Je leest:

Bouw van tunnels

Bouw van tunnels

Auteur: | 1 februari 1994

Verschillende methoden van de bouw van tunnels wordt uitgelegd. Als voorbeeld wordt de Betuwelijn besproken.

De verhoogde aanleg van infrastructuur is een oude techniek, zoals aquaducten en talloze bruggen over rivieren en ravijnen laten zien. Het kruisen van hindernissen door er onder door te gaan is van recentere datum. In Nederland en België zijn na de Tweede Wereldoorlog tientallen tunnels aangelegd, vooral voor de kruising van autowegen en spoorwegen met rivieren of kanalen, maar ook voor de metro’s van Amsterdam, Rotterdam, Antwerpen, Brussel en Luik. Bij de huidige aandacht voor ‘ondergronds bouwen’ als iets nieuws en moderns, lijken mensen soms te vergeten dat er al veel ondergronds is aangelegd.

Een verdiepte weg

Om te voorkomen dat een verdiept aangelegde betonvloer door het grondwater omhoog wordt gedrukt, kan men de vloer met trekpalen in de bodem verankeren.

In laaggelegen landen met een slappe grondslag – dat wil zeggen zand- of kleibodem – bevindt het grondwater zich op geringe diepte. Dat biedt een interessant technisch probleem bij het ondergronds of verdiept aanleggen van wegen en spoorwegen. Graaft de aannemer gewoon een kuil in de grond, dan staat deze na korte tijd vol water. Het is derhalve nodig om bij dergelijke projecten de grondwaterstand te verlagen of om de weg aan te leggen in een waterdichte bak. Een verlaging van de grondwaterstand is voor de weg een prima oplossing. Er is dan geen opwaartse druk meer en het probleem is definitief uit de wereld. Deze verlaging leidt echter tot een verdroging van het gebied in de directe omgeving, met aantasting van natuurwaarden. Als er bebouwing in de buurt is, kan de grondwaterstanddaling ook leiden tot verzakking en beschadiging van gebouwen. Daarom komt verlaging van de grondwaterstand meestal niet in aanmerking. Het valt dan te overwegen, om de (spoor)weg in een afgesloten bak aan te leggen.

Bij de aanleg van een weg in een afgesloten bak bestaat het risico dat door de opwaartse druk van het grondwater de bak gaat drijven (bij tunnels is dat geen probleem, omdat daar nog een flinke bodemlaag bovenop rust). Om dat te voorkomen kan men de vloer van de bak zo dik en dus zo zwaar maken dat het gewicht van de bak weerstand biedt aan de opwaartse druk van het grondwater. Beton is ongeveer 2,5 maal zo zwaar als water. Dat betekent dat er voor elke meter wateroverdruk een betonvloer met een dikte van veertig centimeter bij komt. Ontwerpers hebben bij diepgelegen wegen dan ook vaak hun toevlucht moeten zoeken tot een erg dikke betonvloer. Er is nog een oplossing, namelijk die waarbij een aantal palen een dunne betonvloer op zijn plaats houdt. Deze zogenaamde trekpalen ontlenen hun trekkracht aan de wrijving tussen paal en grond. Dit type constructie is al veel toegepast, vooral bij de inritten van tunnels, maar ook bij de aanleg van verdiepte wegen.

De baggeroplossing

Na het uitbaggeren van een kanaal, heeft men dit bekleed met een plastic vlies. Zo’n vlies bestaat uit plastic vellen die aan elkaar worden gelast. Vervolgens wordt het kanaal gedeeltelijk weer met grond volgestort. Door bemaling is de grondwaterstand boven het vlies veel lager dan daarbuiten. Een weg of spoorweg kan zo enkele meters lager dan de omgeving worden aangelegd.

Bij de discussie rondom de aan te leggen Betuwelijn kreeg het plan voor de aanleg van de spoorlijn in een V-vormige polder veel aandacht. Een maquette toont hoe twee betonwanden naar elkaar toe zijn geheid, waarbij een betonprop een afsluiting vormt.

Een typisch Nederlandse oplossing voor het probleem van de aanleg van een verdiepte weg of spoorweg in een gebied met slappe grond en hoog grondwater is om eerst een diep kanaal te baggeren. Zo’n kanaal staat ook wel bekend als een cunet. Vervolgens brengt men een waterdicht vlies op de bodem van het cunet aan en stort men daarna een deel van de uitgebaggerde grond weer terug, bovenop het vlies. Omdat natte grond ongeveer tweemaal zo zwaar is als water moet de cunetdiepte ongeveer tweemaal zo groot zijn als de uiteindelijke diepte van de weg onder het maaiveld. De hoge waterdruk onder het vlies en het gewicht van de grond er boven houden elkaar netjes in evenwicht. Het baggeren en het weer gedeeltelijk aanvullen gebeuren allemaal ‘in den natte’. Dat wil zeggen dat pas helemaal aan het eind van de werkzaamheden de waterstand boven het vlies in het cunet wordt verlaagd. Na de aanleg is er wel steeds bemaling van het cunet nodig, om regenwater en eventueel lekwater af te voeren. Een dergelijke bemaling vindt echter in elke polder plaats en Nederlanders zijn daar aan gewend. Met ondergrondse vliezen zijn diverse verdiepte weggedeelten gerealiseerd: bij de A2 bij Amelisweerd, bij de tunnel onder de Noord bij Alblasserdam en bij het aquaduct bij het Friese stadje Grouw.

