Met zijn afstudeerscriptie Dimensionering van onderwaterbetonvloeren heeft Ruud Arkesteijn de Schreudersstudieprijs in de categorie Techniek gewonnen. De winnaar is het meest ingenomen met het oordeel van de jury dat het onderzoek een meerwaarde voor de praktijk betekent.

“Scripties kunnen heel diepgaand zijn en zich richten op fundamentale zaken en de verre toekomst”, vertelt Ruud Arkesteijn, maar ik houd van concreet en ben dan ook vooral blij met de lovende woorden over het praktische belang. Want daar lag ook de aanleiding. Al voor mijn afstuderen was ik parttime werkzaam bij ABT, waar men tegen problemen aanliep bij het ontwerp van onderwaterbetonvloeren. Bij gebruikmaking van de CUR-aanbeveling 77 kan het voorkomen dat voor een ondiepe bouwput een veel dikkere betonvloer uit de berekening komt dan voor een veel diepere bouwput. Dat was onder andere het geval bij de ondergrondse uitbreiding van het Mauritshuis, waarvoor een ongewapende vloer bijna niet te dimensioneren was. Die uitkomst botste met het fingerspitzengefühl van de ingenieur. Het ging tegen de logica in. Er was dus aanleiding om specifiek naar onderwaterbetonvloeren in ondiepe bouwputten te kijken.”

“Daarbij had ik het geluk dat CUR-aanbeveling 77 na tien jaar ook wel aan herziening toe was. Dat heeft er vervolgens toe geleid dat CUR-commissie VC95 van start is gegaan. Mijn werkgever ABT gaf mij het vertrouwen om mij, parallel aan mijn afstudeerwerk, in deze commissie plaats te laten nemen. Daar heb ik veel van geleerd en bovendien heeft dat de wisselwerking tussen theorie en praktijk versterkt. Naast de afstudeercommissie en ABT ben ik de leden van VC95 dan ook zeer dankbaar voor hun feedback. Als jonge ingenieur moet je leren van de ervaringen van meer ervaren collega’s. Het resultaat is dat mijn onderzoek een bijdrage heeft kunnen leveren aan de herziening van CUR-aanbeveling 77 die in het voorjaar van 2013 uit moet komen.”

“Op de korte termijn is het belangrijk dat we de pijnpunten uit de CUR-aanbeveling 77 kunnen halen. Hiervoor heb ik gevoeligheden aangetoond, die een goede basis vormen voor een gerichte aanpak van de probleempunten binnen de huidige rekenregels. Het uiteindelijke doel is dat we geen onnodige hoeveelheden beton gebruiken. Zeker voor tijdelijke constructies, zoals onderwatervloeren, is dat voor mij het voornaamste streven. Het leidt tot lagere kosten, kortere bouwtijd en een duurzamer bouwproces en grondgebruik. Daar is iedereen bij gebaat. Die boodschap wil ik graag verkondigen. Gelukkig geeft ABT mij de ruimte om door te gaan met het verzamelen van kennis en deze toe te passen binnen diverse projecten. Het is ook de bedoeling om de kennis die in dit traject is opgedaan te delen en veelvuldig toe te passen. Het onderzoek is mijn inziens van belang voor geotechnici, maar ook voor constructeurs en bouwmanagers, nu en in de nabije toekomst. Toepassingen van de nieuwe CUR-aanbeveling 77, kan grote hoeveelheden beton uitsparen.”

