ir. N.H. Rövekamp ir. D. Nakken BAM Infraconsult BAM Infraconsult Samenvatting Figuur 1 De asymmetrische bouwkuip in de Ringvaart tijdens nat ontgraven. Voor de bouw van het nieuwe aquaduct in de A4 onder de Ringvaart pal naast het bestaande aquaduct zijn een drietal geotechnische risico's geïdentificeerd: schade door trillingen; schade door zakkingen ten gevolge van trillingen en schade ten gevolge van vervormingen. Deze risico's zijn uitgebreid beschouwd en hebben tot een aantal aanpassingen geleid in het ontwerp. Zo zijn de funderingspalen van het hulpplatform op een hoger niveau weggezet en is een stijf stempelraam toegepast Naast deze preventieve maatregelen zijn in de onderliggende studies vanzelfsprekend ook een aantal correctieve maatregelen benoemd (in dit artikel verder niet behandeld). Op basis van de uitgebreide monitoring is gebleken dat de vooraf bepaalde grenswaarden niet zijn overschreden en dat er dus ook geen gebruik hoefde te worden gemaakt van deze correctieve maatregelen. De belangrijkste vaststelling is echter dat er geen schade is ontstaan aan het bestaande aquaduct en dat het verkeer gedurende de bouwactiviteiten ongehinderd doorgang heeft kunnen vinden. Invloed van de bouw van een nieuw aquaduct in de A4 op het bestaande aquaduct Ringvaart Daar waar de snelweg A4 de Ringvaart kruist ten Noorden van Roelofarendsveen wordt momenteel hard gewerkt aan de aanleg van een aquaduct ten behoeve van de uitbreiding van de A4. Dit werk maakt onderdeel uit van de totale verbreding van de A4 tussen Burgerveen en Leiden van 2x2 naar 2x3 rijstroken (zie figuur 2). Deze verbreding is opgedeeld in drie delen: Projectdeel Noord - Burgerveen - Ringvaartaquaduct; Midden - Ringvaartaquaduct - Dwarswatering (Leiderdorp); Zuid - Dwarswatering - Aansluiting Zoeterwoude-Dorp. Het middelste gedeelte is gelijktijdig gebouwd met de aanleg van de HSL Zuid. Hierin bevindt zich onder andere de verdiepte ligging A4 waarbij de HSL vrijwel op maaiveld over de A4 wordt geleid met behulp van een imposante fly-over. De projectdelen Noord en Zuid zijn eind 2006 door Rijkswaterstaat opgedragen aan de combinatie A4 Burgerveen - Leiden, een consortium bestaande uit BAM Civiel, BAM Wegen, VTN en Van Oord. BAM Infraconsult is binnen de combinatie verantwoordelijk voor het ontwerp. Het meest aansprekende kunstwerk in het Zuidelijke projectdeel is zondermeer de verdiepte ligging onder de Oude Rijn over 1.400 m te Leiderdorp. Helaas zijn de werkzaamheden daar momenteel opgeschort in verband met de vernietiging van het Tracé Besluit. Het Tracé Besluit voor het Noordelijke Projectdeel was reeds onherroepelijk en zijn de bouwactiviteiten volgens planning van start gegaan. Buiten de verbreding van de aardebaan, worden binnen dit deel drie kunstwerken gebouwd cq verbouwd. Het betreft de fly-over van de A44 naar de A4 richting Amsterdam, de kruising met de Lisserweg en de kruising met de Ringvaart met behulp van een aquaduct. De Opdrachtgever heeft er voor gekozen om het bestaande aquaduct voor de A4 te behouden en het verkeer vanuit Amsterdam richting Den Haag daar doorheen te leiden. Voor de tegenovergestelde richting wordt een nieuw aquaduct gebouwd ten Oosten van het bestaande aquaduct (zie figuur 3). Zoals in figuur 4 te zien is ligt het nieuw te bouwen aquaduct dieper en is het ook veel breder dan het bestaande aquaduct. Dit wordt onder andere veroorzaakt doordat het nieuwe aquaduct gelijk geschikt wordt gemaakt voor vier rijstroken, maar vooral ook door de gewijzigde voorschriften. Zo is het PVR verhoogd van 4,10 naar 4,50 m en zijn er vluchtstroken en vluchtpaden voorzien. Tevens is de straal van de toegepaste voetboog 5.000 m ten opzichte van 2.400 m voor de bestaande situatie. Dit laatste resulteert weer in een veel langere verdiepte ligging van circa 660 m ten opzichte van 374 m. Bouwmethode De toegepaste bouwmethode voor het aquaduct gedeelte is ogenschijnlijk zeer traditioneel: De damwanden van de bouwkuip worden ingetrild; Stempels worden aangebracht; De waterstand wordt verlaagd om evenwicht te maken met de stijghoogte in het Pleistocene zandpakket; De bouwkuip wordt nat ontgraven tot circa 13,00 m NAP; Gewi-palen worden aangebracht als trekelement (in de gebruiksfase ook als drukelementen); 14 GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008
