korte ondergrondse verbindingen

Transcriptie

1 korte ondergrondse verbindingen korte ondergrondse verbindingen 1

2 Opdrachtgever: Bedrijfsbegeleiders: Waarnemend bedrijfsbegeleider: Technisch begeleider: Lectoraal Ondergronds Ruimtegebruik, Kenniskring CARUS Ing. J.B.M. Admiraal Ir. P. Dekker Ing. F.W.J. van de Linde 1 e Afstudeerbegeleider: Ir. P. Dekker 2 e Afstudeerbegeleider: Ing. H. Massink Opgesteld door: Jeffrey Bastiaanse stud.nr.: Bart van Hoof stud.nr.: Klas: CT8 Studiejaar: 2005 / 2006 Opleiding: Civiele Techniek School: Hogeschool Zeeland Afstudeerperiode: t/m Datum 1e versie: 7 juni 2006 Versienummer: 1 Status: Definitief korte ondergrondse verbindingen 2

3 leeswijzer Het eerste hoofdstuk bevat aanleiding voor het opstellen van dit onderzoeksrapport. Vervolgens wordt er in hoofdstuk 1 t/m 3 het voor onderzoek beschreven. In hoofdstuk 2 het vooronderzoek naar de onderzoekslocatie Spuimarkt beschreven. De hoofdstukken 3 en 4 geven het vooronderzoek weer dat is uit gevoerd t.b.v. de keuze van de optimale bouwwijze. Deze bouwwijze wordt die in hoofdstuk 5 wordt besproken. In het belangrijkste hoofdstuk 6 wordt de technische haalbaarheid bepaald van de gekozen bouwmethoden. De financiële haalbaarheid wordt uitgewerkt in hoofdstuk 7 en in hoofdstuk 8 worden de conclusies en aanbevelingen aangegeven. Tenslotte zijn er in de tekeningen van de verbinding bijgevoegd in de bijlagen. In het onderzoek zijn een aantal zaken niet uitgewerkt, zoals de krachten op het bestaande bouwwerk, de betonconstructieve berekeningen van de verbinding. korte ondergrondse verbindingen 3

4 voorwoord Dit afstudeerproject is ondersteund door de docenten van opleiding Civiele techniek aan de Hogeschool Zeeland te Vlissingen. De begeleiders willen we bedanken voor de bijdrage tot dit afstudeerproject. Het onderzoek is uitgevoerd in opdracht van de kenniskring CARUS. De heer Admiraal willen wij bedanken voor het begeleiden van ons gedurende de afstudeerperiode. Op technisch gebied hebben de heer van de Linde en de heer Roepius van de gemeente Den Haag het afstudeerproject begeleidt hier voor onze hartelijke dank. In het bijzonder willen we de heer van Zwieten bedanken voor zijn technische ondersteuning bij het berekenen van het vrieslichaam. Daarnaast de heer Lam en de medewerkers van gemeente Den Haag voor het ter beschikkingstellen van informatie. Tenslotte worden alle overige niet bij naam genoemde betrokkenen bedankt voor het verstrekken van gegevens vanuit diverse instanties bij het tot stand brengen van dit rapport. Jeffrey Bastiaanse Bart van Hoof Tilburg, korte ondergrondse verbindingen 4

5 samenvatting De in Nederland toegepaste bouwmethode voor korte ondergrondse verbindingen tussen twee bestaande bouwwerken geven veel uitvoeringsrisico s en overlast op de omgeving, waardoor er in Nederland bijna geen ondergrondse koppelingen bestaan. Er is daarom onderzoek gedaan om een voorstel te kunnen doen voor een economische bouwmethode voor korte ondergrondse verbindingen tussen twee bestaande bouwwerken, waarbij de overlast en uitvoeringsrisico s zoveel mogelijk beperkt worden. Daarbij is er optimaal gebruik gemaakt van, in de tunnelbouw toegepaste technieken. De algemeen toepasbare optimale bouwmethode is tijdens het onderzoek uitgewerkt in de situatie Spuimarkt in Den Haag, waar reeds een verbinding tussen het Souterrain en het Pathe theater is gerealiseerd. Eerst is de onderzoekslocatie Spuimarkt geanalyseerd, hieruit zijn de vereiste afmetingen van de verbinding naar voren gekomen. Uit de grondgegevens ter plaatse is gebleken dat geen waterremmende kleilaag aanwezig is en dat de verbinding voor een deel onder grondwaterniveau ligt. Vervolgens is er onderzocht welke bouwwijzen er zijn voor kort ondergrondse verbindingen in het algemeen. De verschillende bouwwijzen zijn geanalyseerd met belangrijkste toetsingscriteria overlast op omgeving en uitvoeringsrisico s. Daar kwam uit naar voren dat de wanden-dak methode en de vriestechniek zeer geschikt zijn. Tijdens het onderzoek is een nieuwe bouwmethode ontwikkeld door de wandendak methode en de vriestechniek te combineren. De ontwikkelde bouwmethode wordt de dak-vries methode genoemd. De dak-vries methode wordt uitwerkt in de onderzoekslocatie Spuimarkt. Er wordt vervolgens onderzocht of de dak-vries methode technisch haalbaar is, ook wordt een indicatie van de kosten gegeven. Er is een afweging gemaakt tussen pekel en stikstof als koelmedium voor het bevriezen van een grondlichaam t.b.v. korte ondergrondse verbindingen. Hieruit is stikstof als het meest geschikte koelmedium naar voren gekomen. Vriestechniek is geen exacte wetenschap. Veiligheid wordt op veiligheid gestapeld waardoor de uitvoeringsrisico s beperkt blijven. Om in de toekomst het gebruik van rechte vrieslichamen voor het realiseren van een ondergrondse bouwkuip te optimaliseren is het noodzakelijk dat nader onderzoek wordt gedaan. Met de huidige kennis is het wel mogelijk om op een verantwoorde wijze de vriestechniek toe te passen bij de dak-vries methode. korte ondergrondse verbindingen 5

6 Er is inmiddels veel ervaring met het toepassen van cilindervormige vrieslichamen. Een cilindervormig vrieslichaam wordt alleen belast op axiale druk. Er is zeer weinig bekend op het gebied van het berekenen van rechte vrieslichamen. Een recht vrieslichaam wordt echter op buiging belast, ook krijgt kruip dan een grotere invloed. Er is nog veel onduidelijkheid over het opnemend vermogen van buiging door het vrieslichaam. Verder is er nog de onduidelijkheid over de grootte van de wrijvingsweerstand, van het vrieslichaam op het bestaande bouwwerk, die optreedt door opdrijfbelasting. Om dit te bepalen zijn de parameters buigtreksterkte en (af)schuifsterkte van het vrieslichaam benodigd. Deze parameters zijn echter proefondervindelijk bepaald, waardoor er een grote veiligheidsfactor benodigd is. Er is onderzocht of het mogelijk is om de dikte van een recht vrieslichaam te bepalen m.b.v. de drukbooganalogie die wordt toegepast voor het berekenen van ongewapende onderwaterbetonvloeren. Dit is echter niet mogelijk. Uit onderzoek naar de locatie en configuratie van de vrieslansen is gebleken dat de hart op hart afstand van de vrieslansen de helft moet zijn van de dikte van het vrieslichaam. Om de vriestijd en de benodigde hoeveelheid koelvloeistof te berekenen wordt gebruikgemaakt van empirische formules. De berekening is voor een inschatting van de bouwtijd en kosten. In de praktijk wordt door het toepassen van temperatuurssensoren op een veilige wijze het moment bepaald waarop de doorbraak van bestaand bouwwerk naar de verbinding kan worden gemaakt. Verder zijn nog voor het aantonen van de technische haalbaarheid een zettingsen opdrijfberekening uitgevoerd. Ook is onderzocht hoe de waterafdichting in de constructie van de verbinding kan worden gewaarborgd. De waterafdichting wordt gerealiseerd door middel van waterdichte folie en omegaprofielen. Tevens is in het onderzoek ingegaan op de isolatie, nodig tegen het vrieslichaam voor het behouden van de benodigde temperatuur voor het storten van de vloer en wanden van de verbinding. Er worden PS-schuimplaten toegepast die gelijmd worden m.b.v. styropor. De temperatuurlijn van de isolatie is berekend. In het onderzoek is aangetoond dat de dak-vries methode technisch haalbaar is en financieel haalbaar is in specifieke situaties waarin uitvoeringsrisico s en overlast tot het minimum moeten worden beperkt. De vriestechniek werd in de civieltechnische wereld vooral gezien als laatste redmiddel. Tijdens het onderzoek is gebleken dat de dak-vries methode het verdiend om in een vroeg ontwerpstadium als serieus alternatief te worden meegenomen voor de bouwmethode van een korte ondergrondse verbinding. Het is aan te bevelen dat er meer onderzoek wordt gedaan naar rechte vrieslichamen. Met name de optimalisatie van de dikte van het vrieslichaam met korte ondergrondse verbindingen 6

7 daarbij het opneembaar vermogen van het vrieslichaam tegen opdrijven en de krachten die veroorzaakt worden door het vrieslichaam op het bestaande bouwwerk. korte ondergrondse verbindingen 7

8 summary The construction method for short underground connections between two existing constructions, applied in the Netherlands, cause a lot of implementation risk and inconvenience to the surroundings, which is why there are hardly any underground connections. For this reason research has been done in order to make a proposal for an economic construction method for short underground connections between two existing buildings. Techniques, applied in tunnel construction, were optimally used. The commonly applicable optimum construction method has been developed during the research in the situation Spuimarkt in The Hague, where a connection between the basement and the Pathé theatre has already been realized. First the research location Spuimarkt was analyzed; from this the required dimensions of the connection became known. From the ground data on the spot it had become clear that no waterproof clay layer is present and that the connection lies partly under groundwater level. Then it was examined which construction methods existed for short underground connections in general. Various building techniques were analyzed with as main test criteria inconvenience for surroundings and implementation risks. It showed that the wall-roof method and the freezing technique were very suitable. During the research a new construction technique was developed by combining the wall-roof method with the freezing technique. The newly developed technique is called the roof-freezing technique. The roof-freezing method is developed in the research location Spuimarkt. Then it was examined if the roof-freezing method is technically feasible and an indication of the cost is given. An assessment was made between salt-water and nitrogen as cooling medium for freezing a ground body for short underground connections. Nitrogen has come forward as the most suitable cooling medium. Freezing technique is no exact science. Security is piled up on security as a result of which implementation risks remain limited. To optimize the use of straight freezing bodies for the realization of an underground construction tank in the future it is necessary that closer research is done. With current knowledge it is, however, possible to apply the freezing technique in the roof-freezing method in a justified manner. korte ondergrondse verbindingen 8

9 In the meantime there is much experience with the application of cylindrical freezing bodies. Cylindrical freezing bodies only need withstand axial force. Very little is known in the field of calculating straight freezing bodies. A straight freezing body, however, needs to withstand bending, also creep then gets a larger influence. Much is unclear about the taking capacity of inflection of the freezing bodies. Furthermore there is still the obscurity concerning friction of the freezing body at the existing construction work, which occurs when it needs to withstand floating. To calculate this the parameters bending strength and friction strength of the freezing body are required. However, these parameters have been empirically stipulated, as a result of which a large security factor is required. It has been examined if it is possible to define the cross-section of a straight freezing body with the aid of pressure bow theory which is applied for calculating unarmed underwater concrete floors. This is not possible, however. From a study of the location and configuration of the ice lances it has become clear that the freeze pipe spacing must be half of the cross-section of the freezing-body. To calculate freezing time and the required quantity of freezing fluid empirical formulas are used. The calculation is to make an estimate of the construction time and cost. By using temperature sensors the moment in which the opening of existing construction work to the connection can be made in a safe manner is determined. Furthermore, for showing the technical feasibility deformation- and float withstanding calculations have been made. Also it has been examined how the watertight seal in the construction of the connection can be guaranteed. Watertight sealing is realized by means of impermeable foil and Omega profiles Furthermore, the research discussed heat insulation, essential at the freezing body to preserve the required temperature for pouring the floor and partitions of the connection. PS-isolation plates are used, which are glued together with the aid of styropor. The temperature line of the insulation has been calculated. The research showed that the roof-freezing technique is technically feasible and financially feasible in specific situations in which implementation risk and inconvenience must be minimized. The freezing technique was considered in the civil technical world especially as a last resort. During the research it was proven that the roof-freezing technique deserves at an early design stage to be taken seriously as an alternative for the construction method of a short underground connection. korte ondergrondse verbindingen 9

10 It is recommended that more research is being done into straight freezing bodies. Particularly the optimisation of the cross-section of the freezing body with thereby absorbing capacity of the freezing body against floating and the forces which are caused by the freezing body on the existing construction. korte ondergrondse verbindingen 10

11 inhoudsopgave voorwoord 4 samenvatting 5 summary 8 inhoudsopgave 11 1 inleiding 13 2 analyse onderzoekslocatie spuimarkt project bouwwijze uitgangspunten 20 3 bouwwijzen korte ondergrondse verbindingen bouwen vanaf het maaiveld ondergrondse bouwmethoden bergmännische methoden 3.4 tunnelmethoden in ontwikkeling analyse bouwwijzen 36 5 keuze bouwwijze spuimarkt maaiveld activiteiten ondergrondse activiteiten 41 6 technische haalbaarheid dak-vries methode dimensionering constructie neerwaartse kracht opwaartse kracht realisatie dakconstructie koelmedium pekeloplossing vloeibare stikstof keuze koelmedium vrieslansen materialen aanbrengen opbouw vrieslichaam locatie korte ondergrondse verbindingen 11

12 6.5 constructieve berekening vrieslichaam thermodynamische berekening warmtecapaciteit thermische geleiding sluitingstijd volgroeitijd vermogen per strekkende meter vrieslans benodigde liter stikstof per m zettingen zettingen door ontdooien vrieslichaam zettingen door eigengewicht eindzetting realisatie bakconstructie aanpassingen bestaand bouwwerk doorbreken en ontgraven eerste waterafdichting isolatie vloer en wanden tweede waterafdichting 85 7 financiële haalbaarheid van de dak-vries methode maaiveldactiviteiten ondergrondse activiteiten 87 8 conclusies en aanbevelingen 91 nawoord 93 contactpersonenlijst 94 literatuurlijst 95 bijlagen bijlage 1 plan van aanpak bijlage 2 grondgegevens bijlage 3 ontwerp verbinding spuimarkt korte ondergrondse verbindingen 12

13 1 inleiding De binnenstad van vooral grote steden wordt steeds drukker en voller. Vooral in een stad zoals Den Haag zal, vanwege de ligging tussen de zee in het westen, een snelweg in het oosten, de Koningin in het noorden en kassen in het zuiden, moeten worden overgegaan op meervoudig ruimtegebruik wil de stad niet dichtslibben. De toepassing van nieuwe ondergrondse infrastructuur kan uitkomst bieden. Een bouwwerk als het Souterrain (de Haagse tramtunnel) is hier een voorbeeld van. Ook voorzieningen als winkelcentra en uitgaansgelegenheden gaan over op het gebruik van ondergrondse ruimtes. Om de stad bereikbaar te houden worden er parkeergarages en openbaarvervoersknooppunten gerealiseerd, ook deze dienen in de steeds drukker wordende binnenstad naar de ondergrond worden verplaatst. Figuur 1.1 Locatie verbinding Spuimarkt Ondergrondse bouwwerken in Nederland kenmerken zich doordat zij momenteel alleen vanaf het maaiveld bereikbaar zijn. Er zijn veelal geen onderlinge koppelingen tussen de ondergrondse bouwwerken van het openbaarvervoer / parkeergarages en winkelcentra / uitgaansgelegenheden. De gebouwen staan op zichzelf waarbij er geen rekening is gehouden met omliggende bouwwerken en een mogelijke onderlinge koppeling. Hierdoor ontstaat een minder optimaal korte ondergrondse verbindingen 13

14 gebruik van deze ondergrondse ruimtes. Een ondergrondse verbinding van bovengenoemde ruimtes zou dit probleem oplossen. Het levert de mensen tijdsbesparing op. Het stimuleert het gebruik van openbaar vervoer en zal zo het dichtslibben van de binnenstad tegen gaan. De binnenstad zal aantrekkelijker worden. De ondergrondse verbinding kan uitnodigen tot het gebruik van omliggende voorzieningen, warenhuizen, winkels, bioscopen, uitgaansmogelijkheden enz. In het buitenland bestaan wel ondergrondse stedelijke koppelingen. In steden zoals Parijs, Tokio, Montréal en Seoel zijn diverse verbindingen tussen ondergrondse metrostations en grote winkelcentra. Door de omstandigheden in Nederland is het maken van dit type verbindingen een complexe opgave en levert vaak veel overlast op de omgeving op en brengt meestal uitvoeringsrisico s met zich mee. Binnen het Lectoraat Ondergronds Ruimtegebruik van de Hogeschool Zeeland is de vraag gerezen of bij het bepalen van de bouwmethode en constructie van een ondergrondse verbinding, rekening wordt gehouden met technieken zoals deze worden toegepast in de tunnelbouw voor het maken van verbindingen. De kenniskring CARUS van het Lectoraat Ondergronds Ruimtegebruik heeft daarom opdracht gegeven om onderzoek te doen naar de wijze waarop een korte ondergrondse verbinding, tussen twee bestaande ondergrondse bouwwerken in stedelijk gebied, gerealiseerd kan worden. Probleemstelling De in Nederland toegepaste bouwmethoden voor korte ondergrondse verbindingen tussen twee bestaande bouwwerken geven veel overlast en uitvoeringsrisico s, waardoor er in Nederland bijna geen korte ondergrondse koppelingen bestaan. Doelstelling Voorstel doen voor een economische bouwmethode voor korte ondergrondse verbindingen tussen twee bestaande bouwwerken, waarbij de overlast en uitvoeringsrisico s zoveel mogelijk beperkt worden. Tijdens het afstudeeronderzoek wordt antwoord gegeven op de volgende hoofdvraag: Hoofdvraag Hoe kan een korte ondergrondse verbinding, tussen twee bestaande bouwwerken, zo goed en goedkoop mogelijk gerealiseerd worden, met zo weinig mogelijk overlast en uitvoeringsrisico s, daarbij optimaal gebruikmakend van, in de tunnelbouw toegepaste technieken voor het realiseren van dwarsverbindingen In Den Haag wordt een verbinding tussen het Spuimarkt Pathé theater en het Souterrain ( de Haagse tramtunnel ) gerealiseerd. De kenniskring CARUS van het korte ondergrondse verbindingen 14

15 Lectoraat Ondergronds Ruimtegebruik heeft de opdracht gegeven om op deze locatie de verbinding te ontwerpen. korte ondergrondse verbindingen 15

16 Figuur 1.2 Locatie verbinding Spuimarkt Opdrachtformulering Werk de algemeen toepasbare optimale bouwmethode voor een korte ondergrondse verbinding tussen twee bestaande bouwwerken technisch uit, in het bijzonder voor de situatie Spuimarkt. Het afstudeerproject is ingedeeld in vier fasen. In het eindrapport zullen de verschillende fasen achtereenvolgens in aparte hoofdstukken worden weergegeven. De verschillende fases zijn: 1 Fase 1: Onderzoekslocatie Spuimarkt 2 Fase 2: Bouwwijze korte ondergrondse verbindingen 3 Fase 3: Technische haalbaarheid voorgestelde bouwwijze 4 Fase 4: Financiële haalbaarheid voorgestelde bouwwijze Het eindrapport kan als leidraad dienen bij het keuzeproces voor de juiste bouwwijze voor een korte ondergrondse verbinding. korte ondergrondse verbindingen 16

17 2 analyse onderzoekslocatie spuimarkt 2.1 project De binnenstad van Den Haag is de laatste jaren flink veranderd, de gemeente Den Haag heeft als doel de binnenstad toegankelijker en aantrekkelijker te maken. Daarom is er in 2003 gestart met de bouwwerkzaamheden van de Grote Marktstraat in het Spuimarktgebied. Dit betreft het stuk van het centrum rond Wagenstraat, St. Jacobsstraat, Grote Marktstraat en Spui. In de onderstaande figuur is het Spuimarktgebied weergegeven. Het project Spuimarkt omvat de herontwikkeling en nieuwbouw van winkels, woningen en uitgaansvoorzieningen in de omgeving van de Grote Marktstraat. Na afronding van het totale project zal de binnenstad van Den Haag meer uitnodigend en beter bereikbaar zijn. Figuur Spuimarkt-gebied korte ondergrondse verbindingen 17

18 Figuur Pathé theater Als eerste wordt het nieuwe C&A / Pathé winkel- entertainmentgebouw gebouwd. Het gebouw bestaat uit 6 verdiepingen en zal gerealiseerd worden op de hoek van de Grote Marktstraat / Spui. Het Spuimarktgebied wordt ontsloten door het Souterrain, een ondergronds tramstation in combinatie met een parkeergarage. Het Souterrain bevindt zich onder de Grote Marktstraat. Bezoekers van het winkel- entertainment gebouw krijgen vanaf niveau -1 vanuit het souterrain direct toegang tot het gebouw waar o.a. modewinkels, sportzaken, parfumeriezaken, speelgoedwinkels voorzien zijn. Door het gebouw te verbinden met het Souterrain wordt er een ondergrondknooppunt gecreëerd. Het draagt bij aan het transformeren van de Grote Marktstraat tot een wandelboulevard waar zowel overdag als 's avonds een gezellige sfeer wordt opgeroepen. Bij het project Spuimarkt worden er twee verbindingen gerealiseerd, beide tussen het nog te bouwen Pathé theater en het al bestaande Souterrain. De kelder van het Pathé theater wordt verbonden met het Souterrain. De grootste doorgang wordt direct tegenover de al bestaande doorgang van de V&D gerealiseerd ter hoogte van station Spui. De tweede verbinding bevindt zich aan de andere zijde van de kelder van het theater ter hoogte van de parkeergarage. korte ondergrondse verbindingen 18