De V-polder

Ook in de V-polder is door bemaling een veel lagere grondwaterstand verkregen. Door de lage ligging van de spoorlijn zouden omwonenden minder last hebben van de met grote regelmaat passerende goederentreinen.

In het kader van de discussies over een eventuele verdiepte aanleg van de Betuwelijn – een goederenspoorlijn die van het Rotterdamse havengebied via Zevenaar naar Duitsland gaat – is door Volker/Stevin een voorstel gedaan voor de verdiepte aanleg van een tweesporige spoorlijn met behulp van twee schuin in de grond geheide stalen damwandschermen. Op het diepste punt, zo’n veertien meter onder de grond, ontmoeten de twee damwanden elkaar. Daarbij moeten ze waterdicht op elkaar aansluiten. Een handige methode om dat voor elkaar te krijgen is door daar eerst een waterdichte prop te maken via de injectie van bijvoorbeeld zachte beton en vervolgens de damwanden naar dat beton toe te heien. In de driehoek tussen de damwanden kan men de grondwaterstand ongeveer vijf meter verlagen, zonder dat er gevaar voor opdrijven dreigt. Net zoals bij de cunet, moeten ook hier regenwater en eventueel lekwater als in elke polder worden afgemalen. Met deze methode kan de spoorlijn worden aangelegd op een diepte van ongeveer vier meter beneden het maaiveld. De spoorlijn is dan goeddeels uit het zicht en de geluidshinder is aanzienlijk minder dan bij bovengrondse aanleg.

Afgezonken tunnels

De tunnelsegmenten kunnen in een daarvoor uitgebaggerd kanaal naar hun positie worden gebracht. De waterstand in het kanaal komt overeen met het grondwaterpeil. Vervolgens vult men het kanaal met zand, waarbij de boven de tunnel liggende massa voorkomt dat de tunnel gaat drijven.

Een mooie oplossing voor het aanleggen van infrastructuur met weinig hinder voor het bovengrondse leven is het aanleggen van een volledig ondergrondse tunnel. Helemaal ondergronds is zoiets nooit, omdat mensen en voertuigen er wel bij moeten kunnen. Een autotunnel of spoortunnel vereist inritten en uitritten, net zoals die nodig zijn bij een parkeergarage of een winkelcentrum. Over grote delen van het traject ziet men echter bovengronds niets van zo’n tunnel. Ook op andere manieren merkt men niets of heel weinig van het ondergrondse vervoer.

In Nederland zijn veel tunnels onder de grote rivieren aangelegd via de afgezonken-tunnelmethode, te beginnen met de Maastunnel in het centrum van Rotterdam, zo’n vijftig jaar geleden. Later is deze methode ook toegepast voor de aanleg van de eerste metrolijn van Rotterdam. Daartoe is eerst langs het ondergrondse deel van het tracé (onder andere in de Coolsingel) een kanaal aangelegd tussen twee damwandschermen. Bij deze techniek brengt men de tunnelelementen – dat zijn grote betonnen kokers, die tijdelijk aan de einden zijn afgesloten door schotten – drijvend naar de plaats van bestemming en laat ze daar afzinken. Nadat alle tunnelelementen zijn afgezonken, kan het kanaal weer worden opgevuld met zand. Bij deze methode moet een deel van de stad gedurende lange tijd worden opengebroken. In de jaren vijftig kon dat nog, maar tegenwoordig is het slechts bij uitzondering mogelijk om ergens zo een tunnel aan te leggen.

Geboorde tunnels

In landen waar de bodem uit rots bestaat kan men tamelijk eenvoudig tunnels aanleggen, namelijk door een doorgaand gat uit te boren. Vroeger gebeurde dat met handkracht, maar tegenwoordig heeft men voor dat doel ook enorme boormachines tot zijn beschikking.