Voor Ruud Arkesteijn en voor de CUR-commissie zit de meerwaarde van deze studie specifiek in ondiepe bouwputten. De jury van de Schreuderstudieprijs gaat verder en zegt over de praktische meerwaarde: “Niet alleen om de veelvuldige toepassing te optimaliseren, maar ook om vanuit een verder ontwikkelde analysetechniek een extrapolatie naar diepere bouwputten te faciliteren en daarmee het ondergrondse bouwen voorbij de huidige grenzen te stimuleren.” Ruud Arkesteijn: “De bestaande rekenregels binnen de CUR-aanbeveling 77 leveren voor diepe bouwputten wel realistische diktes op. Daar is optimalisatie in mijn optiek niet zo aan de orde. Voor mij is de impact op ondiepe bouwputten het meest relevant. Het merendeel van de bouwputten in Nederland is ondiep. Bouwputten met een diepte van dertig tot veertig meter, zoals bij de Noord/Zuidlijn komt niet vaak voor. Anderzijds is het waar dat de optimalisatieslag die we binnen de CUR-commissie hebben gemaakt ook gevaren aan het licht heeft gebracht. De uitvoer van een damwandberekening één-op-één kopiëren, levert soms te gunstige resultaten op. Het onderzoek spits zich naast de verborgen veiligheden ook toe op mogelijke onveiligheden.”

“Tweeduizend jaar geschiedenis aanraakbaar en beleefbaar maken voor burger en toerist, dat is wat we hier willen bereiken.” Theo van Wijk, initiatiefnemer van Domplein 2013, vat in een zin een project samen dat qua complexiteit zijn gelijke niet kent. Schatkamer II, een publiekscentrum annex archeologische opgraving onder het Domplein in Utrecht, is een hoogstandje van organisatie én van ondergronds bouwen.

Het Domplein herbergt tweeduizend jaar geschiedenis, van het Romeinse castellum Trajectum uit de eerste eeuw na Christus tot de dag van vandaag. Het is een van de drieëntwintig rijksarcheologische monumenten in Nederland, waar iedereen uiterst zorgvuldig mee om wil springen. In het Verdrag van Malta, dat in 1992 door een aantal EU-lidstaten werd ondertekend, wordt archeologisch erfgoed als het Domplein omschreven als ‘alle overblijfselen, voorwerpen en andere sporen van de mens uit het verleden, waarvan het behoud en de bestudering bijdragen tot het reconstrueren van de bestaansgeschiedenis van de mensheid en haar relatie tot de natuurlijke omgeving ‘.

Om dat zo zorgvuldig mogelijk te verwezenlijken, worden in Utrecht de archeologische overblijfselen niet naar een museum gebracht, maar wordt het museum, Schatkamer Domplein II, naar de overblijfselen gebracht. Met andere woorden, het museum wordt om de overblijfselen heen gebouwd. Zo blijft belangrijk archeologisch erfgoed in situ bewaard en tegelijkertijd toegankelijk gemaakt. Een unieke oplossing waar met belangstelling, maar soms ook met argusogen, naar wordt gekeken.

(Foto: Stichting Domplein 2013)

Het ongeschonden in situ bewaren van archeologische overblijfselen is niet de enige randvoorwaarde die bij ABT tot hoofdbrekens leidde. Uitgangspunt is ook dat het Domplein op het oude maaiveldniveau en met behoud van de bestaande functie als evenementenlocatie gehandhaafd blijft. Met de archeologische restanten dicht onder het maaiveld liet dit weinig ruimte voor het betondek, dat bovendien geschikt moest zijn voor verkeersklasse 600 (geschikt voor zeer zwaar vrachtverkeer). Die belastingseis geldt ook voor de drie ovale ramen die het straks mogelijk maken vanaf straatniveau in de Schatkamer te kijken.

Een tweede complicerende factor is de drukke Utrechtse binnenstad. De werkzaamheden zijn enkele malen onderbroken omdat het Domplein plaats moest bieden voor grootschalige evenementen als de opening van de Vrede van Utrecht-viering, Roze Zaterdag en VJ op de Dom. Dat betekende steeds dat het Schatkamergebied voor enkele dagen schoon en veilig moest worden opgeleverd. Deze omstandigheden hebben ook geleid tot een uitvoeringswijze waarbij eerst een betonnen stempelraam wordt aangebracht tussen de damwanden. De archeologische ontgravingen vinden plaats onder het stempelraam. De grond kan via uitsparingen voor de vensters worden afgevoerd terwijl er over het stempelraam kan worden gereden met graafmachines. Uiteindelijk wordt het stempelraam geïntegreerd in het definitieve betondek.