19 2.2 bouwwijze Bij de verbinding Spuimarkt is er gekozen om gebruik te maken van een open bouwkuip methode. Dit is in dit geval de goedkoopste oplossing. De bouwkuip wordt tegen het bestaande Souterrain aangebouwd. De verbinding met het Souterrain wordt tegelijkertijd met de constructie van het Pathé theater gerealiseerd. Om veilig te kunnen ontgraven wordt er een bouwkuip gemaakt met een verticale afsluiting die bestaat uit stalen damwanden. De damwanden worden zoveel mogelijk d.m.v. trillen ingebracht. Omdat de damwanden zeer dicht tegen de omringende bebouwing moesten komen en een aantal bouwwerken op staal gefundeerd zijn, zijn er trillingsmonitoringen uitgevoerd. Wanneer de trillingen boven de acceptabele waarde kwamen werd er overgegaan op het indrukken van de damwanden. Met het trillen van de damwanden is begonnen op een afstand van de verbouwing waar het inbrengen van de damwanden eenvoudig was. Ook kon zo ingeschat worden wat de omgeving doet en hoe ver kon worden gegaan met het trillen van damwanden. Onder de bouwwerken zouden er anders zettingen kunnen ontstaan die tot grote schade kunnen leiden. De aansluiting van de damwanden op het Souterrain is gebeurd met behulp van groutkolommen. De bodem van de bouwkuip bestaat uit verschillende dunne kleilaagjes. Deze dunne kleikaagjes zijn niet voldoende om de onderafdichting van de bouwkuip te zorgen. Tijdens het bouwproces is er bemaling toegepast het grondwaterpeil is plaatselijk verlaagd tot 0,5 m onder het kelderniveau. Tijdens het ontgraven bleek er een oude waterput aanwezig te zijn precies midden in de bouwput, dit zorgde ervoor dat de bouwput niet droog bleef. Dit probleem is opgelost door een buis in te brengen die een aantal meter boven de bodem van de bouwput uitstak. Hierdoor werd de waterdruk weg genomen en staat er alleen in de buis water. De buis bleef wel gedurende de hele bouw een opstakel midden in de bouwput. In verband met sloopwerkzaamheden en diverse vergunningen is de bouwkuip in drie afzonderlijke delen opgedeeld. Om toch de keldervloer in een keer te kunnen stortten worden de binnenste rijen damwanden afgebrand tot ongeveer 30 cm onder de fundering. Dit zorgt er tevens voor, dat er geen koppeling is tussen de damwanden en de betonvloer (keldervloer). De buitenste damwanden worden, waar mogelijk, mogelijk getrokken en de overige damwanden worden afgebrand. Omdat de kans op schade aan omringende bouwwerken groter was dan de teruggewonnen damwandplanken zouden opleveren. Het theater is op staal gefundeerd, terwijl de wand van het Souterrain bestaat uit diepwandpanelen en heeft dus een geheel ander zettingsgedrag. Oorspronkelijk bestond het idee om de verbinding voor de ene helft aan het Souterrain te hangen en andere helft aan de kelder van het Pathé theater. De gemeente Den Haag heeft ervoor gekozen om de verbinding volledig aan het Souterrain te hangen. De verbinding kan eigenlijk gezien worden als een overstek op de constructie. De verbinding is een constructief onderdeel van de Souterrain. Hierdoor heeft de gemeente volledig toezicht op de werkzaamheden. Het voordeel is nu dat alle verantwoordelijkheid van de verbinding bij de korte ondergrondse verbindingen 19

20 gemeente ligt. De gemeente heeft de verbinding en de aansluiting op het Souterrain zelf ontworpen en gaan deze ook zelf beheren. Op technische gebied gaf de verbinding een behoorlijk probleem omdat het maximale moment aan de bovenzijde van de aansluiting niet voldoende gewapend zou kunnen worden. Er was namelijk niet geen plaats met al de voorspanwapening die in de constructie van de Souterrain aanwezig was. Daarom is er voor gekozen om de bovenkant los te laten van de Souterrain en een iets grotere vervorming toe te staan. De grote opening in de diepwand van de Souterrain zorgt voor een behoorlijk verlies in stijfheid. Dit wordt op gevangen door een verstijvingsring, de verstijvingring is onderdeel van de Souterrain. De wand van het Pathé theater wordt niet voorzien van een verstijvingring, omdat er geen kracht wordt uitgeoefend door de verbinding. Om de zetting die kan ontstaan op te kunnen nemen moet er wel een dilatatie worden aangebracht. De dilatatievoeg wordt gerealiseerd ter hoogte van kelderwand van het theater. 2.3 uitgangspunten Uit de bovenstaande analyse van het project is gebleken dat de verbinding niet geschied tussen 2 bestaande bouwwerken. Voor kenniskring CARUS heeft het onderzoek tussen 2 bestaande bouwwerken meer waarde, daarom wordt ervoor het verder onderzoek van uitgegaan dat beide bouwwerken bestaand zijn. Daarnaast zij de onderstaande uitgangspunten opgesteld war aan de verbinding moet voldoen. De verbinding tussen het Pathé theater en het Souterrain heeft een inwendige breedte van verbinding 7m hoogte van 2,5m en de lengte bedraagt slechts 2m. Het Pathé theater wordt via de kelder verbonden met het Souterrain, de kelder ligt op ongeveer -4m vanaf het maaiveld. De kelder ligt gelijk aan het niveau met het vloerpeil Souterrain zodat er een vlakke aansluiting ontstaat zonder trappen of hellingbanen. Dit geeft dus geen verlies van kostbare ondergrondse m 3 s. korte ondergrondse verbindingen 20

21 Figuur Schematische doorsnede verbinding Direct boven de plaats waar de korte ondergrondse verbinding, dus op maaiveldniveau, gerealiseerd dient te worden is de ingang van het Spuimarktcomplex. Tevens is de Grote Marktstraat een zeer drukke winkelstraat, zodat absoluut geen overlast op de omgeving gewenst is. Het maaiveldpeil ter plaatse van het project bevindt zich tussen NAP +0,35m en NAP +0,60m. De bodem is opgebouwd uit verschillende grondlagen. De grondslag in Den Haag is niet geheel homogeen opgebouwd, er bevinden diverse dunne kleilaagjes in plaats van één afsluitende kleilaag. Het is dus mogelijk dat de kleilaagjes plaatselijk niet voor voldoende natuurlijk afsluiting zorgen. De volledige grondgegevens zijn terug te vinden in bijlage nr. 2. Het is in Den Haag niet gewenst om bemaling toe te passen. Bemalen met retourbemaling mag alleen wanneer er aangetoond kan worden dat het water niet sneller toestroomt dan dat het weer kan worden bijgevuld. Bij de aanwezige grondslag van goed doorlatend zand, vormt retourbemaling een probleem. Gemeente Den Haag heeft bij het realiseren van het Souterrain zeer vervelende ervaring met de toepassing van grout als onderafdichting, er bestaan in de aanwezige niet-homogene grond grote uitvoeringsrisico's. korte ondergrondse verbindingen 21

22 3 bouwwijzen korte ondergrondse verbindingen De aanleg van tunnels in de slappe Nederlandse bodem kan op verschillende manieren plaatsvinden. De verschillende bouwmethoden kunnen in twee hoofdgroepen worden opgedeeld te weten: Methoden waarbij vanaf het maaiveld wordt gebouwd. Methoden waarbij de bouw van de tunnel ondergronds wordt uitgevoerd. Naast de bekende bouwwijzen worden er een aantal bouwwijzen besproken die in ontwikkeling zijn. Dit onderzoek beperkt zich tot korte ondergrondse verbindingen in stedelijk gebied. Daarom wordt de toepassing van nat grondverzet niet meegenomen. Tevens zal de afzinkmethode niet worden meegenomen omdat het realiseren van een toegangsgeul nauwelijks mogelijk is. Omdat we in Nederland dus te maken hebben met slappe verzadigde gronden, is er bijna altijd grondverbetering nodig. De verschillende Bergmännische methoden zullen in paragraaf 3.3 besproken worden. Tenslotte zullen er aan het einde van dit hoofdstuk nog enkele innovatieve technieken besproken worden. 3.1 bouwen vanaf het maaiveld Binnen de categorie bouwen vanaf het maaiveld is de open ontgraving nog de meest toegepaste methode in Nederland. Open ontgravingen zijn vervolgens op te delen in bouwputten (gebruik makend van talud) en bouwkuipen (gebruikmakend van verticale wanden). Beide methoden zijn uitvoerbaar met of zonder bemaling. Tenslotte zullen de schalentunnel en wanden-dak methode ook in deze categorie worden besproken. Deze methoden maken namelijk gebruik van een bouwkuip maar zijn geen echte open ontgravingen. 1. Open ontgraving: Bouwput met bemaling Een open bouwput wordt begrensd door taluds tijdens de ontgraving. Wanneer de bodem van bouwput zich onder de grondwaterspiegel bevindt, is het noodzakelijk om bemaling toe te passen om in den droge te kunnen ontgraven. De ontgraving gebeurt tot aan de onderzijde van de toekomstige constructie. De afmetingen aan de bodem van de ontgraving zijn gelijk aan de afmetingen van de toekomstige constructie plus werk- en bekistingsruimte. Voor de taluds worden i.v.m. afschuiving meestal hellingen toegepaste van 1:1,5 à 1:2,5, dit afhankelijk van de grondsamenstelling en de ontgravingsdiepte. In grote delen van Nederland ligt de grondwaterspiegel op slechts 1 à 2 m onder het maaiveld. Dus de meeste ondergrondse werken bevinden zich met hun grondvlak onder dit niveau. Om de definitieve constructie in den droge te kunnen bouwen moet de waterstand dus worden verlaagd. Afhankelijk van de benodigde waterstandsverlaging, de doorlatendheid van de grond en de grootte van de putbodem wordt een open bemaling, een vacuümbemaling of een bemaling met onderwaterpompen toegepast. Ook een combinatie van deze typen bemaling is mogelijk. korte ondergrondse verbindingen 22

23 Wanneer zich onder de putbodem een afsluitende laag bevindt met daaronder zand, kan men te maken krijgen met opbarsten van de bodem. Dan moet worden gecontroleerd of het gewicht van het grondpakket na het ontgraven groter is dan de opwaartse druk van het spanningswater onder de afsluitende laag. Is dit niet mogelijk dan dient er met behulp van onderwaterpompen het spanningswater worden verlaagd tot de gewenste diepte. Nadelen van spanningsbemalingen zijn dat de verlaging zich meestal doorzet tot op grote afstanden van de bouwput en dat het uitvallen van de pompen tot opbarsten van de bodem kan leiden. Daarom is het gewenst om een goed bewakingssysteem (monitoring) te beschikken zodat er direct kan worden ingegrepen. Naast instromen van uit de bodem kan er ook water instroming plaatsvinden van uit de taluds. Om de nadelige gevolgen van het verlagen grondwater te voorkomen is het mogelijk om retourbemaling aan te leggen. Hiermee wordt het opgepompte water via putten met filters op enige afstand van het werk terug de grond ingepompt. Figuur Bouwput met bemaling De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwput met bemaling zou er als volgt uitzien: 1. Installeren bemaling 2. Verlagen grondwaterstand 3. Ontgraven in den droge 4. Bouwen tunnel 5. Aanaarden 6. Uitzetten en verwijderen bemaling Voorbeelden: Schipholtunnel in de A4 korte ondergrondse verbindingen 23

24 Utrechtse Baan A12 De voor- en nadelen: Een bouwput is bijna altijd aanzienlijk goedkoper dan alle ander bouwwijzen, zelfs als er omvangrijke bemaling is vereist. Nadelen zijn het grote ruimtebeslag door de taluds en de gevolgen van de bemaling. 2. Open ontgraving: Bouwput zonder bemaling Deze methode kan alleen worden toegepast wanneer er een water afsluitende laag aanwezig is die voldoende diep zit onder de putbodem. Absoluut dichte lagen bestaan eigenlijk niet, maar het gaat erom dat de weerstand dusdanig is dat de kwel beperkt blijft. Voordat men begint met ontgraven worden er aan beide zijden en aan de kopeinden van de ontgraving schermen aangebracht. Deze schermen reiken tot in de dichte laag, zodat er een rondgaande waterkering ontstaat. Het scherm kan bijvoorbeeld uit stalen damwandprofielen, cement-bentonietwanden met in de kern eventueel damwanden of waterdichte folie. Om bezwijken van de bouwput onder de waterdruk te voorkomen moet voldoende grondgewicht aanwezig zijn op de bodem afsluitende laag. Daarnaast dient ook de afstand tussen het scherm en de insteek van het talud zo groot te zijn dat het scherm naar behoren wordt ondersteund voor het opnemen van horizontale waterdruk. Wanneer er geen waterafsluitende laag in de bodem aanwezig is, is het mogelijk om een kunstmatige laag aan te brengen. Alleen is dit wel een kostbare oplossing. Tijdens het ontgraven en het maken van de definitieve constructie zal de grondwaterstand binnen de bouwput m.b.v. een open bemaling en/of vacuümbemaling tot onder de bodem kunnen worden verlaagd. De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwput zonder bemaling zou er als volgt uitzien: 1. Aanbrengen wanden 2. Ontgraven in den droge 3. Bemalen in bouwput (indien nodig) 4. Bouwen tunnel 5. Aanaarden 6. Verwijderen wanden (indien nodig) Voorbeelden: Bouwdok Barendrecht Toerit van de tunnel onder de Noord Voor- en nadelen: De toepassing is alleen mogelijk als de afsluitende laag op de juiste diepte aanwezig is. Het moet mogelijk zijn om met relatief geringe inspanning de put korte ondergrondse verbindingen 24

25 droog te houden. Bij deze uitvoeringswijze doen de nadelige gevolgen van de bemaling voor de omgeving zich niet voor, maar het ruimte beslag is groot. 3. Open ontgraving: Bouwkuip met bemaling Een bouwkuip onderscheidt zich van een bouwput, doordat de begrenzing niet wordt gevormd door taluds, maar door verticale wanden zoals damwanden, combiwanden of diepwanden. De werkwijze is vrijwel gelijk aan die bij een bouwput. Een bouwkuip is duurder dan een bouwput, maar heeft minder ruimtebeslag doordat er geen taluds worden toegepast. Bij ondiepe bouwkuipen kan worden volstaan met klokpompen of enkele vacuümpompen om de bouwkuip droog te houden. Deze kleinschalige bemaling heeft meestal nauwelijks invloed op de omgeving. Bij grotere aanlegdiepten en schadegevoelige omgeving zal er tussen de wanden een bodemafsluiting moeten worden gemaakt, tenzij er een afsluitende laag in de ondergrond voorkomt. Natuurlijk dient de afsluitende laag zo diep te liggen dat er tijdens het ontgraven geen opbarsten optreedt. Om uitbuigingen van damwanden tegen te gaan kunnen er stempels en/of groutankers worden aangebracht. De uitbuigingen kunnen namelijk grote problemen opleveren voor de funderingen van de omringende bebouwing. Er kunnen grotere buigende momenten worden opgenomen door meerdere rijen stempels onder elkaar te plaatsen of door combi- of diepwanden toe te passen. Aan een verankering met groutankers kleeft het bezwaar van een groter (ondergronds) ruimtebeslag dan wanneer stempels worden toegepast. Echter is het lastiger werken in een bouwkuip die voorzien is van stempels. De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwkuip met bemaling zou er als volgt uitzien: 1. Trillen / heien van damwanden 2. Installeren bemaling 3. Verlagen grondwaterstand 4. Deels ontgraven in den droge 5. Plaatsen stempels en/of ankers 6. Ontgraven tot aanlegdiepte in den droge 7. Bouwen tunnel 8. Aanaarden 9. Verwijderen damwanden en stempels 10. Aanaarden 11. Uitzetten en verwijderen bemaling Voorbeelden: Rioleringwerken Willemsspoortunnel Voor- en nadelen: Voordelen zijn het beperkte ruimtebeslag en het vermijden van grondwaterverlaging in de omgeving. De methode is duurder dan bouwputten omdat de verticale wanden behalve waterremmend nu ook sterkte moeten hebben. Daarnaast zijn er stempels en/of groutankers benodigd om de wanden te ondersteunen die het ontgraven bemoeilijken. korte ondergrondse verbindingen 25

26 4. Open ontgraving: bouwkuip zonder bemaling Wanneer de natuurlijke afsluiting ontbreekt, kan een kunstmatige bodemafsluiting worden aangebracht tussen de wanden. Dit kan door middel van een onderwaterbetonvloer of door injectie. Figuur Bouwkuip Onderwaterbetonvloer: Als eerst worden de damwanden en stempels aangebracht boven het grondwaterniveau. Vervolgens wordt in de natte het overige ontgraven waarbij de waterstand tussen de wanden dient gelijk te blijven aan het grondwater in de omgeving. Vervolgens wordt de betonspecie aangebracht op de bodem. Indien noodzakelijk kunnen er, voordat de beton gestort wordt, palen worden aangebracht. Deze kunnen fungeren als trekankers en voorkomen dat de vloer omhoog wordt gedrukt door het grondwater. Bij ondiepe werken is het eigen gewicht van de betonvloer voldoen om niet op te drijven. De palen zouden ook als drukpalen toegepast kunnen worden, wanneer er zeer hoger drukkrachten vanuit de constructie moeten worden opgenomen. Pas na het verharden van de onderwaterbetonvloer wordt de kuip leeggepompt en wordt er vervolgens in den droge gewerkt. Als de bouwkuip in den natte wordt ontgraven en een onderwaterbetonvloer met trekelementen wordt toegepast, is een situatie verkregen waarbij geen bemaling nodig is. De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwkuip zonder bemaling voorzien van onderwaterbetonvloer zou er als volgt uitzien: 1. Trillen /heien van damwanden 2. Ontgraven in den droge en in de natte 3. Storten onderwaterbetonvloer 4. Bouwen tunnel 5. Aanaarden 6. Verwijderen damwanden 7. Aanaarden Geïnjecteerde laag Na het aanbrengen van de damwanden wordt tussen deze begrenzingen aan de onderzijde een circa 1m dikke laag grond geïnjecteerd met cementgrout of chemische middelen. Dit gebeurt door van af het maaiveld lansen de bodem in te drukken met aan het einde injectievoorzieningen. De lans wordt na het injecteren korte ondergrondse verbindingen 26

27 getrokken en op de volgende plaats ingedrukt. Om een aaneengesloten laag te krijgen dient de afstand tussen de lansen tussen 0,5 tot 1m liggen. De laag moet opwaartse grondwaterdruk na het ontgraven kunnen weerstaan. Het injecteren niet goedkoop en er zal meer kwel optreden dan bij onderwaterbeton het geval is. Doordat een stempeling zoals bij de onderwaterbetonvloer ontbreekt, zullen de buigende momenten in de damwanden groter zijn, wat tot zwaardere profielen kan leiden. De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwkuip zonder bemaling voorzien van geïnjecteerde laag zou er als volgt uitzien: 1. Heien van damwanden 2. injecteren 3. Ontgraven in den droge 4. Bouwen tunnel 5. Aanaarden 6. Verwijderen damwanden 7. Aanaarden Voorbeelden: Maastraverse Maastricht Tunnel Sijtwende Gesloten toeritten van de Botlekspoortunnel Voor- en nadelen: Net als bij de bouwkuip met bemaling uit de bovenstaande bouwmethode kunnen er groutankers of stempels worden aangebracht. Het verschil is tussen onderwaterbeton en injectielaag is dat de injectielaag grondsoort afhankelijk is. Voordelen van deze methode zijn het relatief kleine ruimtebeslag en het voorkomen van onttrekking van grondwater tijdens de bouw. De nadelen zijn dat de injectielaag niet altijd betrouwbaar is en dat onderwaterbeton vrij kostbaar is. 5. Schalentunnel In de vorige bouwmethoden worden toegepaste om een permanente constructie in te bouwen en sporadisch wordt de bouwkuip / bouwput geïntegreerd in het definitieve werk. In tegenstelling tot een schalentunnel waarbij de definitieve constructie zelf gebouwd wordt. Het betreft een tunnel in een tijdelijke bouwkuip met een natuurlijke of kunstmatige bodemafsluiting. De schalentunnel is ontwikkeld door Gemeentewerken Rotterdam en deze methode maakt het mogelijk om in een korte tijd te bouwen en zo de hinder zoveel mogelijk beperken. De bouwkuip bestaat uit damwanden en stalen stempels. In den droge wordt de gewapende- betonvloer gestort terwijl de wanden bestaan uit prefab betonnen schalen. De bouwfasering voor een schalentunnel zou er als volgt uitzien: 1. Heien damwanden 2. Deels ontgraven in den droge 3. Plaatsen stempels en/of ankers 4. Ontgraven tot aanlegdiepte in den droge 5. In den droge gewapende betonvloer storten. 6. Aanbrengen prefab betonnen schalen 7. Aanaarden korte ondergrondse verbindingen 27

28 8. Verwijderen damwanden en stempels 9. Aanaarden Voorbeeld: Oost-Westtramlijn in Rotterdam Voor- en nadelen: Voordelen van de gecombineerde bouwkuip/schalentunnel zijn de beperkte werkbreedte, geen grondwateronttrekking en een korte bouwtijd. Een nadeel is dat in verband met de handelbaarheid van de prefab-elementen het alleen toepasbaar is voor tunnels met een beperkte breedte. 6. Wanden-dak methode Deze methode is erop gericht om de hinder op straatniveau zo kort mogelijk te laten duren. De verticale wanden worden eerst gemaakt en vervolgens wordt het dak aangebracht. Dan wordt de situatie ter hoogte van het maaiveld weer hersteld en gelijktijdig wordt onder het dak ontgraven en de tunnel afgebouwd. Om dit in den droge te kunnen ontgraven is bemaling noodzakelijk, maar dit is meestal niet gewenst. De voorkeur wordt dan ook gegeven aan een natuurlijke of kunstmatige bodemafsluiting. Dit kan op drie verschillende methoden gebeuren: De verticale wanden reiken in de natuurlijke waterremmende laag, vervolgens kan met behulp van bemaling de ontgraving in den droge geschieden. Het is in principe ook mogelijk om het zonder bemaling in den droge te bemalen, maar dan zal onder verhoogde luchtdruk moeten worden gewerkt. Als derde mogelijkheid zou ook in den natte kunnen worden ontgraven, waarna met een onderwaterbetonvloer met trekelementen moet worden gemaakt. Figuur 3.1.3Wanden-dak methode De bouwfasering voor een tunnel in een open bouwkuip met bemaling zou er als volgt uitzien: 1. Heien van damwanden/diepwanden 2. (aanbrengen kunstmatige afsluitingslaag) 3. Deels ontgraven in den droge korte ondergrondse verbindingen 28

