Je leest:

Ook waterdicht ná tunnelbrand?

Ook waterdicht ná tunnelbrand?

Auteur: | 30 september 2011

‘Als de mensen maar veilig zijn’, een logische gedachte bij brand in een tunnel. Maar wat gebeurt er met de constructie zelf? Zijn afdichtingsprofielen tussen tunneldelen wel bestand tegen de hitte van een brand?

Er zijn verschillende manieren om een geboorde tunnelconstructie te beveiligen tegen brand. Meestal wordt aanvullend hittewerend spuitbeton of worden brandwerende platen aangebracht op de tunnelwand, maar dat is een duur en tijdrovend proces.

Tunnels boren in Nederland

De Clippelaar richtte zich op geboorde tunnels. Onderstaande illustratie toont een type tunnelboormachine dat veel in Nederland gebruikt wordt.

Het graafwiel draait langzaam rond en graaft de grond weg. Om instorten te voorkomen, wordt de leegte vaak gevuld met een mengsel van bentoniet en water. Wanneer de ruimte groot genoeg is, pakt de TBM met een soort robotarmen nieuwe tunneldelen van de volgwagens. Die zet de machine op de juiste plek, zodat een stukje tunnel ontstaat. Vervolgens zet de TBM zich met uitschuifbare cilinders af tegen de tunnelbuis om verder te graven.

Een relatief nieuwe methode is het gebruik van hittebestendig beton in de kant-en-klare tunneldelen. De aanvullende maatregelen kunnen dan achterwege blijven en dat scheelt in de kosten.

In de voegen tussen de tunneldelen zitten echter afdichtingsprofielen die nu onbeschermd blijven; is dat geen probleem? Dat onderzocht afstudeerder Daan de Clippelaar (TU Delft / Van Hattum en Blankevoort): blijven de profielen bij brand functioneren en zo nee, welke maatregelen kunnen problemen dan helpen voorkomen?

Tegen water en erosie

Afdichtingsprofielen zijn (vaak rubberen) elementen die tussen de tunneldelen van een boortunnel geplaatst worden. Hieronder zie je een voorbeeld:

De Clippelaar, 2011

Ze hebben een belangrijke functie. Geboorde tunnels worden vrij diep onder de grond aangelegd, waardoor de waterdruk flink oploopt. De stand van ons grondwater is namelijk relatief hoog: het is bijna alsof je een tunnel aanlegt in een bak water. De afdichtingsprofielen dichten de kieren tussen de tunneldelen. Ze zorgen er dus voor dat de tunnel waterdicht blijft.

Ademen

Wat het werk van afdichtingsprofielen extra moeilijk maakt, is dat de tunnel ‘ademt’. Temperatuurverschillen in de afzonderlijke seizoenen veroorzaken minimale bewegingen door krimp en uitzetting van de tunneldelen. Dat is op zichzelf geen probleem, maar de afdichtingsprofielen moeten dus wel enigszins flexibel zijn, zodat ze de beweging kunnen volgen. Anders is de tunnel wellicht niet meer waterdicht.

Maar de profielen houden niet alleen water tegen; ook de aarde komt niet naar binnen. Hierdoor treedt er geen bodemerosie op, wat belangrijk is voor het in stand houden van de tunnelconstructie.

Oplopende temperatuur

Aangezien de afdichtingsprofielen erg belangrijk zijn, moeten ze ook bij (en na) een tunnelbrand blijven functioneren. Is dat wel het geval als ze onbeschermd zijn? Om daar achter te komen, onderzocht De Clippelaar eerst hoe de omstandigheden in de ruimte tussen de tunneldelen veranderen ten tijde van brand. Hij deed hiervoor brandproeven bij het centrum voor brandveiligheid Efectis.

Uit de experimenten blijkt dat de plaatselijke temperatuur flink kan oplopen. Voor tunnels ter grootte van de Hubertustunnel kan het bij het afdichtingsprofiel bijvoorbeeld wel tweehondernegentig graden worden! Dat komt vooral door de warmtestraling van indringende vlammen. Warmtegeleiding treedt veel minder op, omdat het beton een lage warmtegeleidingscoëfficiënt en hoge warmtecapaciteit heeft.

Het beton warmt echter wel zodanig op, dat het water in het beton naar buiten wordt gedreven en in stoom verandert. Het uittredende en verdampende water heeft een koelende werking op de voeg, maar tegelijk droogt het beton hierdoor uit. Na verloop van tijd neemt de stoomproductie dan ook af en zal de temperatuur verder stijgen.

