Door ruimtegebrek wordt ondergronds bouwen populair. Het is duur, maar het geeft onze tjokvolle binnensteden wel wat extra ruimte. Beton storten in een diepe sleuf in de ondergrond (30-60 meter diep!) is een moeilijk controleerbaar proces. Afwijkende omstandigheden op meerdere diepten kunnen leiden tot verzakkingen en vertragingen van de vaak complexe en daardoor kostbare bouwprojecten.
Nieuwe meettechnieken van twee TUD-promovendi geven een nauwkeurig beeld van het ontgraven en de kwaliteit van diepwanden tijdens en na het storten van de wanden. Daarmee kun je op straatniveau controleren of de betonnen wand op alle diepten aan de eisen voldoet. Om het beton onder de grond te bekijken gebruiken de promovendi meerdere meettechnieken: ultrasoon geluid, elektriciteit en warmte. Het meest kritisch zijn de voegen tussen de diepwandpanelen. Voor het storten van een diepwand graaf je eerst met een diepgraver een diepe schacht zoals hier gebeurt op het Kruisplein in Rotterdam.
De twee promovendi testten hun nieuwe technieken dit voorjaar uit bij de aanleg van een ondergronds station en stadscentrum in de uiterst krappe binnenstad van Delft, bekend als project Spoorzone Delft. Er wordt enorm gegraven voor een spoortunnel met ondergronds station, parkeerfaciliteiten, een nieuw stadskantoor, woningen en kantoren, een stadspark en waterpartijen. Als scheidingsmuur in de ondergrond krijgt de spoortunnel over een lengte van ruim 4,5 kilometer betonnen diepwanden tot enkele tientallen meters onder het straatoppervlak. De diepwanden worden paneel voor paneel gestort in volle grond.
In de ondergrond kijken
De diepwand in Delft wordt meer dan een meter dik vanwege de grote druk van de aardmassa en al het grondwater rondom het spoorterrein. Om de wand te plaatsen worden van bovenaf diepe sleuven gegraven (1 × 8 × 30 meter).
Tijdens het graven worden het gat opgevuld met bentoniet. Dat voorkomt instorting van de sleuf en het binnendringen van grondwater. Na het aanbrengen van een stalen wapeningskorf wordt de sleuf voorzichtig volgestort met beton.
Veel problemen bij diepwanden komen voort uit een gebrekkige controle van het uithardingsproces onder de grond. Als er dan wat mis gaat (zoals bij de metroaanleg in Amsterdam) is dat funest voor de voortgang van het project, het stadsbestuur en het imago van het bouwbedrijf. De gevolgkosten van dit soort calamiteiten lopen al snel in de miljoenen.
De ‘monitoring’ van de twee promovendi geeft antwoord op cruciale vragen als: komt er overal beton, hardt het materiaal regelmatig uit en sluiten de wandpanelen? Volgend jaar willen de onderzoekers promoveren op het thema Diepwanden. Hun research en kennis is nu al deels beschikbaar in het Handboek Diepwanden.
Monitoren
Kwaliteitsproblemen met diepwanden zijn beter te beheersen door sensoren te plaatsen in en rondom de diepwand. Het ondergronds sturen van signalen en het meten daarvan (met sensoren) geeft een goed beeld van de binnenkant van de betonmassa. Een van de technieken hiervoor is Crosshole Sonic Logging.
Om het beton te monitoren, worden in de diepwandsschacht vóór het storten van het beton op de hoekpunten van de wapeningskorf kunststof buizen aangebracht. Hierin kunnen later (als de panelen zijn uitgehard) voorzichtig sensoren naar beneden worden gelaten. Tijdens deze meting wordt een ultrasoon signaal vanuit de ene buis verstuurd en in een meetbuis vlakbij het signaal gemeten. Door de geluidszender en -ontvanger gelijktijdig op te hijsen wordt het betonpaneel (en de voeg) over de gehele hoogte meter voor meter ‘gescand’. Crosshole Sonic Logging wordt in Amerika al standaard gebruikt bij boorpalen met een grote diameter. De toepassing om ook de diepwandvoegen op deze manier te meten is nieuw.