29 4. Aanbrengen wanden en dakconstructie 5. Herstellen situatie maaiveld 6. Ontgraven onder dakconstructie 7. Afbouwen tunnel 8. Aanaarden Voorbeelden: Drechttunnel A16 Souterrain Grote Marktstraat Den Haag Metro Amsterdam Voor- en nadelen: Het voordeel is dat er slechts beperkte hinder is op maaiveldniveau. Daarnaast is het ruimtebeslag relatief beperkt. De tijdelijke en definitieve constructie onderdelen kunnen worden geïntegreerd. Het nadeel is dat het een vrij kostbare methode is omdat er zowel een bouwkuip gemaakt wordt en er ondergronds ontgraven wordt. 7. Pneumatisch caisson Bij deze bouwwijze wordt eerst de betonconstructie op het maaiveld gemaakt en vervolgens door ondergraven en naar de juiste diepte gebracht. Onderin de constructie bevindt zich een manshoge werkkamer, door de kamer onder verhoogde luchtdruk te brengen is er geen instroming van grondwater. Tijdens het afzinken dient de overdruk gelijk te zijn aan de druk van de stijghoogte van het grondwater. De grondspleet die door het zakken ontstaat wordt opgevuld met bentoniet, dat via ingestorte buizen wordt aangevoerd. De bentoniet zorgt ervoor dat de grondwrijving zich beperkt tot het onderste gedeelte. In het caisson is een luchtsluis gemonteerd, waardoor de werkkamer te bereiken is. Het is noodzakelijk dat om gezondheidsredenen het personeel geschut wordt van atmosferische druk naar overdruk en omgekeerd. Op grotere diepte, dieper dan 15m, kunnen er geen werkzaamheden meer worden uitgevoerd door mensen zonder speciale gasmengsels en uitgebreide decompressievoorzieningen. Er zal dan naar een andere mechanische ontgravingsmethoden moeten worden uitgeweken. Figuur Pneumatische caisson methode korte ondergrondse verbindingen 29

30 Het ontgraven geschiedt door het losspuiten van de grond. Het grondwatermengsel wordt afgevoerd en het caisson zakt door zijn eigen gewicht. Eenmaal op de gewenste diepte wordt de werkkamer volgepompt met beton. De bouwfasering voor de caisson methode zou er als volgt uitzien: 1. Bouwen caisson 2. Aanbrengen luchtdrukapparatuur en startruimte ontgraven 3. Ontgraven van onderuit onder luchtdruk 4. Werkkamer volstorten met beton 5. Herstellen maaiveldsituatie. Voorbeelden: Kelders onder Ministerie van Defensie, Den Haag Oostlijn metro, Amsterdam Voor- en nadelen: Het voordeel dat de caissonmethode heeft is dat de definitieve constructie gecontroleerd kan worden op maaiveldniveau. Daarnaast is er geen grondwaterstandverlaging nodig. Het grote nadeel is het werken onder verhoogde luchtdruk, dit is aan strikte regels gebonden en kostbaar. Daarnaast is er geruime tijd hinder op maaiveldniveau. 3.2 ondergrondse bouwmethoden In de categorie ondergrondse uitvoering zijn twee methoden te onderscheiden namelijk boren en mijnbouwmethoden. Er wordt onderzoek verricht naar een korte tunnel, daarom valt een geboorde tunnel bij voorbaat af. Maar voor de volledigheid wordt deze techniek wel kort beschreven. 1. Tunnelboortechniek Geboorde tunnel zijn de laatste jaren in opmars geraakt in Nederland. De Tweede Heinenoordtunnel, Botlekspoortunnel en de Westerscheldetunnel zijn daarvan goede voorbeelden. Geboorde tunnels maken het in principe mogelijk om onder de grondwaterspiegel een tunnel te bouwen, zonder dat daar speciale maatregelen voor getroffen moeten worden. Hinder voor de omgeving wordt in belangrijke mate beperkt, behalve rond de start en ontvangstschachten. De tunnelboormachines (TBM s) zijn in het algemeen rond van vorm en dat beperkt het aantal banen verkeer dat door de tunnel kan. De Westerscheldetunnel bijvoorbeeld is één van de grootste diameters in Nederland, maar toch passen er maar twee rijstroken in een tunnelbuis. De grootste diameter in Europa, de Elbetunnel heeft slechts plaats voor twee rijstroken en een vluchtstrookje. Om de druk van de grond en het grondwater buiten het schild te houden en het boorfront stabiel te houden, komen er in Nederland 2 typen schilden in aanmerking. Te weten het vloeistofschild en het gronddrukbalansschild. korte ondergrondse verbindingen 30

31 Figuur Tunnelboormachine De bouwfasering voor het boren van een tunnel zou er als volgt uitzien: 1. Bouwen start- en eindschacht 2. Opbouwen tunnelboormachine 3. Boren en aanbrengen lining Voorbeelden: Westerscheldetunnel Botlekspoortunnel Tweede Heinenoordtunnel Voor- en nadelen: De bouwkuip is beperkt en dus ook de overlast op het maaiveld. Geen hinder voor het binnen stedelijk gebied, met uitzondering rond de start- en ontvangstschachten. Bij grotere diepten is de kans op schade aan bebouwingen minimaal. Het nadeel is dat er een behoorlijke gronddekking moet zijn. De rondevorm is niet het meest economische vorm en het boren van een rechthoekig gat is erg kostbaar. Daarnaast is het boren niet rendabel bij korte tunnels omdat het een enorme voorinvestering vergt in de aanschaf van de TBM. Daarbij komt nog dat er eerst 1 tot 2 jaar ontwerpen en bouwen aan de TBM bij de bouwtijd gerekend dient te worden. 2. Tunneltechnieken uit de mijnbouw Een tunneltechniek die in het buitenland wel vaak wordt toegepast, maar die in Nederland weinig doorgang heeft is de zogenaamde New Austrain Tunneling Method (NATM). De methode is voor het eerst ontwikkeld in 1948 voor waterkrachtcentrales in Oostenrijk in rotsachtig materiaal. Zo n 20 jaargeleden is deze methode ook in zachtere gronden toegepast. Eerst in de overgeconsolideerde klei en in mergel voor de metrobouw in Duitsland. Tegenwoordig wordt de methode toegepast in bijna alle soorten grond waaronder zand en grind. korte ondergrondse verbindingen 31

32 Voornaamste reden waarom de methode in Nederland geen doorgang heeft gevonden is de aanwezigheid van een zeer zachte grond (veen en zeer jonge klei) en een hoge waterstand. Figuur NATM Het principe van NATM is, dat bij het ontgraven de grond wordt toegestaan een klein beetje te vervormen zodra er boogwerking ontstaat. De spanningen in de radiale richting nemen hierdoor af en er is daardoor slechts een geringe resterende belasting op de aan te brengen ondersteuning. De bouwfasering voor een tunnel waarin mijnbouwtechnieken wordt toegepast zou er als volgt uitzien: 1. Deel ontgraven 2. Eerste laag spuitbeton 3. Aanbrengen wapeningsnet 4. Tweede laag spuitbeton 5. Verder afgraven 6. Afbouwen tunnel Voorbeelden: In Nederland is NATM alleen toegepast voor het maken van dwarsverbindingen voor de Botlekspoortunnel en de Westerscheldetunnel in combinatie met vriezen. In het buitenland zijn er vele tunnels waar deze methode is toegepast. Voor- en nadelen: In tegenstelling tot een geboorde tunnel zijn er geen grote voorinvesteringen noodzakelijk. Behalve bij het begin- en eindpunt van de NATM tunnel is er geen hinder voor de omgeving. Het kostenniveau van dergelijke tunnels in deze omstandigheden is niet in voldoende mate bekend. 3.3 bergmännische methoden In deze paragraaf worden de Bergmännische methoden besproken, deze methoden worden toegepast voor het realiseren van dwarsverbindingen. Bij het uitbouwen van reeds geboorde tunnelbuizen zoals de Westerscheldetunnel en diverse metrostations. Om in de ondergrond ruimte te creëren staat een aantal technieken ter beschikking. Het stabiel houden van de ontgraving is hierbij een belangrijke factor. In de meeste gevallen zullen eigenschappen van de grond verbeterd korte ondergrondse verbindingen 32

33 moeten worden om een stabiele ontgraving te verkrijgen. Hiervoor zijn er twee technieken mogelijk: injectie van de bodem bevriezing van de bodem 1. Injecteren: Bij deze techniek wordt er onderdruk in de grondporiën vloeistof in gebracht die al dan niet uithardt. Het doel van het injecteren is ervoor te zorgen dat de grond voldoende stabiliteit en sterkte heeft, maar daarnaast ook om het grondmassief een waterremmende functie te geven. Het is mogelijk om zowel in fijnkorrelige als in grofkorrelige grondsoorten te injecteren. De mate van injecteerbaarheid wordt hoofdzakelijk bepaald door de doorlatendheid van de grondsoort en de viscositeit van de injectievloeistof. Als injectiemateriaal kan grout en chemische middelen worden toegepast. Jetgrouten De processen die bij jet-grouten in de grond optreden zijn: het versnijden van grondstructuur het afvoeren van losgesneden grond en het toevoeren van een verhardende specie. Als eerste wordt er een gat geboord met een spoelboor, waarmee vervolgens de jetgroutkolom wordt vervaardigd. De vloeistof wordt door middel van horizontaal gerichte spuitmondjes van af het diepste punt geïnjecteerd. Door de hoge vloeistofdruk wordt de korrelspanning tijdelijk volledig opgeheven ontstaat er een dikke brij. Vervolgens wordt de lans langzaam roterend naar boven gehaald en ontstaat er een groutkolom. Het is mogelijk om met deze kolommen een wand te vormen. Figuur Jetgrouten Het voordeel van jetgouten is dat het volledig trillingsvrij is. Een nadeel zou kunnen zijn dat bij een kleine h.o.h.-afstand dat er een wachttijd is van 1 dag tussen 2 kolommen. Injectie van grout en chemische oplossingen Het grote verschil met jetgrouten en de injectie met grout en chemisch oplossingen is dat er niets verandert aan de oorspronkelijke korrelstructuur. korte ondergrondse verbindingen 33

34 Alleen de poriën worden op gevuld. De techniek wordt toegepast bij het compenseren van zakkingen, het remmen van waterstroming. Het zou dus toepast kunnen wordt voor het compenseren van een zakking na een vries-dooi-cyclus. Injectielansen, speciale injectie-elementen en manchetbuizen. Het probleem is altijd dat de ondergrond nooit homogeen is en het proces dus moeilijk beheersbaar is. De zekerheid van een volledig gesloten grondmassief is niet te geven. Er zijn drie verschillende uitvoeringstechnieken mogelijk: injectie via injectielansen injectie via speciale injectie-elementen injectie via manchetbuizen Verontreinigingen in de grond kunnen leiden tot zwakke plekken in het injectielichaam. Daarnaast kan chemische injectie zelf ook tot milieutechnische complicaties leiden. Voor- en nadelen: Het voordeel van jetgrouten is dat het volledig trillingsvrij is. Een nadeel zou kunnen zijn dat bij een kleine hart op hart afstand er een wachttijd is van een dag tussen twee kolommen. Het is een relatief goedkope techniek en neemt weinig ruimte in beslag. Het grote nadeel is dat de waterdichtheid onzeker is. De toepassing van chemische injectie is een mogelijke oplossing wanneer er geen eisen aan het milieu gesteld worden. Bij veen- en kleilagen is de toepassing van chemische injectie niet mogelijk. 2. Bevriezen: Bij grondbevriezing wordt het aanwezige grondwater bevroren, dit gebeurt door warmte te onttrekken uit de grond totdat het grondwater bevroren is. De bevroren grondmassa is waterondoorlatend, daarnaast neemt de stabiliteit en sterkte toe. Grondbevriezen is toepasbaar in alle grondsoorten en kent geen milieu vreemde stoffen die permanent in de grond blijven. De grondwatercondities zijn van groot belang voor het succesvol afronden van het vriezen. Zo zijn de stroomsnelheid en de chemische samenstelling van het grondwater er belangrijk. Een te grote toestroming van grondwater zorgt ervoor dat het vrieslichaam te klein blijft en niet de gewenste sterkte kan bereiken. Wanneer er opgeloste zouten of verontreinigen in het grondwater aanwezig zijn, kunnen deze een verlaging van het vriespunt op leveren. De aanwezigheid van koolwaterstoffen zouden met een pekeloplossing zelfs niet of zeer slecht kunnen bevriezen. Er zijn 2 mogelijke koelmiddelen, pekel(zoutoplossing) en stikstof. Met vriesinstallatie met pekel kan de grond worden afgekoeld van 15 o C tot 20 o C. Deze methode wordt meestal toegepast bij langere bouwtijden en het duurt ook langer voordat de gewenste sterkte bereikt heeft. Het tweede koelmiddel is stikstof, dit koelt de grond van 40 o C tot 80 o C. Bij beide manieren wordt de koude vloeistof door vrieslansen gepompt en is er dus geen indringing in de grond mogelijk. Tevens is het voor beide manieren mogelijk of zowel horizontaal(van uit tunnel) als verticaal (vanaf het maaiveld) te vriezen. korte ondergrondse verbindingen 34

35 Voor- en nadelen: De uitvoeringsduur is meestal kort vooral bij de toepassing van stikstof. Er kan gewerkt worden in ruimten met een beperkte werkhoogte. Er ontstaan nauwelijks trillingen en/of lawaaihinder. Wanneer de vrieslansen verwijderd worden is er geen milieubelasting. Een nadeel is dat er tussen de bevroren grond en de te storten beton een isolatielaag of 50mm extra betondekking moet worden aangebracht. Daarnaast is er altijd de interactie met andere materialen. 3.4 tunnelmethoden in ontwikkeling 1. Trektunnel Al vele jaren worden er tunnels van kleine afmetingen onder spoorbanen en snelwegen getrokken. Meestal gaat het hierbij om tunnel voor langzaam verkeer of zijn het duikers. De tunnel wordt met behulp van trekstangen door het grondlichaam getrokken, waarbij met klein materieel de grond aan het (open) graaffront wordt verwijderd Op het moment zijn er onderzoekingen gaande om uit te zoeken of deze tunnel bouwmethode ook opgeschaald kan worden naar verkeertunnels met grotere doorsneden en lengtes. Voor- en nadelen: Een groot voordeel is dat er weinig hinder voor de omgeving is. De bouwtijd kan verkort worden door het gebruik van geprefabriceerde elementen. Het nadeel is dat het nog een onbewezen techniek is. 2. Buizendakmethode De buizendakmethode is een nieuwe innovatie om een onderdoorgang te realiseren. Dit kan bijvoorbeeld onder een spoorweg onderdoorgang zonder buitendiensttelling. Bij deze methode wordt er op een bepaalde afstand onder de spoorbaan horizontaal buizen geboord. De buizen worden door middel van slotverbindingen met elkaar verbonden. Vervolgens wordt aan weerszijden van de tunnel met behulp van vijzels een verticale wand van buizen geperst. Onder het buizendak wordt de tunnel gefaseerd ontgraven. Zodat er prefab boven- en onderelementen kunnen worden ingeschoven. Op deze wijze ontstaat er een onderdoorgang. Het is een relatief eenvoudige methode alleen mag er geen grondwater aanwezig zijn. Voorbeeld: Fietstunnel Snippeling in Deventer Voor- en nadelen: Het voordeel is dat het een relatief eenvoudige oplossing is die zeer weinig overlast voor de omgeving veroorzaakt. Een nadeel is dat er geen grondwater aanwezig mag zijn en de mogelijke diameter beperkt is. Daarnaast moeten de perskrachten goed kunnen worden afgevoerd. korte ondergrondse verbindingen 35

36 4 analyse bouwwijzen In dit hoofdstuk worden de verschillende bouwwijzen, die beschreven zijn in hoofdstuk 3, geanalyseerd voor de mogelijke toepassing t.b.v. een korte ondergrondse verbinding in de situatie Spuimarkt. De analyse is weergegeven in de onderstaande tabel. In deze tabel zijn de onderzocht bouwmethoden beschreven met de bijbehorende voor- en nadelen, de toepasbaarheid in de situatie Spuimarkt en de toetsingscriteria. De toetsingscriteria bestaan uit kosten, uitvoeringsrisico s en overlast omgeving. Aan deze criteria zijn waarderingen toegekend van zeer goed (= ++) tot zeer slecht (= - -). Analyse bouwwijzen Bouwwijzen Analyse Bouwput bemaling met Voordelen Goedkope bouwwijze. Geen ingewikkelde technieken Nadelen Grote ruimtebeslag door taluds Negatieve gevolgen bemaling Risico s beperkt door beperkte complexiteit bouwmethode Afschuiven taluds mogelijk Toepasbaarheid situatie Spuimarkt In de situatie Spuimarkt zitten in het centrum van de stad en is dus beperkte ruimte aanwezig. Door de beperkte ruimte is het niet mogelijk om deze bouwwijze toe toepassen zonder veel overlast. Toetsingscriteria Kosten ++ Uitvoeringsrisico s ++ Overlast omgeving - - Bouwput zonder bemaling Voordelen Geen nadelige gevolgen omgeving door bemaling Kosten laag Geen ingewikkelde technieken Nadelen Afsluitende laag benodigd Ruimtebeslag groot Toepasbaarheid situatie Spuimarkt In de situatie Spuimarkt zitten in het centrum van de stad en is dus beperkte ruimte aanwezig. Door de beperkte ruimte is het niet mogelijk om deze bouwwijze toe toepassen zonder veel overlast. De verbinding bevindt zich deels onder grondwaterniveau en zonder bemaling zouden de taluds kunnen afschuiven. Toetsingscriteria Kosten ++ Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving -- Bouwkuip met Voordelen korte ondergrondse verbindingen 36

37 bemaling Beperkte ruimtebeslag Bewezen methode Nadelen Duurder dan bouwput door verticale wanden Stempels en/of groutankers bemoeilijken ontgraven Kans op schade door aanbrengen verticale afscherming Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Door toepassing van verticale wanden is het ruimtebeslag minder dan bij bouwputten, dus het zou toepasbaar zijn in situatie Spuimarkt. Het inbrengen van verticale afscherming brengt trillingen (damwanden) met zich mee of de constructie is permanent (diepwand). Het zal erg lastig zijn om een waterdichte aansluiting te maken tussen de bestaande bouwwerken en de wanden van de bouwkuip. Toetsingscriteria Kosten + Uitvoeringsrisico s ++ Overlast omgeving - Bouwkuip zonder bemaling Voordelen Relatief weinig ruimtebeslag Geen onttrekking van grondwater Nadelen Injectielaag niet altijd betrouwbaar / onderwaterbeton vrij kostbaar Aanbrengen onderwaterbetonvloer overlast maaiveld Stempels en/of groutankers bemoeilijken ontgraven Toepasbaarheid project Spuimarkt Net als bij de bouwkuip met bemaling uit de bovenstaande bouwmethode kunnen er groutankers of stempels worden aangebracht. Het verschil is tussen onderwaterbeton en injectielaag is dat de injectielaag grondsoort afhankelijk is Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving - Schalen tunnel Voordelen Beperkte werkbreedte Geen grondwateronttrekking Korte bouwtijd Nadelen I.v.m. handelbaarheid prefab-elementen alleen beperkte breedte Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Deze bouwwijze zou mogelijk toepasbaar zijn in de situatie Spuimarkt omdat de afmetingen van de tunnel beperkt zijn en een korte bouwtijd gewenst is. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving + Wanden-dak Voordelen korte ondergrondse verbindingen 37

38 methode Ruimtebeslag relatief beperkt Beperkte hinder op maaiveldniveau Tijdelijke en definitieve constructie geïntegreerd Nadelen Vrij kostbare methode Constructie in het werk gestort kost tijd Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Deze bouwwijze is wel degelijk toepasbaar in situatie Spuimarkt, maar alleen in combinatie met een grondverbetering. De ondergrondse ontgraving zal wel lastiger worden omdat de verbinding tussen twee bouwwerken aanwezig is. De hinder aan het maaiveld wordt namelijk fors beperkt. Deze wijze bouwen brengt wel veel extra kosten met zich mee ook omdat aan en afvoer van bouwmaterialen logistiek niet makkelijk is. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving + Pneumatisch caisson Voordelen Controle mogelijk definitieve constructie op maaiveld Geen grondwaterstandverlaging Nadelen Werken onder verhoogde luchtdruk Kostbaar Geruime tijd hinder op maaiveldniveau. Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Deze bouwwijze geeft behoorlijke overlast op maaiveldniveau en dit is niet toegestaan. Daarnaast brengt het werken onder verhoogde luchtdruk zoveel regels en kosten met zich mee dat het voor zo n korte verbinding niet rendabel zal zijn. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving - Tunnelboortechniek Voordelen Overlast maaiveld beperkt Geen hinder voor het binnenstedelijk gebied, met uitzondering rond de start- en ontvangstschachten Grotere diepten kans op schade bebouwingen minimaal Nadelen Behoorlijke gronddekking noodzakelijk Rondevorm geen economische vorm / rechthoekig gat erg kostbaar Niet rendabel bij korte tunnels 1 tot 2 jaar ontwerpen en bouwen TBM bij de bouwtijd rekenen Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Door de beperkte gronddekking en de korte verbinding is het voor de hand liggend om voor deze bouwwijze te kiezen. Daarnaast zouden de kosten voor de tunnelboormachine zo enorm hoog zijn in vergelijking met andere bouwwijzen. Toetsingscriteria Kosten - - Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving + korte ondergrondse verbindingen 38

39 Voordelen Tunnel-techniek uit mijnbouw Geen grote voorinvesteringen noodzakelijk Alleen bij begin- en eindpunt hinder voor de omgeving Nadelen Kostenniveau van dergelijke tunnels niet voldoende bekend Toepasbaarheid situatie Spuimarkt In verband met de grondsoort is het zonder grondverbetering niet toepasbaar. Daarnaast is een mijnbouwmachine erg kostbaar zeker wanneer om zo n kleine verbinding gaat. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s + Overlast omgeving + Injecteren Voordelen Volledig trillingsvrij Relatief goedkope techniek Neemt weinig ruimte in beslag Nadelen Bij een kleine hart op hart afstand wachttijd van 1 dag tussen twee kolommen Waterdichtheid is onzeker Grondsoort afhankelijk Chemische injectie alleen mogelijk als geen milieueisen worden gesteld Toepasbaarheid situatie spuimarkt In Den Haag zijn er slechte ervaringen met grouting, in combinatie met de onzekerheid van de waterdichte afsluiting is dit geen bruikbare methode. Het zal alleen worden toegepast bij het geval van calamiteiten. Toetsingscriteria Kosten + Uitvoeringsrisico s +/- Overlast omgeving ++ Vriestechniek Voordelen Uitvoeringsduur kort vooral bij stikstof. Mogelijk in beperkte werkruimte. Nauwelijks trillingen en/of lawaaihinder Geen milieubelasting wanneer de vrieslansen verwijderd worden Nadelen Extra maatregelen om beton storen mogelijk te maken Altijd interactie met andere materialen Toepasbaarheid Situatie Spuimarkt Om de grond te verbeteren is vriezen een goede oplossing, het is milieuvriendelijk en zonder hinder. Maar omdat de verbinding maar voor ongeveer de helft in het grondwater zit, kan er slechts een beperkt gedeelte bevroren worden. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s ++ Overlast omgeving ++ Trektunnel Voordelen korte ondergrondse verbindingen 39

