en is nagenoeg nihil op het moment dat een afschuiving van 5 mm ter plaatse van de nokverbinding wordt bereikt. Dit impliceert feitelijk dat de tunnelring een zeer grote vervorming heeft ondergaan en bezwe - ken is, alvorens de nokverbindingen aanslaan. De nokken funge - ren derhalve als een 'noodrem', die pas na verregaande vervor - ming van de tunnelring in werking treedt. zorgt ervoor dat bij een toenemend buigend moment en uiteinde - lijke gaping in de langsvoeg (A) ringkrachten naar het naburige sterkere en stijvere segmentveld (B) worden omgeleid. De sterkte Fu,C/D en karakteristiek KC/D van de koppeling moeten hierbij zodanig zijn dat bij toenemende belasting op de tunnel het bezwijkmoment Mu,A van het gewapend-betonnen segmentveld wordt benut, vóórdat de koppeling bezwijkt en het parallelle draagsysteem wordt ontkoppeld en de tunnelring bezwijkt. De ambitie om de maximale draagkracht uit een gewapend-beton - nen boortunnel te halen door de aanwezige segmentwapening volledig te benutten, stelt dus eisen aan de werking en minimale draagkracht van de koppeling. Deze ambitie was mede aanleiding om aan het begin van het ontwerpproces de daadwerkelijke werking van gangbare nokontwerpen te evalueren en te optimali - seren, niet alleen qua gedrag maar tevens qua sterkte. Evaluatie bestaande nokverbindingen Met behulp van constructieve nokken worden de in halfsteens- verband geplaatste tunnelringen gestabiliseerd en de draagca- paciteit ervan aanmerkelijk verhoogd ten opzichte van een ongekoppelde, zelfdragende gesegmenteerde tunnelring. In boortunnels worden nokverbindingen, naast overige ontwerp - oplossingen als de vlakke of verdeuvelde voeg (bicones), sinds jaar en dag met wisselend succes (schades aan nokverbinding) toegepast. Ze beogen naast stabilisatie veelal ook het uitlijnen van de segmenten tijdens ringbouw te vereenvoudigen. Ten behoeve van deze ringbouw en ter overbrugging van de hierbij optredende plaatsingstoleranties van de segmenten en tunnel- ringen, worden de nokverbindingen in de regel zodanig ontworpen dat er een speling tussen de 5 en 10 mm tussen de kom en nok aanwezig is (fig. 6). Door deze toegepaste speling wordt echter de beoogde construc - tieve werking van de nokverbinding ondermijnd. Immers eerst moet de aanwezige speling tussen kom en nok worden over - 4 5 6 7 thema Boorproces goed op weg 12 1. montage 3a. nok ? 2. injectie 1. montage 3. nok gea ctiveerd actieve nok ? niet actieve nok actieve nok ! niet actieve nok b) N oord/Zuidl ijnnokontwerp a) conventioneel nokontwerp De onzekere en willekeurige overdracht van koppelkrachten en hiermee het willekeurige statische systeem van de tunnel, wordt in de klassieke statische ontwerpberekeningen van een tunnel- constructie meestal niet in rekening gebracht; deze berekenin- gen gaan veelal onterecht uit van acuut aanslaande koppelingen in het gehele ringvoegvlak. Nokverbinding op basis van na-injectie Naar aanleiding van bovengenoemde bevindingen is een nokontwerp ontwikkeld, waarmee de hiervoor beschreven negatieve invloed van de luchtmaat in de nokverbinding wordt ondervangen. Na afweging van een aantal alternatieven, is er uiteindelijk voor gekozen een nokontwerp uit te werken op basis van opvulling van de aanwezige luchtmaat met een verhardend injectiemateriaal, enige tijd na ringbouw. De lucht- maat is daardoor alleen ten behoeve van een conventionele en probleemloze ringbouw aanwezig en wordt, nadat het deze functie heeft vervuld, opgevuld om het langetermijn statische systeem van de boortunnel te optimaliseren. Op korte en middellange termijn na realisatie van de tunnel worden de tunnelringen door wrijving gestabiliseerd in het ringvoegvlak, dat onder voorspanning staat ten gevolge van de afzetkrachten van de TBM. Met deze voorspanning kan, ten gevolge van relaxatie en degradatie van de voegmaterialen in de ringvoegen, echter alleen tijdens de korte en middellange termijn worden gerekend. De nokverbindingen hebben in deze periode geen constructieve functie en dienen alleen als monta- gegeleiding van de segmenten tijdens ringbouw. Figuur 9 toont een vergelijking tussen het conventionele nokontwerp en het ontwerp op basis van na-injectie. Daar waar de krachtoverdracht door de nokverbinding in het conventio- nele ongeval ongewis en onbeheersbaar is, wordt in het geval van het Noord/Zuidlijnontwerp door de opvulling van de luchtmaat iedere nokverbinding geactiveerd met de navolgende positieve consequenties: 1 De stabiliserende werking van de koppelingen is voor iedere koppeling instantaan (koppeling slaat direct aan bij afschui- Vanaf het moment dat een nokverbinding (veelal met bitumi- neus kaubit ingelegd) aanslaat nemen koppelkrachten ten gevolge van de nagenoeg bezweken tunnelring zodanig sterk en ongecontroleerd toe, dat het de vraag is of