Geluid, warmte en stroom
De snelheid van geluid in een vast medium is afhankelijk van de dichtheid en de stijfheid. Omdat beton en bentoniet een andere dichtheid en stijfheid hebben, is het verschil tussen beton en bentoniet gemeten met een akoestisch signaal. In meetbuizen op de hoeken van de wapeningskorven aan beide zijden van de voeg is een akoestisch signaal over de voeg gestuurd. Hiervoor zijn een geluidsbron en -ontvanger in een met water gevulde meetbuis neergelaten. Bron en ontvanger worden gelijktijdig opgetrokken waarmee de zone tussen de twee meetbuizen werd doorgemeten.
Afwijkingen in de looptijd van het signaal zijn indicaties voor zwakke plekken in het beton. In de testbuisjes zijn ook warmtemetingen verricht. Met warmtesensoren zijn de wanden gescand om te zien waar de verschillende materialen in de diepwandsleuf blijven. De vervanging van de graafbentoniet door verse bentoniet kon tijdens de warmtemeting in detail worden gecontroleerd. De meting is nog eens herhaald met elektriciteit. Conclusie? Waar veel bentoniet zit, is geen beton!
Hoe gevarieerder de metingen, hoe nauwkeurig de diepwand in kaart kan worden gebracht. Rodriaan Spruit: “Door nauwkeurig te meten kan vroeg in het proces worden ingegrepen. Zwakke plekken in de wand kunnen dan nog worden aangepakt; voordat het beton uit kan harden.” Het eerste project dat gebruik heeft gemaakt van de nieuwe meetkennis voor diepwanden is het bouwproject parkeergarage Kruisplein Rotterdam.
Geo-Impuls
Het lekken van een diepwand is een typisch voorbeeld van geotechnisch falen: een fout in de techniek, het materiaal of een projectplan waardoor de kosten oplopen en planningen niet worden gehaald. Het nationale werkprogramma Geo-Impuls wil het aantal gevallen van geotechnisch falen drastisch terugdringen. De partners in Geo-Impuls (aannemers, kennisinstituten, grote opdrachtgevers) voeren daarom allerlei onderzoeken uit op het gebied van mens en omgeving, contracten en techniek. De twee TUD-promovendi werden vanuit dit programma ondersteund.
Handboek Diepwanden COB
Het Handboek Diepwanden beschrijft schadegevallen met lekkende diepwanden in Nederland tot 2009. Er worden ook nieuwe projecten met diepwanden in besproken, zoals Spoorzone Delft. Het Handboek geeft zicht op ontwerp en uitvoering. De kwaliteitscontrole tijdens en na de uitvoering en monitoring worden beschreven. Ook de geleerde lessen bij schadegevallen komen aan bod.
Kritische onderdelen van het ontwerp- en uitvoeringsproces zijn het ontwerp van de wapeningskorf, controle op de eigenschappen van zowel beton als bentoniet, het proces van ontzanden, het verversen van de bentoniet, het schoonmaken van de voegen en het proces van betonneren.
Bouwtechniek diepwanden
Bouwen onder de grond is lastig en zeker niet zonder risico. Het ultieme moment breekt aan als diepwand aan een kant ‘ontgraven wordt’. Bij de aanleg van de Noord/Zuidlijn in Amsterdam ging het een keer mis. Door fouten in de diepwanden traden lekkages op waardoor huizen verzakten. Dat leidde tot schadeclaims, bouwvertraging, overlast en budgetoverschrijdingen. Het onderzoek van Geo-Impuls (zie kader) en de TUD-promovendi helpt deze problemen in de toekomst voorkomen.
Zie ook:
- Meer over de techniek van diepwanden
- Grote tunnelbouwprojecten
- Meer over de damwandproblemen bij de Metro Noord/Zuidlijn in Amsterdam
- Meer over Crosshole Sonic Logging
- Filmpje over Crosshole Sonic Logging