Onderwaterbeton wordt gestort en de bouwkuip wordt leeggepompt; Vervolgens wordt de betonconstructie gebouwd; Grond wordt aangevuld tussen de damwanden en het aquaduct; Bouwkuip wordt weer vol water gezet, stempels verwijderd en de damwanden worden afgebrand. Door een aantal factoren is de bouw van het aquaduct echter veel complexer en risicovoller. Zo wordt het nieuwe aquaduct op slechts 10 à 12 m naast het bestaande aquaduct gebouwd. Tevens dient tijdens de uitvoering in de Ringvaart een minimale doorgangsbreedte van 12 m te worden gegarandeerd. Hierbij komt ook nog eens kijken dat de Ringvaart en de A4 elkaar onder een schuine hoek kruisen. Dit resulteert in een asymmetrische bouwkuip zoals te zien is in figuur 1. Ten gevolge van de eis met betrekking tot de gegarandeerde doorgangsbreedte, wordt het gesloten gedeelte gefaseerd gebouwd. In figuur 1 is de 1e fase zichtbaar, waarbij eerst de Noordelijke zijde van de Ringvaart wordt gebouwd. Zodra deze helemaal gereed is wordt de bouwkuip met een zogenoemde brievenbusconstructie overgezet naar het Zuidelijke deel van de Ringvaart. In deze bouwkuip wordt dan vervolgens het resterende gedeelte afgemaakt en verbonden met het reeds gereed zijnde deel. Risico gestuurd ontwerp Eén van de top risico s binnen dit werk, voor zowel de Opdrachtgever als de Combinatie, is de beschikbaarheid van de bestaande A4. Door het ontwerp risico gestuurd in te richten, is dit risico voor het Ringvaart aquaduct verder vertaald naar de volgende onderliggende risico's: Figuur 2 Overzichtskaart van het Projectgebied verbreding A4 Burgerveen-Leiden. Figuur 3 Ligging van het nieuw te bouwen aquaduct ten opzichte van het bestaande A4 en HSL aquaduct. 1. Schade door trillingen Hieronder wordt verstaan trillingen veroorzaakt bij de bouw van het nieuwe aquaduct. Activiteiten waarbij trillingen veroorzaakt worden zijn: Installatie van damwanden/combiwanden; Installatie van funderingspalen; Verwijderen van damwanden/combiwanden; Op basis van de te verwachten trillingssnelheden bij deze activiteiten is bepaald of hierdoor schade kan ontstaan aan het bestaande aquaduct. 2. Schade door zakkingen t.g.v. trillingen Ten gevolge van de trillingen veroorzaakt bij het bouwproces kan verdichting van losgepakte Figuur 4 Doorsnede van het nieuw te bouwen aquaduct en het bestaande aquaduct ten behoeve van de A4. GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008 15
Figuur 5 Gemeten trillingssnelheid tijdens het heien van de hulpdamwand op 4 m afstand van het bestaande aquaduct. Figuur 6 Het verdichtingsgebied ten gevolge van trillingen weergegeven naast het draagkrachtgebied van de bestaande paalfundatie. zandlagen plaatsvinden. Onderzocht is of de verdichting van zand bij het installeren van damwanden, combiwanden en buispalen kan leiden tot zakking van de bestaande A4 en het bestaande aquaduct. 