deze nokverbinding dergelijke krachten überhaupt op kan nemen. Hier komt bij dat voor een gegeven ingebouwde tunnelring de daadwerkelijk geëffectueerde speling voor elk van de in de ringvoeg aanwe- zige nokverbindingen onbekend is. Bij een plaatsingstolerantie van bijvoorbeeld +/- 5 mm is het denkbaar dat één of meer nokverbindingen al contact maken, terwijl overige nokverbin- dingen nog een luchtmaat van 10 mm af te schuiven hebben alvorens krachten in de betreffende nokverbindingen worden opgebouwd. Het statische systeem van een dergelijke tunnelring is derhalve ongedefinieerd. Nokverbindingen die toevalligerwijs aanslaan moeten een koppelkracht overdragen die door het uitblijven van de koppelende werking van de overige nokverbindingen in de ringvoeg onbeheersbaar groot kan worden. Dit kan tot breuk van de betreffende nokverbinding leiden. Afhankelijk van het gekozen materiaal in de oplegvlakken van de ringvoeg (zoals bitumineus kaubit of hardboard platen) kan dit schade- mechanisme op korte termijn (kaubit) dan wel langere termijn (hardboard) optreden. 8 9b 9a ontluchting balgvormig kussen elastisch materiaal injectiekanaal injectie Boorproces goed op weg 8 2 010 13 kaubit strippen wapening scheur om wapening Scheur door wapening epoxy "cakes" ankhelling 15° met horizontaal afschuiving kracht afschuiving kracht nok-karakteristiek nok-karakteristiek F F ankhelling 45° met horizontaal 8 Injectiekussen in kom-nokverbinding 9 Conventioneel nokontwerp (a) versus nok - ontwerp Noord/Zuidlijn (b) 10 Conventionele noklayout (a) versus noklay- out Noord/Zuidlijn (b) holle ruimte in het kussen, gecombineerd met de dikte van het laminaat, is zodanig gekozen dat de kussens bij maximale plaatsingstolerantie (+/- 7 mm) contact maken met de tand van de nokverbinding. Hierdoor kan worden volstaan met geringe injectiedrukken. De twee balgvormige kussens vormen via het injectiekanaal communicerende vaten met een constant totaal- volume, dat onafhankelijk is van de uiteindelijke plaatsingstole- rantie van de nokverbinding. De vullingsgraad van de kussens kan daardoor tijdens het injectieproces nauwkeurig op volume worden gecontroleerd. Vormgeving en wapening nokverbinding Zoals eerder gesteld zijn ook de compacte vormgeving en wapening van kom en nok vernieuwend. Figuur 10 toont een vergelijking tussen de vormgeving van een conventioneel Topf- Nocke systeem (a) en de voor de boortunnels van de Noord/ Zuidlijn toegepaste nokverbinding (b). Het aangepaste ontwerp heeft de navolgende kenmerken: Hoek De flanken van de kom van de nokverbinding maken een hoek van 45° met de segment-as, terwijl bij een conventionele Topf- Nocke veelal sprake is van een aanzienlijk flauwere hoek. Deze hoek van 45° komt voort uit de doelstelling de nokkrachten door de in de kom van de nokverbinding aanwezige kamwape- ning te leiden, waarbij afdoende dekking op deze kamwapening aanwezig is. In het geval van de conventionele Topf-Nocke is het vanuit duurzaamheidsoverwegingen (dekking) veelal beperkt mogelijk de wapening volledig door te voeren tot voorbij het aangrijpingspunt van de nokkracht. Hierdoor wordt veelal bros bezwijken van de kom om de wapening geconsta- teerd. Door de onder 45° en onder het aangrijpingspunt van de koppelkracht geplaatste kamwapening wordt: a) de draagkracht van de nokverbinding verhoogd door active - ring van de wapening en een groot betonvolume (scheurvlak) en b) een ductieler gedrag van de kom tijdens bezwijken bewerk- stelligd (wapening werkt mee en bros bezwijken om de wape- ning wordt voorkomen). Doordat bros bezwijken wordt voorkomen, is de bezwijkkracht van de nokverbinding door de wapening bepaald en daarmee eenduidiger dan in het geval van brosse breuk (hogere karakte- ristieke waarde bezwijkkracht door lage spreiding). Een laatste afweging van de 45°-hoek ten opzichte van een flauwere 15°-hoek is dat zich bij afschuiving van de nokverbinding niet enkel dwarskrachten opbouwen, maar tevens spatkrachten in tunnellangsrichting. Deze spatkrachten leveren een voorspan- ning op de ongewapende tand van de nokverbinding, waarmee de draagkracht van deze tand wordt verhoogd. ving) en gegarandeerd, waarmee de stabiliteit en stijfheid van de tunnelring is gemaximaliseerd. 2 Alle koppelingen dragen bij aan de totale ringkoppeling en gelokaliseerde onbeheersbare koppelkrachten worden voor - komen. De waarde van de maximale koppelkracht is dus gedefinieerd en minimaal. Daarmee is de kans op schade door nokbezwijken eveneens minimaal. 