In 3D

ABT heeft van meet af aan alle gegevens in 3D vastgelegd. Niet alleen voor de bouw (BIM), maar ook voor de omgeving (BEM: Building Environment Modelling). Die werkwijze is steeds van groot belang geweest in het overleg met de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed (RCE), die verantwoordelijk is voor de rijksarcheologische monumenten in Nederland. Ook voor de RCE is de combinatie van behoud en beleving van archeologisch erfgoed een nieuwe ontwikkeling. De 3D-documentatie helpt oplossingen inzichtelijk te maken, te overtuigen van de risicomijdende aanpak en biedt een schat aan aanvullende informatie voor educatieve doeleinden.

In 1996 begon de bouw van het Souterrain in Den Haag, een 1.250 meter lange tramtunnel onder de Grote Marktstraat met twee ondergrondse stations en tussen deze stations een 600 meter lange ondergrondse parkeergarage met twee parkeerlagen.

Volgens de planning zou het project voor het jaar 2000 gereed zijn, maar door grondwaterproblemen kwam het project ruim twee jaar stil te liggen en moest voor de afbouw gebruik worden gemaakt van een speciale bouwtechniek. Uiteindelijk werd de tunnel in 2004 in gebruik genomen. Sindsdien wordt hij gebruikt voor diverse tramlijnen en inmiddels ook door RandstadRail.

Tot de bouw van de tunnel werd besloten om het bovengrondse winkelgebied leefbaar en goed bereikbaar te houden. Dat is ondanks de problemen tijdens de bouw uitstekend gelukt. De drukke Grote Marktstraat is veranderd in een rustige, chique winkelpromenade en de ruim dertig trams per uur vervoeren dagelijks duizenden bezoekers naar en van de ondergrondse stations Spui en Grote Markt.

Bouwmethode

De tunnel is gebouwd volgens de wanden-dakmethode om overlast op maaiveld zoveel mogelijk te voorkomen. De wanden bestaan voor het grootste deel uit diepwanden en alleen ter plaatse van de Kalverstraat uit stalen damwanden. Op de meeste plaatsen staan de wanden zeer dicht op de bestaande bebouwing, die voornamelijk op staal is gefundeerd.

Over het grootste deel van het tracé bedraagt de afstand tussen de wanden ongeveer 15 meter, alleen ter plaatse van de stations staan ze circa 25 meter uit elkaar. Op de plekken waar de tunnel 15 meter breed is, is de bouwput aan de onderzijde voorzien van een groutboog, die bestaat uit korte elkaar overlappende jetgroutkolommen in de vorm van een afgevlakte ‘U’. De jetgroutboog is aangebracht om het grondwater tegen te houden en om de verticale kracht op de bouwputbodem door de opwaartse waterdruk naar de wanden te leiden. Verder functioneerde de boog tijdens de bouw als stempel voor de wanden. Hiervoor was het nodig dat de boog zo hoog mogelijk in de grond zat, zodat de stempelfunctie optimaal was en de wanden zo min mogelijk zouden vervormen. Het toepassen van een groutboog voor deze drie functies was nieuw.

Ter plaatse van de stations was de bouwput te breed om een groutboog te kunnen toepassen. Hier is gebruik gemaakt van een gellaag voor de verticale stabiliteit en het tegenhouden van het grondwater. Deze oplossing was in ons land al diverse keren met succes toegepast.

Groutboog niet waterdicht

De bouw startte in maart 1996. Het aanbrengen van de diepwanden en damwanden verliep vrijwel zonder verzakkingen van de nabijgelegen bebouwing. Toen het dak was aangebracht werd begonnen met het ontgraven van de bouwput. In februari 1998 was de bouwput op de Kalvermarkt bijna volledig ontgraven, toen er via wellen grondwater omhoog kwam. De groutboog bleek niet waterdicht. Er werd nog geprobeerd om de wellen te dichten met injecties en het aanbrengen van geotextiel en ‘big bags’ als ballast, maar dit bleek niet te werken. Nadat er naast de damwand een gat in de straat ontstond door weggespoeld zand, werd besloten om de lekkage te stoppen door de bouwput onder water te zetten. Hierdoor kwam de bouw stil te liggen.