40 Weinig hinder voor omgeving De bouwtijd verkort bij gebruik prefab elementen Nadelen Onbewezen techniek Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Toepasbaarheid in situatie Spuimarkt ligt niet voor de hand omdat de krachten die op de bouwwerken komen erg groot zullen zijn. Daarnaast is het een onbewezen techniek, waardoor de risico s moeilijk in te schatten zijn.. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s - Overlast omgeving + Buizendakmethode Voordelen Relatief eenvoudig oplossing Zeer weinig overlast Nadelen Er mag geen grondwater aanwezig mag zijn Mogelijke diameter is beperkt Perskrachten moeten kunnen worden afgevoerd Toepasbaarheid situatie Spuimarkt Deze bouwmethode is niet goed toepasbaar omdat het lastig om de buizen door te persen. Daarnaast is de toepassing van de buizendakmethode alleen mogelijk wanneer er grondverbeterings-techniek wordt toegepast. Toetsingscriteria Kosten +/- Uitvoeringsrisico s - Overlast omgeving ++ Uit de analyse kan geconcludeerd worden dat er een aantal bouwwijzen niet mogelijk zijn in de situatie Spuimarkt omdat ze te veel risico s met zich meebrengen, te veel overlast veroorzaken of de kosten te hoog zijn. Zoals de tunnelboortechniek die te duur is voor een korte verbinding en de trektunnel die te veel risico s met zich meebrengt om dat deze techniek nog onbewezen is. Uit de analyse blijkt verder dat in de situatie Spuimarkt altijd grondverbeteringstechniek moet worden toegepast omdat bemaling niet gewenst is in Den Haag. Er zal dus een bouwwijze gekozen moeten worden gecombineerd met een grondverbeteringstechniek. korte ondergrondse verbindingen 40

41 5 keuze bouwwijze spuimarkt Uit de analyse bouwwijzen van hoofdstuk 4 kan er geconcludeerd worden dat de al bestaande technieken, op zichzelf, niet toereikend zijn in de situatie Spuimarkt. Daarom is ervoor een nieuwe bouwwijze gekozen, de dak-vries methode. Deze bouwmethode is een combinatie twee technieken die normaal gezien afzonderlijk worden toegepast. Te weten de wanden-dak methode voor het realiseren van de dakconstructie en ten behoeve van de grondverbetering / bodemafsluiting is er gekozen voor de vriestechniek. Door deze twee bouwmethode te combineren wordt er optimaal gebruik gemaakt van de al toegepaste technieken voor het maken van dwarsverbindingen en tunnels. 5.1 maaiveld activiteiten Bij de wanden-dakmethode is het de bedoeling om zo snel mogelijk een van boven afgesloten bouwkuip te maken. Het verschil met de dak-vries methode is, dat ervan af het maaiveld alleen de dakconstructie wordt aangebracht. Door alleen het dak aan te brengen wordt de hinder aan het maaiveld nog extra beperkt. De dakconstructie zal in prefab-beton worden uitgevoerd om hierdoor de bouwtijd op maaiveldniveau zo kort mogelijk te houden. De verbinding heeft slechts beperkte afmetingen en daardoor is de tijd die benodigd is voor het ontgraven kort. De dakconstructie bestaat uit een omgekeerde U-vorm, die tot in de laagste grondwaterstand (LGWS) wordt aangebracht. Deze diepte is noodzakelijk om het vrieslichaam te kunnen creëren die de dakconstructie ondersteund tijdens de ontgraving. Om het vrieslichaam te kunnen maken is er grondwater nodig, zo kan het vast vriezen aan de dakconstructie. Tijdens het ontgraven van de dakconstructie zal er last worden ondervonden van het grondwater. Dit is op te lossen door tijdelijke bemaling toe te passen, om zo de ontgraven sleuven droog te bemalen. Daarna wordt direct de dakconstructie aangebracht en de situatie op het maaiveld hersteld. 5.2 ondergrondse activiteiten Om de wanden en de vloer te kunnen aanbrengen wordt er als een vrieslichaam gecreëerd waar binnen de constructie kan worden aangebracht. Om het vrieslichaam te kunnen realiseren moeten er eerst vrieslansen worden aangebracht. Er moet een vlakke verbinding gerealiseerd worden tussen het Souterrain en het Pathé theater zonder trappen of hellingbanen. De verbinding komt gelijk met de keldervloer van het Pathé theater dus is het niet mogelijk om de vrieslans aan te brengen vanaf deze zijde. Het Souterrain bestaat uit meerdere ondergrondse verdiepingen en liggen dieper dan de kelderconstructie van het theater. Er kunnen dus vanuit het Souterrain vrieslansen worden aangebracht richting het Pathé theater. Op deze manier is het mogelijk om de vlakke aansluiting te maken. De vrieslansen worden in een bakvorm aangebracht zodanig dat het aanvriest aan de dakconstructie. Naast de vrieslansen worden er ook drainagebuizen en meetbuizen aangebracht zodat kan worden gecontroleerd wanneer het vrieslichaam voldoende sterkte heeft. Het ontgraven zal geschieden van uit het Pathé theater omdat aan de zijde, het Souterrain, de vriesinstallatie in de weg staat. Voordat er een doorbraak gemaakt kan worden moeten er aan de bestaande bouwwerken aanpassingen worden uitgevoerd. Er zullen verstevigingen worden aangebracht om het verlies aan korte ondergrondse verbindingen 41

42 stijfheid van wand op te vangen. De ingesloten grond bevat grondwater en dit wordt via drainagebuizen afgevoerd. De doorbraak kan worden gemaakt en de grond kan worden ontgraven. Het ontgraven zal gebeuren met behulp een minigraver en het gedeelte direct tegen het vrieslichaam met pneumatische hamers. De pneumatische hamers zijn noodzakelijk omdat het vrieslichaam op bepaalde plaatsen verder gegroeid is dan nodig was en het ontzettend hard is. De ontgraven grond wordt in bigbags gedeponeerd en naar het oppervlak gebracht waar het zal worden afgevoerd. De vloer en wanden worden in het werk gestort, omdat voor betonstorten een minimale temperatuur van ongeveer 5 o C benodigd is kan niet direct tegen het vrieslichaam worden aangestort. Er zal eerst een waterdichte folie worden aangebracht die zal dienen als eerste waterafdichting, daar tegen zal isolatiemateriaal worden aangebracht. Het beton wordt tegen het isolatiemateriaal aangestort en kan uitharden. Wanneer het beton op sterkte is kan het vriezen worden stopgezet en de vriesbuizen verwijderd. Als laatste kan de verbinding worden afgewekt. De bouwfasering voor de dak-vries methode: 1. Opbreken bestrating en ontgraven t.b.v. dakconstructie. 2. Aanbrengen dakconstructie en herstellen maaiveldsituatie 3. Aanbrengen vrieslansen en grond bevriezen 4. Aanpassingen maken aan bestaanbouwwerk t.b.v. doorbraak 5. Draineren ingesloten grond 6. Doorbraak maken 7. Ontgraven 8. Folie en isolatie aanbrengen 9. Betonstorten t.b.v. vloer 10. Betonstorten t.b.v. wanden 11. Aanbrengen waterafdichting 12. Vriezen stopzetten en vrieslansen verwijderen. 13. Afwerken tunnel Een doorsnede van de te realiseren verbinding is weersgegeven de volgende pagina. De dak-vries methode voldoet dan de voorafgaande gestelde eisen, de verdere technische uitwerking van de dak-vries methode is in hoofdstuk 6 te vinden. korte ondergrondse verbindingen 42

43 Hoogte / diepte t.o.v. NAP +0,35 m Maaiveld NAP -0,65 m Bovenkant dak -1,10 m Onderkant dak -2,00 m Onderkant klei / veen laag -3,60 m Bovenkant vloer -4,10 m Onderkant constructie -5,10 m Onderkant vrieslichaam Figuur Overzicht constructie Spuimarkt korte ondergrondse verbindingen 43

44 6 technische haalbaarheid dak-vries methode In dit hoofdstuk zal de dak-vries methode technisch worden uitgewerkt. Alle onderdelen van de constructie zullen worden behandeld. De uitgangspunten voor de dak-vries methode in situatie Spuimarkt zijn: inwendige breedte van 7m, hoogte van 2,5m en lengte van 2m. Maar de precieze afmetingen van de constructie worden in de eerste paragraaf behandeld. Voor het vriezen is het belangrijk om de grondcondities en het koelmedium te bepalen zodat de sterkte van het vrieslichaam berekend kan worden. Tenslotte zal de uitvoering van de dak-vries methode besproken worden in de situatie Spuimarkt. 6.1 dimensionering constructie In het ontwerpproces van de korte ondergrondse verbinding is noodzakelijk om eerst de dimensionering van de constructie te bepalen. Uit hoofdstuk 2 is gebleken dat de inwendige maten vastgesteld zijn op een breedte van 7m, een hoogte van 2,5m en een lengte van 2m. De diktes van de constructieonderdelen worden bepaald aan de hand van de krachten die op de constructie werken. De krachten bestaan uit de bovenbelasting en de grond- en waterdruk op de verbinding. Aangezien in dit onderzoeksrapport geen constructieve betonconstructie wordt berekend, worden de dimensies van de constructie bepaald aan de hand van een opdrijfberekening. De daaruit verkregen afmetingen worden zullen als uitgangspunt dienen gedurende het verdere onderzoek. opdrijfberekening Om ervoor te zorgen dat de ondergrondse constructie niet zal opdrijven dient de neerwaartse kracht groter te zijn dan de opwaartse kracht. De neerwaartse kracht bestaat uit het eigen gewicht van de constructie in combinatie met de bovenbelasting (het grondpakket) op de constructie. De opwaartse kracht ontstaat door de waterdruk die op de constructie werkt. Voor het uitvoeren van de opdrijfberekening zijn er diverse parameters benodigd, zoals de grondwaterstand, maaiveldhoogten en het gewicht van de constructie neerwaartse kracht Zoals hierboven is beschreven bestaat de neerwaartse kracht uit het eigengewicht van de constructie en de bovenbelasting die afkomstig is uit het grondpakket op de constructie. Als eerst de kracht t.g.v. het eigen gewicht worden bepaald, op deze kracht is een materiaalfactor van 0,9 van toepassing, zodat de meest ongunstige situatie ontstaat.. Daarna zal de kracht t.g.v. van het bovenliggende grondpakket worden bepaald. Het maaiveld varieert van +0,35m NAP tot +0,60m NAP, er zal worden uitgegaan van de ongunstigste situatie dus +0,35m NAP. Als grondwaterstand wordt er de hoogste grondwaterstand (HGWS) die ter plaatsen gemeten is +0,23m NAP toegepast. korte ondergrondse verbindingen 44

45 De constructie bestaat uit twee delen, een bakconstructie met daarop een dakconstructie. Het materiaal waaruit de verbinding bestaat is gewapend beton met een soortelijk gewicht van 24 kn/m 3. Hoogte / diepte t.o.v. NAP +0,35 m NAP Maaiveld -0,65 m -1,10 m Bovenkant dak Onderkant dak -2,00 m Onderkant klei / veen laag -3,60 m -4,10 m Bovenkant vloer Onderkant constructie Figuur Doorsnede verbinding Eigengewicht constructie bakconstructie Vloer Lengte 2000 mm Breedte 7600 mm Dikte 450 mm Gewicht 164,16 kn Wanden 2 st. Lengte 2000 mm Dikte 300 mm Hoogte 2500 mm Gewicht 36,00 kn Aanstorting Aantal 2 st. Lengte 2000 mm Dikte 300 mm Hoogte 900 mm Gewicht 25,92 kn Totaal gewicht bakconstructie 226,08 kn dakconstructie Dak korte ondergrondse verbindingen 45

46 Lengte 2000 mm Breedte 9200 mm Dikte 450 mm Gewicht 198,72 kn Balken Aantal 2 st. Lengte 2000 mm Breedte 500 mm Hoogte 900 mm Gewicht 43,20 kn Totaal gewicht dakconstructie 241,92 kn Dit brengt het totale gewicht van de constructie bedraagt dus: Totaal gewicht constructie = gewicht bakconstructie + gewicht dakconstructie Totaal gewicht constructie = 226,08 kn + 241,92 kn Totaal gewicht constructie = 468 kn Op het gewicht wordt vervolgens een veiligheidsfactor van 0,9 toegepast dit brengt het totale gewicht van de constructie 421,2 kn. De bovenbelasting die uit het grondpakket ontstaat, is weergegeven in de onderstaande tabel. bovenbelasting Bestratingsmateriaal Laagdikte 100 mm Gewicht 2 kn/m 2 Lengte 9200 mm Breedte 2000 mm Gewicht 36,8 kn Zandbed Laagdikte 400 mm Gewicht 18 kn/m 3 Lengte 9200 mm Breedte 2000 mm Gewicht 132,48 kn Grond Laagdikte 500 mm Gewicht 18 kn/m 3 Lengte 9200 mm Breedte 2000 mm Gewicht 165,60 kn korte ondergrondse verbindingen 46

47 Totaal gewicht bovenbelasting 334,88 kn Op de bovenbelasting wordt vervolgens een factor van 1,0 toegepast, dus blijft deze 334,88 kn. totale neerwaartse kracht Totaal gewicht constructie 421,2 kn Totaal gewicht bovenbelasting 334,88 kn + Neerwaartse kracht 756,08 kn opwaartse kracht De opwaartse kracht bestaat uit de waterdruk die op de constructie werk. De grondwaterstand waarmee gerekend wordt bedraagt +0,23 m NAP. Het soortelijke gewicht van water is 10 kn/m 3. In de onderstaande tabel is de opwaartse kracht berekend. Het oppervlak waarop de waterdruk werkt is grote dan de waarde die is meegenomen in neerwaartse krachtsberekening. In de opwaartse krachtsberekening wordt het oppervlak waarop de kracht werkt vermeerderd met de dikte van het isolatiemateriaal. Het soortelijke gewicht van het isolatiemateriaal is te verwaarlozen maar het oppervlak waar tegen de waterdruk werkt wordt wel meegenomen. waterdruk Vloer Onderkant vloer -4,10 m NAP Oppervlak vloer 2000 * 7700 Oppervlak vloer 15,4 m 2 Hoogte waterkolom 4,33 m Waterdruk op vloer 666,82 kn Balken Onderkant balken -2 m NAP Oppervlak balken 2000 * 500 Oppervlak balken 1,0 m 2 Hoogte waterkolom 2,23 m Aantal balken 2 st Waterdruk op balken 44,60 kn korte ondergrondse verbindingen 47

48 opwaartse kracht Waterdruk op vloer 666,82 kn Waterdruk op balken 44,60 kn + Totale opwaartse kracht 711,42 kn uitkomst opdrijfberekening Neerwaartse kracht 756,08 kn Opwaartse kracht 711,42 kn - Resultante +44,66 kn Uit de opdrijfberekening kunnen is te concluderen dat met deze dimensies de verbinding niet zal opdrijven. Deze dimensies zullen dus in het verdere verloop van het onderzoek worden meegenomen. korte ondergrondse verbindingen 48

49 6.2 realisatie dakconstructie In deze paragraaf zal worden besproken hoe de dakconstructie van de dak-vries methode gerealiseerd wordt. Uit hoofdstuk 5 is bepaald dat de dakconstructie bestaat uit een prefab-betonconstructie. Er is voor een prefab-betonconstructie gekozen omdat dit de hinder aan het maaiveld aanzienlijk beperkt. Wanneer gebruikgemaakt wordt van een in het werk gestorte betonconstructie is er gedurende een langere periode een bouwput aanwezig. Dit geeft natuurlijk veel overlast op het maaiveldniveau dat ongewenst is in een drukke winkelstraat zoals de Grote Marktstraat. Om de dakconstructie te kunnen aanbrengen zal de bestrating moeten worden opgebroken en de grond eronder worden ontgraven. Het opbreken en ontgraven kan geschieden door middel van een mobiele kraan in combinatie met één of twee grondwerkers. Voordat de prefab-betonconstructie kan worden aangebracht zal de bodem van de ontgraving geprofileerd worden. Tevens dienen de wanden van de beide bestaande bouwwerken zorgvuldig schoongemaakt te worden. Als dit is uitgevoerd kan met behulp van een telescoopkraan de dakconstructie worden aangebracht. Nu de prefab-betonconstructie is aangebracht, zal er een waterafdichting worden aanbracht tussen de twee bouwwerken en de prefab-betonconstructie. Deze waterafdichting is noodzakelijk om tijdens het ontgraven onder de dakconstructie geen wateroverlast te ondervinden van regenwater en/of grondwater. Het water zou namelijk tussen de prefab-betonconstructie en de bouwwerken door kunnen stromen. Om het instromen van water tijdens de bouwfase tot het minimum te beperken wordt krimpvrije mortel aangebracht tussen de bouwwerken en de dakconstructie. De prefab-betonconstructie wordt aangevuld met de bruikbare grond die uit de ontgraving is gekomen. Niet-bruikbare veen en klei zal moeten worden afgevoerd. Het grondpakket op de prefab-betonconstructie zal verdicht moeten worden zodat het zandbed kan worden aangebracht. Na het verdichten van het zandbed wordt de opgebroken bestrating herstraat en is de maaiveldsituatie hersteld. De totale operatie die op maaiveldniveau plaatsvindt, kan op de bovengenoemde wijze in 1 à 2 dagen worden uitgevoerd. Terwijl bij het gebruik van een in het werk gestorte constructie het 7 dagen in beslag neemt. Door het wapenen, bekisten, storten en ontkisten gaat er veel tijd verstreken. Het toepassen van een prefab constructie biedt dus tijdwinst en beperkt de overlast op het maaiveld tot een minimum. Daar tegenover staat het feit dat prefab-betonconstructie duurder is dan een in het werk gestorte constructie. Tevens zijn de kosten hoog voor het gebruik van een telescoopkraan omdat er meestal een minimum tarief van 6 maal de uurprijs. Maar de bouwtijd op het maaiveldniveau is hierdoor wel zeer beperkt. korte ondergrondse verbindingen 49

50 6.3 koelmedium In het geval van grondbevriezing dient er eigenlijk over grondwaterbevriezing worden gesproken. De gronddeeltjes bevriezen namelijk niet maar het grondwater dat in de poriën zit wordt bevroren. Het belangrijkste principe bij grondbevriezen is het ontrekken van warmte uit de grond totdat het grondmassief bevroren is. Hierdoor wordt het grondmassief waterondoorlatend en sterkte van het bevroren grondmassief neemt toe. Er zijn twee wijzen waarop grondwater bevroren kan worden. Er kan gebruik gemaakt worden van: 1. Pekeloplossing 2. Vloeibare stikstof pekeloplossing Deze vloeistof heeft een vriespunt lager dan 20 o C a 30 o C en vloeistof fungeert als warmtetransportmiddel tussen de vriesinstallatie en de grond. Het vriezen met een pekeloplossing behoort tot de groep vriezen met behulp van een vloeistof. Maar er wordt over het algemeen gesproken over het vriezen met behulp van een pekeloplossing omdat deze het meest wordt toegepast. Andere vloeistoffen zoals kerosine, ammoniak of freon hebben vrijwel dezelfde werking en zijn dus ook mogelijk. Alleen hebben deze vloeistoffen milieu- en/of veiligheid nadelen ten opzichte van een pekeloplossing. Het vriezen met behulp van een pekeloplossing gebeurt in een gesloten systeem. Het systeem bestaat uit een koelmachine en een gesloten buizensysteem. Er is een stroming van koelmiddel van ongeveer 30 o C a 40 o C door het buizensysteem, waarmee het grondmassief wordt afgekoeld tot ongeveer 15 o C a 20 o C. Het bevriezen van het grondmassief zal, afhankelijk van de situatie en capaciteit van de installatie, 3 tot 12 weken duren. Door de langzame bevriezing is het mogelijk dat het poriënwater uit de grond wegkan en niet ingesloten zit om vervolgens uit te zetten. Het is dus mogelijk om door het toepassen van pekelwater de uitzetting te beperken bijvoorbeeld in klei. Het belangrijk is dat het systeem geen lekkage vertoont, want bij een lekkage ontstaat er een antivriespunt die het vrieslichaam aantast. Bij dit systeem is de elektrische stroom het verbruiksmiddel dat de koelvloeistof koud maakt. Indien mogelijk kan er via het elektriciteitsnet voorzien worden van stroom. Wanneer dit niet het geval is kunnen er aggregaten worden toegepast. Het komt er dan op neer dat diesel dan het verbruiksmiddel is, aangezien de stroom door aggregaten geleverd wordt. In verband met de compressoren die aanwezig zijn, zal er met korte ondergrondse verbindingen 50

51 name in een stedelijk gebied geluidsisolatie noodzakelijk zijn. Figuur Pekelvriesinstallatie Het systeem bestaat uit de volgende componenten:een compressor, condensator, een koeler/verdamper, pompen afsluiters, aan- en afvoerleidingen, vriesbuizen, meet- en regelinstrumenten en aggregaat/energievoorziening. Pekeloplossing is aantrekkelijke voor projecten waarbij een lange bouwtijd noodzakelijk is en waar de duur van het vriezen van het grondlichaam in de tijd niet kritisch is vloeibare stikstof De tweede techniek is het gebruik van vloeibare stikstof (kookpunt 198 o C). Het stikstof wordt door middel van een vriesbuis in contact met de grond gebracht. Het vloeibare stikstof onttrekt bij het verdampen warmte uit het omliggende grondmassief. Bij een temperatuur van 70 o C is al het poriënwater bevroren. Het verdampte gas komt vervolgens vrij aan de lucht. Deze methode is aantrekkelijk voor kortlopende projecten van geringe omvang. Het omslagpunt ten opzichte van pekelvriezen lag eerst bij een volume te bevriezen grond van 200 m 3 en drieweken instandhouden. Maar in de praktijk zijn er veel grotere project met vloeibare stikstof uitgevoerd en is eigenlijk alleen de tijd van instandhouding de beperkende factor. Zolang de toevoer van het vloeibare stikstof gedurende een project gewaarborgd is kunnen er grotere volumen bevroren worden. De toevoer van stikstof gebeurt in geïsoleerde vaten. De installatie voor het vriezen met stikstof bevat geen bewegende onderdelen en is dus stil. De energie die benodigd is alleen nodig voor de instrumenten en dus is het energieverbruik op de bouwlocatie laag. Voor het produceren van stikstof is er wel energie benodigd maar dat is al vertaald naar de kosten per liter stikstof. Het gebruikt van vloeibare stikstof is heel veilig doordat alles uitvoerig gemonitord wordt en alles dubbel beveiligd is. De kans dat in besloten ruimten de stikstofconcentratie in de lucht te hoog oploopt daar door ook erg klein. De gehele vriesbuis moet gevuld zijn met vloeibare stikstof, zodat op deze wijze het vrieslichaam gelijkmatig groeit. Met vloeibare stikstof kan snel worden bevroren, in 2 tot 6 dagen kan een wand worden gevormd. korte ondergrondse verbindingen 51