3 Het daadwerkelijk geëffectueerde statische systeem komt overeen met het statische systeem dat in de ontwerpbereke- ningen wordt gehanteerd. De gedefinieerde krachtswerking in de tunnel laat zich dan ook in het ontwerpproces reken- kundig beter voorspellen. Van ontwerp naar oplossing Ten behoeve van de injectie van de in de nokverbinding aanwe- zig luchtmaat zijn verschillende technische oplossingen onder - zocht, waaronder een injectie door het inwendige van het segment. Uiteindelijk is gekozen voor injectie langs de contour van het komgedeelte met behulp van speciaal vervaardigde injectiekussens (fig. 8). Deze injectiekussens zijn in een in de kom uitgespaarde groef verlijmd en zijn voorzien van een aansluiting, die vanuit de tunnel kan worden aangesloten op een injectiepistool. Het injectiekussen bestaat uit een in bovengenoemde groef verzon- ken injectiekanaal, waarmee twee cylindrische en balgvormige kussens worden gevuld. Het injectiekanaal is aan de tunnelbui- tenzijde voorzien van een onluchtingsopening teneinde een volledige vulling van het injectiekussen te borgen. De twee cylindrische kussens zijn voorzien van een laminaat van hard en elastisch plaatmateriaal, waarmee de gewenste veerstijfheid van de koppeling wordt bereikt (75 kN/mm). Het op epoxy gebaseerde twee-componenten injectiemateriaal vormt in de dunne kussenhuid twee cirkelvormige duromeer cakes, die na verharding druksterktes van meer dan 100 MPa bereiken en door hun hoge stijfheid niet bijdragen aan de veerstijfheid van de koppeling. Die wordt alleen door de elastische eigenschap- pen van het geselecteerde laminaat bepaald. De hoogte van de 10 a 10 b thema Boorproces goed op weg 14 0 50 100 150 200 250 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 nagenoeg lineaire kurve75 kN/mm softeningscheurvorming bezwijklast kruip onder "plateaubelasting" F(kN) Urad (mm) 11 Last-vervor mings - diagram 12 Proefstukken, met Dywidag voorspan - staven 13 Proefinjectie in oos- telijke tunnel 14 Bezweken nok (a) en kom (b) Proeventraject Een belangrijk onderdeel van het ontwerpproces is de herhaal- delijke afstemming met en verkenning van alle disciplines die het eindproduct mogelijk maken. Vanuit de bekistingstechniek van de prefab segmenten (maakbaarheid vorm nokverbinding), de productietechniek van kunststof onderdelen (injectiekussens en overige materialen) en de betontechniek (injectie en injec- tiematerialen) worden niet alleen randvoorwaarden opgelegd, maar tevens mogelijkheden geboden door combinatie van bestaande technieken en materialen vernieuwende toepassin- gen te realiseren. Door middel van drukproeven op materialen en halffabricaten bij TNO Bouw en Ondergrond zijn uiteinde- lijk keuzes gemaakt voor het in de nokverbinding toe te passen plaatmateriaal en het te hanteren injectiemateriaal, die de hoge contactdrukken in de nokverbinding kunnen weerstaan. Het proeventraject werd afgesloten met een aantal bezwijk- proeven op de nokverbinding, dat in het laboratorium van TNO Bouw en Ondergrond is uitgevoerd. Hiertoe zijn gewa- pend betonnen proefstukken vervaardigd, waarin de nokver- binding en nokwapening één op één zijn opgenomen en waarop tevens de injectiekussens zijn aangebracht. Foto 12 toont hoe twee H-vormige proefstukken, waarin de kom van de nokverbinding is uitgespaard, een middenstuk omsluiten. Dit stuk bevat aan weerszijden de tand van de nokverbinding. De proefstukken zijn met Dywidag-staven voorgespannen, waarbij het middelste proefstuk met een verticale vijzel tot aan bezwij- ken is belast. Een etmaal voor beproeving zijn de injectiekus- sens geïnjecteerd met het epoxy-duromeer. In totaal zijn zes proeven uitgevoerd, waarbij het middenproef - stuk in beide mogelijke belastingsrichtingen (inwaarts en uitwaarts) is weggedrukt. Foto 14 toont de bezweken nok én kom van de nokverbinding. Opvallend was dat bij de uitgevoerde Grootte Ten opzichte van de langwerpige conventionele Topf-Nocke is de layout van het Noord/Zuidlijnontwerp relatief compact. Hiermee wordt een 3D-krachtsafdracht bewerkstelligd. De aanwezige kopse splijtwapening in het segment dient tevens als ophangwapening. De compacte cirkelvormige contactvlakken, gevormd door de injectiekussens (Ø 75 mm) resulteren in een meerassige spanningstoestand, waarbij met hoge druksterktes van het beton mag worden gerekend. Veerfunctie Daar waar de conventionele Topf-Nocke is bekleed met bitumi- neus kaubit, vervullen de elastische injectiekussens in het Noord/Zuidlijn ontwerp de elastische veerfunctie van de nok. Bij de Topf-Nocke loopt de koppelkracht bij toenemende afschuiving na overbrugging van de aanwezige luchtmaat expo- nentieel op. Bij het Noord/Zuidlijnontwerp is de opbouw van koppelkracht instantaan en gelijkmatig. Tabel 1 Geconstateerde bezwijkkracht nokverbinding bij de zes uitgevoerde proeven tunnel-inwaartse belasting tunnel-uitwaartse belasting Fu (kN) bezwijken van Fu (kN) bezwijken van 1 243 nok 229 kom 2 250 kom + nok 224 nok 3 263 kom 228 kom + nok 11 12 13 Boorproces goed op weg 8 2 010 15 De karakteristieke waarde van de bezwijkkracht van de nokver- binding, groot circa 200 kN, is