3. Schade door semi-statische vervormingen Bij de ontgraving van de bouwkuip van het nieuwe aquaduct treden er vervormingen op. Ten gevolge van deze vervorming, vervormt het bestaande aquaduct ook. Ook deze vervorming kan leiden tot schade aan het bestaande aquaduct. Bovengenoemde risico's zijn vervolgens onderzocht. Hierbij is de grootte van de belasting (trillingsniveau, vervormingen, enz.) onderzocht en is de sterkte van het bestaande aquaduct zo goed als mogelijk gekwantificeerd. Op deze wijze is onderzocht hoe groot de genoemde risico's daadwerkelijk zijn en waar nodig, zijn er preventieve- en/of correctieve maatregelen bij bedacht. Schade door trillingen De predictie van de te verwachte trillingen is in opdracht van de Combinatie uitgevoerd door IFCO [1]. Deze trillingspredictie is gebaseerd op empirische gegevens afkomstig uit trillingsmetingen. Op basis van deze analyse zijn voor de verschillende sneden en verschillende activiteiten de volgende te verwachten trillingssnelheden ingeschat. Van een aantal kenmerkende onderdelen zijn in tabel 1 de resultaten weergegeven (waterpeil van de Ringvaart ligt op circa 0,50 m NAP). De toelaatbare trillingen zijn bepaald op basis van de SBR, deel A - Schade aan gebouwen, meet- en beoordelingsrichtlijn [2]. Bij een indicatieve meting is de toelaatbare trillingssnelheid 8,1 à 8,8 mm/s (categorie 1, continue trilling, frequentiedomein 35-40 Hertz). Alleen bij het uittrillen van de buispaal ten behoeve van het remmingswerk komt de verwachte trillingssnelheid in de buurt van de toelaatbare snelheid. Dit betreft echter slechts één enkele buispaal waarvoor eigenlijk een hoger criterium kan worden gehanteerd. Het gros van het werk, de bouwkuip en de hulpdamwand, blijft ruim onder de toelaatbare trillingssnelheid. Ondanks dat het risico beperkt lijkt is besloten om, naast een uitgebreid monitoringsprogramma, aan de Oostzijde van de bouwkuip te beginnen. Deze zijde bevindt zich namelijk op de grootste afstand van het bestaande aquaduct. Hierdoor kon bij afnemende afstand van de damwandplanken/buispalen de toename van de trillingintensiteit in de gaten worden gehouden. Uiteindelijk blijkt uit de trillingsmetingen dat, naast de verklaarbare en onverklaarbare individuele uitschieters, de trillingssnelheid altijd beneden de 4 mm/s is gebleven en geen aanvullende maatregelen nodig zijn geweest. Deze trillingen werden gemeten tijdens het aanbrengen van de hulpdamwand, die tussen de werkweg en het bestaande aquaduct is geplaatst op circa 4 m afstand van het bestaande aquaduct (zie figuur 5). Zakkingen ten gevolge van trillingen Ten gevolge van de trillingen die gepaard gaan met het trillend installeren van stalen damwanden, combiwanden en buispalen kan verdichting van losgepakte grondlagen voorkomen. Dit leidt tot zettingen in de omgeving. De grondvervorming kan leiden tot vervorming van het bestaande aquaduct. Om een inschatting te maken van de kans op zakking van het bestaande aquaduct ten gevolge van deze trillingen is gebruik gemaakt van een empirisch model. Dit model is toegepast bij een analyse gemaakt door Deltares (destijds Geodelft) ten behoeve van het voorspellen van de maaiveldzakkingen bij het zuidelijk deel van het werk (de verdiepte ligging bij de kruising met de Oude Rijn) [3]. De resultaten van deze analyse zijn vervolgens op schematische wijze toegepast ter plaatse van het aquaduct Ringvaart. Uit deze studie is af te leiden dat het zakkingsbeeld als gevolg van het intrillen van een damwand te beschrijven is als een zettingstrog onder een hoek van 27,5 beginnend op 0,5 à 1 m uit de teen van de damwand ( verdichte zone ). De grootte van de zetting op maaiveld hangt af van de grondsoort, de dichtheid van de grond en de trillingsintensiteit, met name het aantal wisselingen. Bij de het aquaduct Ringvaart hebben we voor een groot gedeelte te maken met een op palen gefundeerde constructie. De grootte van de maaiveldzakking is daarom niet zo relevant. Wel relevant is de locatie van de paalpunt van de bestaande constructie ten opzichte van het verdichtingsgebied. Aangezien de funderingspalen het grootste gedeelte van de draagkracht ontlenen aan de puntweerstand van de paal is een reële aanname gedaan, dat geen verzakking van de paalpunt zal optreden indien het verdichtingsgebied het draagkrachtgebied niet doorsnijdt (zie figuur 6). Het verdichtingsgebied ten gevolge van het intrillen van de damwanden blijft op basis van 16 GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008