52 Figuur Stikstofvriesinstallatie De kosten voor het onderhoud van het vrieslichaam zijn relatief hoog. Vriezen met behulp van stikstof wordt dus toegepast in projecten met een beperkte bouwtijd of in geval van calamiteiten keuze koelmedium Door COB wordt gesteld dat de grens tussen pekelvriezen en stikstof vriezen ongeveer 200m 3 grond is en een uitvoeringstijd van 20 dagen. Dus pekelvriezen voor grote hoeveelheden en lange termijn en stikstof vriezen voor kleinere volumes en korte termijn. Het is mogelijk om met de onderstaande tabel een duidelijke afweging te makken tussen het toepassen van pekel of vloeibare stikstof. De tabel is overigens afkomstig van de firma Linde gas AG. Economisch Technisch Vloeibaar stikstof Pekel Benodigde tijd op de vriesinstallatie op te bouwen Benodigde tijd om het vrieslichaam te maken E 2 tot 6 weken 4 tot 12 weken E 5 tot 12 dagen ~30 dagen Investering in materieel E Ongeveer euro Korte projectduur E Betere doeltreffendheid Lange projectduur E Onderhouden van het vrieslichaam is kostbaar Ongeveer euro Hoge investering zal moeilijk opbrengen Beter doeltreffendheid Grote vriesvolumes E/T Wat zijn de kosten voor het maken en onderhouden van het vrieslichaam met pekel of vloeibaar stikstof? Is er genoeg capaciteit voor aanvoer van vloeibaar stikstof? Beperkte ruimte T Vergaande maatregelen voor uitlaatgassen zijn verplicht Milieu kritische situatie T Geen problemen met gevaarlijke stoffen Geen problemen Pekel in het grondwater is vaak ongewenst korte ondergrondse verbindingen 52

53 Lage geluidsproductie Geen trillingen Zout water T Geen problemen door de realiseerbare lage temperatuur Heffing gevoelige bodems T Weinig gevaar door het snelle vriesproces Aanzienlijke geluidsproductie Misschien trillingen van de pompen Misschien een aanzienlijke ontwerpwijziging nodig Groot gevaar door de langzame vriesopbouw Uitgangspunten project Spuimarkt zijn: Geen hinder gewenst In zandgrond Geen zoute grondwaterstroming Klein volume Openbare bouwwerken Beperkte ruimte Aan de hand van de bovenstaande uitgangspunten van de situatie bij het project Spuimarkt wordt er gekozen voor het vriezen met behulp van stikstof. Er is in de situatie Spuimarkt namelijk een zo kort mogelijk bouwtijd gewenst om de hinder te beperken. De bouwlocatie bevindt zich in een druk stedelijk gebied en dus is hinder van geluid en trilling niet gewenst. Met pekel zou de vriestijd ongeveer 3 maal zolang zijn en zou er hinder zijn door pompen en de mogelijke aggregaten. Het te vriezen volume is relatief klein wat pleit voor de toepassing van stikstof in plaats van voor pekel. De te vriezen grond is zand met een goede waterdoorlatendheid dus zal er geen water insluiting plaatsvinden en zijn de uitzettingen verwaarloosbaar klein. In het gebied vindt er geen grondwater stroming plaats die eventueel het vriezen zou kunnen bemoeilijken. Dus voor de bodemgesteldheid zouden beide methoden mogelijk zijn. Er zal vanuit het Souterrain worden gevroren richting het Pathe theater. De twee bouwwerken zijn beide voor publiek toegankelijk daarom is het belangrijk dat er goed gemonitord wordt zodat er geen onveilige situaties ontstaan. Zo zal het stikstofgehalte in de lucht gemonitord worden en de werking van de vriesinstallatie zelf. Daarnaast is de werkruimte beperkt dus is een grote installatie niet gewenst. Een pekelinstallatie is meestal groter in omvang dan een stikstofinstallatie, dit zou ook pleiten voor de keuze van stikstof als koelmedium. korte ondergrondse verbindingen 53

54 6.4 vrieslansen materialen Het bevriezen van de grond gebeurd met behulp van vrieslansen. De lansen kunnen op verschillende wijze worden aangebracht en van verschillende materialen zijn gemaakt. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen verschillende lansen (of buizen) namelijk: De binnenbuis; over het algemeen de aanvoer van het koelmedium De buitenbuis; dit is de buis waardoor het koelmedium aan de binnenzijde langsgaat, aan de bovenzijde zit de afvoer Mantelbuis (boorbuis); kan alleen toegepast worden ter bescherming van de buitenbuis, niet in alle gevallen toegepast Isolatiemateriaal; wanneer er niet over de volle lengte van de vrieslans wordt gevroren, wordt de aanvoer geïsoleerd en wordt er ook een afvoerleiding toegepast. Binnenbuis Er zijn geen strenge eisen aan de binnenbuis betreffende de krachtswerking. De krachten worden uitsluitend door het eigengewicht veroorzaakt. De warmtegeleidingscoëfficiënt voor de binnenbuis is niet belangrijk. Materiaal voor de binnenbuis, reeds toegepast: 1 PVC 2 RVS 3 koperen buis Buitenbuis Het materiaal voor de buitenbuis is belangrijk voor de overdracht van koude aan de grond en het grondwater, vandaar dat de warmtegeleidingscoëfficiënten erbij zijn vermeld. De keuze voor het toepassen van één van de materialen is op basis van krachten die op de buizen kunnen komen te staan. Koper is flexibeler dan RVS en staal. Voor staal wordt vaak een naadloze buis toegepast. Wanneer er gebruik wordt gemaakt van een koperen vriesbuis is een mantelbuis aan te raden. Materiaal voor de buitenbuis, reeds toegepast: Koper 390 W/mK RVS 27/16 W/mK Staal 50 W/mK Mantelbuis De mantelbuis kan van verschillende materialen zijn: PVC 0,2 W/mK Staal 50 W/mk De warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,2 W/mK van PVC is niet ideaal voor een goede warmtedoorgifte. Voor stikstofvriezen heeft een stalen mantelbuis de voorkeur. Tussen de mantelbuis en de vriesbuis is nog een materiaal nodig voor een goede warmteoverdracht. Vaak wordt etheenglycol toegepast. Glycol heeft een grote warmtegeleiding en zet niet uit zoals water dat doet. Lucht is een zeer slechte warmteoverdrager, met een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,024 W/mK. korte ondergrondse verbindingen 54

55 6.4.2 aanbrengen De vriesbuis kan worden weggedrukt of in een voorgeboord gat worden geïnstalleerd. Er moet worden gecontroleerd of de onderlinge afstand van de vriesbuizen niet te groot is voor de capaciteit van de vriesinstallatie. Het is dus erg belangrijk dat de vriesbuizen zo nauwkeurig mogelijk worden geplaatst. De vereiste maximale afwijkingen in de locatie van de vriesbuizen kunnen zijn 0,5% voor de verhouding afwijking/-buislengte of < 0,1 m op puntniveau. Voor de controle van de precieze locatie en het verloop van het boorgat zijn diverse standaard methoden voorhanden, zoals de inclinometer en deflectometer. De vrieslansen kunnen worden aangebracht m.b.v. een spoelboring. Dit geschiet dan met een makelaar waarlangs de boorbuis met een vaste hoek de bodem in gaat. Het is noodzakelijk om door een afsluiter te boren wanneer er onder de waterspiegel wordt gewerkt. Als er genoeg ruimte is kan dit met een boormachine waarmee normaal groutankers gemaakt worden. Om de vriesinstallatie efficiënt en optimaal te laten werken, moeten de standaard parameters worden gemonitord, zoals energieverbruik, drukken temperaturen en debieten. Bij de vriesbuizen moet de in- en uitgaande temperatuur worden gemeten, alsmede het debiet. Hiermee kan worden gecontroleerd of de vriesbuis zijn optimale hoeveelheid koude ontvangt. Met meet en regeltechnieken kan de in- en uitgaande stroom automatisch worden gecontroleerd en bijgesteld. Het is tevens mogelijk een indicatie van de geslotenheid van het bevroren grondmassief aan te geven. In het grondmassief kunnen ter controle ook enkele temperatuurmeetbuizen worden geplaatst. Hiermee kan dan de temperatuur van de omringende grond worden gemeten, zodat de prognoses en de groei van het bevroren grondlichaam kunnen worden gecontroleerd. Deze temperatuurmeetbuizen moeten op de ongunstigste locaties worden aangebracht. Dat wil zeggen op de positie waar de onderlinge afstand tussen de vriesbuizen het grootst is en waar de verwachting is dat daar het grondlichaam het laatst bevriest. Deze meetbuizen worden gelijktijdig met de vrieslansen aangebracht nadat de boorgaten van de vriesbuizen op hun locatie gecontroleerd zijn. Om te kunnen bepalen of het ijslichaam voldoende dikte heeft bereikt, moet een aantal controle lansen worden aangebracht. In de controlelansen kunnen thermokoppels worden neergelaten, waarmee op verschillende niveaus de heersende temperatuur kan worden vastgesteld. De vrieslansen kunnen indien gewenst getrokken worden. Dit kan het beste snel na het eindigen van het vriezen gebeuren. Door een warme vloeistof door de vriesbuizen te laten stromen vormt zich rond de buis een laagje water dat als smeermiddel werkt bij het trekken van de buis. De kans bestaat dat het onderste gedeelte van de buis afbreekt en weer in het boorgat vastvriest. Daarom De lege boorgaten moeten naar gelang de situatie goed worden afgewerkt, bijvoorbeeld met zand of zwellende kleikorrels. Meestal wordt ervoor gekozen om de vrieslansen te laten zitten, ze worden dan afgebrand en afgegoten met bitumen. korte ondergrondse verbindingen 55

56 Hieronder is het complete werkproces en de uitvoering van het grondbevriezen weergegeven: Fase 1: Voorbereidingen Plaatsen van de vrieslansen Locatie vrieslansen aangeven Boren van de gaten voor vrieslansen en voor temperatuurmeters en drainage Installeren van vrieslansen en apparatuur voor temperatuurmonitoring Druktesten van de vrieslansen (op lekken) Meting van buizendeviatie Plaatsing van binnenbuizen en afbouw vrieslansen Isolatiemaatregelen Aansluiting bedrading / instrumentatie Plaatsing lansen voor vulling koelvloeistof Overige isolatiemaatregelen Fase 2: Testen van de vriesinstallatie Maatregelen en bijstelling van temperatuur, druk en isolatie van vriesapparatuur Fase 3: Start van vriesoperatie Vriesmachine wordt aangezet Fase 4: Controle grondbevriezing Koelsysteem Onderhoud en inspectie Monitoring van temperatuur van grond en constructie Koelvloeistof controle Controle van deformatie van de constructies als gevolg van vorstheffing Bewaken van waterspanningen in het centrum van de ijsring Fase 5: Onderhoud bevroren grond Ontwerp van het vrieslichaam wordt vergeleken met monitoringsgegevens (temperatuur, vorstheffing, deformatie constructies) Controle van de aansluiting van de bevroren grond op de constructie of wanden Ontgraving en plaatsing gewenste constructie Fase 6: Beëindiging van grondbevriezing De beëindiging van de grondbevriezing kan op verschillende manieren worden uitgevoerd: Natuurlijke dooi (ongecontroleerd) Gefaseerde dooi (vriestemperaturen in stappen afbouwen) Geforceerde dooi (inbrengen warmte) Maatregelen tegen zettingsprocessen Fase 7: Ontmanteling vriesinstallatie Verwijderen van vrieslansen, meetapparatuur, isolatie, instrumentatie, etc. Afdichten en nabewerking van boorgaten korte ondergrondse verbindingen 56

57 6.4.3 opbouw vrieslichaam De opbouw van een vrieslichaam is niet hetzelfde bij stikstof- en pekelvriezen. De opbouw van een pekellichaam is zo goed als constant. Wil je een vrieslichaam maken met een doorsnede van 1 m, dan zal deze over de volle lengte ongeveer deze doorsnede krijgen. Bij het vriezen met stikstof gaat het anders. Door de lagere temperaturen bij het uiteinde van de aanvoer zal daar de opbouw van het vrieslichaam harder gaan dan aan het begin van de vrieslans. Door de grotere diameter van het vrieslichaam aan het uiteinde zal er een grotere warmtetoevoer van de omgeving zijn. De warmte stroomt naar de lagere temperatuur van het vrieslichaam. Dit zorgt ervoor dat de diameter van het vrieslichaam steeds langzamer gaat groeien. Er zijn verschillende manieren voor het aaneenschakelen van de vrieslansen. Dit kan in serie, waarbij de afvoer uit de ene lans de invoer in de andere is. Dit kan met een aantal lansen achter elkaar. Het is ook mogelijk een lange aanvoerleiding te hebben waar alle vrieslansen gekoppeld worden en een afvoerleiding waar alle vrieslansen gekoppeld worden en een afvoerleiding waaraan alle afvoeren van de vrieslansen worden aangesloten. Het is natuurlijk ook mogelijk dit met pekel te doen. De temperaturen van de lansen kunnen geregeld worden met een elektronisch meet- en regelsysteem die alle kleppen en afsluiters kan bedienen zodat de juiste stroomsnelheden ontstaan locatie Het aantal en de configuratie van de vriesbuizen is van vele factoren afhankelijk. De benodigde capaciteit van de vriesinstallatie neemt evenredig toe met de lengte van de vriesbuizen. Als de vriesbuizen dicht bij elkaar worden geplaatst, neemt de totale lengte daarvan toe en nemen dus ook de kosten toe, zowel van het installeren als de vriesinstallatie gerelateerde kosten. Daar staat tegenover dat de ijswand sneller aaneengesloten zal zijn. Het voordeel van een dicht grid van vriesbuizen geldt vooral als de benodigde ijswanddikte klein is. Dit is het geval bij ondiepe projecten zoals project Spuimarkt. In de praktijk wordt de stelregel gebruikt dat ideale hart op hart afstand (h.o.h.- afstand) van de vrieslansen de helft is van de benodigde constructieve dikte van het vrieslichaam. Dus: Dikte vrieslichaam = h.o.h.-afstand * 2 korte ondergrondse verbindingen 57

58 Figuur Jetgrouten Een kleine h.o.h.-afstand kan mogelijk de diepwand van de tramtunnel verzwakken. Maar de opening in de diepwand zit in het bovenste gedeelte van de diepwand waar het moment dus ook kleiner zal zijn en dus de verzwakking erg beperkt zal zijn. De diepwand van de tramtunnel heeft een dikte van 1200mm van. De kosten voor het aanbrengen van de vrieslansen zullen hierdoor hoog worden. In de volgende paragraaf 6.5 zal er een benodigde constructieve dikte bepaald worden. Met behulp van de eerder genoemde stelregel kan de h.o.h.-afstand uit de constructieve berekening bepaald worden. korte ondergrondse verbindingen 58

59 6.5 constructieve berekening vrieslichaam berekenen van niet cilindervormige vrieslichamen De grondverbeteringtechniek vriezen zorgt voor een toename van de sterkte van de grond. Daarbij zorgt de bevroren grond voor een waterdichte afsluiting. Onder het prefab betonnen dak wordt met behulp van het vrieslichaam een bouwkuip gecreëerd. Het vrieslichaam dient daarbij als bodem en wand afdichting van de dichte bouwkuip. Binnen het vrieslichaam kan dan vervolgens worden ontgraven en kunnen de vloer en wanden van de verbinding worden gerealiseerd. Doordat de verbinding relatief kort onder het grondwaterniveau ligt is de optredende belasting op het vrieslichaam ook gering. Het vrieslichaam zal daarom in een bakvorm uitgevoerd worden en evenwijdig aan de te realiseren betonnen vloer en wanden komen. Het vrieslichaam hoeft daardoor niet onnodig groot te worden uitgevoerd. In de praktijk is zeer weinig ervaring met het toepassen van rechte vrieslichamen. Wel is er inmiddels veel bekend over cilindervormige vrieslichamen. Bij een cilindervormige vrieslichaam treedt echter alleen axiale druk op. Een recht vrieslichaam zal op buiging worden belast. Het vrieslichaam zal daardoor ook veel gevoeliger zijn voor kruip. Kruip berekenen is complex. Bij een cilindervormig vrieslichaam wordt in de praktijk kruip meestal niet berekend, kruip wordt dan meegenomen in de veiligheidsfactor. De veiligheidsmarge zal om deze reden voor een recht vrieslichamen moeten worden vergroot. Het is zaak om de dikte van het vrieslichaam relatief groot te maken, zodat de spanningen in het vrieslichaam laag blijven, zodat de kruip dan ook maar in beperkte mate zal optreden. Tijdens het onderzoek is gebleken dat er weinig betrouwbare parameters bekend zijn. Waardes betreffende de schuif- en buigtreksterkte geven veel onzekerheid omdat deze proefondervindelijk zijn bepaald. Daarbij komt dat de schuif- en buigsterkte ook af neemt naar verloop van tijd. De vriestechniek wordt als zeer betrouwbare methode beschouwd, dit komt ook omdat zekerheid op zekerheid wordt gestapeld. Rekenen aan een vrieslichaam is geen harde wetenschap en er mag worden gesteld dat er sprake is van een kennis leemte voor het berekenen van de benodigde dikte van rechte vrieslichamen. Er zal daardoor een grote veiligheidsmarge moeten worden genomen, waardoor niet economisch kan worden gedimensioneerd. empirische dikte vrieslichaam Tijdens dit onderzoek is naast het bestuderen van de literatuur en navraag bij deskundigen op het gebied van de theorie ook contact opgenomen met hoe men in de praktijk naar het uitvoeren van het vrieslichaam kijkt. Uit ervaringen van de firma Hoekloos kwam naar voren dat in de praktijk voor een vrieslichaam 5 m onder het water en een overspanning van 2 m tussen de bestaande bouwwerken een dikte van het vrieslichaam wordt genomen van 1 m. Daarbij kwam ook naar voren dat voor de hart op hart afstand van de vrieslansen de helft van de dikte van het vrieslichaam wordt genomen, het vriesproces verloopt bij deze verhouding het meest economische. korte ondergrondse verbindingen 59

60 Voor de minimale hart op hart afstand van de vrieslansen wordt een 0,5 m aangehouden omdat de bestaande constructie verzwakt zou worden en de kosten van het boren van de vrieslansen te hoog worden. theoretische toetsing dikte vrieslichaam Er zal met theoretische berekening moeten worden aangetoond of dat de praktische dikte van 1 m voldoet. De vloer van het vrieslichaam is maatgevend, omdat hier de grootste waterdruk heerst. In de onderstaande berekening zal deze maatgevende situatie worden getoetst. In het ontwerp van de verbinding Spuimarkt zal het vrieslichaam overal even dik worden gedimensioneerd. Er wordt gerekend met een breedte van de maatgevende doorsnede van 1 m. Belasting op vrieslichaam Opwaartse waterdruk belasting Aangenomen dikte vrieslichaam: 1 m dik Hoogste waterpeil ligt op NAP +0,23 m Onderkant vloer bovenkant vrieslichaam ligt op NAP -3,95 m Maximale opwaartse waterdruk belasting = (0,23 + 3,95 ) * 10 = 51,8 kn/m 2 (1) Lengte vrieslichaam = 2 m Maximale opwaartse opdrijfkracht = 51,8 * 2 = 103,6 kn (2) Gewicht vrieslichaam Het eigengewicht van het vrieslichaam werkt gunstig. Het gewicht * veiligheidsfactor van 0,9 mag van de waterdruk af worden getrokken. γ sat = 21 kn/m 3 Dikte vrieslichaam = 1 m Breedte doorsnede = 1 m Het gewicht van het vrieslichaam per strekkende meter = 21 * 1 * 1 = 21 kn/m 1 (3) Lengte vrieslichaam = 2 m Het gewicht van het vrieslichaam = 21 kn/m 1 * 2 = 42 kn (4) Gewicht vrieslichaam per strekkende meter * veiligheidsfactor = 21 * 0,9 = 18,9 kn/m 1 Gewicht vrieslichaam * veiligheidsfactor = 42 * 0,9 = 37,8 kn Maatgevende optredende belasting korte ondergrondse verbindingen 60

61 De belasting op het vrieslichaam per strekkende meter bedraagt: 51,8 kn/m 1-18,9 kn/m 1 = 32,9 kn/m 1 (5) De belasting op het vrieslichaam bedraagt: (2) (4) 103,6 kn - 37,8 kn = 65,8 kn Optredende dwarskracht De maatgevende dwarskracht (t.p.v. betonnen bouwwerken) bedraagt: 65,8 kn / 2 = 32,9 kn Optredende moment Het maatgevende moment bedraagt: M d = 1/8 * q * l 2 = 1/8 * 32,9 kn/m 1 (5) * 2 2 = 16,45 knm Bepalen maatgevende dikte vrieslichaam Van de maatgevende doorsnede van het vrieslichaam (de vloer van het vrieslichaam) moet de minimaal benodigde dikte worden bepaald. Het vrieslichaam mag door de waterdruk belasting niet omhoog worden gedrukt (opdrijven). Het vrieslichaam moet op dezelfde hoogte tussen de bestaande bouwwerken blijven. Bij het vriesproces ontwikkelt het vrieslichaam zich niet alleen tegen het beton van het bestaande bouwwerk maar het beton zal zelf ook voor een deel bevriezen, zodat het er echt aanvast vriest. Er ontstaat zo een vaste verbinding tussen het vrieslichaam en het bestaande bouwwerk. In de literatuur bestaan twee verschillende theorieën voor de dwarskrachtopname, deze zullen beide worden behandeld. Het vrieslichaam mag door de waterdruk belasting ook niet open barsten en moet daarom de buiging van het optredende moment op kunnen nemen. In de literatuur wordt hiervoor een proefondervindelijke waarde gegeven voor de buigtreksterkte, zodat het vrieslichaam kan worden berekend als een hoge wandligger. Daarnaast is in dit onderzoek ook nog gekeken of gebruik kan worden gemaakt van de drukboog analogie, zoals bij een berekening voor ongewapende onderwaterbetonvloeren. Ook deze berekening zal worden uitgewerkt. Er moet wel worden opgemerkt dat hier nog verder onderzoek vereist is of dat deze berekening mag worden toegepast voor het berekenen van de dikte van een vrieslichaam. De grootste waarde voor de benodigde dikte van het vrieslichaam is maatgevend. Dwarskrachtopname door wrijving tussen vrieslichaam en beton De weerstand tegen de opdrijfbelasting zal moeten voortkomen uit de wrijvingskracht tussen het beton van het bestaande bouwwerk en het vrieslichaam. De vraag is: Welke waarde mag worden aangenomen voor de opneembare wrijvingskracht van het vrieslichaam? Het bedrijf Jessberger staat korte ondergrondse verbindingen 61