niet alleen hoog gezien de beschikbare segmentdikte van 350 mm, maar is eveneens aanzienlijk hoger dan bezwijkkrachten geleverd door conventi- onele Topf-Nocke systemen van vergelijkbare afmetingen. De gerealiseerde bezwijkkracht is niet alleen meer dan toereikend om de voorziene koppelkrachten in bijvoorbeeld de Vijzelstraat op te nemen, maar borgt tevens dat de in de segmenten aanwe- zige wapening volledig en onder ductiel gedrag wordt benut. Hiermee wordt een maximale draagkracht van de boortunnel als geheel bewerkstelligd. Tot slot De vooraf gedefinieerde ontwerpdoelstellingen ten behoeve van een robuuste tunnelconstructie door een optimaal voeg- ontwerp zijn alle bereikt. De goede proefresultaten, de beproefde maakbaarheid van de nokverbinding én de gewaar- borgde conventionele handling van de segmenten waren dan ook aanleiding de nokconstructie daadwerkelijk in de geboorde tunnels van de Noord/Zuidlijn toe te passen. Nu anno eind 2010 een kleine 1,5 km boortunnel is aangelegd kan worden geconcludeerd dat de performance van het boor- tunnelontwerp zeer goed is. De voortgang van het boorproces is met een dagproductie tot 20 m eveneens zeer goed, wat mede mogelijk wordt gemaakt door een vlotte en probleemloze inbouw van de tunnelsegmenten. Ook de kwaliteit van de tunnelwand is zeer goed te noemen. Samenvattend bieden de opgedane positieve ervaringen met het vernieuwende boortunnelontwerp vertrouwen ten aanzien van de performance van de boortunnelconstructie voor de nog te boren tracédelen van de Noord/Zuidlijn. ? proeven zowel de nok als de kom bij gelijkwaardige bezwijkbe - lastingen afwisselend en soms beide gelijktijdig bezweken. Ook de bezwijksterkte in beide belastingrichtingen was gelijkwaardig. De nokverbinding kent derhalve geen uitgesproken zwakke schakel (kom of nok) of belastingrichting. Dit duidt op een opti - maal en gebalanceerd gebruik van materiaal (beton en staal). Uit het geconstateerde bezwijkpatroon van zowel de kom als de nok blijkt dat een aanzienlijk betonvolume wordt aangesproken, dat ver buiten de compacte nok reikt. Dit is een bevestiging van beoogde 3D-krachtsafdracht in de nokverbinding. Voorts werd de kamwapening in de kom van de nokverbinding in sterk vervormde staat aangetroffen, wat bevestigt dat de wapening inderdaad bijdraagt aan de opname van nokkrachten. De substantiële plastische bezwijktak in het last-verplaatsings- diagram, zoals weergegeven in figuur 11, is een bevestiging van het beoogde ductiele gedrag van de nokverbinding. Het in figuur 11 getoonde last-verplaatsingsdiagram toont ook de licht progressieve veerkarakteristiek van de nokverbinding. Hieruit kan worden geconcludeerd dat er inderdaad sprake is van de beoogde instantane en nagenoeg lineaire opbouw van krachten. Ten behoeve van de bepaling van de langetermijn-veerkarakte- ristiek zijn tevens langeduurproeven uitgevoerd. Hierbij heeft het proefstuk gedurende verscheidene dagen onder constante gebruiksbelasting (80 kN) gestaan. De na een levensduur van 100 jaar geëxtrapoleerde bijkomende verplaatsing bedroeg slechts 0,3 mm (20% afname veerstijfheid). In tabel 1 is voor iedere proef de bepaalde bezwijkkracht en bezwijkmodus van de nokverbinding weergegeven. Geconclu- deerd kan worden dat de bezwijkkracht: a) zeer eenduidig is; b) voor kom en nok gelijkwaardig is; c) voor beide belastingsrichtingen gelijkwaardig is. ? Refe Renties 1 Empel, W.H.N.C. van, et al, Optimi- sation structural capacity Amster- dam bored tunnel by appropriate joint design. ITA World Tunneling Congress, Agra, 2008. 2 Empel, W.H.N.C. van, et al, Innova- tive joint design bored tunnels North-South Metroline Amster- dam. ITA World Tunneling Congress, Budapest, 2009. ? PRojectgegevens opdrachtgever Dienst Noord/Zuidlijn ontwerp en directie Adviesbureau Noord/Zuidlijn v.o.f. (voor de boortunnel Witteveen+Bos) aannemer Saturn X (Dura Vermeer en Züblin) leverancier segmenten Rekers, Spelle (D) Online Op www.hierzijnwij.nu is de voortgang van het boorproces op de voet te volgen. 14 b 14 a thema Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 16 thema Omgeving vraagt om maatwerk Grootste verbouwing uit geschiedenis van Centraal Station Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 17 1 Luchtfoto Centraal Station De eisen vanuit de omgeving zorgen voor de nodige hoofdbre- kens. Deformaties aan de belendingen zijn niet of nauwelijks toegestaan en het Centraal Station moet gedurende de bouw open blijven. Ook de matige grondslag van de bouwlocatie werkt niet in het voordeel. Op het kunstmatig gevormde Stati- onseiland ontbreekt de eerste zandlaag volledig en de tweede grotendeels. De complexiteit vereist het toepassen van een waaier aan ontwerp- en bouwtechnieken, waarvan sommige nooit eerder zijn toegepast. Met geavanceerde meettechnieken wordt