Deze situatie duurde uiteindelijke ruim twee jaar. In deze periode werd beoordeeld of de lekkage aan de Kalvermarkt een incident was of dat de onbeheersbare welvorming inherent was aan de in het bestek voorgeschreven bouwmethode met de groutboog. Uit een faalkansanalyse bleek dat de kans om meer lekken in de groutboog groot was en dat het weggraven van grond boven een lekke groutboog alleen veilig is als er voldoende grond achterblijft op de boog. Bij de tramtunnel was een dergelijke gronddekking niet haalbaar, omdat de grond op sommige plekken vrijwel tot op de boog ontgraven moest worden.

Tramkom heeft daarom gezocht naar een alternatieve methode voor het afbouwen van de tunnel. Na verschillende opties te hebben bekeken, is besloten om de delen met een groutboog onder verhoogde luchtdruk (1,14 bar) af te bouwen om te zorgen dat er nauwelijks een verschil zou zijn met de waterdruk onder de groutboog. In juni 2000 werd voor de delen met een groutboog het contract omgezet in een ‘design & construct’. Tramkom nam daarmee de verantwoordelijkheid op zich voor het gewijzigde ontwerp. Verder werd afgesproken dat de overige delen van de tunnel volgens het bestek werden afgebouwd.

Verhoogde luchtdruk

Het afbouwen onder verhoogde luchtdruk, had ingrijpende gevolgen. Zo moesten er luchtsluizen worden gemaakt voor mensen en materieel en moest alle afgegraven grond via deze sluizen worden afgevoerd. Om de luchtkwaliteit in de compartimenten met hoge luchtdruk goed te houden werd er alleen met elektrisch materieel gewerkt. Verder konden de bouwers minder lang werken en moesten elke keer bij het verlaten van het compartiment maatregelen worden genomen om ‘caissonziekte’ te voorkomen.

Ook constructief waren er extra maatregelen nodig om geen problemen te krijgen door de hogere druk. Bij tunnel onder de Kalvermarkt moest de vloer boven de eigenlijke tramtunnel – die al was gestort – tijdelijk met een staalconstructie worden verstevigd. Verder moesten hier groutankers worden aanbracht om te voorkomen dat de stalen damwanden omhooggedrukt zouden worden. Onder de Grote Marktstraat was de vloer boven de tunnel nog niet gestort. Om deze vloer geschikt te maken voor de verhoogde luchtdruk werd hij veel zwaarder uitgevoerd en werd gekozen voor een andere verbinding met de diepwanden. Verder werd er tijdelijk ballast op de vloer geplaatst.

Bemalingsproblemen

In de zomer van 2000 werd ook het ontgraven van de bouwput voor station Spui hervat. In juli ontstond hier een wel, vlakbij het compartimenteringsscherm dat de bouwput van station Spui en de bouwput van de Kalvermarkt scheidde. Deze laatste stond nog onder water. Na enkele uren bezweek het scherm en liep ook de bouwput bij het Spui onder. Om dit probleem te verhelpen werd eerst het scherm versterkt en vervolgens grond tegen het scherm aangebracht. Daarna kon het water uit de bouwput Spui worden gepompt.
De maanden daarna bleef de bemaling – die gedurende de tweejarige bouwstop steeds had gefunctioneerd en water wegpompte tussen de gellaag en een daar boven gelegen veenlaag – problematisch. Filters slibden dicht waardoor onvoldoende grondwater kon worden weggepompt. Daardoor dreigde de waterspanning onder de veenlaag zo hoog te worden dat deze zou opbarsten en vervolgens de diepwanden zouden vervormen.