62 bekend als het bedrijf dat betrouwbare vriesberekeningen maakt. In de onderstaande tekst in de figuur staat hun theorie in deze. De tabel van C wordt gezien als de tabel die moet wordt gebruikt als met pekel wordt bevroren C wordt gezien als de temperatuur van de doorsnede in een vrieslichaam bevroren met stikstof. Je zit aan de veilige kant te rekenen wanneer je de minimaal opneembare wrijvingskracht tussen het vrieslichaam en het beton aanneemt op 1/3 * cohesie van ijs. De minimale cohesie van ijs bedraagt: 0,8 MN/m 2 voor een belasting die 6 weken aangrijpt bij een temperatuur van C. 1/3 * 0,8*10 3 kn/m 2 = 266,7 kn/m 2 266,7 kn/m 2 * 1 m dikte * 1 m breedte = 266,7 kn Benodigde dikte vrieslichaam = (Optredende dwarskracht dwarskracht) * dikte Benodigde dikte vrieslichaam = (32,9 kn / 266,7 kn) * 1 = 0,12 m / opneembare korte ondergrondse verbindingen 62

63 Dwarskrachtopname door schuifsterkte vrieslichaam Er moet worden gekeken of de dwarskracht ook opgenomen kan worden door het vrieslichaam. Voor een vrieslichaam bevroren m.b.v. stikstof mag de tabel van C worden aangehouden. 0 De schuifsterkte van een vrieslichaam van zandgrond bij -20 C = 3,0 Mpa Hier moet een veiligheidsfactor van 5 op worden genomen. 3,0 Mpa / 5 = 0,6 Mpa = 600 kn/m kn/m / 1 m dikte / 1 m breedte = 600 kn Benodigde dikte vrieslichaam = (Optredende dwarskracht dwarskracht) * dikte Benodigde dikte vrieslichaam = (32,9 kn / 600 kn) * 1 = 0,05 m / opneembare Momentopname door buigtreksterkte vrieslichaam Er bestaan verschillende theorieën over de grootte van de treksterkte van een vrieslichaam. Er wordt vaak met een percentage van de druksterkte gewerkt. Volgens Jessberger en Jaglow-Klaff bedraagt de treksterkte tussen de 20% en 50% van de druksterkte. Er is ook een formule bekend waar ø moet worden ingevoerd en de druksterkte, waar vervolgens de treksterkte uit volgt. Deze staat als volgt vermeldt: q trek q = e * pa * p g a f Met e, f zijn empirische constanten: e = 0,2 ; f = 0,7 + 0,23 cot ø; P a is de atmosferische druk (100 kpa); q g is de druksterkte De formule is uitgewerkt in de onderstaande grafiek. De lijn in de grafiek geeft de treksterkte in procenten van de druksterkte bij een bepaalde ø in graden van de betreffende grondsoort. korte ondergrondse verbindingen 63

64 De waarde van ø is te halen uit de onderstaande tabel. In dit onderzoek zal worden gerekend met de buigtreksterkte gegeven in de onderstaande tabel. De tabel is voor een gemiddelde temperatuur van C en C C wordt gebruikt voor vriezen met stikstof en C voor vriezen met pekel. De trek is het grootste aan de buitenkant van het vrieslichaam, terwijl daar de temperatuur het hoogst is. Er zal dus een grote veiligheidsfactor moeten worden ingebouwd. 1,25 is een extra veiligheidsfactor in verband met het karakter van bros bezwijken. korte ondergrondse verbindingen 64

65 σ bd fb 1,25 σ = 6* bd h M d 2 min Bepalen f b Buigtreksterkte t bevroren zand grond bij 20 o C = 3,0 MPa = 3000 kn/m 2 Door de beperkte kennis en ervaring met een vrieslichaam belast op buiging, zal worden gerekend met een veiligheidsfactor van / 5 = 600 σ bd 600 1,25 σ bd = 480 kn/m 2 Bepalen M d 2 1/8 * q d * l qd = 32,9 kn/m 1 l = 2 m tussen de bouwwerken M 2,9 * 2 2 d = 1/8 * 3 = 16,45 knm h 6* M d 6* 16,45 σ 480 min = = bd = 0,453m In werkelijkheid is er geen vrije buiging. De vrije rotatie / hoekverdraaiing van de beide uiteinden wordt namelijk verhinderd. Daardoor wordt dit een gedeeltelijke inklemming zodat het moment kleiner wordt. Dit is een extra veiligheidsfactor. onderzoek bruikbaarheid drukboog analogie Tijdens dit onderzoek is veel tijd besteed naar het zoeken van een juiste rekenmethode voor het bepalen van de benodigde dikte van het vrieslichaam. Er is daarbij gekeken naar de theorie voor ongewapende onderwaterbetonvloeren CUR-aanbeveling 77. In de formule van de berekening wordt echter gebruik gemaakt van een stempel(druk)kracht die zal optreden wanneer het water uit de bouwkuip wordt bemalen. In de situatie van de verbinding Spuimarkt zal deze stempel(druk)kracht niet optreden. Wel worden door het ontgraven de bouwwerkwanden ontlast, maar de bouwwerken zullen een verwaarloosbare kracht op het vrieslichaam uitoefenen. Het is daarom de vraag of de drukboog analogie mag worden toegepast. Deskundigen spreken elkaar hierover tegen, het verdient daarom de aandacht om hier nader onderzoek naar te doen. korte ondergrondse verbindingen 65

66 Hieronder volgt de theorie van de drukboog analogie: Wanneer de dwarskracht door de dikte van het vrieslichaam opgenomen kan worden is aangetoond dat het vrieslichaam op zijn plaats tussen de bouwwerken blijft. De drukboogkracht kan dus afgevoerd worden. Door de gedrongen vorm van het vrieslichaam zal door de waterdruk belasting een drukboog optreden. De bovenkant dus de trekkant van het vrieslichaam zal willen uitzetten. Het vrieslichaam zit echter opgesloten tussen de bestaande bouwwerken. De drukboog kan zijn spatkracht kwijt op de bestaande bouwwerken. De vraag is nu tot welke kracht kan worden overgebracht op het bestaande bouwwerk, dit is de bezwijkbelasting van de bevroren grond. In de formule zal daarom voor de stempelkracht de bezwijk drukkracht worden genomen van de bevroren grond. Toetsing dikte vrieslichaam volgens CUR-aanbeveling 77 (rekenregels voor ongewapende onderwaterbetonvloeren) Bezwijkmechanisme B: Bezwijken treedt op doordat de druksterkte in het drukbogensysteem, dat na scheuren is ontstaan, wordt overschreden. In het veld van 2 m overspanning moet voldaan worden aan de eis: M d M u M u = N ' d h 2 gem 2 3 N f ' d ' b Waarin: M d = Optredend moment M u = Opneembaar moment N d = Normaal drukkracht = maximaal opneembare drukkracht vrieslichaam h gem = Dikte vrieslichaam f b = Druksterkte vrieslichaam De dikte van het vrieslichaam (h gem ) moet worden berekend. De opneembare drukkracht moet hierbij conservatief worden aangenomen. Er zal worden gerekend met een veiligheidsfactor van 5 f b = 6.0 Mpa / 5 = 2 Mpa = 1200 kn/m 2 korte ondergrondse verbindingen 66

67 N d = 6,0 Mpa / 5 = 2 Mpa = 1200 kn/m 2 h gem M = 2 ' N d d N f ' d ' b h gem 16, = Benodigde dikte vrieslichaam getoetst volgens de drukboog analogie bedraagt: 1,36 m De normaal drukkracht wordt in het vrieslichaam even groot aangenomen dan de druksterkte van het vrieslichaam. In de formule blijkt dan echter de waarde van 2/3 zeer maatgevend te zijn. De dikte van het vrieslichaam kan dan niet onder de 2/3 m komen. Omdat de grootte van de normaaldrukkracht / stempelkracht niet precies kan worden bepaald, kan de dikte van het vrieslichaam niet m.b.v. de drukboog analogie van de CUR-aanbeveling 77 worden berekend. keuze dikte vrieslichaam In de praktijk wordt van een empirische waarde voor de dikte van het vrieslichaam uitgegaan van 1,0 m. De theoretische maatgevende dikte van het vrieslichaam bedraagt: 0,45 m Samenvatting van de resultaten Empirische dikte Benodigde dikte vrieslichaam zodat de dwarskracht kan worden opgenomen door wrijving tussen het vrieslichaam en het beton Benodigde dikte vrieslichaam zodat de dwarskracht kan worden opgenomen door de schuifsterkte vrieslichaam Benodigde dikte vrieslichaam zodat het moment kan worden opgenomen door de buigtreksterkte vrieslichaam 1,0 m 0,12 m 0,05 m 0,453 m Gegeven de onzekerheden in de toegepaste berekeningsmethoden alsmede de reeds gesignaleerde kennisleemte op dit gebied, wordt er voor gekozen om vooralsnog de empirisch bepaalde waarde aan te houden. Dit wordt mede ingegeven door de overweging dat het verschil tussen de empirisch bepaalde dikte en de maatgevend berekende dikte van die aard is, dat in de praktijk dit nauwelijks tot efficiency winst (tijd, geld) zal leiden. Wel lijkt het verstandig om nader onderzoek te doen naar een algemeen geaccepteerde berekeningsmethoden omdat wellicht in andere situaties deze winst wel te behalen valt en bovendien er een duidelijker beeld zal ontstaan over de faalmechanismen van deze constructie. korte ondergrondse verbindingen 67

68 6.6 thermodynamische berekening Om een goed beeld te kunnen krijgen van hoe lang het duurt voordat het vrieslichaam zijn benodigde dikte zal verkrijgen wordt een thermodynamische berekening uitgevoerd. Op het gebied van de vriestechniek zijn verschillende uiteenlopende theorieën ontwikkeld om dit te bereken. In de praktijk zal voor het bereken van relatief kleine vrieslichamen zoals in de situatie Spuimarkt gebruik worden gemaakt van empirische formules die voldoende betrouwbaar zijn. Er zijn een aantal momenten bij het realiseren van het vrieslichaam waarvan belangrijk is te weten wanneer ze plaatsvinden, zodat hier tijdens de uitvoer rekening mee kan worden gehouden. Belangrijk is te weten vanaf wanneer het vrieslichaam een waterdichte afsluiting maakt. Dit is het moment waarop de ijskolommen rond de vrieslansen elkaar raken. De tijd van het begin van het vriesproces tot het sluiten van het vrieslichaam heet de sluitingstijd. Binnen het vrieslichaam zal een spanningsopbouw plaatsvinden. Vanaf het sluiten van het vrieslichaam zal het water binnen het vrieslichaam worden gedraineerd. Verder is het natuurlijk belangrijk te weten wanneer het vrieslichaam de vereiste dikte heeft bereikt. De tijd van het begin van het vriesproces tot het bereiken van de dikte wordt de volgroeitijd genoemd. Theoretisch kan na het volgroeien van het vrieslichaam de doorbraak gemaakt worden vanuit het Pathé theater. De tijden die berekend worden zijn richttijden waarvan niet zo maar op af mag worden gegaan. In de praktijk blijkt dat het bereiken van de benodigde dikte van het vrieslichaam bij de aansluiting aan het bestaande bouwwerk in het midden tussen de vrieslansen vaak het maatgevende tijdstip is voor een doorbraak. Dit heeft te maken met de temperatuur in de bestaande bouwwerken. Daarom dient de aanbeveling te worden gedaan om de betonnen wanden van de bestaande bouwwerken af te dekken met isolatie. Tijdens de bouw zal er gemonitord worden, zodat op een betrouwbare manier het moment kan worden bepaald wanneer de doorbraak van het bestaande bouwwerk naar de verbinding gemaakt kan worden. Tussen de plaats waar de vrieslansen zitten zullen in de betonnen wand van het bestaande bouwwerk meetsensoren worden aangebracht. Deze zullen tot halverwege de wand worden ingeboord. Wanneer een temperatuur van C wordt gemeten kan worden verondersteld dat het vrieslichaam geheel aan de betonnen wand is bevroren en een waterdichte afsluiting is gerealiseerd. Met meetlansen kan worden gecontroleerd of dat het vrieslichaam de constructieve dikte heeft bereikt. Meetlansen worden op dezelfde manier als de vrieslansen aangebracht, maar zullen onder en schuine hoek worden aangebracht. 3 Meetlansen worden op de kritieken punten aangebracht. Van het vrieslichaam zullen de volgende punten gecontroleerd worden: De aansluiting met het dak, dat waterdicht moet zijn; De buitenkant van de hoek van het vrieslichaam, waar het grondwater met meer snelheid zal langs stromen; korte ondergrondse verbindingen 68

69 Het midden van de vloer, waar het grootste moment opgenomen moet worden. In de thermodynamische berekening zullen naast de sluitingstijd en de volgroeitijd nog het vriesvermogen en het benodigde aantal liter stikstof worden bepaald zodat een schatting van de kosten kan worden gemaakt. De belangrijkste te bepalen parameters voor de thermodynamisch berekening zijn de warmtecapaciteit en de thermische geleiding. Deze zullen daarom eerst worden berekend warmtecapaciteit De warmtecapaciteit van bevroren en onbevroren grond is verschillend en zal dus ook apart berekend moeten worden. benodigde parameters ρ d = 15,3 [kn/m 3 ] Droge dichtheid C k = 0,84 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van korrels C i = 2,1 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van ijs C w = 4,2 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van water W = 23 [%] Watergehalte 2 g = 10 [m/s ]/[N/kg] Valversnelling berekening van de warmtecapaciteit van onbevroren grond C = onbevr ρ d C k + C w W 100 C onbevr 23 = 15,3 0,84 + 4,2 100 C onbevr = 27,63 [kj/m 3 K] Warmtecapaciteit onbevroren grond berekening voor de warmtecapaciteit van bevroren grond W Cbevr = ρ d Ck + Ci 100 C bevr = 15,3 0,84 + 2, C bevr = 20,24 [kj/m 3 K] Warmtecapaciteit bevroren grond korte ondergrondse verbindingen 69

70 6.6.2 thermische geleiding De grond en het ijs hebben ieder hun eigen thermische warmtegeleidingcoëfficiënt. De gezamenlijke thermische geleiding is afhankelijk van het watergehalte. benodigde parameters W = 0,23 [-] Watergehalte λ ijs = 2,26 [W/mK] Thermische geleiding van ijs λ grond = 3,96 [W/mK] Thermische geleiding van grond berekening van de thermische geleiding van de bevroren grond ( 1 W ) ( W ) κ = λ f grond λ ijs κ f,96 (1 0,23) = 3 2,26 0,23 κ f = 3,4807 [W/mK] Thermische geleiding grond + ijs sluitingstijd Het sluiten van het vrieslichaam vindt plaats als de aangroei van bevroren grond rondom de individuele vrieslansen samengroeit tot één gesloten cilinder van bevroren grond. De vriesduur van de start van het vriesproces tot het moment waarop het vrieslichaam zich sluit wordt de sluitingstijd t sl genoemd. Eerst wordt berekend hoeveel energie nodig is om 1 m 3 grond te bevriezen. benodigde parameters L = [kj/m 3 ] Smeltwarmte van ijs ar = 3 [-] Empirisch bepaalde waarde C u = 2763 [kj/m 3 ] Warmtecapaciteit T a = 12 [ 0 C] Temperatuur van de grond De temperatuur van grond ligt meestal tussen de 10 0 C en de 12 0 C. In de stad en vlak onder het maaiveld kan dit wat hoger zijn, maar grond is een goede isolator. berekening van de benodigde energie om 1 m 3 op 0 0 c te krijgen 2 r a 1 L1 = L + 2ln L 1 ( a ) r C u T ar 1 = ln 2 a ( a ) r L 1 = [kj/m 3 ] Benodigde energie om 1 m 3 op 0 0 C te krijgen korte ondergrondse verbindingen 70

71 De benodigde energie voor de overgang van water naar ijs is maatgevend. Hoe minder water de grond bevat hoe sneller het vriesproces zal verlopen. Om de sluitingstijd te bepalen wordt de tijd bepaald die benodigd is om een enkele kolom in te vriezen, een kolom die zo groot is dat de kolom van de andere vrieslans geraakt word. De hart op hart afstand van de vrieslansen is 500 mm. In de bere kening zal daarom een radius van de kolom worden ingevoerd van 250 mm = 0,25 m benodigde parameters R = 0,25 [m] Helft van h.o.h. afstand van de vrieslansen κ f = 3, [W/mK] Thermische geleiding grond + ijs T s = 150 [ 0 C] Temperatuur van de vrieslans absoluut r 0 = 0,025 [m] Radius vrieslans C f = 2024 [kj/m 3 K] Warmtecapaciteit bevroren berekening invriestijd enkele kolom t R C f T 1+ 2ln + 4κ f Ts r0 L1 1 = R L 2 t = 2 0,25 t = [s] Sluitingstijd s ln 4 3, ,25 0, volgroeitijd Het volgroeien van het vrieslichaam vindt plaats als het vrieslichaam op de ve reiste dikte is. De vriesduur van de start van het vriesproces tot het moment wa arop het vrieslichaam is volgroeid wordt de volgroeitijd genoemd. Hieronder volgt de berekening voor de extra tijd die nodig is van het sluiten van het vrieslichaam tot aan het volgroeien. Om de volgroeitijd te weten zal de sluitingstijd nog opgeteld moeten worden. Om de extra tijd te berekenen van de sluiting tot het volgroeien, moet eerst de energie berekend worden die nodig is voor 1 m 3. benodigde parameters L = [kj/m 3 ] Smeltwarmte van ijs a r = 5 [-] Empirisch bepaalde waarde C u = 2763 [kj/m 3 K] Warmtecapaciteit onbevroren T a = 12 [ 0 C] Temperatuur van de grond korte ondergrondse verbindingen 71

72 berekening equivalent latent heat L F = L + 2 r 2 r a 1 ln C T u a ( a ) L F = ln () L F = [kj/m 3 ] Equivalent latent heat Voor de formule voor het berekenen van de extra tijd voor volgroeien moet nog een parameter van te voren worden berekend. De te berekenen parameter betreft een ver houding vrieslans a fstand t.o.v. de dikte van het vrieslichaam. benodigde paramet ers W = 1 [m] Dikte vrieslichaam S = 0,5 [m] Afstand tussen de vrieslansen verhouding vrieslans afstand t.o.v. de dikte van het vrieslichaam W X = S X = 1 0,5 X = 2 [-] Verhouding vrieslans afstand t.o.v. dikte vrieslichaam Nu kan de extra tijd voor het volgroeien berekend worden. benodigde parameters L F = [kj/m 3 ] Equivalent latent heat S = 0,5 [m] Afstand tussen de vrieslansen X = 2 [-] Verhouding vrieslansafstand t.o.v. dikte vrieswand κ f = 3, [W/mK] Thermische geleiding grond + ijs T s = 150 [ 0 C] Temperatuur van de vrieslans berekening extra tijd voor volgroeien t extra = L F 2 ( X 0, ) 2 S 62 8 κ T f s korte ondergrondse verbindingen 72

73 t extra 2 ( 2 0,62) ,5 = 8 3, t extra = [s] Tijd benodigd van sluitingstijd tot volgroeitijd De totale volgroeitijd kan nu worden bepaal door de extra tijd voor volgroeien op te tellen bij de sluitingstijd benodigde parameters t sluiten = [s] Tijd benodigd tegen elkaar groeien vrieslichaam t extra = [s] Tijd benodigd van sluiten tot bereiken dikte berekenen volgroeitijd t volgr = t sluiten + t extra t volgr = t volgr = [s] t volgr = 4,36 [dg] Volgroeitijd vermogen per strekkende meter vrieslans De benodigde energie per strekkende meter vrieslans zal nu worden berekend. Dit is benodigd om te weten welke vriesinstallatie vereist is. benodigde parameters R = 0,25 [m] Radius vrieslichaam r 0 = 0,025 [m] Radius vrieslans κ f = 3,4807 [W/ mk] Thermische geleiding grond + ijs T s = 150 [ 0 C] Temperatuur van de vrieslans berekening benodigde energie per strekkende meter vrieslans 2 π κ T P = ln f r 0 ( R ) s P = 2 π 3, ln ( 0, 25 0,025) P = 1424,7 [W/mK] Vermogen per strekkende meter vrieslans = 1424,7 [J/s m] = [J/hr m] benodigde liter stikstof per m korte ondergrondse verbindingen 73

74 Om een schatting van de kosten te kunnen maken moet bepaald worden hoeveel liter stikstof benodigd is. benodigde parameters V = 1 [m 3 ] Volume van het vrieslichaam ρ d = 1530 [kg/m 3 ] Droge dichtheid te bevriezen grond C k = 0,84 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van korrels C i = 2,1 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van ijs C w = 4,2 [kj/kgk] Specifieke warmtecapaciteit van water T a = 12 [ 0 C] Temperatuur van de grond T s = 150 [ 0 C] Temperatuur van de vrieslans absoluut w = 0,23 [-] Watergehalte L = 334 [kj/kg] Smeltwarmte van ijs berekening benodigde toe te voeren energie per m 3 ( C ( T 1 2 T ) + w ( C T + L C 1 T )) Q = V ρ 2 d k a s w a ( 0,84 ( ) + 0,23 ( 4, , ) ) Q = i s Q = [kj] De toe te voeren gezamenlijke warmte De in werkelijkheid benodigde toe te voeren energie ligt 1,5 keer hoger, omdat een toeslag voor koudeverlies moet worden genomen. totale toe te voeren energie voor 1 m 3 Q totaal = * 1,5 = kj Totaal benodigde hoeveelheid toe te voeren energie voor 1 m 3 Stikstof geeft een energie van 240 kj/l de benodigde hoeveelheid liter stikstof per m 3 grond Q totaal = = 1890liter / m korte ondergrondse verbindingen 74