Invloed bouw nieuw aquaduct in de A4 op bestaande aquaduct Ringvaart deze analyse ruimschoots buiten het draagkrachtgebied van de palen. Dit was echter niet het geval voor de palen ten behoeve van het hulpplatform (de werkweg tussen de bouwkuip en het bestaande aquaduct, zie figuur 1). Deze hadden oorspronkelijk een paalpuntniveau van -22 m NAP. Met deze diepte valt het draagkrachtgebied (paalpunt) van de buitenste palen van het bestaande aquaduct in het verdichtingsgebied. Hierdoor is de kans op verzakking van het bestaande aquaduct te groot. Daarom is gekozen om de buispalen te plaatsen tot een diepte van -15,0 m NAP. Om voldoende draagkracht te creëren zijn de palen uitgeboord tot een diepte van -14,0 m NAP. Vervolgens is een betonprop aangebracht. Door deze werkwijze wordt de draagkracht van de palen van het bestaande aquaduct niet nadelig beïnvloed en hebben de palen van het hulpplatform voldoende draagkracht. Figuur 7 Plaxis model met rechts het bestaande aquaduct en links het aquaduct in aanbouw. Schade door semi-statische vervormingen Het derde risico betreft de vervormingen ten gevolge van het ontgraven van de bouwkuip. Door de vervorming van de damwand zal de grond achter de damwand ook vervormen. Hierdoor zal ook het bestaande aquaduct kunnen verplaatsen. Het betreft hier overigens niet alleen de vervorming van een enkele damwand; ten gevolge van de asymmetrische doorsnijding van de Ringvaart, wordt de gehele bouwkuip asymmetrisch belast. Daar waar de bouwkuip de dijk doorsnijdt wordt de bouwkuip aan één zijde (de zijde van het bestaande aquaduct) door grond belast, terwijl aan de andere zijde alleen maar water staat. Ter plaatse van deze doorsnede wil de gehele bouwkuip dus verplaatsen. In eerste instantie is met behulp van een interactieve berekening in MSheet de bouwkuip gedimensioneerd. Vervolgens is met behulp van een Plaxis-berekeningen de vervorming van het bestaande aquaduct berekend. Indien wordt gerekend met een bovenbelasting Figuur 8 Plaxis model met rechts het bestaande aquaduct en links het aquaduct in aanbouw. Onderdeel Inbrengdiepte Afstand tot het Verwachte trillingssnelheid [mm/s] [m t.o.v. NAP] bestaande aquaduct [m] Intrillen Uittrillen Bouwkuip - AZ48-20,0 ca. 12,4 3,0 3,8 Open stalen buispalen Ø600 Hulpplatform (tussen oude en nieuwe aquaduct) -15,0 4 7 - Open stalen buispalen Ø600 remmingwerk -16,0 4 7 8,8 Hulpdamwand/veiligheidsscherm AZ13-13,0 4 4,6 5,8 Tabel Figuur 1 1 Verwachte Xxxxxxxxxxx trillingssnelheid bij het bestaande aquaduct. GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008 17
Figuur 9 Vergelijking berekende vervormingen Plaxis versus Msheet. Figuur 10 Berekende vervorming vergeleken met de gemeten vervormingen na het droogzetten van de bouwkuip. naast de bouwkuip, is de maximaal berekende vervorming van de bouwkuip circa 255 mm. Zoals in figuur 8 echter goed is te zien nemen de vervormingen richting het bestaande aquaduct snel af. De maximaal toelaatbaar geachte vervorming van het bestaande aquaduct is bepaald op basis van een berekening van de capaciteit van de palen onder het bestaande aquaduct en een inschatting van de vervormingscapaciteit van de bestaande voegconstructies. Deze maximaal toelaatbaar horizontale vervorming bedraagt circa 10 mm. Uit de berekeningen volgt een maximale vervorming van de vloer van het bestaande aquaduct van 5 mm. Dit is minder dan de maximaal toelaatbaar vervorming van 10 mm. Hoewel de berekende vervormingen