het in het ontwerp voorspelde gedrag van bestaande en nieuw te bouwen constructies geverifieerd en gemonitord. Het nieuwe metrostation kan worden opgedeeld in drie tracé- delen: het Voorplein, de zinktunnel onder het CS en de De Ruijterkade. De Ruijterkade Bouwdeel De Ruijterkade bevindt zich aan de noordzijde van het stationsgebouw. Dit deel van de Noord/Zuidlijn is groten- deels geïntegreerd met het project IJSEI. Dit project behelst de aanleg van een autotunnel (2 x 2 rijstroken) vlak onder maai- veld, een busstation op niveau +1, de overkapping hiervan en de herontwikkeling van de IJ-oevers. Ter plaatse van het 90 m brede Noord/Zuidlijndeel bevinden zich van boven naar beneden de volgende onderdelen (fig. 2): ? de IJ-hal op maaiveld; hier zullen in de toekomst commerci- ele activiteiten worden ontwikkeld (kleine winkels, kiosken e.d.); ? de autotunnels op -1; deze behoren toe aan project IJSEI, maar zijn deels door het Adviesbureau Noord/Zuidlijn gede- tailleerd; ? de verdeelhal op -2 (onder de autotunnel); hier is tevens ruimte voor technische installaties voorzien; ? vanaf de verdeelhal kan de roltrap naar het perron van de metro worden genomen; op dit niveau bevinden zich behalve een perron ook technische ruimtes. Constructief gezien kan dit bouwdeel in drie delen worden opgesplitst: Het diepe deel . Dit is het deel waar de metro komt te rijden. Aan de noordzijde sluit dit aan op de zinktunnel onder 't IJ; aan de zuidzijde op de zinktunnel onder het Centraal Station. De constructie wordt gemaakt in een bouwkuip met combiwan- Amsterdam Centraal Station, het grootste open- baarvervoerknooppunt van Nederland, is bezig aan de grootste verbouwing in haar geschiedenis. In diverse artikelen heeft Cement (vanaf 1996/10; themanummer 'Ondergrondse werken') eerder bij het project stilgestaan. Belangrijk onderdeel is de aanleg van een metrostation onder het treinstation ten behoeve van de Noord/Zuidlijn. Ontwerp en bouw van het metrostation kenmerken zich door de complexiteit. 1 ing. Rob van der Ploeg, ir. Bart Peerdeman en ir. Joost Dorreman Adviesbureau Noord / Zuidlijn / Royal Haskoning thema Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 18 Centraal station IJ-hal en busplatform autotunnel autotunnel verdeelhal afzinktunnel 't IJ langsdoorsnede over diepe deel CS element bouwen. Daarboven kan vervolgens het busplatform worden gebouwd. Een tijdelijke brug zorgt ervoor dat bussen boven het diepe deel kunnen rijden. Pas nadat onder het Centraal Station is ontgraven en de tunnel daar is afgezonken, kan worden begonnen met de bouw van het diepe deel. In eerste fase zijn de twee middeldiepe delen losstaande constructies. Pas na afronding van de bouw van het diepe deel ontstaat er één monoliete constructie. De twee losstaande constructies gedragen zich anders dan het monoliete eindpro- duct. Dit manifesteert zich het duidelijkst bij de belasting op de fundering. Dit stationsdeel is gefundeerd op boorpalen Ø1200 en Ø1500 mm. De boorpalen staan gefundeerd op de derde zandlaag op NAP -62 m. Dit zijn erg kostbare funderingsele- menten. De belastingen op de fundering in bouw- en gebruiks- den: twee stempellagen bestaande uit buizenstempels en één onderwaterbetonstempel. De constructie is gefundeerd op boorpalen, die reiken tot in de derde zandlaag (NAP ? 62 m). De middeldiepe delen . Deze delen bevinden zich aan weerszij- den van het diepe deel. Hier bevinden zich de roltrapopgangen naar het maaiveld. Deze delen zijn tevens gefundeerd op boor- palen die reiken tot in de derde zandlaag (NAP -62 m). De kistdam . Behalve de functie van uitbreiding van de IJ-oever verbetert de kistdam ook de geotechnische stabiliteit van het Stationseiland. Behalve de al genoemde nauwe relatie met het project IJSEI, kent dit bouwdeel een afhankelijkheid van de graafwerkzaam- heden onder CS. Ook is er een relatie met het afzinken van het tunnelelement op die locatie en de zinktunnel onder 't IJ. Het werk heeft een sterk gefaseerd karakter. De fasering drukt een zeer nadrukkelijke stempel op de constructie en constructieve uitwerking van dit bouwwerk, meer nog dan gebruikelijk bij ondergrondse infrastructuur in binnenstedelijke gebieden. Illustratief is de gefaseerde bouw van de middeldiepe delen en het diepe deel (fig. 3). Amsterdam wil graag vroegtijdig het busplatform exploiteren. Daarom is ervoor gekozen eerst de middeldiepe delen te 2 4 Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 19 middeldiepe deel middeldiepe deel plaza vloer vloer autotunnel vloer verdeelhal diepe deel 2 Langsdoorsnede over diepe deel 3 Dwarsdoorsnede 4 Uitvaren zinktunneldeelfoto: J. Dorreman Afzinken onder een gebouw In Nederland is nog nooit een tunnel onder een gebouw afge- zonken. Dit brengt allerlei complicaties met zich. Zo moet er in 't IJ een tijdelijke sluiskuip