Wel moet er lekwater dat uit de rots druipt, worden afgevoerd, maar het gat blijft staan, zonder ondersteuning. In slappe grond, zoals zand of klei, gaat dat niet. Elk gegraven gat stort na korte tijd in. Daarom is er een onmiddellijke ondersteuning nodig. Een mogelijkheid daartoe biedt de zogenaamde schildtunnel. Daarbij wordt een grote stalen buis in de grond gedrukt en wordt aan de voorkant van de buis grond weggegraven. Omdat het front van de grond bij gebrek aan enige ondersteuning zou instorten, wordt in het voorste deel van de buis een overdruk gehandhaafd. Daartoe vult men de ruimte bijvoorbeeld met een zware vloeistof, die bestaat uit water en klei, die men vervolgens onder druk zet. In die dikke vloeistof boort de machine met behulp van beitels de grond los waarna de losgemaakte brokstukken worden afgevoerd. De tunnel bestaat uit geprefabriceerde ringen van betonnen elementen, die binnen de stalen buis worden opgebouwd. De boormachine zet zich af tegen de gereed gekomen betonnen ringen en kan zich zo verder met kracht een weg banen door het volgende stukje grond. Het proces is discontinu. Tijdens het boren is het onmogelijk om aan de betonringen te werken. Meestal is de breedte van de ringen ongeveer één meter. Het proces bestaat dan uit afwisselend een meter boren en dan een nieuwe betonnen ring van één meter lengte aanbrengen.

Aangezien de betonnen buis binnen de stalen buis wordt gemaakt, ontstaat er aan de achterkant van de stalen buis, als die is doorgeschoven, enige ruimte tussen de betonnen buis en de omringende grond. Dat zou kunnen leiden tot verzakkingen aan het oppervlak. Daarom wordt die ruimte gevuld met grout, een mengsel van zand, water en cement, dat onder druk tussen het beton en de bodem kan worden geperst.

Op deze wijze zijn in Japan met succes vele tientallen tunnels gemaakt. In andere landen, zoals Duitsland, wordt de techniek vaak toegepast. Ook bij de bouw van de Antwerpse metro is ze gebruikt. In Nederland is deze methode nog niet toegepast, althans niet voor tunnels met grote diameter. Over een paar jaar kan dat heel anders zal zijn. Het is de bedoeling binnenkort twee tunnels met de schildtunnel-methode te boren. Ook voor uitbreidingen van de metro’s in Amsterdam en Rotterdam wordt aan geboorde tunnels gedacht.

Bij de aanleg van een geboorde tunnel moet men er wel op letten dat de tunnel niet opdrijft, door de opwaartse druk van het grondwater. De tunnel moet dus ofwel erg zwaar zijn of de dekking van grond boven de tunnel moet voldoende zijn. Dat betekent dat geboorde tunnels meestal vrij diep worden aangelegd. Voor een metro, met veel stations op korte afstanden, is dat jammer, want er zijn dan veel lange roltrappen naar de ondergrondse stations nodig. Ook bij de ondergrondse aanleg van spoorlijnen over grotere afstanden vormen de aansluitingen vaak de grootste problemen. Omdat die aansluitingen logischerwijze meestal daar zijn gelegen waar veel mensen wonen, verliest de ondergrondse aanleg vaak een deel van zijn evidente voordelen.

De ISDS-tunnel

De ISDS-tunnelboormachine zou – in tegenstelling tot andere typen – in staat zijn om continu zowel te boren als de tunnelwand aan te leggen.

De Nederlandse Stichting International System Development & Support (ISDS) heeft, op basis van ideeën van prof ir R.G.J.A. van der Hoorn, een alternatief voor de gebruikelijke geboorde tunnel voorgesteld. Van der Hoorn verlaat bij zijn methode het principe van de afwisseling van het boren en het plaatsen van tunnelelementen. Alle processen geschieden tegelijkertijd, zodat de bouwsnelheid groter is.

Bij deze techniek wordt direct achter het boorfront een dun cilindervormig stalen vlies vervaardigd. Dat vlies is in feite de buitenwand van de latere tunnel. Bij voortstuwing van de boormachine wordt het stalen vlies door een spleet in de stalen buis die de boormachine omhult, naar buiten getrokken, om die buis heen. De voorstuwing van de machine geschiedt door een wandelmechanisme, bestaande uit 48 lange lamellen die zich afzetten tegen het stalen vlies en de grond daarbuiten met behulp van 480 vijzels. Het wandelen geschiedt door steeds twee lamellen weer naar voren te trekken, terwijl de andere 46 stuwkracht leveren.

Achter het wandelmechanisme ontstaat de eigenlijke tunnel, die wordt vervaardigd van ter plaatse gestort beton met een – ook in de tunnel gemaakte – cilindrische stalen wapening. Het beton wordt gestort tussen een uit stalen elementen bestaande binnenbekisting en een buitenbekisting die bestaat uit de staart van de stalen buis of, verder naar achteren, het dunne stalen vlies. Bij de voortgaande beweging van de boormachine wordt de wapening in de ruimte tussen binnen- en buitenbekisting getrokken via een spleet in het kopschot van de bekisting. Het concept is door een combinatie van twee provincies en een dertigtal gemeenten voorgesteld als alternatief voor de Betuwelijn. Een door de Minister van Verkeer en Waterstaat ingestelde commissie onder leiding van ir J.M.H. van Engelshoven oordeelde echter dat het concept te riskant en te ingewikkeld (en daardoor ook te duur) is om de voorkeur te krijgen boven de gebruikelijke wijze waarop men een geboorde tunnel aanlegt.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 februari 1994

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.