75 6.7 zettingen De zetting die ontstaat in de eindsituatie, bestaat uit de zetting die ontstaat door het ontdooien van het vrieslichaam en door het eigengewicht van de constructie zettingen door ontd ooien vrieslichaam Theoretisch mag worden veronders teld dat het vrieslichaam door het dooien net zoveel zal zetten als dan het bij het vrie zen is uitgezet. In de praktijk zal deze zetting waarschijnlijk lager uitvallen door een verandering in korrelpakking. De vraag is nu: Hoeveel is de grond van het vrieslichaam uitgezet tijdens het vriesproces? Het gaat hier om de radiale- (laterale) uitzetting, dit is de uitzetting loodrecht op de vrieslans. De waardes voor de radiale- (laterale) uitzetting zijn proefondervindelijk bepaald. In de onderstaande figuur is de radiale- (laterale) uitzetting voor zand te zien. Figuur Laterale uitzetting Er wordt onderscheid gemaakt van gedraineerd en niet gedraineerd. Bij de verbinding Spuimarkt zal pas worden gedraineerd vanaf het moment dat het vrieslichaam sluit (na verloop sluitingstijd), zodat geen spanningsopbouw binnen het vrieslichaam zal ontstaan. De proefondervindelijke uitzetting bij bevriezen zal 0,15 % * de dikte van het vrieslichaam zijn. (0,15 % / 100) * 1000 mm = 1,5 mm Er zou in theorie dus een maximale zetting kunnen optreden t.g.v. het dooien van het vrieslichaam van 1,5 mm zettingen door eigengewicht De ondergrondse verbinding wordt niet vast gemaakt aan het Souterrain of het Pathé theater Fundering. De verbinding tevens op staal gefundeerd en kan dus korte ondergrondse verbindingen 75

76 enigszins vrij zetten zonder dat het schade oplevert aan de gekoppelde bouwwerken. berekening fundering op staal Belastingen Om een fundering op staal te kunnen berekenen moeten eerst de belastingen bepaald worden. De belastingen bestaan uit het eigengewicht en de belasting van het grondpakket bovenop de constructie. Als eerste moeten bekeken worden of de constructie wel gaat zetten. Dit is te bepalen door de massa van de constructie en het volume dat de constructie inneemt te berekenen. Vervolgens dit te vergelijken met de massa van de grond bij hetzelfde volume. Wanneer het eigengewicht van de constructie kleiner is dan het gewicht van de hoeveelheid grond die verwijderd is, ontstaat er geen zetting. Wanneer de constructie wel zwaarder is dan de verwijderde hoeveelheid grond, dient de zetting berekend te worden. Het eigengewicht van de constructie bedraagt 421,2 kn Het totale volume van de constructie is gelijk aan 48,9 m 3 In de onderstaande tabel is bodemopbouw weergegeven met de bijbehorende parameters die er aangekoppeld zijn. Laag Grondsoort y [kn/m 3 ] y sat [kn/m 3 ] Begin [m] Einde [m] q c C' p C' s C c C a φ c' 1 Zand ,35-1, , ,5 n.v.t. 2 Veen/klei ,5-2 0, ,76 0, , Zand , , n.v.t , Zand/silt/klei , , n.v.t ,005 32,5 5 Zand , n.v.t. (Pleistoceen) , Het gewicht van de grond Het grondwaterstand ligt op NAP 1,83m dit betekend dat er vanaf deze diepte alleen gerekend mag worden met de korrelspanning. y water =10 kn/m 3 De constructie bevindt zich in meerdere grondlagen. 0,85m in de 1 e laag = Zand met y =18 kn/m 3 0,33m in de 2 e laag = Veen met y =15 kn/m 3 0,17m in de 2 e laag = Veen met yko rrel =15 kn/m 3 - y water = 5 kn/m 3 2,10m e in de 3 laag = Zand met y =21 kn/m 3 - y =11 kn/m 3 korrel water korte ondergrondse verbindingen 76

77 Wanneer het volume bepaald is dat in de bovenstaande lagen aanwezig is berekend kan het gewicht van de grond bepaald worden waarvoor de constructie in de plaats is gekomen. y [kn/m 3 ] Laagdikte [m] Lengte [m] Breedte [m] Gewicht [kn] 18 0,85 9, , ,33 9,2 2 91,08 5 0,17 9,2 2 15, ,10 7, ,74 Het totale gewicht van de grond bedraagt 743,98 kn Gewicht grond eigengewicht 743,98 421,2 = 322,78 kn Dit betekend dus dat er geen zetting op want het gewicht van de constructie is lager dan het gewicht van de ontgraven grond. Wanneer het gewicht van de constructie wel groter zou zijn dan de ontgraven grond kan de onderstaande zettingsberekening voor een fundering op staal worden toegepast. De situatie is gelijk alleen is het fictieve eigengewicht gelijk aan 500 kn/m 1 De grondgegevens zijn ook gelijk aan de grondgegevens die hier boven toege past zijn. De grondwaterstand bevindt zich wederom op is - 1,83 m NAP. Berekening bezwijkdraagvermogen Voor het bepalen v an het bezwijkdraagvermogen is de grootte van het invloedsgebied van belang. M et φ = 30 o is het mogelijk om de invloedsbree dte t e te berekenen. Op φ = 30 o dient nog een materiaalfactor worde n toegepast die ongunstig werkt. Volgens NEN 6740: Ym; = 1,15 φ e,d = arctg ((tan φ rep ) / Y m; ) = arctg (( tan 30 / 1,15) = 26,7 o De spreiding vindt slechts plaats naar één kant omdat het Souterrain diepwanden heeft tot een diepte van ongeveer 25 meter. Dit werkt positief op de zetting omdat er ook enige kleef ontstaat door de ruwheid van diepwand. B ef is 2m. Uit de grafiek is af te lezen dat t e / B ef bij φ e = 26,7 o een t e geeft van 3,0m en valt dus in d e zandlaag. Bepalen draagfactoren korte ondergrondse verbindingen 77

78 De volgende stap is het berekenen van N c, N q en N y De factoren N c, N q en Ny kunnen vervolgens bepaald worden aan de hand van NEN Nc = 24 is niet nodig om te bepalen uit de tabel omdat er geen cohesie in de grond aanwezig is en dus c = 0. N q =13 =12,5 N y s c, s q en s y zijn vormfactoren waarin de lengte en breedte van de fundering zit. s c = (s q * Nq 1) / (Nq -1) 1, 13 is niet relevant want c = 0 sq = 1 + (B ef / L ef ) * sin e;d 1,12 s = 1 0,3 * (B / L ) 0,92 y ef ef Factoren voor invloed horizontale belasting i is 1 omdat er geen horizontale belasting aanwezig is. Korrelspanning op het funderingsoppervlak Het effectieve volumegewicht binnen het invloedsgebied t e is γ e γ e = γ sat - γ water = = 11 kn/m 3 Dit geeft de volgende korrelspanningen y [kn/m 3 ] Laagdikte [m] σ v [kn/m 2 ] 18 0,85 15,3 15 0,33 4,95 5 0,17 0, ,10 23,1 σ v = 44,2 kn/m 2 Voor het verkrijg en van evenwicht dient de grond onder de fundering deze span ning te kunnen opnemen. De spanning die de grond kan leveren, bestaat uit 3 componenten. Als eerste levert de grond direct onder de fundering draagkracht. 0,5 * y 2 * b * N y Er is geen cohesie aanwezig langs het glijvlak en levert dus niet bij aan de draagkracht. Dan volgt er een bijdrage aan draagkracht: c * Nc = 0 Als laatste de bovenbelasting en / of gronddekking die bijdraagt aan de draagkracht. korte ondergrondse verbindingen 78

79 σ * Nq Maximale draagkracht funderingsoppervlak σ max;d = c e;d * N c * s c * i c + σ v * N q * s q * i q + 0,5 * γ e * B ef * N y * s y * i y σ max;d = ,2 * 13 * 1,12 * 1 + 0,5 * 11 * 2 * 12,5 * 0,92 * 1 σmax;d = , ,1 = 653,65kN/m 2 Toetsingsformule Fv = σ max;d * A ef F v = 653,65 * 7,7 *2 F v = 10066,2 kn Belasting F v = q * l F v = 500 * 7,7 F v = 3850 kn De overall veiligheid bedraagt: 10066,2 / 3850 = 2,61 De zetting De zetting die optreedt ontstaat door directe samendrukbaarheid van de grond omdat het zand betreft. De samendrukkingsconstante van zand C p = P w = h ln C P nieuw oud P nieuw = 500 / 2 = 250 kpa P oud = 44,2 kpa w = 4,10 * (1 / 1000) * ln ( 250 / 44,2 ) = 0,0071m 7,1mm (bij het fictieve gewicht) eindzetting Zoals in de inleiding van dit hoofdstuk is beschreven bestaat de eindzetting uit: de zetting t.g.v. het ontdooien van het vrieslichaam + de zetting t.g.v. het eigengewicht. De zetting van het eigengewicht is nul en dus zal de eindzetting alleen bestaan uit de zetting t.g.v. het ontdooien van het vrieslichaam. Dit betekent dat er een maximale zetting in de situatie Spuimarkt kan ontstaan van 1,5mm. korte ondergrondse verbindingen 79

80 6.8 realisatie bakconstructie aanpassingen bestaand bouwwerk De krachten op het bestaande bouwwerk worden veroorzaakt door de uitzetting van het vrieslichaam evenwijdig aan vrieslansen. Daarnaast ontstaat er een kracht in de wanden van het bestaande bouwwerk als gev olg van het doorbreken van deze wanden. Om deze krachten te kunnen op nemen dient er onderzocht te worden hoe groot deze krac hten zijn en of de wa nd deze kracht aankan. Krachten t.g.v. axiale uitzetting vrieslichaam De kracht ontstaat doordat er geen uittreding van water kan plaatsvinden en de bevroren grond alzijdig uitzetten. Uitzetting in axiale richting, dus evenwijdig aan de vrieslans, zal een belasting veroorzaken op het bestaande bouwwerk. In de vriestechniek is weinig bekend over deze axiale uitzetting, behalve dan het gegeven dat deze voor zandgrond verwaarloosbaar klein is. In de praktijk is aangetoond dat axiale zetting niet voorkomt en zeker niet bij zand. In onderzoek is aangetoond dat uitzetting alleen zal ontstaan in radiale- (laterale) richting, dit is loodrecht op de vrieslans. Er mag worden gesteld dat er ook op dit vlak sprake is van een kennisleemte. In de praktijk zal tijdens het vriezen worden gemonitord op de doorbuiging van de betonnen wand van het bestaande bouwwerk. Wanneer er wel doorbuiging zou ontstaan, zal het vriesproces tijdelijk stil worden gelegd, zodat doormiddel van stutten de wand kan worden verstevigd. Krachten t.g. v. doorbraak Wanner het vrieslichaam op sterkte is, kan de doorbraak gemaakt worden moet er onderzocht worden of verstevigingen dienen worden aangebracht. Hiervoor moet er bepaald te worden wat de krachtswerking is op de wanden van de bestaande bouwwerken voor en na de doorbraak. Dan volgt de volgende vraag uit: Kan de wand voorzien van de doorbraak deze kracht opnemen? Het antwoord op deze vraag kan gevonden worden door middel van een berekening. Er zullen dan wel of geen verstevigingen moeten worden aangebracht die de kracht vanuit de bovenliggende constructie overdragen naar de vloer of de fundering. De aanpassingen die moeten worden uitgevoerd worden niet technisch uitgewerkt of berekend in het onderzoeksrapport. Er is alleen aangegeven dat ze er moeten komen en welke mogelijke vorm ze zouden kunnen hebben. De versteviging zal waarschijnlijk alleen noodzakelijk zijn aan de wand van het Pathé theater. De diepwand van het Souterrain is 1,2m dik en 28m diep in de grond, de wand zal over genoeg stijfheid beschikken om het gat op te vangen doorbreken en ontgraven Doorbreken Nu het vrieslichaam gevormd is en de verstevigingen zijn aangebracht kan er gestart worden met het realiseren van de doorbraak. Aangezien de vriesinstallatie zich bevindt aan de zijde van het Souterrain zal het ontgraven plaatsvinden van uit het Pathe theater. Er is namelijk slecht een beperkte ruimte beschikbaar en de vriesinstallatie belemmert de doorgang. korte ondergrondse verbindingen 80

81 De wand van het Souterrain zal pas worden doorgebroken wanneer de grond ontgraven. Het is aan te raden om de drainagebuizen niet alleen te gebruiken om het spanningswater af te laten maar ook om het grondmassief binnen in het vrieslichaam te draineren. Op deze manier wordt er voorkomen dat er grond samen met het grondwater als het ware uit het gat stroomt. Het beton wordt vervolgens met behulp van een minigraver voorzien van een pneumatische hamer gesloopt. Om de keldervloer toch enigszins te beschermen kan er een tijdelijke stalen werkvloer worden toegepast. Het puin zal met behulp van transportbanden of bigbags naar het maaiveld oppervlak worden getransporteerd. Bij het door breken van de wand moet worden gelet op het mogelijk afschuivende grondlichaam dat zich tussen de vrieswanden bevindt. Nadat er ontgraven is wordt de door braak aan de zijde van het Souterrain gerealiseerd. Figuur Minigraafmachine Ontgraven Wanneer de doorbraak gemaakt is kan er begonnen worden met het ontgraven van het grondlichaam. Het ontgraven van bevroren grond kan vergeleken worden met het verwijderen van beton in een erg koude omgeving. De grond kan dus slechts deels ontgraven worden, maar het overgrote deel zal met behulp van een pneumatische hamer moeten worden losgehakt. In de Westerscheldetunnel is volgens het New Austrian Tunnelling Method (NATM) principe ontgraven. Dit houdt in dat er per ontgravingsslag gewerkt wordt. Op deze manier krijgt de grond de kans om te vervormen tot een draagstructuur en wordt voorkomen dat het graaffront bezwijkt. In situatie Spuimarkt is dit niet noodzakelijk omdat de verbinding slecht 2m bedraagt en dus in 1 slag ontgraven kan worden. Daarnaast beschikt de verbinding al over een betonnen dakconstructie die op het vrieslichaam rust. Er is dus geen instortingsgevaar van de bovenliggende grond. Het ontgraven van de grond in het vrieslichaam stelt zware eisen aan de graafmachines. Er dient rekeninggehouden te worden met het watergehalte in de pneumatische slangen en het smeermiddel dat wordt toegepast. Tevens zal het graafmateriaal aanzienlijk sneller slijtage vertonen dan onder normale omstandigheden. korte ondergrondse verbindingen 81

82 Bij het ontgraven van de verbinding is het van belang dat de juiste richting wordt aangehouden bij het ontgraven. Het is mogelijk, bij langere verbindingen, om met behulp van een laser die in het andere bouwwerk geplaatst is de juiste richting te bepalen. Voor de verbinding Spuimarkt is die niet noodzakelijk omdat de verbinding slechts 2m lang is eerste waterafdichting De eerste waterafdichting wordt verzorgd door een 3mm dik folie dat tegen het vrieslichaam wordt aangebracht. Het folie voorkomt dat eventueel lekwater van het vrieslichaam in de verbinding stroomt. Aan de bovenzijde wordt het folie aangebracht tot hoog mogelijk tegen het prefab en de bestaande bouwwerken. Daar wordt het folie bevestigd door in te klemmen tussen twee neopreenstrips die op hun beurt met behulp van een stalentrip aan de constructie bevestigd zijn. De bevestiging gebeurt door middel van M16 bouten op een hart op hart afstand van 150mm. Aan de onderkant wordt het folie bevestigd aan buitenzijden van de bestaande bouwwerken, onder het toekomstige vloerniveau van de verbinding. In de tekening die in bijlage nr. 3 is bijgevoegd, is de bevestiging van het folie terug te vinden isolatie Het door stikstof bevroren vrieslichaam zal lage temperaturen veroorzaken in de oppervlakten van de ondergrondse bouwkuip. Aan de binnenkant van het vrieslichaam zal de betonnen definitieve bakconstructie moeten worden aangebracht. Zowel de vloer als de wanden zullen van beton worden gemaakt. De betonnen bakconstructie zal in het werk worden gestort. Voor het uithardingproces van het beton is het noodzakelijk dat de oppervlaktetemperatuur ter plaatse boven de 0 0 C is. Daarvoor zal tussen het vrieslichaam en de te storten beton isolatiemateriaal moeten worden toegepast. De inwendige afmeting en van de korte ondergrondse verbinding liggen vastgesteld in het door de opdrachtgever opgestelde programma van eisen. De betonconstructie is gedimensioneerd met de opdrijfberekening in paragraaf 6.1. Voordat bepaald kan worden waar de grondverbetering van het vrieslichaam moet komen zal de dikte van het isolatiemateriaal moeten worden bepaald. materiaal Het isolatiemateriaal moet aan de volgende eisen voldoen: Het isolatiemateriaal moet bij voorkeur hard en stevig zijn. Er is dan namelijk geen verloren bekisting nodig voor het storten van de wanden en de vloer van de bakconstructie. Het isolatiemateriaal moet aan de binnenkant zo egaal mogelijk zijn, zodat voor de beton zoveel mogelijk constructieve dikte mag worden gerekend. Het isolatiemateriaal mag geen vocht opnemen. Het vocht wat zou binnen dringen in het isolatiemateriaal zou namelijk de porositeit opvullen, zodat de warmtegeleidingscoëfficiënt een grotere waarde krijgt. korte ondergrondse verbindingen 82

83 Het isolatiemateriaal moet geschikt zijn om tegen bevroren grond te kunnen worden aangebracht. Het kan voorkomen dat de bevroren grond op verschillende plaatsen niet egaal is. Verder moet het isolatiemateriaal snel en eenvoudig aan te brengen zijn en zonder de toepassing van groot materieel. Ook de afmetingen van het materiaal moet geschikt zijn om door de ondergrondse ruimte te kunnen worden aangevoerd. Er is daarom gekozen voor: Polystyreen (PS) -schuimplaten De PS schuimplaten zijn dat drukvast is. Daarnaast wordt PS veelvuldig toegepast in de (civiele-)bouw voor verloren bekistingen of gewichtsbesparing. De warmtegeleidingscoëfficiënt van PS-schuimplaten = 0,035 W/mK benodigde dikte Voor het bepalen van de dikte van het isolatiemateriaal zal de temperatuurlijn berekend moeten worden. Het stationaire warmtetransport proces zal worden bekeken. De oppervlaktetemperatuur tussen de isolatie en het te storten beton moet +5 0 C zijn. Het beton kan zo goed uitharden. Verklaring van de symbolen in de berekening: d = Dikte [m] λ = Warmtegeleidingscoëfficiënt [W/mK] R c = Warmteweerstand per materiaal 2 [m.k/w] R n 2 = Warmteweerstand per materiaal of overgang [m.k/w] R l = Totale warmteweerstand 2 [m.k/w] T n T = Warmtestop per materiaal = Temperatuur [ 0 ] 0 [ C] T i = Temperatuur binnen [ 0 C] T e = Temperatuur buiten [ 0 C] T t = Temperatuurverschil binnen en buiten [ 0 ] U = Warmtedoorgangscoëfficiënt [W/m 2.K] Berekening tem peratuurlijn: R n = d / λ Waarbij: d λ = Aangenomen op 0,05 m = Warmtegeleidingscoëfficiënt isolatiemateriaal = 0,035 W/mk T n = (R n / R l ) * T t Waarbij: R l = R n T t = T i - T e T i = C (aan de kant waar het beton gestort moet worden) = C (aan de kant van het vrieslichaam) T e korte ondergrondse verbindingen 83

84 U = 1 / R l Tabel temperatuurlijn: Omschrijving d [m] λ [W/mK] R n [m 2.K/W] 0 T n [ ] T5: Temper atuur in verbinding +10 Lucht binnen 0,13 5,06 T [ 0 C] T4: Oppervlakte temperatuur vrieslichaam +4,94 Isolatiemateriaal 0,05 0,035 1,43 55,61 T3: Oppervlakte temperatuur vrieslichaam -50,67 Overgangsgebied vrieslichaam 0,1 0,77 0,13 5,06 T2: Temperatuur rand vrieslichaam -55,73 Vrieslichaam 0,4 3,5 0,11 4,27 T1: Temperatuur hart vrieslichaam -60 R l 1,80 U 0,56 Wanneer er dus PS-schuimplaten worden toegepast tegen het vrieslichaam is het mogelijk om een temperatuur te realiseren waarbij het mogelijk is om beton te storten. aanbrengen Het vrieslichaam zal eerst zo egaal mogelijk afgegraven moeten worden. Er is dan minder isolatiemateriaal nodig om de oneffenheden op te vullen. De platen kunnen onderling en tegen het folie worden geplakt met behulp van Styropor. Het isolatiem ateriaal zal zo wel tegen de wanden als op de vloer worden aangebracht vloer en wanden Op het isolatiemateriaal wordt de wapening aangebracht ten behoeve van de vloer. Om vervolgens de vloer te storten met behulp van betonpomp die zich op het maaiveld bevindt. Wanneer de vloer van voldoende sterke is, worden de wapeningsnetten aangebracht ten behoeve van de wanden. De waterafdich tingen tussen de bouwweken en de wanden kunnen tevens worden aangebracht. De bekisting wordt aangebracht en de wanden worden in gestort. Er wordt bewust een naad tussen de wanden en het dak gehouden van een 5 cm. Deze naad wordt opgevuld met een RVS vulplaat of een soort stelmechanisme (vijzel) zodat eventuele zettingen van de bak gecorrigeerd kunnen worden korte ondergrondse verbindingen 84