worden gemaakt om de waterstand onder CS en in de bouwkuip van de De Ruijterkade te kunnen verlagen, zodat het element überhaupt onder het CS kan varen. Verder is de vrije hoogte boven de waterspiegel beperkt. Bij een normale afzinkoperatie wordt gebruikgemaakt van drijvende afzinktorens, waaraan het element tijdens het neerlaten kan worden opgehangen. Voor afzinktorens is hier geen ruimte; het element wordt tijdens deze fase aan pontons met een beperkte hoogte gehangen. Ook het inmeten van de positie van het element gedurende de afzinkoperatie is een stuk lastiger. Tevens is de keuze van de positie van lieren en haaldraden een stuk beperkter dan wanneer op open water wordt afgezonken. Maar de aanwezigheid van het Centraal Station boven het tunnelelement heeft ook een voordeel. Tijdens het onderspoe- len wordt het element opgehangen aan de nieuw gemaakte ophangconstructie van het treinstation. Er hoeft dan geen aparte taatscontructie (primaire zijde) in combinatie met vijzel- pennen (secundaire zijde) te worden gemaakt. Sluitvoeg Volgens het besteksontwerp zou het zinkelement tegen de diep- wand van het Voorplein moeten worden afgezonken. Hier zou een min of meer traditionele zinkvoeg komen met een Gina- profiel als primaire en een omegaprofiel als secundaire water- kering. Het voordeel van deze keuze is dat een zinkvoeg een beproefd concept is en dat zodoende de uitvoeringsrisico's bekend en bovenal beperkt zijn. Het nadeel van de keuze voor een zinkvoeg is evenwel dat er een planningsafhankelijkheid wordt gecreëerd met de bouwwerkzaamheden op het Voor- plein. Immers, wanneer de bouwwerkzaamheden op het Voor- plein, om wat voor reden dan ook, grote vertraging zouden oplopen, zou ook het moment van afzinken vertraging oplopen. Als gevolg hiervan zouden tevens de ruwbouw van bouwdeel De Ruijterkade en het afzinken van de tunnelelemen- ten onder 't IJ worden vertraagd oplopen. Daarom is besloten fase moeten zo veel als mogelijk worden beperkt en de verde- ling hiervan over de verschillende boorpalen geoptimaliseerd. Daarom is besloten het grondwater gefaseerd op te laten. Omdat alle bouwputwanden enkele meters in de sterk water- remmende Eemklei zijn ingebracht, is het mogelijk de grond- waterstand binnen de bouwkuip te verlagen zonder dat de omgeving direct naast de bouwkuip wordt beïnvloed. Door de waterstand gefaseerd op te laten wordt met name de trekkracht op de fundering gereduceerd. Het diepe deel krijgt in de eindfase de meeste trekkracht. Immers, hier is de waterdruk onder de vloer het hoogst. Dit wordt onvoldoende gecompenseerd door het gewicht van de constructie en de neerwaartse belastingen. Een deel van de opwaartse belasting kan echter vanuit het diepe deel naar het middeldiepe deel worden overgebracht. Door de diepe en middeldiepe constructiedelen eerst constructief te verbinden en dan pas de waterstand onder het diepe deel te verhogen, neemt het middeldiepe deel een deel van deze trekbelasting over. De constructie als geheel moet dan echter wel voldoende stijf zijn. De twee betonnen kokers van de autotunnel kunnen voor de benodigde stijfheid zorgen. In dit geval snijdt het mes aan twee kanten: de trekkracht op de fundering in het diepe deel wordt verminderd en in de middeldiepe delen, waar met name drukkrachten maatgevend zijn, wordt de drukkracht vermin- derd. Zinktunnel In de tunnel die onder Centraal Station wordt afgezonken, wordt het perron van het metrostation ondergebracht. De tunnel betreft één element ( l = 136 m, b = 21 m). Het element is inmiddels gebouwd in het bouwdok in de Sixhaven aan de noordoever van 't IJ. In 2007 is het opgedreven en naar de Suezhaven getransporteerd (foto 4), waar het ligt te wachten om weer naar het CS te worden getransporteerd en afgezonken. De afzinkexercitie staat gepland voor het voorjaar van 2011. Het zinkelement heeft twee zeer bijzondere aspecten: het wordt afgezonken onder een gebouw en aan beide uiteinden komt een sluitvoeg. Op beide aspecten wordt kort ingegaan. 3 ? PROJECTGEGEVENS opdrachtgever Dienst Noord/Zuidlijn ontwerp en directie Adviesbureau Noord/Zuid lijn v.o.f. aannemer Strukton Betonbouw / Van Oord ACZ thema Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 20 maaiveldniveau vloer verdeelhal perronvloer diepe put tussenvloer tussenvloer 5 Dwarsdoorsneden stationszijde (boven) en t.p.v. verbinding met Oostlijn (onder) 6 Situatie tijdens ontgraving 7 Overzicht van het stempelraamfoto: Bouw- en woningtoezicht8 Gemeten en berekende vervormingen 9 Berekende momenten in de diepwanden De vijzelconstructies beogen de vervormingen binnen van te voren vastgestelde grenzen te houden teneinde de gevolgen voor de omgeving tot een minimum te beperken. Of de corrigerende maatregelen daadwerkelijk moeten worden toegepast, wordt bepaald aan de hand van een