vermoedelijk opneembaar zijn door het bestaande aquaduct, is 255 mm vervorming relatief veel. Derhalve is gekeken of deze vervormingen kunnen worden gereduceerd door een rotatiestijf stempelraam te ontwerpen. Tegelijk dient er tussen de stempels nog wel voldoende ruimte over te blijven om te kunnen ontgraven en voor het aanbrengen van de gewi-ankers. Dit heeft geresulteerd in het stempelraam zoals is te zien in figuur 1, hierbij is een zeer stijve gording toegepast, bestaande uit 3xHEB800 profielen. Tevens wordt een gedeelte van de uitwendige rotatiebelasting afgevoerd naar de aansluitende bouwkuip. Men dient zich ook te realiseren dat de berekende vervormingen een absolute bovengrens zijn, de bouwkuip wordt namelijk niet over de volledige lengte asymmetrisch belast en is in werkelijkheid niet een volledige bovenbelasting permanent aanwezig. Ondanks deze relatievering en het stijve stempelraam is in het verdere ontwerp (onder andere gelet op toleranties en plaatsing gewi's) wel rekening gehouden met deze grote vervormingen. Een vergelijking van de resultaten leert dat de resultaten redelijk goed overeen komen. Over het algemeen is de vervorming berekend met Plaxis groter dan de vervorming berekend met MSheet. De momenten berekend met Plaxis zijn over het algemeen kleiner dan de momenten berekend met MSheet. De invloed op het bestaande aquaduct is bepaald op basis van de grote vervormingen zoals gevonden met Plaxis. Het type damwandplank is bepaald op basis van de momenten gevonden bij MSheet berekeningen. Natuurlijk zijn de vervormingen in de beschouwde doorsnede ook gemeten. Hiertoe zijn een aantal inclinometerbuizen aangebracht verspreid over de bouwkuip. Op de positie van de meest asymmetrische doorsnede is een vergelijking gemaakt tussen de berekende en de gemeten vervorming. 18 GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008
Invloed bouw nieuw aquaduct in de A4 op bestaande aquaduct Ringvaart Figuur 11 Vervorming van de bouwkuip na ontgraven en droogzetten. Indien deze worden vergeleken met de berekende vervormingen, wordt direct duidelijk dat de berekening met bovenbelasting te grote vervormingen geeft. In figuur 10 is dan ook de gemeten vervorming vergeleken met de berekende vervorming zonder bovenbelasting. Zelfs dan nog geven de berekeningen met MSheet en Plaxis een overschatting van de vervorming. Dit zit hem voornamelijk in de vervorming van het stempelraam (translatie). Door 3D werking van het stempelraam is de translatie van het stempelraam kleiner dan volgens de berekeningen. Dit stemt op zich goed overeen met de verwachting. Ten gevolge van de rotatie van de bouwkuip, treden de maximale vervormingen overigens niet op ter plaatse van de beschouwde doorsnede, maar meer richting het midden van de Ringvaart. De maximaal gemeten verplaatsing is circa 140 mm. Op zich valt dit nog binnen de geprognotiseerde waarden, maar is wel duidelijk buiten waarneembaar (zie figuur 11). Er zijn ook metingen gedaan aan de vervormingen van het bestaande aquaduct. Hoewel bijna alle metingen binnen de geprognotiseerde 5 mm vielen, is hier geen duidelijke trend waarneembaar. Het is zelfs aannemelijk dat de gemeten vervormingen bijna volledig zijn veroorzaakt door de jaarlijkse temperatuurvariatie. De belangrijkste constatering is echter dat ten gevolge van het ontgraven van de bouwkuipen geen schade is ontstaan aan het bestaande aquaduct. [1] Prognose trillingen Ringvaartaquaduct Haarlemmermeer, IFCO, kenmerk B07VM032.TM.3822.doc, 30 maart 2007. [2] Meten en beoordelen van trillingen: Schade aan gebouwen (deel A), SBR, 19 september 2003. [3] A4, verdiepte ligging Oude Rijn, Predictie maaiveldzakking bij plaatsen damwand en combiwand, Geodelft, P. Meijers, mei 2007. GEOtechniek Funderingsdagspecial december 2008 19