85 Wanneer het beton van de wanden volledig is uitgehard kan de vriesinstallatie worden s topgezet. Na het verwijderen van de bekisting kan er vervolgens gestart worden met het afbouwen van de verbinding. Het afbouwen bestaat uit het pla atsen van verlichting en wand- en vloerbekleding tweede waterafdichting Als tweede w aterafdichting van de verbinding worden er Omega profielen toegepast. Deze Omega profielen kunnen enige zettin g opnemen zonder dat de tunnel gaat lekken. In de verbinding worden en 2 typen Omega profielen toegepast, het OS profiel en een profiel die in een hoek van 90 graden zal worden aangebra cht. Er zal een volledig raamwerk van Omega profielen worden aangebracht zodat lekkage in alle richtingen wordt tegegaan. Zie de onderstaande afbeelding. De belangrijkste afdichtinge n zijn bij de uiteinden van de verbinding met de aansluitingen op de bestaande bouwwerken deze zullen met het OS profiel afgedicht worden. Het OS profiel wordt 100mm verzonke n en bevestigd met behulp van stalen klemstrippen van 50 x 10mm. O m een vlakke overgang te krijgen tussen de vloer van het bestaande bouwwerk en de vloer van de verbinding wordt er over het verzonken Omegaprofiel een stalen afdekplaat aangebracht. Over de len gte van de verbinding is er een stortnaad aanwezig, maar doordat de verbinding slechts 2m lang is kan deze naad overbrugt worden met het profiel. Het profiel wordt in een hoek van 90 graden aangebracht en vastgeklemd met behulp van stalen klemstrippen van 40 x 8mm. Ook dit profiel zal verzonken worden aangebracht in het dak en de wand. Het verdient de voorkeur op de uitsparingen al vooraf aan te brengen in het prefabdak. Onder het Omega profiel zou het lekwater kunnen komen en door de halfronde opening van het Omegaprofiel kan het dienen als gootconstructie. Het water wordt vervolgens afgevoerd naar de pompputten van de bestaande bouwwerken. In dit hoofdstuk zal de dak-vries methode technisch worden uitgewerkt. Alle onderdelen van de constructie zullen worden behandeld. De uitgangspunten voor de dak-vries methode in situatie Spuimarkt zijn: inwendige breedte van 7m, hoogte van 2,5m en lengte van 2m. Maar de precieze afmetingen van de constructie worden in de eerste paragraaf behandeld. Voor het vriezen is het belangrijk om de grondcondities en het koelmedium te bepalen zodat de sterkte van het vrieslichaam berekend kan worden. Tenslotte zal de uitvoering van de dak-vries methode besproken worden in de situatie Spuimarkt. korte ondergrondse verbindingen 85

86 7 financiële haalbaarheid van de dak- vries methode In dit hoofdstuk zal een kostenindicatie gemaakt worden van de verbinding Spuimarkt. De kosten zullen worden beken voor de maaiveldactiviteiten en de ondergrondseactiviteiten. Daarna zal beken worden wat het aandeel is van de toepassing van de vriestechniek in deze stituatie. 7.1 maaiveldactiviteiten 1) Opbreken bestrating 25m 2 Opbreken bestrating Kosten Tijd Mobiele kraan 46 euro/uur ½ uur Grondwerker 35 euro/uur ½ uur Subtotaal = 40,50 2) Ontgraven + profileren 22m 3 Ontgraven Kosten Tijd Mobiele kraan 46 euro/uur 3 uur Grondwerker 35 euro/uur 3 uur Subtotaal = 243,- 3) Aanbrengen dakconstructie 25 ton = 11m 3 Aanbrengen Kosten Tijd dakconstructie Dakconstructie 450 euro/m 3 - Telescoopkraan 300ton 380 euro/uur Minimaal 6 uur Grondwerker 2 st. 35 euro/uur 4 uur Subtotaal = 7370,- 4) Aanvullen / aanbrengen zandbed 10m 3 Aavullen Kosten Tijd Mobiele kraan 46 euro/uur 3 uur Grondwerker 35 euro/uur 6 uur Subtotaal = 348,- 5) Herstraten 25 m 2 Herstraten Kosten Tijd Koppel stratenmakers 74 euro/uur 4 uur Subtotaal = 296,- De totale kosten t.b.v. de dakconstructie zijn: 8297,50 excl. BTW. Hierbij moet natuurlijk het afvoeren van de niet-bruikbare veen en klei worden opgeteld en de kosten van een eventuele grondkeuring. Teven moeten de kosten voor het korte ondergrondse verbindingen 86

87 afzetten van het bouwterrein en instellen van eventuele omleidingen worden meegenomen. De bouwtijd van de bovengrondse constructie is zeer kort. Wanneer er ervaren grondwerkers en machinisten op het werk gezet worden is het mogelijk om alle maaiveldactiviteiten in één dag uit te voeren. 7.2 ondergrondse activiteiten 6) Aanbrengen verstevigende constructie De versteviging zal bestaan uit een lateiconstructie van prefab beton. De afmetingen zijn afhankelijk van krachten op het bestaande bouwwerk en de daaruit volgende betonberekening. Dit valt buiten ons onderzoek er kan alleen worden gezegd dat dus prefab beton ongevee r 450 euro/m 3 kost daar bij komen de kosten voor het aanbrengen van de verstevigingen. Dit kan doormiddel van chem ische ankers worden uitgevoerd. Aanbreng verstevigingen Kosten hoeveelheid Versteviging 450 euro/m 3 - Subtotaal = 5000,- (schatting inclusief aanbrengen) 7) Inboren van vrieslansen Er moet door een diepwand van 1, 2m heen geboord worden en er moet tegen de waterdruk ingeboord worden over een lengte van 2m. Het aantal lansen dat wordt ingeboord is 30 stuks inclusief mee-/controlelansen. Aanbrengen vrieslansen Kosten Tijd Inboren vrieslansen 1,25 euro/cm 3 dagen diepwand Inboren vrieslansen tegen 400 euro/st 1 dag de waterdruk in Subtotaal = 16500,- 8) Mobiliseren vriesinstallatie Er is alleen een totaal prijs bekend voor het mobiliseren samen met het demobiliseren van de complete installatie exclusief het inboren van de vrieslansen en het stikstof. De vr ieslansen zijn zelf wel bij de kosten inbegrepen. Mobiliseren vriesinstallatie Kosten Tijd Mobiliseren / dagen demobiliseren vriesinstallatie Subtotaal = 40000,- 9) Vriezen De kosten van het vriezen zijn bestaan uit de stikstofkosten en de monitoring van het vriesproces per dag. Gedurende het gehele proces zal er worden gemonitord. De te vriezen hoeveelheid is ongeveer 26 m 3. Daarnaast is 80l/m 3 /dag benodigd om het vrieslichaam te onderhouden. De tijd die gevroren dient te worden is 19 korte ondergrondse verbindingen 87

88 dagen, daarbij komt dan nog de 4,5 dagen die benodigd zijn om het vrieslichaam te vormen. Vriezen Kosten Tijd Benodigde stikstof om 2000 liter/m 3 4,5 dag lichaam te creëren Stikstof t.b.v. 0,07 euro/liter 23,5 dagen onderhouden vrieslichaam Monitoring 500 euro/dag 23,5 dagen Subtotaal = 18811,60 10) Doorbreken Er moet een doorbraak gemaakt worden in een betonwand van 0,7m dik en diepwand van 1,2m dik. In het totaal dient ongeveer 35m 3 uitgebroken te worden. Afhankelijk van de hardheid van de wanden zal het sloopproces langer of korter duren. Bij de kosten komen nog afvoerkosten. Doorbreken Kosten Tijd Minigraver met 42 euro/uur 5 dagen pneumatische hamer Mobile kraan 46 euro/uur 5 dagen Grondwerker 35 euro/uur 5 dagen Subtotaal = 4920,- 11) Ontgraven De grond die in het vrieslichaam ontgraven moet worden bedraagt 47m 3. Omdat de grond dicht bij het vrieslichaam ontzettend hard is zal er ook hier een minigraver voor zien van een pneumatische hamer benodigd zijn. De kosten die er nog bij gerekend moeten worden zijn de afvoerkosten van de grond en de kosten voor het naar het oppervlak transporteren. Ontgraven Kosten Tijd Minigraver met 42 euro/uur 2 dagen pneumatische hamer Mobile kraan 46 euro/uur 2 dagen Grondwerker 35 euro/uur 2 dagen Subtotaal = 1968,- 12) Aanbrengen folie er is ongeveer 30m 2 folie benodigd. De prijs is exclusief het aanbrengen. Aanbrengen Folie Kosten Tijd Folie 70 euro/m 2 3 dagen Subtotaal = 2100,- 13) Aanbrengen Isolatiemateriaal de kosten van de isolatie is gegeven per m 3 en er is ongeveer 1,5 m 3 benodigd. De prijs is exclusief het aanbrengen te het folie. Aanbreng isolatie Kosten Tijd korte ondergrondse verbindingen 88

89 Isolatiemateriaal 275 euro/m 3 1 dag Subtotaal = 412,50 De prijs d ie bekent is van in het werkgestorte constructie omvat de punten 14 t/m 18. Het is een richtprijs van 1m 3 in het werk gestorte beton. De te storten 3 hoeveelheid is 9m 14) Aanbrengen wapening t.b.v. vloer 15) Storten vloer 16) Aanbrengen wapening t.b.v. wanden 17) Aanbreng bekisting 18) Storten wanden Stoten betonconstructie Kosten Tijd Betonstorten (compleet) 225 euro/m 3 5 dagen Subtotaal = 2025,- 19) Aanbreng Omegaprofielen Er worden 2 soorten Omegaprofielen 1 aangebracht, waar van 38m uit OS bestaat en 8m Verder zijn er 8 lassen benodigd, 8 hoekprofielen, en 8 platte T-verbindingen. Om de profielen te bevestigen is er 46m 1 klemprofiel benodigd en 614 chemische ankers. Kosten Hoeveelheid OS 300/70 profiel euro/m 1 38m profiel 90 euro/ m 1 8m 1 Lassen van 400 euro/st. 8 st. omegaprofielen Hoekverbinding 150 euro/st. 8 st. Platte T-verbindingen 250 euro/st. 8 st. Klemprofiel 20 euro/ m 1 46m 1 Chemische ankers 3 euro/st. 614 st. Aanbrengen complete 1000 euro/dag 3 dagen constructie Subtotaal = 13920,- 20) Demobiliseren vriesinstallatie Zie hiervoor punt 8 De totale kosten t.b.v. de ondergrondse constructie zijn: ,10 Van dit bedrag is 75724,10 benodigd voor het vriezen. Het totale project zou ,60 gaan kosten. Er zijn nog enkele onbekend kostenposten die nog bij het totale bedrag moeten worden opgeteld, maar het moet mogelijk zijn om de complete verbinding te realiseren voor onge veer ,- De toepassing van de vriestechniek zou in deze situatie ongeveer 60% van de totale kosten zijn. Er zou dus een strekkende meter prijs t.b.v. de situatie Spuimarkt instaan van euro/m. Omdat er nog geen soortgelijke verbindingen gerealiseerd zijn op deze manier wordt de prijs vergeleken met projecten in Nederland waar de vriestechniek toegepast is. Als referentieprojecten worden de korte ondergrondse verbindingen 89

90 Westerscheldetunnel en de Hubertustunnel meegenomen. Bij de Westerscheldetunnel bleken de kosten uit te komen op euro/m 1 en bij de Hubertustunnel op euro/m 1. De verbinding met behulp van de dak-vries methode is aanzienlijk goedkoper. Hierbij de kanttekening gemaakt worden dat het 3 verschillende situaties betreft. korte ondergrondse verbindingen 90

91 8 conclusies en aanbevelingen Uit het vooronderzoek dat is uitgevoerd t.b.v. de onderzoekslocatie Spuimarkt in De Haag is gebleken dat de verbinding niet geschied tussen 2 bestaande bouwwerken. Voor kenniskring CARUS was het onderzoek tussen 2 bestaande bouwwerken van een grotere, waarde. Om deze reden is in het verdere onderzoek er van uitgegaan dat beide bouwwerken bestaand zijn. Bij de verbinding Spuimarkt was al snel duidelijk dat overlast op maaiveldniveau niet gewenst was. i.v.m. de drukke winkelstraat. Door eerdere ervaringen met het Souterrain is naar voren gekomen dat gemeente Den Haag uitvoeringsrisico s tot een minimum wil beperken. Er kan geconcludeerd worden dat de al bestaande technieken, op zichzelf, niet toereikend zijn in de situatie Spuimarkt. Daarom is ervoor een nieuwe bouwwijze gekozen, de dak-vries methode. Deze bouwmethode is een combinatie twee technieken die normaal gezien afzonderlijk worden toegepast. Te weten de wanden-dak methode voor het realiseren van de dakconstructie en ten behoeve van de grondverbetering / bodemafsluiting is er gekozen voor de vriestechniek. Door deze twee bouwmethode te combineren wordt er optimaal gebruik gemaakt van de al toegepaste technieken voor het maken van dwarsverbindingen en tunnels. De bouwmethode bestaat uit twee gedeelte, de maaiveldactiviteiten en de ondergrondse activiteiten. De maaiveldactiviteiten bestaat uit het aanbrengen van een prefab-dakconstructie en het herstellen van de maaiveldsituatie. Door de toepassing van een prefab-dakconstructie kan in een korte tijd de situatie hersteld worden en wordt de overlast tot een minimum beperkt. De maaiveldactiviteiten kunnen in 1 tot 2 dagen worden afgewerkt. De ondergrondse activiteiten bestaan uit creëren van een vrieslichaam, doorbreken, ontgraven en het aanbrengen van de bakconstructie. Het vrieslichaam zorgt voor de ondersteuning van de dakconstructie, steun tegen de omringende grond en waterdichte afsluiting. Er zijn twee wijzen waarop grond kan worden bevroren, met behulp van een pekeloplossing of stikstof. Omdat het een zeer korte verbinding betreft van slechts 2m is een korte bouwtijd gewenst, dit is mogelijk door de toepassing van stikstof. Stikstof maakt het mogelijk om tot 3 maal sneller de gewenste dikte van het vrieslichaam te realiseren. Er zal vanuit het Souterrain worden gevroren richting het Pathe theater. De twee bouwwerken zijn beide voor publiek toegankelijk daarom is het belangrijk dat er goed gemonitord wordt zodat er geen onveilige situaties ontstaan. Zo zal het stikstofgehalte in de lucht gemonitord worden en de werking van de vriesinstallatie zelf. Uit het onderzoek naar het vrieslichaam kan het volgende geconcludeerd: Het vrieslichaam moet weerstand bieden tegen opdrijven. In het rechte vrieslichaam ontstaat, in tegenstelling tot een cilindervormig vrieslichaam, een buigend moment en een afschuifkracht. Er is zeer weinig kennis en ervaring op het gebied van berekenen van rechte vrieslichamen. korte ondergrondse verbindingen 91

92 De constructief benodigde dikte van het vrieslichaam kan berekend worden m.b.v. de buigtreksterkte en afschuifsterkte. Deze parameters zijn proefondervindelijk bepaald, waardoor een grote veiligheidsfactor moet worden aangehouden. Het is niet mogelijk om de dikte van het vrieslichaam te bepalen m.b.v. de CUR-aanbeveling 77 voor ongewapende onderwaterbetonvloeren, omdat de benodigde stempeldrukkracht niet nauwkeurig kan worden bepaald. H.o.h afstand van de vrieslansen moet de helft zijn van de te bevriezen dikte van het vrieslichaam De vriestijd, het vriesvermogen en het benodigde aantal liter koelvloeistof kan berekend worden met empirische formules, zodat de bouwkosten kunnen worden nagegaan. Tijdens de uitvoering kan m.b.v. temperatuursensoren, aangebracht in de wand van het bestaande bouwwerk en in meetlansen, precies het moment worden bepaald wanneer de doorbraak van het bestaande bouwwerk naar de verbinding veilig gemaakt kan worden. De verbinding Spuimarkt wordt gefundeerd op staal. Het gewicht van de verbinding is minder dan de ontgraven grond. De enige zetting die kan worden verwacht is door het ontdooien van het vrieslichaam, deze zetting zal minder dan 1,5 mm bedragen. De waterdichtheid van de verbinding wordt gerealiseerd door een laag folie in combinatie met Omegaprofielen. Het Omegaprofiel is benodigd om de prefabdakconstructie en het bestaande bouwwerk waterdicht te verbinden. De Omegaprofielen worden verzonken in het beton van de verbinding en afgedekt met een stalen plaat zodat geen verdere afwerking nodig is. Ps-schuimplaten met een dikte van 50 mm worden toegepast zodat het beton van de vloer en wanden kan uitharden op een korte afstand van het vrieslichaam. De isolatieplaten worden m.b.v. Styropor aan de folie gelijmd. De kosten van het vrieslichaam bedraagt in de situatie Spuimarkt ongeveer 60% van de totale bouwkosten van de verbinding. Aanbevelingen Er zal meer onderzoek verricht moeten worden naar rechte vrieslichamen ien het krachtenspel dat dit lichaam met zich meebrengt. Er zal onderzoek moeten worden verricht naar buigende momtenen in rechte vrieslichamen. Er zal meer onderzoek gedaan moeten worden de krachten die het vrieslichaam uitoefent op de bestaande bouwwerken. Zodat het mogelijk wordt de verstevigingen aan bestaande bouwwerken te berekenen. Teven dient er verder onderzoek gedaan te worden naar de meest economische h.o.h.-afstand van de vrieslansen. korte ondergrondse verbindingen 92

93 nawoord We hebben contacten gelegd met vele verschillende personen, met uiteenlopende specialisaties in de civiele techniek. Kennis van ondermeer de dwarsverbindingen van de Westerscheldetunnel is toegepast in dit onderzoek. We zijn er achter gekomen dat maar een handjevol mensen echt kennis heeft op gebied van de vriestechniek. Daarbij is er alleen ervaring op het gebied van cilindervormige vrieslichamen. De belangrijke parameters zijn proefondervindelijk bepaald. De vriestechniek is duidelijk geen exacte wetenschap gebleken. Daardoor kregen we wel het gevoel dat we ook echt met iets nieuws bezig waren. Doordat uitgebreid onderzoek is gedaan naar bouwmethoden voor korte ondergrondse verbindingen. Er is door ons een nieuwe bouwmethoden bedacht, die mogelijk in de toekomst verder ontwikkeld kan gaan worden en mogelijk toegepast worden. Bij het onderzoek naar het berekenen van de constructief benodigde dikte van het vrieslichaam is veel tijd verloren. We zijn te lang blijven hangen op het bepalen van de dikte van het vrieslichaam. Er had eerder besloten moeten worden om met de empirische dikte van 1m verder te gaan. Hierdoor liep de dimensionering en dus de rest van het onderzoek vertraging op. Omdat er nog zoveel onbekend is op gebied van vriestechniek, hadden we vooraf moeten bepalen wat we precies wilden gaan uitzoeken. Het was allemaal interessant en gingen we te veel zaken proberen uituitzoeken. Het was een zeer interessant onderwerp vooral omdat het nog zo onbekend is, er is heel veel geleerd op het gebied van ondergronds bouwen in het bijzonder: Verschillende bouwmethoden Vriestechniek Zettingen / opdrijven Waterafichting Isolatie korte ondergrondse verbindingen 93

94 contactpersonenlijst In de onderstaande lijst zijn per projectonderdeel de contactpersonen gegeven die een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan het onderzoek. O pdrachtgever / bedrijfsbegeleider: - H. Admiraal, Lectoraat ondergronds ruimtegebruik, COB Afstudeerbegeleider / waarnemend bedrijfsbegeleider: - P. Dekker, Hogeschool Zeeland Technische begeleiders: - W. van de Linde, Westerschelde tunnel en Hubertustunnel - M. Roepius, Westerschelde tunnel en Hubertustunnel Project Spuimarkt: - R. Lam, DHV Vriestechniek: - G. van Zwieten, Visser & Smitbouw Stikstofleverancier: - P. Beuker, Hoekloos Aanpak vriesberekening: - R. Rijkers, TNO Dimensionering vrieslichaam: - M. Naaktgeboren, Bouwdienst RWS Drukboogberekening: - A. Zeilmaker, Bouwdienst RWS Waterdichte folie: - P. Kön ig, ThyssenKrypp Xerron Is olatie: - B. Vercouteren, Hogeschool Zeeland Waterafdichting profielen: - W. Schrouwen, Trelleborg Uitvoering: - M. Looyen, Heijmans korte ondergrondse verbindingen 94

95 literatuurlijst COB-Rapporten: F100 Aanleg dwarsverbindingen met grondbevriezing Bij de westerschelde tunnel December 2002, COB Gouda CUR/COB F100 deel 2 Dwarsverbindingen met grondbevriezen Frostheave onderzoek in Nederlandse grond Mei 2003, COB Gouda CUR/COB F300 Dwarsverbindingen tussen buizen en geboorde tunnels Literatuurstudie Utrecht 17 november 1999 Ir. E.J. van der Horst CUR/COB F300 Dwarsverbindingen: Evaluatie uitvoeringsfase Praktijkonderzoek Botlekspoortunnel 20 september 2002 CUR/COB F300 Montagespanningen en dwarsverbindingen age deelprojectcommissie COB-F340 Ir. S.J. Lokhorst Utrecht 9 december 2003 CUR/COB M510 Inventarisatie grondverbeteringstechnieken Gouda, 8 augustus 1996 CUR/COB M Grondverbeteringstechnieken doormiddel van injectie Werkrapport Stichting CUR Juli 2000 M530 Bevriezen van grond, kruip- en sterkteproeven September 1999, CUR/COB M530 Studie Grondbevriezen, Ontwerpervaring Holland Railconsult April 1999 M530 Grondbevriezing uitvoeringspraktijk, Maart 1999 ing. T.J. Mesman korte ondergrondse verbindingen 95

96 M Grondbevriezen December 1999, Gouda CUR/COB Overige literatuur : Grondkerende constructies met behulp van vriestechnieken Technische en economische haalbaarheid 5 april 2002, Gerard van Zwieten Handboek ondergrondsbouwen Ondergrondsbouwen in breed perspectief Deel , COB Gouda CUR/COB Handboek ondergrondsbouwen Bouwen vanaf het maaiveld Deel , COB Gouda CUR/COB Bouwwijze en constructie van de dwarsverbindingen in de Westerscheldetunnel Martijn Meulblok Terneuzen, Juli 2001 Ground freezing in practice J.S. Harris korte ondergrondse verbindingen 96

97 bijlage 1 plan van aanpk Het Plan van Aanpak is los bijgevoegd korte ondergrondse verbindingen 97

98 bijlage 2 grondgegevens Grondgegevens zijn is los bijgevoegd. korte ondergrondse verbindingen 98

99 bijlage 3 ontwerp verbinding spuimarkt Tekening is los bijgevoegd. korte ondergrondse verbindingen 99

100 korte ondergrondse verbindingen 100