gedegen monito- ring waaraan een 'stoplichtprotocol' is gekoppeld (tabel 1). Dit protocol is opgenomen in de diverse werkplannen. Gemeten zijn de horizontale verplaatsingen van bouwkuipwan- den, verticale verplaatsingen van kolommen en diepwanden en grootte van vijzelkrachten ter plaatse van het stempelraam op NAP -7,5 m. De krachtswerking voor deze onderdelen is voor een belangrijk deel door grond- en waterdrukken bepaald. Bij aanvang van de ontwerpwerkzaamheden is een uitvoerig grondonderzoek uitge- voerd. Uit dit grondonderzoek zijn grondparametersets afgeleid die van toepassing zijn voor het gehele Noord/Zuidlijntraject. Per locatie is vervolgens bepaald of een grondlaag aanwezig is en welke dikte de laag bezit. Deze grondparameters zijn vervol- gens als uitgangspunt gebruikt bij diverse berekeningen. Alvorens dieper in te gaan op de beschouwing van de construc- tieonderdelen waarvan de metingen bekend zijn, worden de voor de krachtswerking belangrijkste fasen in het kort aangestipt: ? aanbrengen diepwanden deels tot in de draagkrachtige derde zandlaag NAP -60 m, deels tot in de nagenoeg waterdichte Eemkleilaag NAP -31 m; ? aanbrengen diepe boorpalen NAP -60 m; ? aanbrengen 1 m groutstempel NAP -21 m; ? storten dak NAP + 2,35 m; ? bemalen tot NAP -9 m; ? ontgraven tot NAP -8 m; ? aanbrengen en voorspannen van een 1 m dik framevormig betonnen stempelframe; ? bemalen tot NAP -19 m; ? ontgraven tot NAP -18,5 m. net als aan de De Ruijterkadezijde ook aan de Voorpleinzijde een sluitvoeg te maken. Nadat de zinksleuf onder het Centraal Station op diepte is, kan het element op haar definitieve positie worden afgezonken. Na het aanvullen op het dak en het in acht nemen van een consoli- datieperiode, kunnen beide sluitvoegen worden gemaakt. Hier- voor wordt de grond rondom de kop van het element bevroren. De kopschotten aan beide zijden van de voeg kunnen vervol- gens worden weggebrand, de voeg kan worden ontgraven en het definitieve betonwerk van de voeg kan worden gemaakt. Vervolgens kan de vriesinstallatie weer worden uitgezet en kan het zinkelement verder worden afgebouwd. Het Voorplein De bouwwerkzaamheden ter plaatse van het Voorplein (fig. 5), direct gelegen vóór het Centraal Station, zijn in het vorige themanummer van Cement over de Noord/Zuidlijn beschreven (Cement 2004/2). Intussen is een groot deel van de werkzaam- heden uitgevoerd. In dit artikel wordt stilgestaan bij de constructieonderdelen waarbij corrigerende maatregelen gedu- rende de werkzaamheden mogelijk waren. Correctie is moge- lijk door het toepassen van vijzelconstructies ter plaatse van de kolom naar het dak en ter plaatse van het stempelraam (foto 6). kleur omschrijving actie groen waarde < min predictie meetdata ter info naar backoffice, geen maat regelen oranje min. predictie < waarde < max. predictie overleg backoffice, verhogen meet- frequentie rood waarde > max. predictie bouwwerkzaamheden stoppen, overleg back office, bepalen aanvullende maatregelen Tabel 1 Stoplichtprotocol 5a dak NAP +2,35 m met bouwgat stempelraam NAP -7,5 met bouwvloer staalbetonkolommen in boorpalen vijzelconstructie dak onderzijde diepe vloer NAP -18 m positie schroefinjectieankers 6 Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 21 maatveldniveau bestaande metro oostlijn ondiepe put diepe put perronvloer tussenvloer vloer verdeelhal -23 -18 -13 -8 -3 2 0 10 20 30 40 berekend gemeten ontgravi ng NAP -8 m -23 -18 -13 -8 -3 2 0 10 20 30 40 berekend gemeten ontgravi ng NAP -18,5 m -23 -18 -13 -8 -3 2 0 10 20 30 40 berekend gemeten voorspannen betonnen stem pelframe -7,5 m ` -23 -18 -13 -8 -3 2 -6000 -4000 -2000 0 2 000 4 000 6 000 -23 -18 -13 -8 -3 2 -23 -18 -13 -8 -3 2 BGT verwachti ngswaarden BGT karakteristiek x 1,4UGT capacitei t grondz ijde capacitei t stationz ijde -6000 -4000 -2000 0 2 000 4 000 6 000 - 6000 -4000 -2000 0 2 000 4 000 6 000 Stempelraam Het stempelraam bestaat uit een indrukwekkend, stervormig raster van beton dat zich vormt naar de trechtervormige bouw- kuipwand en rondom de boorpalen (foto 7). Het is zo ontwor- pen dat de horizontale vervormingen van de diepwand zoveel mogelijk worden beperkt. Hiertoe wordt tevens het stempel- raam op voorspanning gezet door middel van rondom geplaatste platte vijzels. Bouwkuipwanden Bij het ontwerp van de bouwkuipwanden is gebruikgemaakt van de geotechnische programma's Plaxis en MSheet. De twee verschillende programma's zijn onderling vergeleken op basis van verwachtingswaarden voor de vervormingen en krachtswerking. De resultaten van de krachtswerking van de twee verschillende programma's komen goed overeen. De verplaatsingen berekend met MSheet zijn daarentegen beduidend ongunstiger. Uit soortgelijke ervaringen uit andere projecten was ook al geble- ken dat de op Plaxis gebaseerde vervormingen beter overeen- komen