Om de bemaling weer op het gewenste niveau te krijgen, zijn verschillende maatregelen genomen. De grond uit de bouwput is in sleuven van ongeveer zes meter afgegraven over de breedte van de bouwput. Nadat een sleuf was ontgraven is hierin een werkvloer gestort die tegelijkertijd als stempel diende. Voor de bemaling is een groot aantal grondpalen aangebracht, die op de hoogte van de veenlaag waren ‘afgestopt’ en daaronder waren voorzien van een filter. Dat maakte het mogelijk om deze palen ‘aan’ en ‘uit’ te zetten. Pas als het ontgraven begon startte de bemaling. Door deze werkwijze hoefde de bemaling per sleuf slechts drie weken te werken.

Inzichten

Door alle problemen werd de tunnel uiteindelijk ruim vier jaar later in gebruik genomen dan gepland en namen de bouwkosten met circa 100 miljoen euro toe. Na deze moeilijke start, functioneert de tunnel goed. De problemen hebben ook tot de nodige inzichten geleid. Zo concludeert de Delftse hoogleraar funderingstechniek Frits van Tol in 2004 in een artikel in het blad Geotechniek onder andere dat de Tramtunnel nog eens heeft duidelijk gemaakt dat bij ondergronds bouwen:
voldoende robuust moet worden ontworpen
rekening moet worden gehouden met afwijkingen in de bodem en de gerealiseerde (deel)constructies
vooraf moet worden geïnventariseerd welke gevolgen het falen van onderdelen van de constructie hebben
en vooraf maatregelen moet zijn voorbereid om de gevolgen van falen te minimaliseren.
Ook geeft hij aan dat bij de toepassing van waterkerende lagen die zijn gemaakt met groutinjecties, altijd rekening moet worden gehouden met lekken. Verder adviseert hij om softgellagen alleen als waterremmende laag te gebruiken als de bouwfase niet langer dan twee jaar duurt.

Overijssel is een provincie met heel gevarieerde landschappen. Ook ondergronds is er veel veelzijdigheid. De provincie maakte een inspirerende folder over het scala aan mogelijkheden dat de ondergrond biedt.

Voor de folder is gekeken naar alle kwaliteiten en functies vanaf maaiveld tot in de diepe ondergrond; van aardkundige waarden tot en met zoutwinning. Naast functies als levering van grondstoffen vervult de ondergrond ook natuurlijke functies, zoals filtering en berging van grondwater. In totaal kunnen er wel zo’n dertig verschillende functies worden onderscheiden, die vaak ook interacties hebben.

Niet alle ondergrondse en bovengrondse functies zijn naast of boven elkaar mogelijk. Daarbij spelen het schaalniveau en de effecten van ingrepen in de ondergrond op de lange termijn ook een rol. Er moeten dan ook steeds vaker afwegingen worden gemaakt. Hiervoor vormt de provinciale omgevingsvisie, waar de Visie op de Ondergrond integraal onderdeel van is, de basis. De centrale ambitie is om balans te vinden tussen gebruik en bescherming van de ondergrond, waarbij soms ook herstel nodig is. Daarnaast wordt bij maatschappelijke opgaven gekeken naar de rol die de ondergrond daarbij kan spelen.

Bij het zoeken naar oplossingen en het maken van afwegingen wordt nadrukkelijk de relatie gelegd met de bovengrondse ontwikkelingen. Er wordt gewerkt vanuit een integrale en gebiedsgerichte aanpak. Dit betekent dat de ondergrond direct wordt meegenomen in gebiedsprocessen en dat de kansen en beperkingen van de ondergrond in beeld worden gebracht. De folder laat dit zien: in een dwarsdoorsnede van Overijssel zijn de projecten weergegven waarbij de ondergrond een bijdrage levert.

>> Lees het interview met Jaya Sicco Smit, die als beleidsontwikkelaar ondergrond van de provincie Overijssel betrokken was bij de realisatie van de folder