(A) en (B) tonen de huidige situatie en (C ) de situatie wanneer hittebestendig betond wordt gebruikt voor de tunneldelen. De tunnelwand is hierdoor bestand tegen warmte, maar in de voeg loopt de temperatuur flink op.
De Clippelaar, 2011

Klompje rubber

Nu is de vraag: zijn de afdichtingsprofielen bestand tegen die hoge temperaturen in de voeg? De Clippelaar heeft dit uitgetest. Hij keek welk effect temperatuur heeft op een samengeperst rubber afdichtingsprofiel dat vaak wordt toegepast.

Links de afdichtingsprofielen vóór verwarming; rechts het resultaat na afloop.
De Clippelaar, 2011

Uit zijn experimenten bleek dat de eigenschappen van het profiel bij langdurige blootstelling aan een temperatuur van honderd graden onomkeerbaar veranderen. De interne structuur van het profiel versmelt, waardoor de veerkracht drastisch afneemt, en dit heeft grote gevolgen voor de waterdichtheid van de voeg. Het profiel wordt bij de aanleg van de tunnel namelijk door de tunneldelen samengeperst om waterdichtheid te garanderen. Wanneer het profiel versmelt, is er dan ook grote kans op lekkage tijdens de restlevensduur van de tunnel. Aan de andere kant valt het materiaal niet uit elkaar, zelfs niet bij tweehonderdnegentig graden. Bodemerosie zal daarom niet optreden, omdat het vervormde afdichtingsprofiel als plug in de voeg blijft fungeren.

Voorkomen…

Bij het gebruik van hittebestendige tunneldelen zijn dus extra maatregelen nodig om de tunnel waterdicht te houden na een brand. De Clippelaar keek naar drie mogelijke preventieve oplossingen. Oftewel, wat kun je vooraf doen om problemen te voorkomen?

Drie mogelijke preventieve maatregelen om ervoor te zorgen dat een tunnel ook ná een brand waterdicht is.
De Clippelaar, 2011

Hierboven zie je de drie mogelijkheden. Allereerst kun je de vlamindringing in de voeg stoppen door het aanbrengen van een hittebestendig profiel vóór het afdichtingsprofiel (A). Stoom kan het afdichtingsprofiel dan echter nog steeds bereiken en opwarmen, omdat een deel van het beton erg warm wordt. Een andere oplossing is het profiel hittebestendig te maken door een ander type rubber te gebruiken (B). Er bestaan wel rubbers die beter bestand zijn tegen hitte, maar deze zijn duurder en weer minder geschikt voor langetermijngebruik in tunnels. Toepassing van dit rubber leidt daarom tot extra onderhoud aan de tunnel, met of zonder brand.

De staartspleet is de laag tussen de tunnelwand en de aarde.
Debrauwer, 2002

Een derde preventieve maatregel (C ) is het benutten van de zogenoemde staartspleet; de laag die tussen de tunnelwand en de aarde geïnjecteerd wordt om de tunnelbuis in te bedden in de geboorde gang.

Hiervoor wordt nu vaak grout gebruikt, maar dat kan in principe ook een ander materiaal zijn. De injectielaag zou dan dienst kunnen doen als waterafdichting, mits de laag consistent en gelijkmatig wordt aangebracht. Met de huidige techniek is dat echter niet goed mogelijk.

…niet beter dan genezen?

De Clippelaar concludeert na zijn onderzoek dat preventieve maatregelen niet die bescherming bieden die ervan verwacht wordt. Ze brengen bovendien hoge onderhoudskosten met zich mee, of zijn nog niet uitvoerbaar. De huidige preventieve oplossingen (een extra laag hittebestendig spuitbeton of brandwerende platen) zijn daarnaast ook niet toereikend, zo blijkt. Proeven van De Clippelaar laten zien dat een afdichtingsprofiel ook dan bij brand wordt verhit tot minimaal honderd graden, wat na de brand om reparatie vraagt.

Maatregelen achteraf (correctieve maatregelen) zijn echter wel mogelijk om de waterdichtheid te garanderen. Dat komt doordat een beschadigd profiel bodemerosie voorkomt: de tunnelconstructie blijft hierdoor intact en dus is reparatie mogelijk. Natuurlijk brengt dat wel de nodige kosten met zich mee, maar die zijn relatief laag in vergelijking met de investering die nodig is voor preventie. Want dan moet de hele tunnel aangepakt worden en bij correctie slechts het beschadigde gedeelte. De Clippelaar denkt dan ook dat correctieve maatregelen voorlopig meer voor de hand liggen dan preventieve.

Zie ook:

Lees meer over wegenbouw en geotechniek op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/tunnelbouw/civiele-bouwkunde/tunnelboor/bruggenbouw/wegenaanleg/geotechniek/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 september 2011

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.