met de in de praktijk verrichtte metingen. Besloten is Plaxis te gebruiken ter voorspelling van de vervormingen en MSheet voor de bepaling van de krachtswerking. Het meetpro- tocol heeft een meetfrequentie van tweemaal per week voor- zien en extra metingen ten tijde van constructief belangrijke fasen zoals het aanspannen van het stempelraam. Voor het stoplichtprotocol zijn de volgende waarden gehanteerd: ? minimale voorspelling: vervormingen gebaseerd op de bere- kende vervormingen met Plaxis; ? maximale voorspelling: ontwerpeis ten tijde van het bestek 50 mm. In figuur 8 staan de gemeten en de berekende vervormingen. De trend van de berekende vervormingen zien we terug in de metingen. Opvallend is te zien dat de grond en het groutstem- pel zich stijver gedragen dan voorzien, waardoor de gemeten vervormingen relatief gering bleven. Ontwerp diepwanden Bij de bepaling van de krachtswerking in de diepwanden zijn allereerst de verwachtingswaarden van de grondparameters naar karakteristieke waarden omgerekend (fig. 9). Verder is gevarieerd in de stempelstijfheid van groutstempel en betonnen stempelraam. Omdat de resultaten in bruikbaarheids- en uiter- ste grenstoestand dicht bij elkaar liggen, is veiligheidshalve een factor 1,4 voor de resultaten van de bruikbaarheidsgrenstoe- stand in rekening gebracht. Op basis van de resultaten van deze berekeningen zijn de minimale wapeningshoeveelheden per m 2 bepaald. Die zijn vervolgens nader door de aannemer in een wapeningskorf uitgewerkt. In de diepwanden is voor de krachtswerking circa 140 kg/m 3 toegepast. Dit is exclusief hulpstaal en knip- en lasverliezen. Alvorens de diepwanden te koppelen met de voorzetwanden wordt het betonvlak onder hoge druk schoongespoten. 5b 7 8 9 Omgeving vraagt om maatwerk 8 2 010 22 ontgraving [m N AP] bemalingsniv eau [m N AP] lek aan zetten aan spannen 1 aan spannen 2 minimale w aarde stem pelkrach t [kN/m] stem pelkrach t [kN/m] -25 -20 -15 -10 -5 0 9-11-2009 20-11-2009 1-12-2009 12-12-2009 23-12-2009 3-1-2010 14-1-2010 25-1-2010 5-2-2010 0 200 400 600 800 100 0 120 0 ontgravings- en bemalingsniveau [m NAP] stempelkracht [kN/m] boorpaal gemeten plaxis boorpaal plaxis diepwand diepwand gemeten zakking t.g.v. eigengewicht rijzing tgv ontgraven tot -8 rijzing tgv ontgraven tot -18,5 -10 0 10 20 30 40 50 27-nov-08 27-dec-08 26-jan-09 25-feb-09 27-mrt-09 26-apr-09 26-mei-09 25-jun-09 25-jul-09 24-aug-09 23-sep-09 23-okt-09 22-nov-09 22-dec-09 21-jan-10 20-feb-10 22-mrt-10 21-apr-10 21-mei-10 20-jun-10 20-jul-10 19-aug-10 gemet en boo rpaa l plaxis boo rpaa l plaxis di epwand gemet en diepwand zetting (-) / rijzing (+) in mm thema 10 Tijdelijke vijzelkran- sen op de kop van de boorpaal aan de onderzijde van het dak foto: Bouw- en woningtoezicht 11 Variatie van de stempelkracht in de noordwesthoek tij- dens bemalen en ontgraven 12 Gemiddelde zet- tingverloop boorpa- len en diepwanden Voorplein Verticale vervormingen van boorpalen (kolommen) en diepwanden Bouw- en ontgravingswerkzaamheden veroorzaken verticale verplaatsingen van de diepwanden en boorpalen (kolommen). Zakking treedt vooral op door het eigen gewicht van de constructie. Door ontgraving treedt ontlasting van de Eemklei op en als gevolg daarvan zullen de boorpalen en, in mindere mate, de diepwanden omhoog bewegen. Voor de krachtswer- king van het dak is vooral de verschilverplaatsing van beteke- nis. De toelaatbare algehele verplaatsing wordt gedicteerd door de gebruikers van het stationsplein en is constructief van ondergeschikt belang. Met Plaxis is een schatting gemaakt van de verticale vervor- mingen. Het bleek dat een beheersing van verschilverplaatsin- gen voorkómt dat het dak onnodig zwaar wordt geconstrueerd. Beheersing is mogelijk gemaakt met een vijzelgestuurde stel- mogelijkheid op de kop van de boorpaal (foto 10). Het stop- lichtprotocol geeft aan wanneer vijzelen noodzakelijk is (groen < 1 mm/m 1 < oranje < 2 mm/m 1 < rood). De bouwkuip is inmiddels geheel ontgraven en de verticale vervormingen zijn in figuur 12 afgezet tegen de berekening. De trend van Plaxis komt duidelijk terug in de metingen: zakking door het dak, rijzing door stapsgewijs ontgraven. De diepwand- berekening geeft een goede benadering van de werkelijkheid. Het verschil tussen Plaxis en praktijk bij de boorpaal is groter. Dit is onder meer te verklaren door geometrische effecten: ? de bouwkuip is oneindig groot gemodelleerd; ? de boorpalen beïnvloeden elkaar; ? de diepwanden beïnvloeden de boorpalen; ? het groutstempel heeft een dempende werking op de optre- dende rijzing. Tot op heden is vijzelen nog niet nodig gebleken, al heeft het stoplicht wel op oranje gestaan. De vijzels blijven stand-by tot vlak voor oplevering. In de definitieve constructie worden ze vervangen door afgegroute, platte vijzels. ? Gedurende